熔化极气体保护焊( 哈尔滨工业大学焊接)

1、电弧焊基础电弧焊基础熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊第五章CO2气体保护焊熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊-GMAW TIG、PAW：气体保护，钨极不熔化； 熔化极焊：电极熔化焊条、焊丝； 焊条电弧焊气、渣联合保护； 焊丝气体保护GMAW（MIG、MAG 、CO2） 焊丝焊剂保护埋弧焊 保护气体不同：CO2气体保护焊、惰性气体保护焊（MIG，Ar、He）、混合活性气体保护焊（MAG， ArHe、 Ar CO2 、 ArHe CO2 ）熔化极气体保护焊基本原理熔化极气体保护焊基本原理TIG焊接钨极，不熔化，氩气保护熔化极气保焊设备熔化极气保焊设备 半自动焊接设备的基本组成： 焊接电源； 焊丝送给

2、装置； 焊枪； 行走台车（自动焊）； 保护气供给系统； 冷却水循环系统 自动CO2焊设备半自动MIGCO2 焊接设备总成电源电源Fronius, Lincoln, ESAB, SAF, Kemppi, OTC, Panasonic送丝装置送丝装置卷在焊丝盘上的焊丝被送进到焊枪中，送丝装置由如下几部分基本组成：修正焊丝弯曲的矫直装置、送进轮、加压轮、减速器、驱动送进轮的送进马达(通常采用电动机)。半自动焊为了减轻焊枪重量，有利于操作，常常采用在送进机和焊枪间通过可弯曲导管送进焊丝的方法，称作推丝式送丝。在采用软质焊丝或细丝的场合，如果用推丝方式送丝，焊丝容易产生弯曲，所以采用在焊枪的手柄中加入马

3、达的拉丝方式送丝。此外还可以把两者并用，以推拉方式进行送丝。送丝装置送丝装置典型的推丝式送丝机送丝装置送丝装置焊枪焊枪焊枪完成如下几方面工作：向焊接区喷出保护气；通过送丝装置送进焊丝；对焊丝通电使之产生电弧。半自动焊焊枪是操作者拿在手里进行操作，因此必须具有重量轻、易于操作的特点，同时要能经受住电弧的高温。二氧化碳电弧焊与MIG焊相比，其喷嘴的温度上升较少，因此更多地采用空冷式焊枪，MIG多采用水冷焊枪。半自动焊枪为了进行狭窄区的焊接作业，前端常常呈弯曲型。 焊枪焊枪普通焊枪推拉丝焊枪导电嘴导电嘴 由铜及铜合金如Cu-Be, Cu-Zr, Cu-Cr-Zr,等制成. 合金的成本比纯铜贵约50%

4、，但耐磨性好，Cu-Cr-Zr合金具有最好的耐磨性，是纯铜的4-5倍。同时其软化温度高，寿命长。直径通常为焊丝直径+0.2mm；直径的变化影响干伸长，从而影响电流和熔透易耗品，具有一定的使用寿命经常检查并更换(焊接4盘焊丝,50-60Kg，工件焊接完毕等)其他设备其他设备 为了防止气瓶中流出的CO2气体在气化和减压过程中由于温度的降低而使含有的水分结冰冻结气路，可以在气瓶的出口处加预热器(与流量计一体)。对焊缝质量要求较高时，还要在气路中加入干燥器。其他设备其他设备冷却水箱行走支架自动化变位机、机器人第五章第五章 CO2气体保护焊气体保护焊5.1 原理与特点原理与特点 利用利用CO2气体在熔化

5、极电弧焊中对电弧及熔池进行保气体在熔化极电弧焊中对电弧及熔池进行保护的焊接方法称作护的焊接方法称作“CO2气体保护电弧焊气体保护电弧焊”，简称，简称“CO2焊焊”。5.1 原理与特点原理与特点 采用与母材相近材质的焊丝作为电极。焊丝为电弧的一极，焊丝熔化后形成熔滴过渡到熔池中，与母材熔化金属共同形成焊缝。 为防止外界空气混入到电弧、熔池所组成的焊接区，采用了CO2气体进行保护。JCO2焊接录像焊接录像5.1 原理与特点原理与特点发展历史5.1 原理与特点原理与特点特点：特点：J 焊接成本低焊接成本低 ：焊丝和保护气便宜：焊丝和保护气便宜J 生产效率高：粗丝大电流焊厚板，电流密度高，细颗粒过渡，

6、焊丝熔化速生产效率高：粗丝大电流焊厚板，电流密度高，细颗粒过渡，焊丝熔化速度快，熔敷率高，电弧挺度大，穿透力强，焊接熔深大，可以不开坡口或度快，熔敷率高，电弧挺度大，穿透力强，焊接熔深大，可以不开坡口或开小坡口，生产率比焊条电弧焊提高开小坡口，生产率比焊条电弧焊提高13倍倍 ；细丝小电流焊薄板，短路；细丝小电流焊薄板，短路过渡，电弧对工件间断加热，线能量小，变形小，焊后矫形工序简化；过渡，电弧对工件间断加热，线能量小，变形小，焊后矫形工序简化；J 焊接能耗低：熔化效率高、焊接速度快；焊接能耗低：熔化效率高、焊接速度快；J 适用范围广，半自动焊可焊接任意空间焊缝，工件的厚度尺寸适应范围广适用范围

7、广，半自动焊可焊接任意空间焊缝，工件的厚度尺寸适应范围广，最薄可达，最薄可达1mm； J 是一种低氢型或超低氢型焊接方法，对油锈水不敏感，焊缝抗裂性能好；是一种低氢型或超低氢型焊接方法，对油锈水不敏感，焊缝抗裂性能好；J CO2气体密度大，保护效果好；焊后不需清渣，明弧焊接便于监视，有利气体密度大，保护效果好；焊后不需清渣，明弧焊接便于监视，有利于机械化操作。于机械化操作。L CO2高温分解，氧化性强，不能用于非铁金属的焊接，对不锈钢可能造成高温分解，氧化性强，不能用于非铁金属的焊接，对不锈钢可能造成焊缝增碳，降低抗晶间腐蚀能力；焊缝增碳，降低抗晶间腐蚀能力；L 过渡不如过渡不如MIG焊稳定，

8、飞溅量较大；焊稳定，飞溅量较大；L 产生很大的烟尘，弧光较强；产生很大的烟尘，弧光较强；L 送丝速度快，只能自动或半自动焊。送丝速度快，只能自动或半自动焊。5.1 原理与特点原理与特点5.2 冶金特点冶金特点5.2.1 CO2气体的氧化性：气体的氧化性： 电弧氛围中大约电弧氛围中大约4060 CO2分解；分解； 氧气解离：氧气解离：5000K，96O2解离解离平衡状态下CO2的分解与气氛构成222CO2CO+O 2O2O5.2.2 合金元素的氧化：合金元素的氧化： 直接氧化直接氧化2222CO +FeFeO+CO11CO +SiSiO +CO22CO +MnMnO+CO发生在熔点温度以下（15

9、00K），在熔池金属周围未熔化区域或凝固的焊缝表面上发生，属于表面氧化，进行的激烈程度较低，对电弧、熔池和焊缝没有太大的影响 间接氧化：间接氧化：2F e+ OF eOS i+ 2OS iOM n+ OM nOC + OC O在高温电弧所笼罩区域的熔化金属表面（熔池金属和熔滴金属）主要发生的是与氧原子或氧气分子的反应，因两者在电弧中有较多的分解，并且氧化性更强，从而对处于液态表面的Fe、Si、Mn、C等元素造成氧化 氧化反应导致的不良结果：氧化反应导致的不良结果： 1.合金元素烧损：焊缝机械性能下降 2.CO气孔： 3.飞溅：CO在高温液态金属中聚集后体积膨 胀，在熔滴内部或熔池表面层下产生

10、爆破，从而形成液态金属的飞溅，其 中以熔滴中产生的比较剧烈 。FeO+CFe+CO Ni、Cr、Mo的过渡系数最高，被烧损的量少。Si、Mn的过渡系数较低，Al、Ti、Nb的过渡系数更低。越是容易与电弧中的氧产生反应的元素其过渡率越低，C元素过渡率因焊丝的组成而增减。元素AlZnTiSiVMnNbCrPSCoNiCu过渡率过渡率 /%3035405060707090100 100 100 100 100活性元素稳定元素5.2.3 脱氧与焊缝合金化脱氧与焊缝合金化 脱氧反应：脱氧元素的选用原则一是与O的亲和力要大于Fe与O的亲和力，能把O从FeO中置换出来，并先于C与O反应；二是不对焊接过程和焊

11、缝构成不良影响，比如形成气孔、形成飞溅、形成夹渣等。 脱氧剂：Al、Ti强脱氧剂，但Al会降低焊缝金属的抗热裂纹能力；Ti可以对金属起到细化晶粒的作用，以及与N结合成氮化物，防止钢的时效。 最常用脱氧剂：Si、Mn联合脱氧H08Mn2SiA 22FeO+Si2Fe+SiOFeO+MnFe+MnOSi、Mn联合脱氧联合脱氧焊缝金属合金化 为防止气孔、减少飞溅及降低焊缝产生裂纹的倾向性CO2焊丝含C量一般都低于0.15%烧损和蒸发，使得焊缝的含C量低于母材导致焊缝强度受损依靠残留在焊缝中的Si、Mn等合金元素弥补C的损失，保证焊缝强度。 焊接低碳钢和低合金钢用的焊丝，Si的质量分数在1%左右，经过

12、在电弧中的烧损、蒸发和在熔池中的脱氧后，还可在焊缝金属中剩下约0.40.5%，而Mn在焊丝中的质量分数一般控制在1-2%。 在焊接30CrMnSiA这类高强钢时，母材中C的质量分数高达0.3%，而焊丝中C质量分数与之相差悬殊。为了弥补焊缝中C的不足，焊丝中除需有足够的Si、Mn元素外，还要再适当填加Cr、Ni、Mo、V等其他强化元素。5.2.4 CO2焊接气孔问题焊接气孔问题 1.N2气孔:在焊缝中成堆出现，类似蜂窝，既有内部的，也有外部的 ,多由于气体流量不合适、侧向风、飞溅引起的气流扰动等保护不良引起，少数由于液态金属中的N原子聚合来不及逸出而成。从保护和工艺规范两方面解决。 2.CO气孔

13、：沿结晶方向分布，呈条虫状，内表面光滑，一般在焊缝内部分布。当焊丝中含有足够的脱氧元素时，并且限制焊丝中的含碳量，产生CO气孔的可能性是很小的。 3.H2气孔：H的来源有两条途径：一是焊丝、工件表面的油、 锈和水分；另一是CO2气体中的水分。 电弧空间的水蒸气发生分解： 自由状态的H原子被电离： H+溶入金属中。在熔池冷却过程中，H+的溶解度降低，析出并聚集成H2气团，如不能逸出到熔池外部，就造成H2气孔。 2H O2H+O+HH CO2焊焊前的准备工作除了焊丝需要清理去油外，工件上如果没有大量的铁锈，一般不需处理。 焊接中H是以离子形态溶入金属中的。DCEP焊接时，熔池为阴极，它发射大量的电

14、子，使熔池表面的H+又复合成原子，因而减少了进入熔池的H+数量。所以直流反极性焊接，焊缝中含H量只是直流正极性时的1/31/5，产生H2气孔的程度降低。 22222H +COH+COCO+OHH+OOHH+2OH OCOH O CO2焊接过程中，CO2发生分解，增加了O的分压，使H2O的分解度降低或分解困难。同时高温下CO2气体及O原子与H2及自由状态的H原子发生作用生成不溶于金属的水蒸气和羟基，使电弧气氛中含H量减少，H+亦减少， H2气孔产生的可能性降低。CO2焊方法本身对铁锈、水分没有埋弧焊或氩弧焊那么敏感，通常被称作低H型或超低H型焊接方法。5.3焊丝熔化与熔滴过渡焊丝熔化与熔滴过渡5

15、.3.1焊丝熔化热及比熔化量焊丝熔化热电弧对电极前端的加热 PAI(UAUWUT)PCI(UCUWUT) PA、PC:等价电能; I : 焊接电流；UA: 阳极压降，数值近于0；UC: 阴极压降；UW :电极材料的功函数；UT : 弧柱电子、离子动能的等价电压,可忽略。公式括号中的数值，称作熔化等价电压Um，因极性、焊丝的材质而变化，几乎不受弧长及弧柱电压的影响 熔化极电弧焊，焊丝都是冷阴极材料，由于UCUW，通常PCPA，即以相同材质的焊丝作为阴极，其产热量要大于作阳极时的产热 焊丝的熔化热电阻热2RePI ReeLRS总熔化热 PmI(UmIRe ) 熔滴脱落带走热量：QmW (C TfH

16、) JPm Qm W/I(UmIRe)/ (CTfH)J MRW 单位时间内熔化金属的重量； C 金属比热； Tf 脱落金属的平均温度； H 潜热； J 功当量 MR：单位时间、单位电流下的脱落金属量，称作焊丝的比熔化量单位mg/(As) MR在焊丝材料的物理常数C、H、Tf数值确定以后，只依赖于(UmI2Re)。特别在MIG焊场合，焊丝作为阳极时的Um与材料的功函数UW大致相等而为一定值，于是有UmIRe，即在能够忽略电极干伸区电阻产热的场合，比熔化量与电流值无关，是个定值。 铝焊丝电阻热可忽略，比熔化量即斜率钢焊丝随电流值的增大，熔化特性的斜率增大，而且干伸长度越大斜率也越大，显示出电阻产

17、热的影响5.3.2焊丝熔化速度影响因素 当材质一定时，焊丝熔化速度基本上是由电流、焊丝直径、干伸长决定。但焊丝极性、保护气种类、可见弧长、熔滴过渡形态等也有很大影响。 例：极性影响 钢焊丝、MAG焊 焊丝接正时，焊丝熔化速度与混合气种类无关，几乎成定值，说明阳极的等价热输入PA与气体的种类无关。 焊丝接负时熔化量显著提高，原因是由于PAI0)、U降低(U1V0)，而焊丝是等速送进(Vf=V1)，使得焊丝熔化速度大于焊丝送进速度，从而使电弧长度逐渐增加，电弧工作点从Q1点沿电源外特性曲线逐步向Q0点靠近，最后稳定在Q0点，电弧长度恢复到改变前的数值。调节精度： 调节精度指电弧受到干扰而产生工作点

18、偏移（包括弧长、电流、电压）时，调节系统发挥作用使系统被调节到一个新的稳定工作点，此时被调节量的稳定值与初始稳定值之间的偏离程度，也称作调节系统的“静态误差”。 造成系统稳定工作点偏移的原因： 1.送丝速度变动 2.网压变动 3. 弧长变动 送丝速度变化的影响： 送丝速度变动时，系统新的稳定工作点将由变化后的等熔化速度曲线与电源外特性曲线的交点决定。此时系统没有向初始工作点调节的作用，两工作点之间的偏差表现在电弧电压、电弧长度及焊接电流的改变上。 电网电压变化的影响： 电弧稳定工作点从Q0变化到Q1，Q1点是新的电弧稳定工作点，满足电源电弧系统的稳定条件及焊丝送进焊丝熔化平衡条件，但与初始稳定

19、工作点Q0之间产生了静态误差，并将保持下去。 等速送丝调节系统对网压变动没有调节作用，只有电弧工作点的改变过程。 在长弧焊情况下，为减少电弧电压的静态误差，常采用缓降特性或平特性电源；在短弧焊情况下，为减少焊接电流的静态误差，可采用陡降特性或恒流特性电源 。曲线1：等熔化速度曲线 曲线2、3、4、5：电源外特性 弧长变化的影响： 弧长变动时，若调节过程完成后，焊枪高度没有发生变化，焊丝干伸长也不改变，则系统将在初始稳定工作点下工作，电流、电压、弧长都恢复到原值，不产生任何静态误差。然而实际焊接中，电弧长度的改变通常都是由于焊枪相对工件表面距离的变化所引起的，比如工件表面台阶、环缝椭圆度等，这种

20、情况在调节过程完成后，系统新的稳定工作点将偏离系统初始工作点，电流、电压、弧长都不能恢复到原值。Q0是初始稳定工作点，由于某项原因使焊枪相对工件距离减小，首先弧长缩短l0l1，电弧工作点Q0Q1，Q1点焊丝熔化速度Vm1大于Q0点焊丝熔化速度Vm0，而送丝速度Vf不变，则随着焊丝的送进使弧长又逐渐拉长向初始弧长恢复。然而由于焊枪已经降低，焊丝干伸长减小，Vf送丝速度下的等熔化速度曲线右移，新的稳定工作点产生在新的等熔化速度曲线与电源外特性相交的位置Q1，由此产生了系统静态误差（I=I1-I0,U=U1-U0,l=l1-l0）。 影响弧长变化系统调节精度的因素： 焊丝干伸长变化量大，则Vm1较V

21、m0变化也大，系统调节精度降低，静态误差增加； 焊丝直径越细，或者材料电阻率越大，则焊丝干伸长变化的影响加剧。 采用平特性或缓降特性电源，系统静态误差小。画图解释。 调节灵敏度 调节灵敏度是指调节作用对电弧工作点产生微小变化的反应能力。系统调节灵敏度越高，电弧工作点的动态变化越小，调节恢复速度越快。只有在电弧自身调节作用很灵敏时，焊接过程的稳定性才能得到保证。等速送丝条件下，弧长变化引起的焊丝熔化速度变化越大，调节恢复越快，系统灵敏度越高。由下式知： 影响灵敏度的因素： 1.焊丝直径与电流密度 2.弧柱电场强度 3.电源外特性miuvIU 焊丝直径与电流密度的影响： 焊丝直径越细或焊丝中的电流

22、密度越大，弧长变化所引起的焊丝熔化速度的变化也就越大，调节灵敏度提高。各直径的焊丝都有一个最小使用电流值，保证一定的电流密度，使电弧自身调节具有足够的灵敏度。 电场强度的影响： 弧柱电场强度大，意味着电弧单位长度变化所引起的电弧电压变化量大，所以可使系统调节灵敏度提高。 电源外特性的影响： 弧长变化时所引起的电流、电压的变化越大，则焊丝熔化速度的变化也就越大，可以使系统调节灵敏度提高。长弧焊情况下，在相同程度的弧长变化时，采用平特性或缓降特性电源可以比采用陡降特性电源产生更大的电流变化量，系统调节灵敏度提高。在电弧静特性呈上升特性时，采用上升特性电源可以获得更大的系统调节灵敏度。短弧焊情况下，

23、由于Ku值较大，所以即使采用陡降特性电源，系统灵敏度依然较高，但这种情况只有在电弧固有的自身调节能够发挥作用时才可以使用。 5.6.3 实际使用等速送丝调节系统 GMAW焊（CO2、MIG焊钢）使用细丝或中等直径焊丝的情况较多，从系统调节精度和调节灵敏度角度考虑，多数是采取等速送丝配备平特性（恒压特性）或缓降特性电源进行焊接，依据电弧静特性曲线斜率，少数情况下也可以采用微升特性电源。 长弧焊时，焊丝熔化速度与焊接电流有良好的对应关系，采取以调整焊丝送进速度、根据系统自身调节特性自动确定工作电流值的方式来设定焊接电流，或者说调整了送丝速度也就调整了焊接电流（焊丝送进速度焊接电流联动），电流值的可

24、调整范围取决于送丝速度的可调整范围。电弧电压的调整方法是通过调整焊接电源外特性所处位置或电源输出电压来实现，则电弧电压的可调整范围取决于电源外特性的可调整范围。实际焊接中，如果要把处于A点工作的电弧调整到B点工作，需要分别调整两个旋钮（送丝速度和电源外特性），工作不方便，而且要想得到电流与电压的最佳配合也很困难，需要反复调整。因此，根据焊接实际中总结出的最佳参数规范，从电路上设计了单旋钮调整方式，以一个旋钮的调整使电流和电压按最佳配合同步改变。 短弧焊时，还可以采用等速送丝配备陡降特性或恒流特性电源进行焊接，这种情况利用了电弧固有的自身调节作用。但存在的问题是：对于给定的电流值，送丝速度的允许

25、范围很窄，如果电源外特性与所设定送丝速度下的焊丝等熔化速度曲线配合不合适，将会产生焊丝短路或焊丝回烧导电嘴的情况。但是如果电流与送丝速度配合合适的话，则电流和弧长都十分稳定，焊接过程中，电流没有明显的变化，焊接熔深和熔宽都很均匀，能够得到更好的焊缝。根据焊接电流与焊丝熔化速度的关系，设计了焊接电流、送丝速度比例变化的控制方法，并且也实现了单旋钮调整。这种方法多用于铝合金MIG焊。5.7 CO2电弧焊实际焊接起弧焊接起弧: :在焊丝前端呈较大圆球形状时，以及在圆球下面带有熔渣时，为了可在焊丝前端呈较大圆球形状时，以及在圆球下面带有熔渣时，为了可靠引燃电弧，最好用钳子把焊丝前端剪下一段。靠引燃电弧

26、，最好用钳子把焊丝前端剪下一段。 焊枪角度和焊丝瞄准位置焊枪角度和焊丝瞄准位置: : 前进角和后退角前进角和后退角( (左向焊法、右向焊法左向焊法、右向焊法) )，在使用裸焊，在使用裸焊丝时，从观察焊缝形状、焊接线的可见性及保护效果考虑，可采用丝时，从观察焊缝形状、焊接线的可见性及保护效果考虑，可采用10101515前前进角焊接。在采用药芯焊丝焊接时，由于电弧力较弱，熔深较浅，前进角和后退进角焊接。在采用药芯焊丝焊接时，由于电弧力较弱，熔深较浅，前进角和后退角都可以采用。在进行水平角焊缝焊接及横向焊接时，除考虑焊枪角度之外，还角都可以采用。在进行水平角焊缝焊接及横向焊接时，除考虑焊枪角度之外，还需要充分注意焊枪的瞄准位置。比如进行脚长在需要充分注意焊枪的瞄准位置。比如进行脚长在5mm5mm以上的水平角焊缝焊接时，以上的水平角焊缝焊接时，把焊丝的瞄准位置偏向水平板一侧把焊丝的瞄准位置偏向水平板一侧1 12mm2mm，可以得到等脚长的焊缝。，可以得到等脚长的焊缝。 弧坑处理：弧坑处理：如果对弧坑不能进行良好的处理，则会产生焊缝金属量的不足如果对弧坑不能进行良好的处理，则会产生焊缝金属量的不足以及裂纹和收缩孔，作为缺陷残存下来。弧坑