第六章气体保护电弧焊

1、第六章第六章 气体保护电弧焊气体保护电弧焊 n一、基本要求一、基本要求 n1、了解气体保护电弧焊的特点及应用 n2、掌握二氧化碳气体保护焊的熔滴过渡特点 n3 掌握气体保护电弧焊主要工艺的特点及工艺参数的选择原则 n4、掌握二氧化碳气体焊的冶金特点 n5、掌握二氧化碳气体焊防止飞溅的措施 n6、了解气体保护焊的设备 n二、重点二、重点 n1、气体保护电弧焊主要工艺的特点及工艺参数的选择原则 n2、二氧化碳气体保护焊向熔滴中施加合金元素的方式。 n3、二氧化碳气体焊防止飞溅的措施 6.1 气体保护电弧焊概述气体保护电弧焊概述 n 气体保护电弧焊的发展史。 6.1.1气体保护电弧焊的原理气体保护电

2、弧焊的原理 n气体保护电弧焊是用外加气体作为电弧介质并保护电 弧和焊接区的电弧焊，简称气体保护焊。 图6-1 气体保护电弧焊示意图 a非熔化极气电焊 b熔化极气电焊 1电源 2喷嘴 3钨极 4金属 6.1.2保护气体保护气体 n保护气体的主要有：氩气（Ar）、氦气(He)、氮气、二氧 化碳气体等气体。 混合气体 n 氩气、氦气是惰性气体，常用于铝、镁、钛等金属及 其合金的焊接 n 氮气、氢气是还原性气体。可作为铜及铜合金焊接的 保护气体。 n 二氧化碳气体是氧化性气体。主要用于碳素钢及低合 金钢的焊接 。 被焊材料保护气体混合比（%）化学性质焊接方法 铝及铝合金 Ar 惰性熔化极及钨极 Ar+

3、HeHe 10 铜及铜合金 Ar 惰性 熔化极及钨极 Ar+N2N2 20 熔化极 N2还原性 不锈钢 Ar惰性钨极 Ar+O2O2 12 氧化性熔化极 Ar+O2+C O2 O2 2 ；CO2 5 碳钢及低合金 钢 CO2 氧化性熔化极Ar+CO2CO2 1015 CO2+ O2 钛及钛合金 Ar 惰性熔化极及钨极 Ar+HeHe 25 镍基合金 Ar 惰性熔化极及钨极 Ar+HeHe 15 Ar+N2N2 6还原性钨极 表 6-1 常 用 保 护 气 体 的 选 择 6.1.3 气体保护电弧焊的分类气体保护电弧焊的分类 n（1）根据所用的电极材料不同可分为：不熔化极气体保 护和熔化极气体保

4、护焊两类。 n（2）按保护气体的种类不同可分为：氩弧焊、氦弧焊、 氮弧焊、氢原子焊、二氧化碳气体保护焊、混合气体保护 焊等方法。 n（3）按操作方法分为：手工、半自动和自动气体保护焊。 6.2 二氧化碳气体保护电弧焊二氧化碳气体保护电弧焊 n6.2.1 二氧化碳气体保二氧化碳气体保 护电弧焊概述护电弧焊概述 n1、二氧化碳气体保护电弧、二氧化碳气体保护电弧 焊焊接过程。焊焊接过程。 n2二氧化碳气体保护电弧焊的特点： n（一）二氧化碳气体保护焊有如下工艺优点： n 1、焊接成本低 nCO2气体及CO2焊焊丝价格便宜，焊接能耗 低。 n 2、焊缝质量好 n 3、生产效率高 4、适用范围广 适用于

5、各种位置的焊接，而且既可用于薄板的焊接 又可用于厚板的焊接； 5、便于实现自动化 二氧化碳焊是明弧焊，便于监视及控制，而且焊后 无需清渣，有利于实现焊接过程机械化及自动化 （二）二氧化碳气体保护焊有如下缺点： 1、焊缝成形较粗糙，飞溅较大。 2、劳动条件较差 6.2.2二氧化碳焊的冶金特点 （一）二氧化碳电弧的氧化性 在电弧热量作用下，二氧化碳发生分解，放出氧气： 2CO2 2CO + O2 氧气又进一步分解为氧原子： O2 2O 因此，二氧化碳电弧具有很强的氧化性，使铁及合金元素（ Si、Mn、Cr、Ni、Ti、C等）发生氧化。 1、氧化反应的不利后果： 1）合金元素大量烧损； 2）C与O反

6、应，生成CO气体，易于导致气孔。 2、措施：必须采用必要的措施进行脱氧 在焊丝中加入适量的脱氧剂，脱氧剂与O的亲和力比Fe 及C强，因此可阻止Fe、C等与O发生不利的反应。 二氧化碳焊丝一般采用Si、Mn联合脱氧，有些焊丝中还 加少量的Ti。 n（二）二氧化碳焊的气孔问题 n1、 CO气孔 n一氧化碳气孔产生的主要原因是以下反应： nFeO + C = Fe + CO 该反应通常发生于熔池尾部，此处的液态金属温度接近结 晶温度，反应很强烈且CO没有时间析出，因此，CO易残 留于熔池中形成气孔。只要选择的焊丝正确，焊丝中的脱 氧元素就会抑制FeO生成，产生CO气孔的可能性很小。 2、 氢气孔 二

7、氧化碳电弧中有大量的氧原子，氧原子可与焊接 区的氢结合成不溶于熔池的羟基，因此二氧化碳焊对氢气 孔不敏感。 3、氮气孔 这是二氧化碳焊焊缝中出现几率最大的一种气孔。 这种气孔主要是由侵入焊接区的空气引起的。只要保证良 好的保护效果，这种气孔一般也不会产生。 6.2.3 二氧化碳焊的熔滴过渡特点 熔滴过渡方式主要有：大滴排斥过渡、短路过渡、细颗粒过 渡及混合过渡（短路过渡+颗粒过渡）等三种。 （一）短路过渡 1、产生条件 采用细丝，并配以小电流及小电压进行焊接时，熔滴过渡为 短路过渡。 2、特点 1）通常产生一体积小、凝固速度快的熔池，因此适合于薄板 焊接及全位置焊接。 2）熔滴与熔池间短路后，

8、在表面张力及电磁收缩力的作用 下形成缩径小桥，短路缩径小桥在不断增大的短路电流作 用下汽化爆断，将熔滴推向熔池，完成过渡。有飞溅。 3、短路过渡对电源的动特性具有如下的要求： （1）熔滴与熔池短路时，电弧熄灭，过渡完成后，电弧又 重新引燃。为了保证电弧能够顺利引燃，要求电源的空载 电压上升速度要快。 （2）短路小桥的位置及爆断时间、爆破能量直接决定了飞 溅的大小，当短路小桥产生在焊丝与熔滴之间，爆破能量 较小且能够及时爆断时，飞溅较小。而短路小桥的位置及 爆断时间、爆破能量可通过在焊接回路中加一适当的电感 来调节。 1 2 3 45 6 78 短路过渡 （二）细颗粒过渡 细颗粒过渡出现在电弧电

9、压较高、焊接电流较大的 情况下。 焊接方向焊接方向 6.2.4 6.2.4 飞溅的原因及预防飞溅的措施飞溅的原因及预防飞溅的措施 n1、飞溅对焊接过程的影响 na降低焊接生产效率， nb增加了焊接材料及电能的损耗， nc增加了辅助工作量， nd过量的飞溅使焊接质量下降。 2产生飞溅的原因 n（1）由冶金反应引起的飞溅 。 n（2）由极点压力引起的飞溅。 n（3）由熔滴短路引起的飞溅 。 n（4）由非轴向粗滴过渡造成的飞溅。 n（5）由焊接工艺参数选用不当引起的飞溅。 2、防止飞溅的措施、防止飞溅的措施 n（1）采用含有硅锰脱氧元素的焊丝，降低焊丝的含碳量， 并适当增加铝、钛等脱氧能力强的元素，

10、还可以用药芯焊 丝，减少飞溅。 n（2）在气体中加入少量氩气 n（3）采用直流反接进行焊接。 n（4）对于短路过渡电弧焊，在焊接回路中加入一个适当 的电感；还可以采用电流波形控制法，防止短路最大电流 值过大。 n（5）正确的选择CO2焊的焊接工艺参数，减小飞溅。 6.2.5 6.2.5 二氧化碳气体保护焊的焊接材料二氧化碳气体保护焊的焊接材料 nCO2焊材料有：焊丝和CO2气体 n1、 CO2焊丝 nCO2焊时，为了保证焊缝具有足够的力学性能，以 及不产生气孔等，焊丝中必须比母材含有较多的 硅、锰或铝等脱氧元素，此外，为了减少飞溅， 焊丝的含碳量必须限制在0.10以下。 nH08Mn2SiA焊

11、丝，是CO2焊用得最普遍的一种焊丝， 有较好的工艺性能和较高的机械性能指标。 表6-2 CO2焊常用的焊丝牌号及用途 焊丝牌号用途 H08MnSi H08MnSiA 焊接低碳钢及s300Mpa的低 合金钢 H10MnSiA 焊接一般低碳钢及低合金钢 H08Mn2Si 焊接s500Mpa的低合金钢 H04Mn2SiTiA H04MnSiAlTiA 焊接质量要求高的低合金钢 H08MnSiCrMoA H08MnSiCrMoVA 焊接耐热钢和调质钢 nCO2焊所用的焊丝的要求： n1、一般直径在0.55.0mm范围内； n2、焊丝直径要均匀。 nCO2半自动常用的焊丝，有0.8、1.0、1.2、1.

12、6毫 米等几种。自动焊时，除上述各种直径焊丝外， 还可以采用直径2.05.0毫米的焊丝。焊丝表面 有镀铜和不镀铜的两种，镀铜可防止生锈，有利 于保存，并可改善焊丝的导电性能，提高焊接过 程的稳定性。焊丝使用时应彻底去除表面的油、 锈等杂物。 2CO2气体 n焊接用CO2气体的一般标准是：CO2气体纯度应不小于 99.5，含水量、含氮量均不得超过0.1，如果纯度不 够，可以进行提纯处理。 6.2.6 二氧化碳气体保护焊的设备二氧化碳气体保护焊的设备 nCO2保护焊所用的设备，按操作形式不同，可分为半自动 焊设备和自动设备两类。半自动焊设备用得最多，且具有 代表性，所以，下面以CO2半自动设备（图

13、6-5）为例， 对焊接电源、送丝系统、焊枪、供气系统及控制系统等几 部分，分别介绍各个组成部分的基本原理、构造及作用。 （一）电源（一）电源 （1）对焊接电源的要求 由于CO2焊用交流电源焊接时，电 弧很不稳定，飞溅也很严重。因此，只能使用直流电源。 n为了适应CO2焊的特点，对焊接电源提出如下的要求： n 1） 在采用等速送丝时，焊接电源应具有平特性及缓降 的外特性曲线。 n 2） 焊接电源应有良好的动特性 。 n 3） 焊接电流及电弧电压能在一定范围内调节 。 （2）焊接电源的分类 CO2焊的焊接电源，可分为弧焊整 流器和弧焊发电机两类。 n（二）控制系统（二）控制系统 n控制各个部件按照

14、一定的时间顺序进入/退出工作 状态。 n1、引弧： n1）爆裂引弧： n适用于细丝，其基本过程是：首先使焊丝与工件 短路，在较大的短路电流的作用下，焊丝与工件 的接触部位发生爆断，引燃电弧。 2）慢送丝引弧 适用于粗丝，基本方法及原理与爆裂引弧类似，其不同点是 通过缓慢送丝使焊丝与工件接触，以保证引弧的可靠性。 2、熄弧方式 1）焊丝返烧熄弧 反烧熄弧时，先停止送丝，电弧继续燃烧，弧长逐渐增大， 经过一定时间后切断电源，电弧熄灭，停止焊接。 2）电流衰减熄弧 首先使焊接电流及送丝速度衰减，填满弧坑后，再停止送丝 并切断电源。 （三）气路和水路（三）气路和水路 1 1、气路系统、气路系统 除了气

15、瓶、减压阀、流量计、软管及气阀以外，二氧化碳焊机 的气路系统还需安装预热器及干燥器。 2、干燥器 用于减少焊缝中的含氢量。 干燥器有两种：高压干燥器和低压干燥器。高压干燥器安装 在减压阀前，低压干燥器安装在减压阀之后。一般情况下， 只需安装高压干燥器。如果对焊缝质量的要求不高，也可不 加干燥器。 2 2、水路系统、水路系统 水路系统通以冷却水，用于冷却焊炬及电缆。 6.2.7 二氧化碳气体保护焊工艺二氧化碳气体保护焊工艺 一）、二氧化碳气体保护焊工艺参数的选择一）、二氧化碳气体保护焊工艺参数的选择 （一）焊丝直径（一）焊丝直径 1、短路过渡CO2焊 一般采用细丝，以提高过渡频率，稳定焊接电弧。

16、通常采用的焊丝直径 有0.8mm、1.2mm及1.6mm三种。 2、细颗粒过渡CO2焊 采用的焊丝直径一般大于1.2mm，通常采用的焊丝直径有1.6、2.0、3.0 和4.0等四种。 （二）焊接电流及电弧电压（二）焊接电流及电弧电压 1、短路过渡 电弧电压是最重要的焊接参数，因为它直接决定了熔滴过渡的稳定性及 飞溅大小，影响焊缝成形及焊接接头的质量。 短路过渡CO2焊通常采用直流反接。采用直流反接时， 电弧稳定，飞溅小，熔深大。但在堆焊及焊补铸件时，应采 用直流正接，这是因为，正接时焊丝为阴极，阴极产热大， 焊丝熔化速度快，生产率高。 电流的大小要与电弧电压相匹配。表7-1给出了三种直 径焊丝

17、的最佳短路过渡焊接规范。 焊丝直径 /mm 0.81.21.6 电弧电压 /V 181920 焊接电流 /A 100110120135140180 表7-1 短路过渡的电流值及电弧电压范围。 焊丝直径 /mm 电流下限值/A电弧电压/V 1.6400 3445 2.0500 3.0650 4.0750 2 2、细颗粒过渡、细颗粒过渡 细颗粒过渡CO2焊也采用直流反接。 根据被焊材料及板厚选择焊接电流，然后根据焊接电流、焊丝 直径选择电弧电压，焊接电流越大，焊丝直径越小，选择的电 弧电压也应越大。但电弧电压也不得太高，否则飞溅将显著增 大。 表7-2给出了细颗粒过渡的最低电流值及电弧电压范围。

18、（三）焊接速度（三）焊接速度 焊接速度与焊接电流适当配合才能得到良好焊缝成形。 焊接速度过大：熔宽、熔深减小，甚至产生咬边、未熔合、未焊透等缺 陷。 焊接速度过慢：降低生产率，导致烧穿、焊接变形过大等缺陷。 半自动短路CO2保护焊的焊接速度一般为15 mh-1 30 mh-1。 （四）焊接回路电感（四）焊接回路电感 1 1、短路过渡、短路过渡 作用： 1）控制短路电流上升速度及短路电流峰值。 短路电流上升速度（di/dt）决定于回路电感： di/dt = (U0 iR)/L 式中U0 电源空载电压； i 瞬时电流 R 焊接回路中的电阻 L 焊接回路中的电感 因此，焊接回路中应串接适当的电感。

19、2、细颗粒过渡 对于细颗粒过渡CO2焊，回路电感对抑制飞溅的作用不大，一般不 要求在焊接回路中加电感元件。 （五）焊丝干伸长度 1、短路过渡：焊丝很细，焊丝干伸长度对熔滴过渡、电弧的稳定性及焊缝 成形均具有很大的影响。 干伸长度过大，电阻热增大，焊丝容易因过热而熔断，导致严重飞溅及电 弧不稳。此外，干伸长度过大时，焊接电流降低，电弧的熔透能力下降，易 导致未焊透。 干伸长度过小，喷嘴离工件的距离很小，飞溅金属颗粒易堵塞喷嘴。 干伸长度一般应控制在5mm15mm内。 2、细颗粒过渡 焊丝较粗，焊丝干伸长度对熔滴过渡、电弧的稳定性及焊缝成形的影响不大 。但由于飞溅较大，喷嘴易于堵塞，因此，干伸长度

20、应选得大一些，一般应 控制在10mm20mm内。 （六）气体流量 短路过渡：保护气体流量一般为5 Lmin-115 Lmin-1。 细颗粒过渡：所用焊接电流比短路过渡大，焊接速度也大，因 此采用的保护气体流量也应适当增大，一般为10 Lmin-120 Lmin-1。 （七）喷嘴至工件的距离 短路过渡CO2焊时，喷嘴至工件的距离应尽量取得适当小一些， 以保证良好的保护效果及稳定的过渡，但也不能过小。喷嘴至 工件的距离一般应取焊丝直径的12倍左右。 n例例 厚度为厚度为6mm的开的开V形坡口平板对接形坡口平板对接CO2自动自动 焊焊 n焊前准备 母材选用Q235碳钢，两对接板的厚度为6mm，开V形

21、坡口， 装配间隙及定位焊如图6-12所示，板对接平焊的反变形如图6-13所示。 n图6-12 装配间隙及定位焊 图6-13 板对接平焊的反变形 n将焊缝坡口及其两侧各20mm范围内的铁锈，氧化皮及污垢等清理干 净，至露出金属光泽为止。 n焊接时采用H08Mn2SiA焊丝，焊丝要按规定烘干，焊丝表面油锈等 须彻底清除，若局部弯折盘丝时应校直，焊接参数如表6-6所示。 n表6-6 板厚6mm V形坡口对接平板的焊接参数 焊 接 层 次 位 置 焊 丝 直 径 / m m 焊接 电 流 / A 焊 接 电 压 / V 气体 流 量 / （ L/ mi n） 自 动 焊 焊 速 / m. h - 1

22、打 底 层 1.2 180- 4 2 0 23- 4 3 15-2520 - 4 2 盖 面 层 200- 4 5 0 26- 4 3 20-2520 - 4 2 n焊接 n焊前先检查装配间隙及反变形是否合适，试板放在水平位 置，间隙小的一端放在右侧。 n焊接时要注意两点： n1）焊道表面要平整，两侧熔合良好，最好焊道的中部稍 下凹，坡口两侧不能咬边，以免焊盖面层焊道时两侧产生 夹渣。 n2）不能熔化试板上表面的棱边，保证打底层焊道离试板 上表面距离2mm左右较好。 n焊接过程中，焊枪除保持原有角度，电弧对中位置和喷嘴 高度外，还应加大焊枪的横向摆动幅度，保证熔池两侧超 过坡口上表面棱边0.5

23、1.5mm，并匀速前进。 6.3 6.3 氩弧焊氩弧焊 n6.3.1 氩弧焊概述氩弧焊概述 n氩弧焊是使用氩作为保护气体的一种气体保护焊 。 n1氩弧焊的特点氩弧焊与其它电弧焊接方法 相比，具有如下的特点： n （1）氩气保护性能优良，能获得较为纯净及质量高的焊 缝。 n （2）热影响区很窄，焊接变形与应力均小，裂纹倾向也 小。 n （3）容易实现焊接过程的机械化和自动化。在一定条件 下可进行各种空间位置的焊接。 n （4）可焊的材料范围很广。 2氩弧焊的分类及应用 氩弧焊按所用的电极不同 脉冲氩弧焊 n可分为：钨极脉冲氩弧焊和熔化极脉冲氩弧焊。 n与普通氩弧焊的根本区别是采用脉冲焊接电流 脉

24、冲氩弧焊电源的基本原理 图6-14 脉冲氩弧焊电源示意图 1基本电流 2脉冲焊接电流 3脉冲电流 4脉冲电源 5维弧电源 脉冲氩弧焊特点： n（1）适用于各种可焊性较差材料的焊接，可减少 裂缝倾向。 n（2）对各种焊接位置有较强的适应能力，适用于 全位置、单面焊双面成形焊接。 n（3）容易克服焊缝下榻缺陷，提高抗烧穿能力。 n（4）特别适合焊接很薄的板材。 6.3.2 钨极氩弧焊钨极氩弧焊 n 1钨极氩弧焊电弧特性 n（1）氩弧的特性 在氩气保护下所产生的电弧， 主要具有以下三个方面的特征： n1）引然电弧较困难 n 2）电弧燃烧稳定 n3） “阴极破碎”作用 （2） 交流钨极氩弧的特点 n1

25、 交流钨极氩弧焊的特点： n1）负半波时，氩弧对工件产生阴极破碎作用； n2）在交流正半波时，电弧的热量主要集中于 工件上，不但使钨极得以冷却，还使焊缝得到足 够的熔深。 图6-15 交流钨极氩弧焊的电压和电流波形 a电压波形 b电流波形 U源电源电压 U弧电弧电压 U引1正半波引弧电压 U引2负半波引弧电压 I焊焊接电流 I直直流分量 2、引弧、稳弧措施及直流分量的消除 （1）直流分量 1）产生原因 钨极与工件的熔点不同； 逸出功不同； 几何尺寸相差很大。 使交流钨极氩弧焊正负半波的电导率、电弧电压、再引燃电压存在 很大的差别。因此，正负半波电流不对称，从而导致直流分量。 2）危害 直流分量

26、既影响焊缝成形，降低阴极破碎作用 恶化设备的工作条件，变压器铁芯易饱和，降低功率因数 ，使电弧电流的形状偏离正弦，降低电弧的热效率系数。 3）通常配置消除直流分量的装置 通常通过在焊接主回路串接大容量无极性电容器的方法 来消除直流分量，该方法既可完全消除直流分量，又不额外损 耗能量。 2）引弧措施 n焊接回路中加高频振荡器 n 高频振荡器是一个高频高压发生器，可在焊接回路中 加入约3000V的高频电压，致使电弧空间产生很强的电场， 加强了阴极电子自发射作用，克服氩弧不易引燃的困难。 高频振荡器一般仅供焊接时初次引弧，不用于稳弧，同时 要求点燃电弧后马上切断。 （2）稳弧措施 n 加稳弧装置 n

27、1）正弦波交流电弧 n在正半波向负半波转变瞬间，施加一个高压脉冲而迅速地 向电弧放电，则电弧就能保持连续燃烧，从而起到稳定电 弧的作用。 3钨极氩弧焊设备 n手工钨极氩弧焊设备包括主电路系统、焊枪、供气系统、 冷却系统和控制系统等部分。 图617 手工钨极氩弧焊设备系统图 (1)主电路系统 这部分主要是焊接电源、高频振荡器、脉冲稳弧器和消除直 流分量装置，交流与直流的主电路系统部分不相同。 n交流钨极氩弧焊的主电路系统，由焊接变压器、高频振荡 器、脉冲稳弧器和电解电容器等部分组成。 n直流钨极氩弧焊的主电路系统由直流焊接电源和高频振荡 器。 n 钨极氩弧焊的电弧静特性曲线是水平的。与焊接电源

28、外特性曲线的关系如图6-18所示。 图6-18 焊接电源外特性与电弧静特性曲线的关系 n（2） 焊枪 n是TIG焊机的关键组成部件之一。 n1 焊枪的主要作用是： n1）夹持钨极； n2）传导焊接电流； n3）向焊接区输出保护气体。 n焊枪的喷嘴是决定氩气保护性能的重要部件。其形状有： 图619 常见的喷嘴形状示意图 a圆柱带锥形 b圆柱带球形 c圆锥形 n(3)供气系统 钨极氩弧焊的供气系统由氩气瓶、减压器、流量计和 电磁气阀等组成。 减压器用以减压和调压。流量计是标定通过氩气流量的 大小，有的气体流量计将减压器与流量计制成一体。电 磁气阀是控制气体通断装置。 n(4)冷却系统 n 一般选用

29、的最大焊接电流在200A以上时，必须通水来冷 却焊枪、电极和焊接电缆。 (5)控制系统 钨极氩弧焊的控制系统是通过控制线路，对供电、供气、引 弧与稳弧等各个阶段的动作程序实现控制。 图620为交流手工钨极氩弧焊的控制程序方框图。 （6）应用比较普遍手工钨极氩弧焊机的 n定型生产的NSA系列手工钨极氩弧焊机的应用较 为普遍。 n直流直流的有NSAl300型， n交流交流的有NSA300型、NSA4300型、NSA一 500型， n交直流两用交直流两用的有NSA2300型等。 5钨极氩弧焊工艺钨极氩弧焊工艺 n一、焊前准备一、焊前准备 n（一）接头及坡口（一）接头及坡口 形式形式 n1、TIG焊常用的接头形式：对接、搭接、角接、卷边对接 等。 n2、坡口加工原则： n板厚小于3mm时，可开I形坡口；板厚在312mm时，可 开V或Y形坡口。 n（二）焊前清理（二）焊前清理 n1、原则 n氩气、氦气均是惰性气体，焊接过程中不与液态金属发生 任何化学反应，因此TIG焊无去氢、脱氧作用