气体保护焊等离子弧焊与切割.doc

052气体保护焊等离子弧焊与切割2222第五章 气体保护焊等离子弧焊与切割第三节 熔化极气体保护焊 熔化极气体保护焊是应用最广泛的焊接方法之一。焊条电弧焊，熔化极气体保护焊以及钨极氩弧焊已经成为机械行业必备的焊接工艺方法。其中，气体保护焊以其生产效率高，焊接质量好，操作简单，成本最低而得到极其广泛的应用。可以说，如果掌握了熔化极气体保护焊技术特别是短路过渡气体保护焊技术，就能在机械制造企业立足。熔化极气体保护焊与钨极氩弧焊的最大区别就在于熔化极气体保护焊的电极在焊接过程中是熔化的，如图示。为此，熔化极气体保护焊的电源外特性与焊条电弧焊不同，还需要专门的送丝机构用来送进焊丝。熔化极气体保护焊焊接示意图熔化极气体保护焊设备示意图1 熔化极气体保护焊的焊接电源：绝大多数气体保护焊电源都是平外特性配用等速送丝机构。下降外特性电源配用变速送丝机构，只有在焊丝直径超过2.0毫米时才使用，多用于厚板铝合金的机器焊。我们能够实际接触到的都是平特性电源加等速送丝机构。下降外特性电源加变速送丝，在此就不讨论了。a 电弧自动调节特性：熔化极气体保护焊的电弧静特性，位于曲线的上升段。采用平特性电源，等速送丝机，能够以最小的成本，达到电弧稳定燃烧的目的。电弧自动调节特性的研究是大学本科的内容，我们不进行深入的讨论。在这里仅仅说明它的原理。 熔化极气体保护焊电弧在燃烧时，一方面焊丝在不断送进，另一方面，焊丝也在不断的熔化。电弧稳定燃烧的基本条件和具体特征就是焊丝的送进速度必须等于焊丝的熔化速度。即： V送V熔 另外，在我们这个熔化极气体保护焊系统中，作出三个假设：第一， 焊接电源是平特性的，无论焊接电流发生多大变化，电源的输出电压维持不变；第二， 把电弧简化为一个大电阻；这也基本符合实际情况，整个焊接回路的电阻实际上就是弧阻；第三， 整个焊接回路的表现符合欧姆定律；UIR；焊接回路当中实际上是存在电感和变压器的内阻的，但是，与电弧电阻相比，他们都可以忽略不计。另外，虽然电弧静特性曲线整体上是U型不是线性的，但是在气体保护焊的范畴，电弧静特性曲线位于上升段，可以认为是线性的。现在，在焊接过程中，由于外界的干扰，电弧略微拉长，于是，弧阻增大，电压不变，那么根据欧姆定律，电流一定变小，于是，焊丝的熔化速度也就变小，V熔V送，焊丝送得快，熔得慢，那么弧长趋向于变短，最后又恢复到V送V熔；电弧继续稳定燃烧； 假如，在焊接过程中，由于外界的干扰，电弧略微缩短，于是，弧阻减小，电压不变，那么根据欧姆定律，电流一定增大，于是，焊丝的熔化速度也就增大，V熔V送，焊丝熔化快，送进慢，那么电弧又趋向于变长，最终又恢复到V送V熔；电弧继续稳定燃烧； 也就是说，平特性电源加等速送丝，焊接过程中的弧长波动可以自动恢复。这就是电弧的自动调节特性。在焊丝直径不超过1.6毫米的情况下依靠电弧自动调节特性可以很好地维持电弧稳定燃烧。b焊接规范的调节：熔化极气体保护焊的规范调节与焊条电弧焊和钨极氩弧焊不同，焊条电弧焊，钨极氩弧焊调节电流只需要旋转一个旋钮或者手柄，但是，熔化极气体保护焊的电流调节却需要旋转两个旋钮，它们是：焊接电压旋钮和送丝速度旋钮。 假定现在熔化极气体保护焊的电弧在稳定燃烧中，弧长保持不变。如果我们需要增大电流，那么按照欧姆定律，我们要增大焊接电压，所以，要把焊接电压的旋钮向增大方向旋转。这时弧压升高，电流增大，焊丝熔化速度会加快，V送V熔的平衡会打破，如果不加控制的话，电弧会越来越长，最后焊丝和导电嘴熔化在一起，送丝终止，电弧熄灭。所以，我们在增大电弧电压的情况下要把送丝速度的旋钮也向增大方向旋转，使得焊丝的送进速度也加快，这样就能继续保持V送V熔的平衡，电弧长度略微增长，焊接电压升高，焊接电流增大，达到了调节焊接电流的目的。详细的焊接电流调节方法将在操作技术一节中详细叙述。c 熔化极气体保护焊的熔滴过渡：焊丝被电弧熔化后形成熔滴，熔滴从焊丝端部滴落并进入熔池的过程叫做熔滴过渡。气体保护焊的熔滴过渡可以分为滴状过渡，短路过渡，喷射过渡，旋转喷射过渡和脉冲喷射过渡。其中，滴状过渡因焊缝成型恶劣不予采用，旋转喷射过渡也应用很少，其他几种过渡形式都广泛得到应用。 我们在操作焊条电弧焊的时候，如果把电弧拉长，用高速摄影拍摄，可以看到一滴滴颗粒比较大的熔滴从焊条端部向熔池中滴落，但是熔滴并不是直接滴入熔池，而是在电弧空间扭曲摇摆着，熔滴的形状也在不断变化，最后，熔滴经过复杂的曲线运动进入熔池。有些熔滴甚至滴落过程中又返回焊条端部，然后再次滴落下来。有些则没有进入熔池，直接飞出电弧空间。如果逐渐压低电弧，这时可以通过高速摄影看到，熔滴尺寸变细，滴落速度加快，当电弧压低到一定程度，熔滴会跟熔池出现短路现象。这时电弧熄灭，而熔滴就是在电弧熄灭时过渡到熔池中的。熔滴过渡后，电弧再次引燃，加热和熔化焊条，熔滴又逐渐长大，直到发生再一次的熔滴短路。这时，焊接电流，焊接电压的波动都比较小，飞溅也较小，焊缝波纹细密，成型优良。 反之，在焊接电流比较小，焊接电压却很高的时候，就是电弧长度拉得很长的情况下，熔滴尺寸很粗大，滴落速度慢，就是过渡频率很低，飞出电弧空间的熔滴很多，也就是飞溅很大。焊缝成型不好。熔滴究竟怎样从焊丝端部过渡到熔池中的呢？熔滴的尺寸和过渡频率是根据什么决定的呢？熔滴的过渡特性为什么对于电弧稳定性，飞溅的大小，以及焊缝成型为什么有如此显著的影响呢？或许我们可以想到，焊丝端部熔化的熔滴本身具有一定质量，它是被地球引力吸引到熔池中去的。但是，焊条电弧焊在仰焊的位置，焊条是向上的，重力方向与熔滴的过渡方向相反，但是仰焊仍然可以顺利操作，把熔滴逆着重力方向过渡到工件上去。另外，高速摄影证明，熔滴每秒钟可以滴落数百滴，这说明熔滴滴落时的加速度远远高于重力加速度9.8m/s2。这就让我们认识到，重力或许不是促使熔滴过渡唯一的力，甚至不是主要的力。熔滴之所以能够从焊丝端部过渡到熔池中，除了重力以外，一定还有其他的力促使熔滴过渡，同时这些力的作用比重力更重要。虽然上述现象是在焊条电弧焊操作中观察到的，但是在熔化极气体保护焊中同样可以观察到。现在我们对熔化极气体保护焊的熔滴过渡进行细致的研究，为此我们首先指定氩气作为保护气。首先研究熔化极氩弧焊的熔滴过渡状况。研究表明，在熔化极氩弧焊中，影响熔滴形成和过渡的力除了熔滴自身的重力以外，还有表面张力，电磁收缩力(简称电磁力)，斑点压力以及等离子流力等等。熔滴的过渡频率(每秒钟过渡多少滴)，过渡形式(喷射过渡还是短路过渡)都是由这些力共同作用的结果来决定的。附录：熔滴上的作用力：1 重力和表面张力：假如一根悬垂的筷子端头有一滴水，那么这滴水可以悬在筷子端头并不落下来。在焊丝端部的熔滴也有类似的情况。由于液体金属表面张力的作用，也会让液体熔滴悬垂在焊丝端部阻止它的过渡。这时，重力Fmg是有利于熔滴过渡的。熔滴悬垂在焊丝端部的表面张力由下式决定： Fs2Rcos 式中：Fs 表面张力的轴向分力 R 焊丝半径 液体金属的表面张力系数(与液体金属种类，气体种类，温度有关) 在长弧焊时，表面张力总是阻碍熔滴脱离焊丝端部，因而是反过渡力。 在短弧焊时，熔滴尚未长大到与熔池接触之前，表面张力也是阻碍熔滴过渡，但是当熔滴与熔池接触之后，由于熔滴与熔池的接触周界长度比与焊丝要大得多，因此表面张力会把熔滴拉入熔池。在这时，表面张力才成为过渡力。由此可见，使用细直径的焊丝，改善液体的表面张力系数，有利于熔滴过渡。不锈钢，高温合金等等高镍铬含量的金属的液体粘度非常大，表面张力系数大，可以超过碳钢的表面张力系数50，过渡困难。而铝合金表面张力系数就很小，铝熔滴过渡轻快。在氩气中掺入少量氧气，也能降低表面张力系数。焊接不锈钢的时候通常都要加入1左右的氧气。2斑点压力：我们在讲解电弧的时候，提到过电弧是依靠气体电离和电子发射来作到让气体导电的。所以在电弧空间充斥着带电的质点，电子和离子。它们在电场的作用下，电子加速飞向阳极，而正离子飞向阴极。并且猛烈地撞击在电极的斑点上。产生了机械撞击力。这个力称为斑点压力。可见无论是直流正接还是直流反接，这个力都是阻止熔滴过渡的。 直流正接DCEP，焊丝作为阴极，阴极斑点落在熔滴底部，撞击在熔滴底部阴极斑点上的是氩正离子，它的质量大，撞击力强，所以熔化极气体保护焊时如果使用直流正接，熔滴可以在焊丝端部成长为巨大的熔球，在电弧空间飘荡，几乎无法过渡。 直流反接DCEN，焊丝作为阳极，阴极斑点落在熔池上，沉重的氩正离子砸向熔池，阳极斑点落在熔滴底部，撞击在熔滴底部的是电子，它的质量仅仅是氩正离子的几万分之一，阻止熔滴过渡的斑点压力就小得多。所以，气体保护焊必须使用直流反接才能正常操作，焊条电弧焊也仅仅是在堆焊打底或者铸铁补焊这类要求少熔化母材的情况下才使用直流正接。另外，氩正离子砸向熔池，能够破碎熔池表面的氧化物，在铝合金焊接时这是必不可少的条件。 总之，在直流正接的情况下，飞溅大，熔深浅，熔滴氧化严重，几乎不能完成熔滴过渡。所以，熔化极气体保护焊都采用直流反接。3电磁力：我们在讲解电弧的时候提到过电磁力的概念。库仑在1820年发现两根通有相同方向电流的平行直导线会互相吸引。通有相反方向电流的平行直导线则互相排斥。这可以用中学物理的右手螺旋定则和电动机左手定则来解释。假定两根平行直导线垂直于纸面，电流流入纸面。载流导体会产生磁场，两根导线都会产生磁场，磁场方向按照右手螺旋定则确定。其中一根导线在另一根导线的磁场中，磁场中的载流导体受力方向按照左手定则确定，于是，可以知道这两根平行导线互相吸引。这是两根载流导体的情况。任何载流导体，其中所通过的电流都可以认为是由许多导电的电流素线组成，这些电流素线之间也要产生相互的吸引力。把所有电流素线所产生的吸引力积分起来，就可以得到一个从四周向中心压缩导体的力。它趋向于把导体的截面变细。这个力就叫做电磁力。电磁力的大小与电流的平方成正比。对于液体导体和气体导体都适用。但是对于固体导体电磁力比较小，不能导致固体导体截面变细，除非是在雷击的情况下，闪电产生强大磁场，导体中通过极大的电流，所以，被雷电击中的变压器线圈都会被扯断。但是对于液体导体和气体导体就不同了。电磁力足以让它们的截面变细。当焊接电流通过液体金属熔滴时，电磁力对熔滴产生压缩作用，于是熔滴就在某个截面变细，最终从焊丝端部滴落下来。所以，电磁力如图示在大多数情况下都是过渡力。 电磁力是否是过渡力要看弧根面积的大小。所谓弧根就是熔滴导电的部位。熔化极氩弧焊，弧根面积非常大，甚至可以扩散到熔滴的上半部去，但是在二氧化碳气体保护焊，弧根面积很小，所以电磁力在二氧化碳气体保护焊的熔滴滴落过程中贡献不大，但是在熔滴短路之后贡献很大。4等离子流力：电弧中心部分电流密度非常大，温度极高，其中的气体完全电离，这种完全电离了的气体称为电弧等离子体。导电性能极好。焊接电弧的形状是锥形，从上向下是发散的，所以在电流素线之间的电磁力会有一个轴向的向下的分力，于是，弧心部位的等离子流体在这个轴向推力的推动下高速向下流动，速度可超过音速，达到103米每秒。气流流动形成的真空就依靠吸取电弧上方的气体来补充。这就形成了焊接电弧的等离子流力。这股超音速气流从焊丝端部进入电弧空间时，可以促使熔滴脱离焊丝端部并加速向熔池滴落。还能对熔池产生强大的挖掘作用，增加熔深，甚至把熔池金属吹出熔池之外。即使是钨极氩弧焊，在大电流时也能产生明显的等离子流力。等离子流力虽然在正接反接都能产生，但是，直流正接时，熔滴非常粗大，还受到斑点压力四处飘荡，从流体力学的角度来说会减弱等离子流力。电流越大，等离子流力越大，小电流时就不明显了。现在，以熔化极氩弧焊，直流反接为例说明不同的熔滴过渡状况；l 滴状过渡：熔化极氩弧焊，以高电压，低送丝速度施焊，这时电弧很长，熔滴直径可以长得很大，基本上依靠重力滴落，听不到电弧声，焊丝端部始终悬垂着液态熔滴，焊缝熔深很浅，宽度很宽，由于电流很小，基本上没有阴极清理作用。焊缝成型不佳，实际生产不使用。l 喷射过渡：依然维持高弧压，逐渐增大送丝速度，这时电弧长度缩短，电流增大，等离子流力逐渐增大，电弧声加强，当电流增大到一定程度，而电压高于某个数值时，焊丝端部变尖，熔滴开始以细滴的形式向熔池中喷射，这时能听到电弧声。看到明显的阴极清理作用。焊接电压和焊接电流都相当稳定，焊机的电压表和电流表指针基本不摆动。不同材质不同直径的焊丝喷射过渡临界电流如下表：不锈钢 (mm)1.01.62.02.53.0临界电流A190240280320350铝合金 (mm)1.21.62.43,2临界电流A130160200235 注意，喷射过渡通常用来焊接不锈钢，铝合金，焊接低碳钢则很少采用。原因是采用喷射过渡必须使用惰性气体作保护气，氧化性气体在保护气中的比率不能太高，否则会造成焊缝的严重氧化。另外，喷射过渡电弧温度非常高，还必须使用水冷焊枪，只能在平位置施焊而且焊接规范区比较窄，这对于低碳钢显得成本太高而且也太不方便了。l 短路过渡：熔滴短路过渡与喷射过渡相比焊接规范区相当宽，可以全位置焊接，在碳钢焊接应用极其广泛，但是短路过渡电弧发热量比较低，容易导致焊缝内部的未熔合，在工艺上要采取控制措施。与喷射过渡时稳定的电压电流不同，短路过渡时电压电流是周期性变化的。电弧引燃后，焊丝端部开始形成金属液体熔滴并随着熔滴尺寸的长大和焊丝连续不断地送入电弧空间，弧隙缩短，如照片所示。焊丝继续向下送进，熔滴与熔池短路，电弧熄灭。电弧作为焊接回路中最大的负载一旦消失，电弧电压骤降到短路电压的水平，短路电流却很快上升。熔滴在焊丝和熔池之间形成液体的桥梁，如照片所示。由于短路电流的电磁力产生的收缩效应，液桥出现“颈缩”现象。导电截面缩小，电阻上升，短路电流的上升率趋缓。如照片所示。液桥爆断，电弧恢复燃烧，随着电弧的建立，电压上升到正常的电弧电压，电流从短路电流降低到正常的电弧电流。如照片所示。在液桥爆断的时候，由于液态金属的迅速气化，体积剧烈膨胀，会把部分液体金属炸出电弧空间，形成飞溅。这种飞溅的颗粒比较小，但数量比较多。短路电流越大，那么爆断时液桥气化就越迅速，爆炸就越剧烈，飞溅也就越大。所以，高档焊接电源都能严格控制短路电流值。实际焊接过程中短路频率是非常高的，每秒大约60到100次。新型数字逆变电源可以作到在不到百分之一秒的时间内，在0400A的范围内控制电流的瞬时值。由此可以得到几乎没有飞溅的短路过渡焊缝。短路过渡在实际生产中使用最为广泛，所以对它的过渡特性要准确把握。短路过渡在很宽的电流区间都能稳定工作。以直径1.2毫米的钢焊丝为例，在90300安培的焊接电流区间，都能得到良好的焊缝成型。无论薄板或者厚板都能使用这种过渡方式。与喷射过渡那样的长弧焊接不同，短路过渡电弧非常短，而且是断续燃烧，单位长度焊缝的热输入量比喷射过渡少得多，熔池凝固很快，不仅是平焊，在立焊，仰焊，横焊位置都可以随心所欲地操作，而这些位置用喷射过渡是根本无法焊接的。短路过渡时，电弧是断续燃烧的，因而对母材金属加热也呈断续状。而熔化极气体保护焊特有的高熔敷率在单位时间内填充的金属量非常多，操作者稍有不慎，往往导致母材尚未完全熔化，但是焊丝已经大量熔化过渡到接头中了。于是就在坡口两侧产生未熔合或者夹渣。l 脉冲喷射过渡：脉冲喷射过渡是一种低热输入的焊接工艺。脉冲电弧中的电流分成基值电流和脉冲电流两部分。基值电流很小，仅仅维持电弧燃烧，预热焊丝端部并使之形成液态熔滴，其值远远小于喷射过渡的临界电流值。也小于稳定短路过渡的电流值。也就是说，如果仅仅是基值电流，那么焊接过程是极其不稳定的。将产生极大的飞溅和焊丝的爆断。焊缝熔深很浅而且成型非常恶劣。这是因为基值电流的热输入是很少的。所以，脉冲喷射过渡是在基值电流上叠加一个非常大的脉冲电流，它远远高于喷射电流的临界值。所以，每当一个脉冲到来，就产生一次喷射过渡。在焊接电源的精确控制下，甚至可以作到每一个脉冲过渡一个熔滴。 喷射过渡焊缝成型非常美观，几乎看不到焊接波纹，焊缝熔深大，无飞溅。但是喷射过渡热输入量太大，容易导致焊接件过热。晶粒粗大，变形严重。脉冲喷射过渡就避免了这些缺点。脉冲电流到来时，突然的热输入使得熔池瞬时高温，热量来不及散失，很好地加热了工件，当熔滴过渡完毕后，脉冲电流消失，避免了对工件不必要的加热。所以，焊接同样厚度的材料，脉冲喷射过渡比喷射过渡电流要小得多。工件总的热输入减少了，变形自然就小，晶粒也不易长大。 但是，单凭一台焊接变压器和可控硅技术形成的脉冲喷射过渡精度很差，脉冲电流和基值电流相差不多，脉冲间隔和脉冲宽度也都不可控。不能作到像图示这样的电流波形。30年前要想实现图示这样的方波电流需要两台焊接电源，这使得焊机的体积和成本大大增加，缺乏商业价值。近年来数字控制技术的发展才真正解决了这个问题。2 熔化极气体保护焊的送丝机构：送丝机构是熔化极气体保护焊重要的组成部分。我们前面提到熔化极气体保护焊采用平特性电源和等速送丝，就是假定了送丝速度一经确定必须保持不变，以维持焊丝的熔化速度等于焊丝的送进速度。保持不变的送丝速度是获得稳定的焊接电弧的最基本的条件。在实际的焊接生产中，焊缝成型不良，电弧不稳定，大多数情况下都是送丝机构送丝速度不稳定造成的。送丝机构分为推丝式，拉丝式，推拉送丝式，行星式。其中，以推丝式结构最简单成本最低，最常用。拉丝式用于250安培以下的小功率焊接电源，焊丝直径不超过0.8毫米。常用送丝机外形如图示。a 送丝机构的组成部分：以最常用的推丝式为例，送丝机构由送丝电机(日本及国产焊机多采用印刷电机，欧洲厂家采用直流伺服电机)，减速机，送丝滚轮，压紧手柄，送丝软管，鹅颈铜管，导电嘴组成。其中，送丝软管，鹅颈铜管和导电嘴安装在焊枪中。对于推丝式送丝机构来说，导致送丝不稳的问题多出在送丝软管和导电嘴。送丝软管可以看作是小直径的弹簧钢管，送进碳钢焊丝，不锈钢焊丝，药芯焊丝都能作到速度稳定。但是铝合金焊丝不能用钢制的送丝软管。必须使用聚四氟乙烯软管。b 送丝机构的工作方式：操作者按动焊枪上的电气开关，焊接电源上电的同时也会驱动送丝电机，送丝电机带动减速机，驱动送丝滚轮，送丝滚轮可以是两个，其中一个是光轮，起压紧焊丝的作用，另一个是槽轮，带动焊丝送进。也可以是四个一组，两个光轮两个槽轮，欧洲厂家的送丝机多采用四轮一组，送丝更加可靠。焊丝被送丝滚轮驱动进入送丝软管，推丝式的送丝软管最长不超过4米。以2.5米送丝比较好，太短虽然送丝更加稳定，但是使用不够方便。焊丝经过送丝软管，鹅颈铜管，导电嘴，到达电弧空间。c送丝机构的维护：由于焊丝表面镀铜层会脱落，铜粉聚集在送丝软管中影响送丝稳定性，所以送丝软管要经常清理，拆下用压缩空气吹洗，送丝软管和导电嘴使用中都会磨损，也会导致送丝不稳定。如果操作者焊接时感觉到手中的焊枪出现振动，那么就可能是送丝软管需要清理或者内部磨损严重需要更换了。另外，需要送入的焊丝端部必须用钳子剪断，焊丝不能有折弯，不能让焊丝尖锐的尖端刮擦送丝软管内壁，送丝机构要轻拿轻放，不允许拽着焊枪拖拉送丝机构，这就要看操作工的敬业态度了。仿造日本松下送丝机性能如下表送丝电压DC24V/DC18.3V电磁阀电压DC24V/AC36V焊丝直径0.8/1.0或1.2/1.6适用丝类型软钢/实芯送丝速度范围1.5-15m/min适用焊丝盘30050103mm焊丝盘最大容量20kg额定牵引力980N整机质量9kg体积460200280mm3熔化极气体保护焊的焊枪：与焊条电弧焊简单的电焊钳不同，熔化极气体保护焊需要结构复杂的焊枪，用来送进焊丝，传导焊接电流，输送保护气体。所以，焊枪是熔化极气体保护焊设备的重要组成部分。大致可分为半自动焊枪，自动焊枪两大类。我们在此主要研究半自动焊枪。 图示为半自动焊枪的外形图，主要包括喷嘴，气电分离器，绝缘体，导电嘴，鹅颈导管，握把，焊接电缆，微动开关。焊接电缆用橡胶整体包裹，不仅用来传导焊接电流，而且保护气管道，送丝软管也一同包裹在内。焊工只要轻轻按动微动开关，焊接电源就会按照程序开始供电，送气，送丝。 整个焊枪总成消耗量最大的配件是导电嘴。导电嘴的功能是把焊接电流传导给焊丝。焊丝在导电嘴中心的导丝孔中滑动，由于传导的电流很大，焊丝与导电嘴的接触电阻很大，当然跟电弧电阻相比仍然可忽略不计。焊丝既要从导丝孔中滑过，又要可靠地传导电流。这就要求导丝孔直径必须与焊丝直径匹配，直径太大与焊丝接触不好，导电不可靠，经常断弧。直径太小把焊丝卡得太紧送丝阻力太大，严重时甚至会在送丝轮部位导致焊丝折弯，焊丝停止，电弧断弧。正常的情况应该是导丝孔直径比焊丝直径大0.2毫米。导电嘴用紫铜制造。长度大约在40毫米左右。轴线上贯通的导丝孔其直径最大不超过1.8毫米。同轴度，直线度要求都很高，如果加工精度不足，那么焊接过程中送丝不稳定。过去的20年，中国国产焊枪导电嘴加工精度始终不过关。正规的制造工艺应当是用模具整体挤压成型，包括中间的导丝孔。由于工艺难度很大，所以一些非正规小厂的导电嘴用钻头加工，内壁不平整，送丝时很快就磨损报废不能使用了。 焊枪总成消耗量排第二的配件是喷嘴，喷嘴也是紫铜整体挤压成型的，表面镀铬，内壁十分光滑。用矩形螺纹与后面的绝缘体相连接。造成喷嘴损坏的有两个因素，第一是飞溅物烧坏喷嘴出口部分，第二是矩形螺纹损坏。这两点都跟焊工的操作技术和责任心有关。 焊枪总成另一个薄弱环节就是握把上的微动开关。如果焊枪经常磕碰，摔打，那么即使微动开关没有损坏，但塑料握把变形，开裂也会导致导电不正常，经常断弧。4供气系统和供水系统：供气系统包括高压气瓶，减压加热流量计，气管，气阀(通常安装在焊接电源或者送丝机构)减压加热流量计是CO2气体保护焊必不可少的，并且CO2气体保护焊电源还设置了专门的气体加热电源插座，用于给保护气加热。二氧化碳从高压气瓶中放出时，体积膨胀，压力降低，会吸收大量的热，气体温度会降低到零度以下，气体管路中温度过低会结冰。即使不堵塞气流，也会使得气体中含水量剧增，容易引起焊接气孔。供水系统用于喷射过渡的熔化极氩弧焊。由水箱，水泵，循环水管组成。需要和水冷焊枪配套使用。5控制系统：熔化极气体保护焊控制系统保证焊接过程按照设定的程序进行。已经由厂家设定好，使用者一般情况下是不能调节的。但是，高档逆变焊机，许多参数可以由使用者调节。 焊接程序：以半自动焊接为例；操作者按下微动开关按钮气阀提前送气送丝机上电送丝焊丝与工件短路电弧引燃开始焊接；操作者抬起微动开关按钮焊接电源进入收弧坑子程序，焊接电压逐渐降低，送丝逐渐变慢，电流逐渐变小焊接电源断电，送丝机断电气阀延时送气数秒钟气阀关闭第四节 二氧化碳气体保护焊和药芯焊丝电弧焊一二氧化碳气体保护焊的特点：二氧化碳气体保护焊是应用最为广泛的气体保护焊工艺方法。它具有焊接成本低，生产效率高，焊缝抗氢气孔能力强，适合全位置焊接等优点。但是，二氧化碳气体保护焊飞溅比较大，焊缝中氧含量过高，焊缝冲击韧性特别是低温冲击韧性较差。另外，也容易导致未熔合。所以，纯二氧化碳气体保护焊在压力容器行业很少使用。1二氧化碳气体的特点：二氧化碳在地球大气中的含量是0.03，摄氏0时一个大气压下的气体密度为1.9768g/L，为空气的1.5倍，在通常状况下是一种无色，无臭，无味的气体能溶于水，溶解度为0.144g/100ml水（25）。在20时，将二氧化碳加压到5.73106 Pa即可变成无色液体，常压缩在钢瓶中储存。在-56.6，5.27105 Pa时变为固体。液态二氧化碳碱压迅速蒸发时，一部分气化吸热，另一部分骤冷变成雪状固体，将雪状固体压缩，成为 “干冰”。“干冰”在一个标准大气压760mm汞柱或者1.013105 Pa，-78.5时可直接升华变成气体。大气中的二氧化碳通常是由燃烧有机化合物,细胞的呼吸作用,微生物的发酵作用等所产生。2焊接用二氧化碳气体和焊丝的特点：a二氧化碳气体：来源虽然很广，比如酿酒厂，制糖厂，化肥厂都能生成大量二氧化碳。但是作为焊接用二氧化碳，则显得杂质和含水量太高(酒精的分子式CH3CH2OH，蔗糖的分子式C12H22O11，化肥厂的二氧化碳含有大量H2S)，焊接用二氧化碳要求纯度不低于99.5，含水量低于0.05，以压缩干燥空气制取的二氧化碳质量最佳。纯二氧化碳很容易压缩成液体，所以纯二氧化碳常用黑色40升钢瓶来储存。一个标准大气压也就是1.013105 Pa时，每千克液体CO2可以蒸发出509升气体。40升的标准钢瓶灌入25千克液体CO2，装瓶以后，钢瓶80的容积是液体，20的容积是气体。如果液体CO2纯度非常高的话，瓶口压力表指示的压力是钢瓶中气态CO2的饱和蒸气压。但是液体CO2往往含有些水分，所以压力表表示的是空气，水蒸气和气态CO2混合气体的压力。而且液体CO2中的水分的挥发量的多少，与钢瓶中气体压力的大小有密切关系。当钢瓶中气体压力低于10个标准大气压也就是大约1.013106 Pa的时候，就算1Mpa，大约相当于10kgf/cm2，钢瓶中液态CO2中的水分将大量向气体中挥发。所以，纯CO2钢瓶不要把液体全都用完，那样在最后的气体CO2中水蒸气含量太多了。 利用压力表来估算钢瓶内CO2的存量是不准确的。液体存量10千克和15千克时的压力表值可能完全相同，因此只能用称重的办法估算钢瓶中液体的多少。 焊接用CO2的纯度还可以通过钢瓶放水的办法来提高。液态CO2在温度高于零下11的时候，比重超过水，在30的情况下比重为1.63，所以，在室温下，把钢瓶倒置2小时，钢瓶中的液态水就沉积在瓶口位置，打开钢瓶的阀门，就能放出瓶中的积水。不过放水需要制作一个简单夹具，让钢瓶能自由旋转。 如果焊接不重要的结构件，CO2O2是不错的选择，可以大大减少飞溅，改善焊缝成型。但是，这将导致焊缝中含氧量过高，强度和韧性都遭到很大削弱，重要零件不能使用。b二氧化碳焊丝：二氧化碳虽然在常温下非常稳定，但是在高温下会分解，会对金属造成氧化和增碳。由于熔池中冶金反应还会生成CO，这是导致气孔的主要因素。另外二氧化碳气体的冷却作用还会导致严重的飞溅。二氧化碳焊接就是通过焊丝采取相应对策。解决上述问题。l 合金元素氧化：CO2对金属的氧化方式有两种， Fe的熔点1580以下， CO2 Me MeO CO (Me可以是Fe，Si，Mn反应是可逆的) Fe的熔点1580以上，在1750 CO2COO，OMeMeO (反应也是可逆的) 由于合金元素的氧化，虽然反应是可逆的，但是仍然有一部分金属元素变成了氧化物。特别是母材中含有Al，Ti，Zr等活性元素的时候，大约一半以上的活性元素被烧损。l CO气孔问题：FeCO2 FeO CO FeO FeO FeOC FeCO 由于上述化学反应，熔池中，甚至在电弧空间的熔滴中，都可能产生CO气体溶解在液体金属中，如果熔池凝固时它们来不及排出，就有可能形成CO气孔。 针对这个问题，在焊丝中加入了Si，Mn，它们会抢在C脱氧之前与FeO反应，如下： FeOSi Fe SiO2 反应是可逆的； FeOMn Fe MnO 反应是可逆的； 由于Si和Mn是焊丝在熔炼过程中直接加入的元素，随同熔滴一起进入熔池脱氧，这就是炼钢过程中的沉淀脱氧，速度很快，效果很显著。可以有效避免由于二氧化碳气体的氧化性导致的气孔。研究表明，二氧化碳焊接时，只要焊丝硅锰含量足够，就不会产生CO气孔。所以，CO气孔多出现在正常焊接的焊缝中。体积较大。如果焊接接头清理的很干净，二氧化碳也很干燥，保护气供气正常，焊接规范也适当，还产生气孔的话，就有理由相信是焊丝硅锰成分不足导致的。硅锰不仅脱氧，而且能够有效的脱硫，脱磷。l N气孔问题：空气中氮气含量达到76以上，如果电弧空间保护不良，侵入量最大的就是氮气。虽然氮气不太活泼，但是还是会被卷入熔池形成氮气气孔。这时，二氧化碳氧化性的优点就显示出来了； N2CO2 NOCO 反应是可逆的 N2O2 NO 反应是可逆的NO不熔于液体金属，所以，二氧化碳气体保护焊焊缝中的含氮量比焊条电弧焊要低。如果焊接规范过大，电弧长度过长，或者供气量不足，往往导致氮气孔。有时焊缝表面没有气孔，但是金相检验可以发现微小的气孔，这多为氮气孔。所以应压低电弧，清理焊枪喷嘴，保证气流畅通。l H气孔问题：由于二氧化碳的氧化性，氢气孔不容易产生。这是由于； CO2H COOH 反应是可逆的 OH OH 反应是可逆的由于氢氧根不熔于液体金属，所以二氧化碳的氧化性降低了焊缝金属的含氢量和氢气孔敏感性。 l 二氧化碳焊丝的牌号：教材中给出的几种焊丝牌号，国产低碳钢焊丝比较有代表性的是ER50-6和ER49-1。ER49-1是按照H08Mn2SiA的标准生产，与美国标准不对应。ER50-6是按照美国ER70S-6的标准生产，对成分进行了调整，更加适合低碳钢焊接。 低碳钢焊丝，美国有7种，比如ER70S-6；日本有5种，比如YGW-12，我国有4种。l ER50-6和ER49-1的区别这两种焊丝从本质来说并无太大区别，但是ER49-1与发达国家标准不对应，这对于我国的商品出口十分不利。我们知道，按照国际惯例，出口国的产品必须符合进口国的国家标准，否则进口国可能会采取非关税壁垒的方式不允许这种产品进口。现在中国机电产品出口量很大，积极采用国际标准，规避对方的非关税壁垒，是中国目前必须采取的策略之一。另外，ER50-6对化学成分限制更加严格，调整了硅锰比例，降低了硫磷含量，力学性能方面强度和塑性有所提高，特别强调了低温冲击功。焊丝的翘距对送丝也有一定影响，翘距较大时，焊丝与送丝软管剧烈磨擦，增大送丝阻力，它与焊丝生产中的矫直有关，我国使用的国外焊丝（1.2）翘距一般都小于5mm, 日本KC-50焊丝的翘距为零。而国产焊丝的翘距小于5mm的不多。ER49-1由于锰含量比较高，焊丝比较硬，翘距较大。所谓翘距大指的是焊丝容易打弯。焊丝从导电嘴出来之后，有些焊丝很快就弯曲，另一些焊丝则能够在很长距离上保持平直。后一种焊丝的翘距就比较小。翘距大的焊丝不仅在送丝软管中摩擦剧烈容易导致送丝不稳定，而且从导电嘴送出后不走直线而是螺旋型送进，焊工很难操作。严重影响焊接质量。国产低碳钢焊丝化学成分和力学性能牌号国标GB各国标准焊丝化学成分（%）CMnSiSPH08Mn2SiAER49-10. 11.80-2.100.65-0.950.0300.035ER50-4ER-50-4AWSER7OS-40.07-0.151.00-1.500.65-0.850.0350.025ER50-6ER50-6AWSER7OS-6JISYGW12 0.06-0.151.40-1.850.80-1.150.0350.025ER50-7ER50-7AWSER7OS-70.07-0.151.50-2.000.50-0.800.0350.025牌号国标各国标准熔敷金属力学性能抗拉强度屈服强度延伸率(%)冲击功JH08Mn2SiAER49-149037220常温47ER50-4ER50-4AWS ER7OS-450042022ER50-6ER50-6AWS ER7OS-6JIS YGW12 50042022-2927ER50-7ER50-7AWS ER7OS-750042022-29273二氧化碳气体保护焊的工艺规范： a二氧化碳电弧：二氧化碳作为导电气体的电弧与惰性气体电弧有很大的不同。l 二氧化碳电弧的热收缩效应：1mol(6.021023)CO2COO283kJ，由于二氧化碳气体膨胀，分解，电离都要吸收大量的热，具有强烈的冷却作用，结果就使得二氧化碳电弧能够导电的截面积收缩得非常小，也就是弧芯部分很小，弧芯电流密度很高。由于二氧化碳分解，电离需要向电源索取比单原子气体更多的电能，所以维持单位长度的二氧化碳电弧需要更多的能量，因此二氧化碳电弧的电压梯度很高。例如：钢焊丝氩弧的电压梯度是20伏特每厘米，但是二氧化碳电弧的电压梯度是33伏特每厘米。换句话说，就是在相同电压下，二氧化碳电弧更短。电弧的弧芯部分很细，电流密度大，电压梯度高，电弧周围的弧焰部分可以导热但是不导电。这种现象称为二氧化碳电弧的热收缩效应。所以，CO2电弧与氩弧相比，发热量提高但是加热面积不足。l 弧根面积小电弧不同轴：由于二氧化碳电弧的热收缩效应，阳极斑点面积缩小，电弧变短，于是焊丝端部形成液体熔滴之后，电弧导电的阳极斑点收缩到熔滴的底部。阳极斑点压力把熔滴推离焊丝轴线，造成电弧与焊丝不同轴。我们在研究惰性气体电弧的时候可以知道，氩气电弧弧根也就是焊丝端部熔滴导电的面积是很大的，弧根或者说阳极斑点可以爬升到熔滴两侧，焊丝端部可以变尖，焊丝与电弧是同轴的。二氧化碳电弧却没有这样良好的特性。l 熔滴过渡特性差：对于氩弧来说，熔滴过渡特性非常好。可以是平稳的喷射过渡，也可以是飞溅很小的短路过渡。但是由于二氧化碳电弧中，电弧与焊丝的不同轴，就决定了二氧化碳电弧只能采用短路过渡。如果要让二氧化碳电弧产生喷射过渡，那么阳极斑点不能缩在熔滴底部，必须要扩大面积攀升到熔滴四周，然后才能在等离子流体的冲击下焊丝端部变尖，形成喷射。但是在冷却效应极强的二氧化碳电弧中，达到这个程度需要把电流增大到500安培以上。这时，等离子流力已经强大到把熔池挖成深坑，使得电弧潜入到母材表面以下，熔池金属被严重氧化并且可以肯定碳取代硅锰进行脱氧。碳在2300以上与氧的亲和力大于硅锰，碳的大规模脱氧生成大量CO气泡，凝固的焊缝中到处是细小的CO气孔，焊缝金属像蓬松的豆腐渣一样没有强度。所以，纯二氧化碳气体保护焊的电流基本上控制在350安培以下，只能采取短路过渡。而且，焊缝多呈鱼脊形，熔宽无法增大，热缩惹的祸。l 二氧化碳气体保护焊的飞溅：由于二氧化碳电弧的斑点压力向上托举熔滴造成不同轴，二氧化碳短路过渡的飞溅就很容易产生。飞溅主要有两部分。大熔滴的飞溅和小熔滴的飞溅。大熔滴飞溅是焊丝端部熔滴被斑点压力向上托举形成直径超过焊丝直径一倍以上的巨大液体熔球，这个熔球与熔池短路时，从熔球表面通过的电流线形成的电磁力方向朝上，把整个熔球推离电弧空间，形成大熔滴飞溅。焊丝端部经过这样的“清理”之后，随后的两三次短路将没有大熔滴飞溅。小熔滴飞溅来自液桥爆断时炸飞的液体金属颗粒。这与熔化极氩弧焊是一样的。大熔滴飞溅损失的金属占飞溅总量的绝大部分。b二氧化碳气体保护焊工艺参数的调节：影响二氧化碳气体保护焊的工艺参数很多，但是焊工能够自行调节的只有焊接电压，焊接电流，焊丝直径，气体流量，焊丝伸出长度；l 焊接工艺参数参考值：常用焊丝直径是1.2mm和1.0mm两种，此外还有1.6mm，0.9mm，0.8mm。其他直径的焊丝很难遇到。二氧化碳气体保护焊采取短路过渡，所以每一种直径的焊丝的焊接规范区都很宽，在这个区域中，焊接电流与焊接电压必须匹配。不同直径焊丝二氧化碳气体保护焊参考规范焊丝直径焊接电压V焊接电流A焊丝伸出长度mm气体流量L/min1.019229018015201.2203015030020251.625352004003030l 调节焊接规范的操作程序：焊机的电流和电压按照下列程序调节；打开保护气瓶阀门，确认气瓶压力正常；打开焊机电源，确认加热减压流量计工作；加热5分钟；拆开焊丝包装，把焊丝盘装在送丝机构的盘轴上，打开压紧手柄，用钳子把焊丝头剪成平头，焊丝头应当从焊丝盘下方水平插入送丝滚轮的槽轮；插入送丝软管；关闭压紧手柄，把焊枪平摊在地面上完全伸直，按动远控盒上的白色快速送丝按钮，送进焊丝直到从导电嘴露头为止，如果是旧焊枪，可以先卸下导电嘴，然后按动微动开关送丝，露头后再装上；用钳子把焊丝端部剪成45度尖角；准备好试验钢板，目视焊机的电压表和电流表，左手有意识的把远控盒上的电压调低一些，右手握住焊枪，在试验钢板上引弧施焊；如果确实电压偏低，握枪的右手会感觉到焊枪头部的强烈振动，听到电弧啪啪的爆断声。这是电压太低，送丝速度远远大于熔化速度，电弧引燃后又被焊丝踏灭时发出的响声；如果实际上电压偏高，电弧可以引燃，但是弧长过长，焊丝端部形成巨大熔球，如果熔化速度超过送丝速度太多，电弧会一直返烧到导电嘴，把焊丝和导电嘴熔化在一起，送丝终止，电弧熄灭。这对导电嘴和送丝机构都会造成损坏，所以引弧时应确认电压没有偏高；调节焊接电压旋钮，慢慢提升焊接电压，焊丝熔化速度加快，爆断的噼啪声渐渐变成平稳的沙沙声；观察电压表和电流表，如果电流低于预定值，先提高焊接电流，再提高焊接电压；如果电流高于预定值，先降低焊接电压，再降低焊接电流；l 焊丝伸出长度：又称为焊丝干伸长度。对于气体保护焊来说是一个非常重要的参数。合适的焊丝伸出 长度可以使得焊丝得到充分的电阻加热，更加便于实现焊丝端部熔滴的形成和过渡。焊丝伸出长度偏短时往往飞溅很大，偏长不仅容易产生大熔滴的飞溅，还导致保护不良。l 焊接电压与焊接电流匹配时的现象：电弧稳定燃烧，发出细密的沙沙声，手感焊枪头部略有振动，软硬适度，电压表摆动不超过5V，电流表摆动不超过30A，在手的握把处不应出现振动；如果手感焊枪头部过于绵软，几乎没有振动，可随心所欲地移动焊枪，通过面罩观察，焊丝飘在熔池上方，端部形成大熔球，时而出现大熔滴飞溅，说明电压偏高；如果手感焊枪头部发硬，振动明显，可听到爆断声，移动焊枪有阻力，通过面罩观察，焊丝插入熔池，飞溅多，说明电压偏低；为了防止未熔合，电压适当偏高是有利的。4二氧化碳气体保护焊的基本操作：如上图示a引弧：把焊丝端部剪成尖头，焊丝从导电嘴伸出20毫米，焊丝端部悬在工件上方3毫米，对准引弧部位，左手移动面罩挡住眼睛，右手按下焊枪握把上的微动开关，焊接电源继电器吸合，提前送气，送丝，焊丝与工件短路，电弧引燃。如果事先把电压电流调节好，电弧引燃后即可稳定燃烧。b收弧：采用搭接法收弧比较可靠，不至于形成弧坑。就是焊完后向已经焊好的焊道上再焊接一段再收弧。焊接结束时，焊枪保持焊接位置，松开微动开关(焊机也可调节成按动一次微动开关引弧，第二次按动微动开关收弧)，送丝停止，焊接主回路断电，电弧熄灭，延时送气数秒钟；焊枪不要离开收弧处，继续喷射保护气，这时可以看到明亮的圆环从周围向中心飞快收缩，这是液态金属凝固时，固相和液相的界面在向中心移动；直到从面罩看去弧坑不断变暗，最后冷却消失，才能移开焊枪。c焊枪的位置和摆动：焊接时，焊枪喷嘴轴线与焊接方向大约成110度角，就是说焊枪向后倾斜20度角，称之为左焊法，又称前进法；这气体保护半自动焊接的标准操作方法。二氧化碳气体保护焊需要摆动焊枪时，最好采用平实的左右锯齿型摆动。一定要记住不仅仅是焊枪的摆动而是熔池的摆动，熔池一定要切实熔化产生波纹，再向另一侧摆动焊枪，否则容易引起坡口边缘的未熔合。d接头操作：二氧化碳气体保护焊的接头与焊条电弧焊的冷接法一样，先用角磨机把接头磨出斜坡，然后在前方50毫米处引弧，然后后退到接头处施焊，熔化并填满斜坡后继续向前焊接；5药芯焊丝电弧焊的特点：药芯焊丝电弧焊结合了焊条电弧焊和气体保护焊双方的优点，具有焊接质量好，焊接速度快，熔敷效率高，操作简单的特点。具有气体保护焊经验的操作者，可以很快掌握药芯焊丝电弧焊的操作技术。药芯焊丝可以焊接各种成分复杂的高强度钢。如果这些钢材研发对应化学成分的焊丝，则冶炼工艺相当复杂，成本非常高。但是配置相应成分的焊剂，再把焊剂包裹成药芯焊丝却不困难。所以，药芯焊丝以合金钢为焊接对象。焊接低碳钢不经济。因为药芯焊丝成本比实芯焊丝要高，另外药芯焊丝的输送比实芯焊丝要求高。药芯焊丝内部包裹了焊剂，所能承受的压紧力受到限制，所以要想长期稳定输送，必须使用四轮同步送丝机，焊丝同时有两处被压紧，增大压紧面积，降低压强，保护焊丝不会被氩扁。药芯焊丝电弧焊分为气渣联合保护和自保护两种方法。a气渣联合保护：使用4轮同步送丝机，聚四氟乙烯送丝软管，供气系统与气体保护焊一样；焊接工艺和操作方法基本上与气体保护焊相同。b自保护：使用4轮同步送丝机，聚四氟乙烯送丝软管，没有供气系统，完全依靠药芯焊丝中包裹的焊剂产生二氧化碳气保护电弧，熔渣保护焊道，焊接工艺更接近焊条电弧焊。但是药芯焊丝不需要像焊条那样烘干，而且效率更高。c药芯焊丝焊接时的熔滴过渡：药芯焊丝具备气体保护焊与焊条电弧焊共同的特点，它的熔滴过渡方式既有气体保护焊的过渡方式又有焊条电弧焊的过渡方式。熔滴过渡形态电弧燃烧连续性电弧稳定性飞溅熔化效率对熔滴的保护效果短路渣壁过渡中中小较大中短路爆炸过渡差差大小差外摆短路过渡中差小小中颗粒过渡好好中小较好射滴过渡好好中中小较好爆炸过渡中差大小较好短路渣