第三章-熔化极气体保护焊.

第三章熔化极气体保护焊第一节概述一、熔化极气体保护焊的分类及特点1.熔化极气体保护焊的分类熔化极气体保护焊，通常根据保护气体种类和焊丝形式的不同进行分类，如图3⁃2所示。2.熔化极气体保护焊的特点熔化极气体保护焊与渣保护焊方法(如焊条电弧焊与埋弧焊)相比较，在工艺性、生产率与经济效果等方面有着下列优点：1)气体保护焊是一种明弧焊。图3-1熔化极气体保护焊示意图1—焊丝盘2—送丝滚轮3—焊丝4—导电嘴5—保护气体喷嘴6—保护气体7—熔池8—焊缝金属9—母材10—电弧第一节概述图3-2熔化极气体保护焊分类2)气体保护焊在通常情况下不需要采用管状焊丝，所以焊接过程没有熔渣，焊后不需要清渣，省掉了清渣的辅助工时，因此能降低焊接成本。3)适用范围广，生产效率高，易进行全位置焊及实现机械化和自动化。但熔化极气体保护焊也存在一些不足之处，主要包括：焊接时采用明弧和使用的电流密度大，电弧光辐射较强；其次，熔化极气体保护焊不适于在有风的地方或露天施焊；设备也比较复杂。第一节概述二、熔化极气体保护焊的应用熔化极气体保护电弧焊适用于焊接大多数金属和合金，最适于焊接非合金钢和低合金钢、不锈钢、耐热合金、铝及铝合金、铜及铜合金及镁合金。其中镁、铝及其合金、不锈钢等，通常只能用这种方法才能较经济地焊出令人满意的焊缝。第二节熔化极惰性气体保护焊一、熔化极惰性气体保护焊的特点熔化极惰性气体保护焊，是以连续送进的焊丝作为熔化电极，采用惰性气体作为保护气的电弧焊方法，简称MIG焊。与其他焊接方法相比，除前述特点外，尚有以下特点：1)采用Ar、He或Ar+He作为保护气体，几乎可焊接所有金属，尤其适合焊接铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金等非铁金属。3)MIG焊可采用直流反接，焊接铝及铝合金时有良好的“阴极清理”氧化膜作用。4)MIG焊接铝及铝合金时，亚射流电弧的固有自调节作用较为显著。第二节熔化极惰性气体保护焊二、熔化极惰性气体保护焊的保护气体和焊丝1.保护气体(1)氩气氩气(Ar)是一种稀有气体，在空气中含量为0.935%(体积百分比)，它的沸点为，介于氧与氮的沸点之间，是分馏液态空气制取氧气时的副产品。氩气的密度约为空气的1．4倍，因而焊接时不易漂浮散失，在平焊和横向角焊缝位置施焊时，能有效地排除焊接区域的空气。氩气是一种惰性气体，焊接过程中不与液态和固态金属发生化学冶金反应，使焊接冶金反应变得简单和容易控制，为获得高质量焊缝提供了良好的条件，因此特别适用于活泼金属的焊接。第二节熔化极惰性气体保护焊(2)氦气同氩气一样，氦气也是一种惰性气体。氦气保护焊时的电弧温度和能量密度高，母材的热输入量较大，熔池的流动性增强，焊接效率较高，适用于大厚度和高导热性金属材料的焊接。(3)氩和氦混合气体Ar和He按一定比例混合使用时，可获得兼有两者优点的混合气体。图3-3Ar、He+Ar、He三种保护气体的焊缝剖面形状(直流反接)第二节熔化极惰性气体保护焊2.焊丝熔化极惰性气体保护电弧焊使用的焊丝成分，通常情况下应与母材的成分相近，同时焊丝应具有良好的焊接工艺性，并能保证良好的接头性能。在某些情况下，为了焊接过程顺利并获得满意的焊缝金属性能，需要采用与母材成分完全不同的焊丝。例如，适用焊接高强度铝合金和合金钢的焊丝，在成分上通常完全不同于母材，其原因在于某些合金元素在焊缝金属中将产生不利的冶金反应而导致缺陷或降低焊缝的力学性能。图3-5熔化极氩弧焊自动焊枪1—铜管2—镇静室3—导流体4—铜筛网5—分流套6—导电嘴7—喷嘴8—帽盖第二节熔化极惰性气体保护焊三、熔化极惰性气体保护焊焊枪熔化极惰性气体保护焊的焊枪有半自动焊焊枪和自动焊焊枪两种。其结构原理与CO2焊焊枪和钨极氩弧焊焊枪(参见本书以后章节)相似。不同的是，对于大电流的熔化极氩弧焊焊枪，为了减少氩气的消耗，通常在喷嘴通道中安装一个气体分流套，将氩气分为内外两层。内层流速快，气流挺度好，可保证电弧稳定；外层流速慢，能扩大保护气的保护范围，且可减少氩气流量。熔化极氩弧焊半自动焊和自动焊焊枪如图3⁃4和图3⁃5所示。第二节熔化极惰性气体保护焊图3-4熔化极氩弧焊半自动焊枪a)鹅颈式(气冷)b)手枪式(水冷)1—喷嘴2—控制电缆3—导气管4—焊丝5—送丝导管6—电源输入7—开关8—进水管9—手柄第二节熔化极惰性气体保护焊四、熔化极惰性气体保护焊工艺MIG焊工艺主要包括焊前准备和工艺参数的选择二个部分。1.焊前准备焊前准备主要有设备检查、焊件坡口的准备、焊件和焊丝表面的清理以及焊件组装等。与其他焊接方法相比，MIG焊对焊件和焊丝表面的污染物非常敏感，故焊前表面清理工作是焊前准备中的重点。(1)化学清理化学清理方法因材质不同而异。表3-1脱脂溶液配方及工序第二节熔化极惰性气体保护焊表3-2化学清理工序(2)机械清理机械清理有打磨、刮削和喷砂等，用以清理焊件表面的氧化膜。图3-6碳钢焊丝的焊接电流I第二节熔化极惰性气体保护焊2.工艺参数的选择MIG焊的工艺参数主要有焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝伸出长度、焊丝倾角、焊丝直径、焊接位置、极性、保护气体的种类和流量大小等。(1)焊接电流和电弧电压通常是先根据工件的厚度选择焊丝直径，然后再确定焊接电流和熔滴过渡类型。表3-3不同材料和不同直径焊丝的临界电流参考值第二节熔化极惰性气体保护焊(2)焊接速度单道焊的焊接速度是焊枪沿接头中心线方向的相对移动速度。图3-7焊丝的行走角图图3-8焊丝的工作角a)平焊b)角焊第二节熔化极惰性气体保护焊(3)焊丝伸出长度焊丝的伸出长度越长，焊丝的电阻热越大，则焊丝的熔化速度越快。(4)焊丝位置焊丝轴线相对于焊缝中心线(称基准线)的角度和位置会影响焊道的形状和熔深。焊丝方位对焊缝成形的影响如图3⁃9所示。当其他条件不变，焊丝由垂直位置变为后倾焊法时，熔深增加，而焊道变窄且余高增大，电弧稳定，飞溅小。行走角为25°的后倾焊法常可获得最大的熔深。一般行走角在5°～15°范围，以便良好地控制焊接熔池。在横焊位置焊接角焊缝时，工作角一般为45°。第二节熔化极惰性气体保护焊图3-9焊丝方位对焊缝形状的影响a)后倾焊(焊丝指向后方)b)焊丝垂直c)前倾焊(焊丝指向前方)(5)焊接位置喷射过渡可适用于平焊、立焊、仰焊位置。(6)气体流量保护气体从喷嘴喷出可有两种情况：较厚的层流和接近于紊流的较薄层流。第二节熔化极惰性气体保护焊3.MIG焊常用焊接工艺举例就MIG焊的应用范围而言，它几乎可用于所有金属的焊接，但对低碳钢和低合金钢的焊接，使用纯惰性气体保护成本较高，而且焊接质量也不理想，因此一般情况下不采用。(1)短路过渡焊接工艺厚度为1～2mm薄板的对接、搭接、角接及卷边接头等，可以采用短路过渡方式进行焊接。表3-4铝合金短路过渡MIG焊焊接参数第二节熔化极惰性气体保护焊(2)喷射过渡焊接工艺厚度为6～25mm板的对接接头，焊接时需要开坡口并进行多层焊，一般采用喷射过渡方式进行焊接。表3⁃5铝合金喷射过渡及亚射流过渡MIG焊焊接参数表3-5铝合金喷射过渡及亚射流过渡MIG焊焊接参数第三节熔化极活性混合气体保护焊一、熔化极活性混合气体保护焊的特点熔化极活性混合气体保护焊，简称(MAG)焊，是采用在惰性气体Ar中加入一定量的活性气体(如O2、CO2等)作为保护气体的一种熔化极气体保护电弧焊方法。1)提高熔滴过渡的稳定性。2)稳定阴极斑点，提高电弧燃烧的稳定性。3)改善焊缝熔深形状及外观成形。4)增大电弧的热功率。5)控制焊缝的冶金质量，减少焊接缺陷。6)降低焊接成本。对于某一种成分的活性混合气体，并不一定具有上述全部作用，但在某些情况下可以兼有其中的若干作用。第三节熔化极活性混合气体保护焊二、熔化极活性混合气体保护焊常用气体及适用范围1.Ar+O2Ar中加入O2的活性气体可用于非合金钢、不锈钢等高合金和高强钢的焊接。其最大的优点是克服了纯Ar保护焊接不锈钢时存在的液体金属粘度大、表面张力大而易产生气孔，焊缝金属润湿性差而易引起咬边，阴极斑点飘移而产生电弧不稳等问题。焊接不锈钢等高合金钢及强度级别较高的高强钢时，O2的含量(体积)应控制在1%～5%。用于焊接碳钢和低合金结构钢时，Ar中加入O2的含量可达20%。2.Ar+CO2第三节熔化极活性混合气体保护焊3.Ar+CO2+O2用Ar80%+CO215%+O25%混合气体(体积比)焊接低碳钢、低合金钢时，无论焊缝成形、接头质量以及金属熔滴过渡和电弧稳定性方面都比上述两种混合气体要好。图3⁃10为用三种不同气体焊接时的焊缝断面形状示意图，可见用Ar+CO2+O2混合气体时焊缝剖面形状最理想。图3-10用三种不同气体焊接时焊缝剖面形状第三节熔化极活性混合气体保护焊表3-6焊接用保护气体及适用范围第三节熔化极活性混合气体保护焊表3-6焊接用保护气体及适用范围2.用于焊接低碳钢、低合金钢的Ar+O2及Ar+CO2混合气体中，其Ar可用粗氩，不必用高纯度的Ar。第三节熔化极活性混合气体保护焊三、熔化极活性混合气体保护焊工艺MAG焊的工艺内容和工艺参数的选择原则与MIG焊相似。其不同之处是在Ar气中加入了一定量的具有脱氧去氢能力的活性气体，因而焊前清理就没有MIG焊要求那么严格。表3-7不锈钢短路过渡MAG焊焊接参数第三节熔化极活性混合气体保护焊表3-8不锈钢喷射过渡MAG焊焊接参数第四节CO2气体保护焊一、CO2气体保护焊的特点及应用CO2气体保护电弧焊是利用CO2作为保护气体的熔化极电弧焊方法，简称CO2焊。由于CO2是具有氧化性的活性气体，因此除了具备一般气体保护电弧焊的特点外，CO2焊在熔滴过渡、冶金反应等方面与一般气体保护电弧焊有所不同。1.CO2气体保护焊的特点图3-12C过渡示意图(1)CO2气体保护焊的熔滴过渡特点CO2焊的熔滴过渡形式有滴状过渡、短路过渡和潜弧射滴过渡三第四节CO2气体保护焊1)滴状过渡。当电流在400A以上时，熔滴细化，过渡频率也随之增大，虽然仍为非轴向过渡，但飞溅减小，电弧较稳定，焊缝成形较好，在生产中应用较广。2)短路过渡。3)潜弧射滴过渡。图3-11C图3-13C第四节CO2气体保护焊(2)CO2气体保护焊的冶金特点1)焊接过程合金元素的氧化与脱氧。当氧化作用发生后，由于氧化作用而生成的FeO能大量溶于熔池金属中，会使焊缝金属产生气孔及夹渣等缺陷。其次，锰、硅等元素氧化生成的SiO２与MnO，虽然可成为熔渣浮到熔池表面，但却减少了焊缝中这些合金元素的含量，使焊缝金属的力学性能降低。2)焊缝金属中的气孔。①焊丝中脱氧元素含量不足：当焊丝金属中含脱氧元素不足时，焊接过程中就会有较多的FeO溶于熔池金属中。随后在熔池冷凝时就会发生如下的化学反应：FeO+CFe+CO↑第四节CO2气体保护焊②气体保护作用不良：在CO２气体保护焊过程中，如果因工艺参数选择不当等原因而使保护作用变坏，或者CO２气体纯度不高，在电弧高温下空气中的氮会溶到熔池金属中。当熔池金属冷凝时，随着温度的降低，氮在液体金属中的溶解度降低，尤其是在结晶过程时，溶解度将急剧下降。这时液态金属中的氮若来不及外逸，常会在焊缝表面出现蜂窝状气孔，或者以弥散形式的微气孔分布于焊缝金属中。这些气孔往往在抛光后检验或水压试验时才能被发现。实践表明，要避免产生这种氮气孔，最主要的是应增强气体的保护效果，且选用的CO２气体纯度要高。另外，选用含有固氮元素(如Ti和Al)的焊丝，也有助于防止产生氮气孔。第四节CO2气体保护焊③焊缝金属溶解了过量的氢：CO２气体保护焊时，如果焊丝及焊件表面有铁锈、油污与水分，或者CO２气体中含有水分，则在电弧高温作用下这些物质会分解并产生氢。氢在高温下也易溶于熔池金属中。随后，当熔池冷凝结晶时，氢在金属中的溶解度急剧下降，若析出的氢来不及从熔池中逸出，就引起焊缝金属产生氢气孔。因此，为了防止氢气孔，在焊前应对焊件及焊丝进行清理，去除它们表面上的铁锈、油污、水分等。另外，还可对CO２气体进行提纯与干燥。不过，由于CO２气体具有氧化性，氢和氧会化合，故出现氢气孔的可能性还是较小的，因而CO２气体保护焊是一种公认的低氢