焊工工艺学-第八章-气体保护电弧焊

第八章气体保护电弧焊§8-1气体保护电弧焊的原理及特点§8-2二氧化碳气体保护电弧焊§8-3氩弧焊§8-4熔化极活性混合气体保护焊§8-5药芯焊丝气体保护电弧焊§8-6气电立焊§8-1气体保护电弧焊的原理及特点一、气体保护电弧焊的原理及分类1.气体保护电弧焊的原理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方法，简称气体保护焊。气体保护焊直接依靠从喷嘴中连续送出的气流，在电弧周围形成局部的气体保护层，使电极端部、熔滴和熔池金属与周围空气机械地隔绝开来，以保证焊接过程的稳定性，并获得质量优良的焊缝。2.气体保护电弧焊的分类（1）按所用的电极材料不同，可分为非熔化极气体保护焊和熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊示意图1-送丝滚轮2-焊丝3-喷嘴4-导电嘴5-保护气体6-焊缝金属7-电弧8-送丝机非熔化极气体保护焊示意图1-喷嘴2-钨极夹头3-保护气体4-钨极-填充金属6-焊缝金属7-电弧熔化极气体保护焊又可分为熔化极惰性气体保护焊（MIG）、熔化极活性气体保护焊（MAG）、CO2气体保护焊（CO2焊）三种。（2）按照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、CO2气体保护焊等。（3）按操作方式的不同，可分为手工气体保护焊、半自动气体保护焊和自动气体保护焊等。二、气体保护电弧焊的特点1.采用明弧焊，一般不必用焊剂，没有熔渣，熔池可见度好，便于操作。2.焊接变形小、焊接裂纹倾向不大，尤其适用于薄板焊接。3.采用氩、氦等惰性气体保护，焊接化学性质较活泼的金属或合金时，可获得高质量的焊接接头。4.气体保护焊不宜在有风的地方施焊，在室外作业时须有专门的防风措施。三、保护气体的种类及应用§8-2二氧化碳气体保护电弧焊一、CO2气体保护焊的原理及特点1.CO2气体保护焊的原理及分类（1）CO2气体保护焊的原理CO2气体保护焊焊接过程示意图1-熔池2-焊件3-CO2气体4-喷嘴5-焊丝6-焊接设备7-焊丝盘8-送丝机构9-软管10-焊枪11-导电嘴12-电弧13-焊缝（2）CO2气体保护焊的分类CO2焊按所用的焊丝直径不同，可分为细丝CO2气体保护焊（焊丝直径≤1.2mm）及粗丝CO2气体保护焊（焊丝直径≥1.6mm）。CO2焊按操作方式不同又可分为CO2半自动焊和CO2自动焊。二氧化碳气体保护焊2.CO2气体保护焊的特点（1）CO2气体保护焊的优点1）焊接成本低。2）生产率高。3）焊接质量高。4）焊接变形和焊接应力小。5）操作性能好。6）适用范围广。（2）CO2气体保护焊的缺点1）使用大电流焊接时，焊缝表面成形较差，飞溅较多。2）不能焊接容易氧化的有色金属材料。3）很难用交流电源焊接及在有风的地方施焊。4）弧光较强，特别是大电流焊接时，电弧的光热辐射均较强。二、CO2气体保护焊的冶金特点1.合金元素的氧化与脱氧（1）合金元素的氧化CO2在电弧高温作用下，易分解为一氧化碳和氧，使电弧气氛具有很强的氧化性。（2）脱氧CO2焊通常的脱氧方法是采用具有足够脱氧元素的焊丝。2.CO2焊的气孔问题（1）一氧化碳气孔当焊丝中脱氧元素不足，使大量的FeO不能还原而溶于金属中，在熔池结晶时发生下列反应：FeO＋C→Fe＋CO↑若所生成的CO气体若来不及逸出，就会在焊缝中形成气孔。（2）氢气孔氢的来源主要是焊丝、焊件表面的铁锈、水分、油污，以及CO2气体中含有的水分。如果熔池金属溶入大量的氢，就可能形成氢气孔。（3）氮气孔当CO2气流的保护效果不好，以及CO2气体纯度不高，含有一定量的空气时，空气中的氮就会大量溶入熔池金属内。当熔池金属结晶凝固时，若氮来不及从熔池中逸出，便形成氮气孔。三、CO2气体保护焊的熔滴过渡1.短路过渡2.滴状过渡CO2焊在采用粗焊丝、较大电流和较高电压时，会出现滴状过渡。非轴线方向颗粒过渡示意图四、CO2气体保护焊的飞溅问题1.CO2焊飞溅对焊接造成的有害影响（1）CO2焊时，飞溅增大会降低焊丝的熔敷系数，从而增加焊丝及电能的消耗量，降低焊接生产率，增加焊接成本。（2）飞溅金属黏在导电嘴端面和喷嘴内壁上，容易使焊缝产生气孔，影响焊缝质量。（3）焊接过程中飞溅出的金属，还容易烧坏焊工的工作服，甚至烫伤焊工皮肤，恶化劳动条件。2.CO2焊产生飞溅的原因及防止飞溅的措施（1）由冶金反应引起的飞溅（2）由斑点压力引起的飞溅（3）熔滴短路时引起的飞溅（4）非轴向颗粒过渡造成的飞溅（5）焊接参数选择不当引起的飞溅采用CO2潜弧焊方法是采用较大的焊接电流、较小的电弧电压，把电弧压入熔池形成潜弧，使产生的飞溅落入熔池，从而使飞溅大大减少。这种方法熔深大、效率高，现已广泛应用于厚板焊接。五、CO2气体保护焊的焊接材料1.CO2气体焊接用的CO2一般是将其压缩成液体储存于钢瓶内。液态CO2在常温下容易汽化。溶于液态CO2中的水分易蒸发成水汽混入CO2气体中，影响CO2气体的纯度。2.焊丝（1）对焊丝的要求1）CO2焊焊丝必须比母材含有较多的Mn和Si等脱氧元素，以防止焊缝产生气孔，减少飞溅，保证焊缝金属具有足够的力学性能。2）焊丝含碳量限制在1.10％以下，并控制硫、磷含量。3）焊丝表面镀铜，镀铜可防止生锈，有利于保存，并可改善焊丝的导电性及送丝的稳定性。（2）焊丝型号及规格六、CO2气体保护焊设备CO2半自动焊设备1.焊接电源焊接电源外特性与电弧自身调节作用的关系１—平硬外特性曲线２—缓降外特性曲线３—陡降外特性曲线2.送丝系统及焊枪（1）送丝系统CO2半自动焊送丝方式ａ)拉丝式ｂ)推丝式ｃ)推拉式1-焊丝盘2-焊丝3-送丝滚轮4-减速器5-电动机6-焊枪7-焊件（2）焊枪焊枪的作用是导电、导丝、导气。鹅颈式焊枪１—喷嘴２—鹅颈管３—焊把４—电缆５—扳机开关６—绝缘接头７—导电嘴3.CO2供气系统CO2供气系统由气瓶、预热器、干燥器、减压器、流量计和气阀组成。瓶装的液态CO2汽化时要吸热，吸热反应可使瓶阀及减压器冻结。所以，在减压器之前，需经预热器加热，并在输送到焊枪之前，应经过干燥器吸收CO2气体中的水分，使保护气体符合焊接要求。4.控制系统CO2半自动焊控制程序方框图XC系列CO2半自动焊机七、CO2气体保护焊的焊接参数1.焊丝直径2.焊接电流3.电弧电压电弧电压必须与焊接电流配合恰当，否则会影响到焊缝成形及焊接过程的稳定性，电弧电压随着焊接电流的增大而增大，短路过渡焊接时，通常电弧电压在16~24Ｖ范围内，细滴过渡焊接时，对于直径12~30mm的焊丝，电弧电压可在25~36V范围内选择。4.焊接速度在一定的焊丝直径、焊接电流和电弧电压条件下，随着焊速增加，焊缝宽度与焊缝厚度减小。焊速过快，不仅气体保护效果变差，可能出现气孔，而且还易产生咬边及未熔合等缺欠；但焊速过慢，则焊接生产率降低，焊接变形增大。一般CO2半自动焊的焊接速度在15~30m/h范围内。5.焊丝伸出长度焊丝伸出长度取决于焊丝直径，一般约等于焊丝直径的10倍，且不超过15mm。伸出长度过大，焊丝会成段熔断，飞溅严重，气体保护效果差；伸出长度过小，不但易造成飞溅物堵塞喷嘴，影响保护效果，也影响焊工视线。6.CO2气体流量CO2气体流量应根据焊接电流、焊接速度、焊丝伸出长度及喷嘴直径等选择，过大或过小的气体流量都会影响气体保护效果。通常在细丝CO2焊时，CO2气体流量约为8~15L/min，粗丝CO2焊时，CO2气体流量约为15~25L/min。7.电源极性与回路电感为了减少飞溅，保证焊接电弧的稳定性，CO2焊应选用直流反接。焊接回路的电感值应根据焊丝直径和电弧电压来选择。8.装配间隙及坡口尺寸由于CO2焊焊丝直径较细，电流密度大，电弧穿透力强，电弧热量集中，一般对于12mm以下的焊件不开坡口也可焊透，对于必须开坡口的焊件，一般坡口角度可由焊条电弧焊的60°左右减为30°~40°，钝边可相应增大2~3ｍｍ，根部间隙可相应减少1~2mm。§8-3氩弧焊一、氩弧焊的原理、特点和分类1.氩弧焊的原理氩弧焊是使用氩气作为保护气体的一种气体保护电弧焊方法。2.氩弧焊的特点（1）焊缝质量高（2）焊接变形与应力小（3）焊接范围很广3.氩弧焊的分类氩弧焊根据所用的电极材料不同，可分为钨极（不熔化极）氩弧焊和熔化极氩弧焊。按其操作方式又可分为手工、半自动和自动氩弧焊。根据采用的电源种类，又可分为直流氩弧焊、交流氩弧焊和脉冲氩弧焊等。二、钨极氩弧焊1.钨极氩弧焊的焊接材料（1）钨极钨极氩弧焊要求钨极具有电流容量大、损耗小、引弧和稳弧性能好等特性。（2）氩气氩气是无色、无味的惰性气体，不与金属起化学反应，也不溶解于金属。（3）焊丝钨极氩弧焊2.钨极氩弧焊设备手工钨极氩弧焊设备示意图１—填充金属２—焊枪３—流量计４—氩气瓶５—焊机６—开关７—焊件（1）焊机焊机包括焊接电源及高频振荡器、脉冲稳弧器、消除直流分量装置等控制装置，若采用焊条电弧焊的电源，则应配用单独的控制箱。1）焊接电源2）引弧及稳弧装置（2）焊枪钨极氩弧焊焊枪的作用是夹持电极、导电和输送氩气流。焊枪一般由枪体、喷嘴、电极夹头、电极帽、手柄和控制开关等组成。TIG焊焊枪（3）供气系统钨极氩弧焊的供气系统由氩气瓶、减压器、流量计和电磁阀组成。（4）冷却系统一般选用的最大焊接电流在150A以上焊接时，必须通水冷却焊枪和电极。冷却水接通并有一定压力后，才能启动焊接设备，通常在钨极氩弧焊设备中用水压开关或手动来控制水流量。（5）控制系统3.钨极氩弧焊工艺（1）焊前清理1）机械清理法2）化学清理法3）化学—机械清理法（2）焊接参数的选择1）电源种类和极性①直流反接阴极破碎作用示意图ａ)直流反接ｂ)直流正接②直流正接钨极氩弧焊采用直流正接时（即钨极为负极、焊件为正极），由于电弧在焊件阳极区产生的热量大于钨极阴极区，致使焊件的焊缝厚度增加，焊接生产率高。而且钨极不易过热与烧损，使钨极的许用电流增大，电子发射能力增强，电弧燃烧稳定性比直流反接时好。③交流钨极氩弧焊2）钨极直径及端部形状常用的电极端部形状ａ)直流小电流ｂ)直流大电流ｃ)交流3）焊接电流4）氩气流量和喷嘴直径对于一定孔径的喷嘴，选用的氩气流量要适当，如果流量过大，不仅浪费，而且容易形成紊流，使空气卷入，对焊接区的保护不利，同时还会带走电弧区的热量，影响电弧稳定燃烧。而流量过小也不好，气流挺度差，容易受到外界气流的干扰，以致降低气体保护效果。5）焊接速度在一定的钨极直径、焊接电流和氩气流量条件下，焊速过快会使保护气流偏离钨极与熔池，影响气体保护效果，易产生未焊透等缺欠；焊速过慢时，焊缝易咬边和烧穿。因此，应选择合适的焊接速度。6）电弧电压电弧电压增加，焊缝厚度减小，熔宽显著增加，且随着电弧电压的增加，气体保护效果随之变差。当电弧电压过高时，易产生未焊透、焊缝被氧化和气孔等缺欠。因此，应尽量采用短弧焊，电弧电压一般为10~24Ｖ。7）其他因素三、熔化极氩弧焊1.熔化极氩弧焊的原理及特点（1）熔化极氩弧焊的原理熔化极氩弧焊采用焊丝作电极，在氩气保护下，电弧在焊丝与焊件之间燃烧，焊丝连续送给并不断熔化。而熔化的熔滴也不断向熔池过渡，与液态的焊件金属熔合，经冷却凝固后形成焊缝。（2）熔化极氩弧焊的特点1）一次焊接的焊缝厚度显著增加。2）采用自动焊或半自动焊，具有较高的焊接生产率，并改善了劳动条件。3）不仅能焊薄板也能焊厚板，特别适用于中等和大厚度焊件的焊接。2.熔化极氩弧焊的熔滴过渡形式当采用短路过渡或颗粒过渡焊接时，由于飞溅较严重，电弧复燃困难，焊件金属熔化不良及容易产生焊缝缺欠，所以熔化极氩弧焊一般不采用短路过渡或颗粒过渡形式，而多采用喷射过渡形式。3.熔化极氩弧焊设备熔化极半自动氩弧焊设备主要由焊接电源、供气系统、送丝机构、控制系统、半自动焊枪、冷却系统等部分组成。熔化极自动氩弧焊设备与半自动焊设备相比，多了一套行走机构，并且通常将送丝机构与焊枪安装在焊接小车或专用的焊接机头上，这样可使送丝机构更为简单可靠。4.熔化极氩弧焊的焊接参数四、脉冲氩弧焊脉冲焊接电流波形示意图ａ)矩形波ｂ)正弦波ｃ)三角波T—脉冲周期tp—脉冲电流时间tb—基值电流时间Ib—基值