第三章焊接方法与设备

第三章焊接方法与设备

焊接方法差不多上可分为三大类：熔化焊、固相焊和钎焊。具体的焊接方法有几十种，这一章要紧讨论埋弧焊、气体爱护焊等一些常用的电弧焊方法。

3.1 手工焊条电弧焊－Shielded Metal-arc Welding (SMAW)

手工焊条电弧焊（适应称为手弧焊）是以手工操纵焊条，利用焊条与工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热到熔化状态，焊条端部熔化后的熔滴和熔化的母材融合一起形成熔池，随着电弧向前移动，熔池液态金属逐步冷却结晶，最终形成焊缝，是目前在工业生产中应用最广的一种焊接方法。

焊接过程如下图3-1：

图3-1 焊条电弧焊焊接过程示意图

手弧焊的要紧优点：

①操作灵活，可达性好．

②设备简单，使用方便，不管采纳交流弧焊机或直流弧焊机，焊工都能专门容易地把握，而且使用方使、简单、投资少。

③应用范畴广。选择合适的焊条能够焊接许多常用的金属材料。

手弧焊的要紧缺点有；

①焊接质量不够稳固。焊接质量受焊工的操作技术、体会、情绪的阻碍。

②劳动条件差。焊工劳动强度大，还要受到弧光辐射、烟尘、臭氧、氮氧化合物、氟化物等有毒物质的危害。

③生产效率低。受焊工体能的阻碍，焊接工艺参数中挥接电流受到限制，加之辅助时刻较长，因此生产效率低。

焊前预备：

①烘干焊条，祛除受潮涂层中的水分，以减少熔池及焊缝中的氢，防止产动

气孔和冷裂纹。

②清除工件坡口及两侧各20mm范畴内的锈、水、油污等，防止产动气孔和延迟裂纹。

③组对工件，保证结构的形状和尺寸，预留坡口根部间隙和反变形量，然后按规定的位置进行定位焊。

④针对刚性大的结构和可焊性差的材料，焊前对工件进行全部或局部预热，以减小接头焊后冷却速度，幸免产生淬硬组织，减小焊接应力和变形，防止产生裂纹。

后热和焊后热处理：

焊后赶忙对焊件全部或局部进行加热或保温使其缓冷的工艺措施，称为后热。后热的目的是幸免形成硬脆组织，以及使扩散氢逸出焊缝表面，从而防止产生裂纹。

焊后为改善接头的显微组织和性能或排除焊接残余应力而进行的热处理，称为焊后热处理。例如，关于易产生脆断和延迟裂纹的重要结构、尺寸稳固性要求高的结构、有应力腐蚀的结构、以及厚度超过一定限度的结构，应考虑焊后进行排除应力退火。

3.2 埋弧自动焊－Submeerged-Arc Welding (SAW)

埋弧焊时，采纳盘状焊丝配合焊剂，以代替手弧焊时的焊条。焊接过程中，焊剂不断撒在焊件接缝和接缝邻近区域。焊丝末端伸入焊剂内并与焊件之间产生电弧。由于电弧被厚约30-50mm的焊剂层所覆盖，看不见电弧，因此称为埋弧焊。

3.2.1 焊接过程

图3-2是埋弧自动焊的过程示意图。电弧的引燃和移动，金属熔池、液态熔渣和气体的形成，液态金属与熔渣和气体之间的相互作用，以及焊缝金属和熔渣的凝固等过程都与手弧焊差不多相同。两者的要紧不同之处在于：①用颗粒状焊剂取代焊条药皮；②用连续自动送进的焊丝取代焊芯；③用自动焊机取代焊工的手工操作。

图3-2 埋弧焊示意图

3.2.2 埋弧焊的优点

⑴生产效率高

⑵焊接质量好

⑶节约金属和电能

⑷在有风的环境中焊接时，埋弧焊的爱护成效胜过其它焊接方法。

⑸劳动条件好

3.2.3 埋弧焊的缺点

⑴要紧适用于水平位置焊缝焊接。

⑵难以用来焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。

⑶只适于长焊缝的焊接

⑷不适合焊接厚度小于1mm的薄板。

⑸容易焊偏。

3.2.4 应用范畴

埋弧焊适用于焊接比较大而长的直焊缝和大直径圆筒的环焊缝，专门适用于大批量生产。它广泛应用于锅炉、化工容器、造船、机车车辆、起重机等金属结构的制造中。

3.2.5 焊接电弧自动调剂原理

焊接过程中的外界干扰会导致焊接工艺参数不稳。外界干扰要紧来自弧长波动和电网电压的波动。由于焊件不平、装配不良或遇到定位焊点等，都会引起弧长的变化。如图3-3，假如弧长缩短，电弧的稳固工作点就由O沿电源外特性移到O1。电网电压变化时，电源的外特性也相应发生变化，假如电网电压降低，电弧的稳固工作点就由O沿电弧静特性移到O2。能够看出，弧长波动和电网电压的波动都会使焊接电流和焊接电压发生变化（稳固工作点对应的电压、电流），

因此要保持焊接参数稳固，必须要有一种自动调剂系统，来排除或减弱外界干扰的阻碍，专门是弧长的干扰，因为弧长的微小变化会带来电弧电压的明显变化，因此自动调剂弧长就成为自动焊机的特有任务。最常用的有电弧自身调剂系统和电弧电压反馈自动调剂系统。

图3-3 电弧静态工作点的波动

3.2.5.1 电弧自身调剂作用的原理

这种系统在焊接时，焊丝以给定的速度等速送进，因此也称为等速送丝系统。假如弧长保持稳固，那么送丝速度V f

和焊丝的熔化速度V m(melt)必须相等，

（feed）

也确实是V f=V m

这是任何熔化极电弧系统的稳固条件。

当焊接过程中由于某种缘故使弧长波动时，必定会引起焊接电流和电压发生变化，进而引起焊丝熔化速度发生变化。假如弧长由于某种缘故缩短的话，电弧稳固工作点就由O沿电源外特性移到O1，对应的焊接电流加大，电压下降，由于焊丝熔化速度要紧受电流阻碍，因此焊丝熔化速度加快，而送丝速度是不变的，这就显现了V f>V m，弧长加大，从而电弧稳固工作点自动复原到原先的O点。

从上面的分析能够看出，在电弧自身调剂系统中，完全是由弧长变化所引起的焊接电流等工艺参数的变化使弧长复原到原先长度。当焊接电流较大、焊丝较细而且电源外特性较平缓时，电弧的自身调剂作用大。因此，等速送丝焊机一样都采纳缓降特性甚至平特性的电源。

3.2.5.2 电弧电压平均调剂原理

由于在粗焊丝的情形下，仅靠电弧自身调剂作用差不多不能保证焊接过程的稳固性，因此进展了电弧电压平均调剂方法，它要紧用在变速送丝并匹配陡降外特性的粗丝熔化焊。这种方法和电弧自身调剂作用的不同之处在于，当弧长波动引起焊接规范参数波动时，它是利用电弧电压作为反馈量，并通过一个专门的自动调剂装置，强迫送丝速度发生变化。因为一样焊接规范下电弧电压和弧长是呈正比的，假如弧长增加，电弧电压就增大，通过反馈作用使送丝速度相应增加，就会强迫弧长复原到原先的长度从而保持焊接工艺参数稳固。

能够看出，平均调剂是一种强迫调剂，而电弧的自身调剂是一种自发调剂。

利用平均调剂的时候电弧的自身调剂也起作用，然而由于平均调剂一样采纳陡降外特性的电源，弧长变化引起的电流变化不大，因此电弧自身调剂作用专门弱。

3.2.6 埋弧自动焊工艺

3.2.6.1 焊前预备

（1）接头形式和坡口加工

（2）焊前清理

（3）装配

3.2.6.2 埋弧焊工艺

（1）平板双面对焊

①悬空焊

②焊剂垫法

图3-4 焊剂垫结构原理

1-焊件；2-焊剂；3-橡皮帆布；4-橡皮帆布软管

③临时工艺垫板法

图3-5 临时垫双面焊

(a)薄钢带垫；(b)石棉绳垫；(c)石棉板垫

④手弧焊封底法

（2）单面焊双面成形

（3）角焊缝

图3-6 船形焊和斜角焊

(a)船形焊；(b)斜角焊

3.2.6.3 焊接参数对焊缝成形的阻碍

（1）焊接电流、焊接电压

图3-7 焊接电流对焊缝成形的阻碍图3-8 电弧电压对焊缝成形的阻碍

B-熔宽；H-熔深；a-余高

（3）焊丝干伸长

（4）极性

（5）焊丝直径

（6）焊接速度

（7）焊丝倾角

图3-9 焊丝倾角对焊缝成形的阻碍

(a)前倾；(b)后倾；(c)后倾角度的阻碍

（8）焊件倾斜

图3-10 焊件斜度对焊缝成形的阻碍

a）上坡焊；b）上坡焊焊件斜度的阻碍；c）下坡焊；d）下坡焊焊件斜度的阻碍（9）坡口形状和间隙大小

图3-11 坡口形状和间隙大小对焊缝成形的阻碍

（10）焊件厚度和焊件散热条件

3.3 气体爱护电弧焊－Gas Shielded-Arc Welding

气爱护焊是依靠专门的焊枪将爱护气体连续不断的送到电弧周围，在电弧以及焊接区形成局部气体爱护层，从而防止大气污染焊缝。

3.3.1 气爱护焊的优点

与手弧焊相比

⑴由于不采纳药皮焊条，容易实现自动化、半自动化提高生产率，容易实现全位置焊接。

⑵HAZ小，焊接变形小。因为爱护气体对电弧有压缩作用，电弧热量集中。

与埋弧焊相比

⑴是一种明弧焊，焊接过程中电弧和熔池的加热熔化情形清晰可见，便于操作和操纵。

⑵焊缝表面没有渣，厚件多层焊时可节约大量的层间清渣工作，生产率高、产生夹渣等焊缝缺陷的可能性少。

⑶可进行全位置焊接

⑷适用范畴广

3.3.2 气体爱护焊的类型

依照在焊接过程中电极是不是熔化，气体爱护焊可分为两种类型：不熔化极气体爱护电弧焊和熔化极气体爱护电弧焊。前者包括钨极惰性气体爱护焊（一样称为TIG焊，T是英语tungsten（钨）的首字母，ig代表inert gas—惰性气体）、等离子弧焊和原子氢焊，后者包括熔化极氩弧焊（以氩气或氩气氦气的混合气作爱护气体时称为MIG焊-metal inert gas welding，M是metal的首字母；用氩-O2、氩-CO2或者氩-CO2-O2等混合气体作爱护气体时称为MAG焊-metal active gas welding，由于混合气体为富氩气体，因此电弧性质仍旧是氩弧特点）、CO2气体爱护焊以及混合气体爱护焊等等。

3.4 钨极氩弧焊（TIG焊）

3.4.1 钨极氩弧焊原理

钨极气体爱护焊的设备图见图3-12。焊枪的前面有一个喷嘴，其中夹持着

钨极，电流经导电嘴输入并在钨极和焊件之间产生电弧。氩气由入口处进入喷嘴后喷向焊接区形成气体爱护层。

图3-12 钨极氩弧焊示意图

特点：

①钨极不熔化，只起导电和产生电弧作用，比较容易坚持电弧的长度，焊接过程稳固，易实现机械化；爱护成效好，焊缝质量高。

②适用于焊接厚度为6mm以下的薄板。

③一样不采纳直流反接。

④焊接铝、镁及其合金时，则采纳交流电源或直流反接。

⑤钨极氩弧焊需加填充金属，填充金属可为焊丝，也可为填充金属条或者采纳卷边接头等。

⑥熔深浅，生产率低。

3.4.1.1 电极

TIG焊时，电极能够是纯钨，也能够是钨合金，因为它们满足不熔化极气爱护焊时电极材料要满足的三个要求：

(a)耐高温、焊接过程中不发生损耗。

(b)电流容量大。

(c)引弧和稳弧性好。

一样，用纯钨极成效比不上用钨合金极。钨合金电极通常含有1%到2%的氧化钍或氧化铈。加氧化钍能够增大电极的电流容量和电子发射能力，在给定电流下使电极尖端保持较低温度并使起弧更为容易。

W+1~2%ThO2，W+1~2%CeO2，ZrO2，Y2O3，La2O3

经实践证明：Y2O3、ZrO2、CeO2性能较好（图3-20）。（许用电流、耐用、引弧及稳固电弧性好，放射性小）。

3.4.1.2 爱护气体

TIG焊的爱护气体能够是氩气、氦气或氩气和氦气的混合气体。因为氩气比氦气廉价、容易引弧，而且在一定的焊速下，能得到比较窄的焊缝，HAZ也小，因此氩气使用更为普遍。

氩气是惰性气体，爱护成效极好，能够获得优质焊缝。但氩气没有脱氧作用，因此TIG焊中，对氩气的纯度要求专门高，否则会严峻阻碍焊接质量。一样，氩气的纯度应不低于99.7%，氧和其它气体和水分的含量应极小。

3.4.1.3 钨极氩弧特点

（1）直流钨极氩弧

直流TIG焊时，电弧燃烧稳固。

正接：

钨极是阴极，发射电子的能力强，电弧稳固，而且焊件作阳极，产生的热量大，熔深大、生产率高，而钨极上产生的热量少，不易过热，承诺通过的焊接电流大。

反接：

钨极是阳极，电子轰击钨极，放出大量热量，容易使钨极过热而熔化；且焊件为阴极，阴极斑点活动范畴大，易散热，电子发射困难，电弧稳固性差。同时由于反接时熔池浅而宽，生产率低，因此一样不举荐使用。

焊件是阴极，氩气的正离子流以高速冲向熔池表面，氩的正离子质量专门大，在电弧热与力的共同作用下，使焊件表面上的氧化膜破裂、分解而被清除掉，这种现象称为“阴极破裂”或“阴极清理”作用。

（2）交流钨极氩弧

交流钨极氢弧焊电压和电流波形如图3-13所示。

图3-13 交流钨极氢弧焊时电弧电压和电流波形及直流重量示意图

a）电压波形；b）电流波形

U0一电源空载电压；I—电流；U—电弧电压

正半波时，钨极为负极——相当于直流正接

正半周→正接→钨极作阴极→钨极得到冷却，同时发射足够的电子，使电弧稳固

负半波时，焊件为负极——相当于直流反接

负半周→反接→工件作阴极→阴极破裂作用，能够清除熔池表面的氧化膜因此TIG 焊焊铝、镁及其合金时一样差不多上采纳交流电源

采纳交流电源时的问题：①会产生直流重量；②必须采取稳弧措施。由于交流焊机中存在电流不断换向的问题，每当电流改变方向时，都有一极短时刻内没有电流流过，导致电弧不稳，甚至熄弧，因此交流电弧没有直流电弧稳固。

直流重量

交流电焊接铝、镁等金属时，钨极和铝、镁等工件的电子发射能力是不同的，钨极作阴极时发射电子的能力比较强。正半周时钨极作阴极，电弧空间电子数目增多，导电容易，就相当于电弧的等效电阻减小，因此在相同电源电压下，电弧电流就增大；相反，负半周时，电弧电流就比较小（图3-13）。由于两半周的电流不对称，因此交流电弧的电流能够看成有两部分构成，一是直流电，一是叠加在交流部分上的直流电，这部分直流电流就称为直流重量，它的方向和正半周内的电流方向相同，由母材流向钨极。这种交流电弧中产生直流重量的现象称为钨极交流氩弧焊的“整流作用”。一样，两种电极材料物理性能差别越大，直流重量就越大。直流重量的显现，会使阴极破裂作用减弱，阻碍焊接变压器的正常工作，因此有必要排除直流重量。

在焊接回路中串入反极性电池和隔离电容能够排除直流重量，电池产生的电流方向和直流重量方向相反，而电容只承诺交流通过而直流电不能通过。稳弧方面，采纳高频振荡器稳弧或用高压脉冲引弧和稳弧。

3.4.1.4 焊接电源外特性的选择

TIG焊时，由于使用的电流密度较小以及氩气的导热率小，电弧差不多不受压缩，电弧的静特性是水平的，依照电弧静特性对电源外特性的要求，不论采纳交流电源依旧直流电源，都应该采纳下降外特性的电源。由于TIG焊时，弧长的微小变化都会引起焊接电流发生专门大的波动，因此，TIG焊时最理想的是采纳垂直陡降外特性的电源（比如磁放大器式硅弧焊整流器），它能够排除由弧长变化所引起的电流波动（图3-14）。

图3-14 垂直陡降的电源外特性

3.4.1.5 焊枪

TIG焊焊枪的作用是夹持电极、传导焊接电流和输送爱护气体。手工焊焊枪手把上装有启动和停止按纽。为防止焊枪过热，焊接时要采取一定的冷却措施。焊枪能够用气冷，也能够用水冷，气冷焊枪适合于进行小电流的焊接，而水冷焊枪建议在焊接电流超过200A时使用。为操纵爱护气体的方向和分布，焊枪端部都装有喷嘴，安装时一定要保证钨极和喷嘴间的同心度，否则会降低气体的爱护成效。

图3-15 TIG焊焊枪

3.4.2 应用

由于氩气的爱护，隔离了空气对熔化金属的有害作用，因此，TIG焊广泛用于焊接容易氧化的有色金属铝、镁等及其合金、不锈钢、高温合金、钛以及钛合金，还有难熔的活性金属（如钼、铌、锆等），而一样碳钢、低合金钢等一般材料，除了对焊接质量要求专门高的场合，一样不采纳TIG焊。

3.5 熔化极氩弧焊（MIG或MAG焊）

3.5.1 原理

和TIG焊不同，MIG（MAG）焊是用采纳可熔化的焊丝作电极，以连续送

进的焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝和母材金属。在焊接过程中，爱护气体——氩气通过焊枪喷嘴连续输送到焊接区，使电弧、熔池及其邻近的母材金属免受周围空气的有害作用。焊丝不断熔化并以熔滴形式过渡到熔池中，与熔化的母材金属熔合、冷凝后形成焊缝金属。

3.5.2 特点

⑴和TIG焊一样，它几乎能够焊接所有的金属，专门适合于焊接铝及铝合金、铜及铜合金以及不锈钢等材料。焊接过程中几乎没有氧化烧损，只有少量的蒸发缺失，冶金过程比较简单。

⑵劳动生产率高。

⑶MIG焊可直流反接，焊接铝、镁等金属时有良好的阴极雾化作用，可有效去除氧化膜，提高了接头的焊接质量。

⑷不采纳钨极，成本比TIG焊低。

⑸有可能取代TIG焊。

⑹MIG焊焊接铝及铝合金时，能够采取亚射流熔滴过渡方式提高焊接接头的质量。

⑺由于氩为惰性气体，不与任何物质发生化学反应，因此对焊丝及母材表面的油污、铁锈等较为敏锐，容易产动气孔，焊前必须认真清理焊丝和工件。3.5.3 熔滴过渡

熔滴过渡是指在电弧热作用下，焊丝或焊条端部的熔化金属形成熔滴，受到各种力的作用从焊丝端部脱离并过渡到熔池的全过程。它和焊接过程稳固性、焊缝成形、飞溅大小等有直截了当的关系。

3.5.3.1 阻碍熔滴过渡的力

焊丝端部熔化金属形成的熔滴受到各种力的作用，各种力对熔滴过渡的阻碍是不同的。

①重力

平焊位置，重力方向和熔滴过渡的方向相同，促进过渡；仰焊位置，阻碍熔滴过渡。

②表面张力

表面张力是在焊丝端头上保持熔滴的要紧作用力，Fσ=2πRσ（σ表面张力系数），焊丝越细，熔滴越容易过渡。

③电磁力

导体本身磁场所产生的力称为电磁力，它的轴向分力总是由小截面指向大截面。熔化极电弧焊，电流通过焊丝—熔滴—电极斑点，导体的截面是变化的，电磁力的方向也在变化。同时，斑点处电流密度专门高，将使金属强烈的蒸发，也会对熔滴金属表面产生专门大的反作用力。电磁力对熔滴过渡的阻碍决定于电弧形状。

④等离子流力

在电磁力的收缩作用下，电弧等离子体在电弧轴线方向产生的流体静压力，其大小与弧柱截面积成反比，即从焊丝末端向熔池表面逐步减小，它是促进熔滴过渡的。

⑤斑点压力

3.5.3.2 熔滴过渡的形式

用熔化焊丝进行气体爱护焊时，金属的过渡以三种方式进行：喷射过渡、滴状过渡和短路过渡（图3-28）。

图3-16 熔滴过渡形式

a）短路过渡；b）滴状过渡；c）射流过渡

（1）短路过渡

形成条件：U较低，I较小

形成缘故：

细丝气体爱护焊（φ0.8-0.6mm）时，在小电流、低电压情形下，焊丝端部在电弧热作用下形成熔滴，由于弧长短，熔滴还没有完全长大就接触到了熔池（图3-16a），导致电路短路并产生熄弧，然后在重力、表面张力、电磁力等各种力的作用下，熔滴离开焊丝，使电路短路中断，电弧重新引燃。随焊丝连续送进和熔化，不断重复上面的过程，就能实现稳固的短路过渡。

焊接特点：

熔滴过渡频率高，电弧稳固，飞溅少、熔深浅、焊缝成形美观，适合于薄件的全位置焊接。

②滴状过渡

形成条件：U较高，I较小

形成缘故：

U较高→弧长长→不易短路；I较小→弧柱和熔滴间的斑点面积小→表面张力、电磁力、斑点压力差不多上阻力，等离子流力又小，因此熔滴过渡要紧靠重力。随熔滴长大，重力加大，只有当大到一定程度后，它才会克服表面张力等阻碍熔滴过渡的力形成大滴过渡。

焊接特点：

电弧不稳固，熔深浅，飞溅多，焊缝表面粗糙。另外，它要紧是靠熔滴的重力作用实现过渡，因此只适合于平焊位置。滴状过渡形式一样专门少采纳。

③射流过渡

形成条件：U较高，I较大，直流反接，氩气或富氩混合气作爱护气

形成缘故：

采纳直流反接的情形下，假如焊丝中流过的电流大于焊丝的临界电流（焊丝由滴状过渡转变为射流过渡的电流），而且采纳长弧焊时，就会显现射流过渡。这是由于电流专门大，熔滴和弧柱之间斑点的面积增大，使电磁力的轴向分力急剧增大，且成为促进熔滴过渡的力，现在促进过渡的等离子流力也增大，同时采纳反接又减小了阻碍熔滴过渡的斑点压力，因此熔滴在直径等于或小于焊丝直径时就能够从焊丝末端沿焊丝轴向迅速通过电弧空间进入熔池。射流过渡存在一个临界电流值。

射流过渡必须适用氩气或氩氧混合气体作爱护气，因为氩促使焊丝的熔化端产生收缩效应，结果在焊接过程中只承诺专门小的熔滴形成和过渡。

焊接特点：

熔滴专门小，过渡频率高，电弧稳固，飞溅少，焊缝成形好。另外，由于电流大，粗焊丝易于熔化，因而可得到深的焊缝熔深，因此射流过渡适合于焊接厚大尺寸的金属。射流过渡不适合于焊接薄板，因为它会引起烧穿。由于金属过渡是由比重力强的轴向力产生的，因此射流过渡熔滴轴向性好，关于非平焊位置的焊接是有效的，适合于全位置焊接。

3.5.3.3 MIG焊的熔滴过渡特点

MIG焊和MAG焊时，熔滴过渡要紧采纳短路过渡和射流过渡，其中短路焊接用于薄板高速焊接和全位置焊，射流过渡用于中、厚板的水平对接和角接。

MIG焊时，差不多上都用直流反接。因为反接时可实现细射流过渡，而正接时是正离子撞击熔滴，产生专门大的斑点压力阻碍熔滴过渡，使得正接时差不多上差不多上不规则的滴状过渡。MIG焊不适用交流电，因为在每一个半周上焊丝的熔化情形不相等。

采纳MIG焊焊接铝和铝合金时，由于铝容易氧化，因此为保证爱护成效，

焊接时弧长不能太长，因而我们就不能采纳电流大、弧长长的射流过渡方式。假如选择的电流大于临界电流，而弧长操纵在射流过渡和短路过渡之间，就会形成亚射流过渡。

过渡特点：

与短路过渡相似，但短路过渡是先短路后缩颈，亚射流过渡是先缩颈后短路。

形成条件：

I较大（与射流过渡时的相近或相等），U较低（但略高于短路时的电压）。

形成缘故：

I较高、U比短路时高→熔滴缩颈→（U不高）短路→差不多缩颈，短路迅速中断→重新引弧

焊接特点：

电弧稳固，飞溅小，成形美观，熔池爱护成效好，阴极破裂能力强，广泛用于焊接铝和铝合金。

3.6 熔化极脉冲氩弧焊

一般MIG焊是以射流过渡为要紧的金属过渡形式。但焊接电流必须大于临界电流才能产生射流过渡，因此限制了MIG 焊的应用范畴，例如专门难进行薄板、空间位置焊缝和热敏性强的材料的焊接。熔化极脉冲氢弧焊确实是适应此需要在一般MIG 焊的基础上进展起来的。它是将脉冲电流周期性地叠加在维弧电流上。维弧电流与脉冲电流的平均值低于射流过渡的临界电流。维弧电流的作用是坚持电弧燃烧，并使焊丝端部部分熔化。脉冲电流的作用是给熔滴施加一较大的力促使其过渡。每输入一次脉冲电流，熔滴就过渡一次，这种过渡形式称为可控的射流过渡。

熔化极脉冲氢弧焊时，它具有以下特点：

（1）具有较宽的电流调剂范畴。采纳脉冲电流后，可在平均电流小于临界电流的条件下获得射流过渡。因此对同一直径的焊丝，随着脉冲频率的变化，能在几十至几百安培的电流范畴内稳固地进行焊接。焊接薄板时，比短路过渡熔透情形好；比TIG焊生产率高且变形小。用熔化极脉冲氢弧焊焊接薄板的最大优点是可用粗焊丝。这将使送丝容易（专门对柔软的铝及铝合金焊丝更明显）、容易对中、有利于减小气孔倾向。

（2）容易实现全位置焊接。由于采纳脉冲电流后使总的平均电流较小，因而熔池体积小；同时熔滴过渡和熔池的加热是间歇的，因此金属不易流淌而利于进行全位置焊接。

（3）可焊接热敏锐性强的材料。由于脉冲电流既可使母材得到较大的熔深又因总的平均电流较小，使焊缝及HAZ 金属过热程度小，即有效地操纵了线能量，因而接头具有良好的韧性并减小了裂纹的倾向。脉冲电弧还有加强熔池搅拌

的作用，有利排除气孔。熔化极脉冲氢弧焊现已越来越多的用于厚板，专门是高强度钢的厚板窄间隙焊接。

3.7 CO 2气体爱护焊

氩弧焊焊接质量虽高，但成本高，因此目前在焊缝成形不十分重要，而熔深却极为重要的场合大量使用的是纯CO 2气体爱护焊。

图3-17 CO 2气体爱护焊

3.7.1 CO 2气体爱护焊的特点

3.7.1.1 优点

①

生产效率高，节约能源 ②

焊接成本低 ③

适用范畴广 ④

焊缝质量高 ⑤

焊后不用清渣，又是明弧，便于监视和操纵。 ⑥ 焊接变形小

3.7.1.2 缺点

① 飞溅大，焊缝成形差

② 电弧气氛具有较强的氧化性，必须采取含有脱氧剂的焊丝

3.7.2 CO 2气体爱护焊需要克服的问题

3.7.2.1 氧化问题

（1）合金元素的氧化 电弧高温下，2221O CO CO +? O O 22?。

氧化反应的结果就使得合金元素大量烧损，导致焊缝金属力学性能下降。

溶入熔池的FeO与碳元素作用，产主CO气体。假如此气体不能析出熔池，便在焊缝中形成气孔。溶入熔滴中的FeO与碳元素作用产生的CO气体，则在电弧高温下急剧膨胀，使熔滴爆破而引起金属飞溅。

合金元素烧损、CO气孔、金属飞溅是CO2焊中的三个要紧问题。这三方面的问题都与CO2气体在高温时的氧化性有关。

（2）脱氧措施

通常是在焊丝金属中，加入一定量的脱氧剂（与氧的亲和力比Fe大的合金元素），使FeO中的Fe还原。脱氧剂在完成脱氧任务之余，所剩余的量便作为合金元素留在焊缝中，起着提高焊缝机械性能的作用。实践说明，Si、Mn联合脱氧（如应用H08Mn2SiA焊丝）具有中意的成效，能够得到高质量的焊缝。

加入到焊丝中的Si 和Mn，在焊接过程中一部分被直截了当氧化掉和蒸发掉，一部分耗于FeO的脱氧，其余部分则剩留在焊缝金属中充作合金元素。焊丝中Si含量过高将降低焊缝的抗热裂缝能力，Mn含量过高将使焊缝金属的冲击值下降。

Si 和Mn 之间的比例还必须适当（Mn：Si为1.5～3比较合适），否则不能专门好地结合成硅酸盐MnO·SiO2熔渣浮出熔池，而会有一部分残留在焊缝中，使焊缝的塑性和冲击值下降。

3.7.2.2 气孔问题：

由于CO2焊时，没有熔渣覆盖，熔池暴露，CO2气流对它有附加的冷却作用，熔池凝固的快，熔池内的气体（H2、N2和CO）来不及逸出，因此产动气孔的可能性专门大。

CO气孔——脱氧不足N2气孔——爱护不良H2气孔——污染通过选择合适的焊接工艺参数（气流量、弧长等）能够操纵氮气孔，通过操纵焊丝和母材表面的铁锈、油污、水分或CO2气体中的水分能够操纵氢气孔。目前，CO2焊丝都含有足够的硅、锰脱氧元素，焊丝含碳量也得到操纵，因此，CO2焊接时气孔问题就能够解决了。

3.7.2.3 飞溅问题

（1）金属飞溅

产生飞溅的要紧缘故有两个：一是熔滴区碳氧化生成的大量CO气体急剧膨胀而发生的剧烈爆炸，一是CO2焊一样用短弧焊接，短路过渡后电弧再引燃时对熔池产生的庞大冲击力使金属溅出。

（2）减小金属飞溅的措施

目前，减少飞溅的措施要紧有以下几方面：

①正确选择工艺参数

a.焊接电流和电压

b.焊枪角度

c.焊丝伸出长度

②采纳混合气体（+Ar）

③在焊接回路中串联电抗、电阻、增大电源变压器阻抗等方法

④采纳直流反接，减小斑点压力，促进熔滴细颗粒过渡

在50年代初期，上面的问题曾经使CO2焊的应用受到了阻碍，然而随着这些问题的解决，目前这种工艺差不多成为最流行的焊接钢材的半自动化方法。

3.7.3 CO

气体爱护焊焊接规范参数的选择

2

3.7.3.1 短路过渡

（1）焊接电流和电压

短路过渡的特点是电流小，电压低（短弧）。电流太小，就会降低生产率、同时焊缝成形变差，因此在保证飞溅不太大条件下采纳较大的电流。焊接电压是阻碍焊接过程稳固性，电压太高了会变成滴状过渡，电压太小焊丝直截了当接触熔池会产生固体短路，因此电压的大小也有一个范畴。焊接电压和电流具体要依照焊丝直径来定（图3-18）。

图3-18 CO2焊适用的焊接电流和电弧电压范畴

（2）焊丝直径

短路过渡焊接要紧采纳直径0.6-1.4mm的细丝，实际应用中最大不能超过1.6mm，因为随焊丝直径增大，飞溅颗粒和数量都相应增大。直径超过1.6mm的焊丝一样采纳潜弧射滴过渡。

焊丝直径为0.5-1.2mm的焊法称为细丝焊，用于焊0.8-4mm的薄板。焊丝直径为1.6-5mm的称为粗丝焊，用于焊3-25mm的中厚板。我们国家生产中以细丝焊用的多，因此我们国家CO2焊一样采纳短路过渡形式。

（3）焊接速度V

随V↑→焊缝熔深、熔宽↓，V太快容易产生咬边、未焊透

随V↑→冷却速度↑→显现脆硬组织（高强钢）

↓→冷却速度↓、高温停留时刻↑→HAZ显现过热组织

↓→生产率↓

（4）焊丝干伸长

指的是导电嘴到焊丝端部的距离。

L过大→R↑→电阻热↑→焊丝过热、成段熔化、飞溅严峻

过大→气爱护成效变坏

L过小→阻碍焊工观看焊缝，且飞溅金属容易堵塞喷嘴

因此，L要适当。一样干伸长取焊丝直径的10-12倍。

（5）气体流量

太小，爱护成效不行；太大，爱护气体的紊流度增加，反而会将外界空气卷入焊接区，使爱护成效变差。一样小电流焊枪，取5-15L/min；中电流焊枪（120～200A）气体流量为15～25L/min。

（6）电源极性

CO2焊一样采纳直流反接，堆焊时采纳直流正接。

3.7.3.2 潜弧射滴过渡

潜弧过渡采纳的电弧U和I要比短路过渡高。CO2焊中，关于一定直径的焊丝，当电流增大到一定数值并匹配适当的电弧电压后，焊丝金属熔滴能够较小的尺寸自由飞落进入熔池，这种熔滴过渡形式称为射滴过渡（细颗粒过渡）。射滴过渡时，电弧穿透力强，电弧能够在焊件表面以下燃烧形成潜弧，焊丝端部和熔池并不短路。潜弧射滴过渡焊接过程稳固，适合于焊接中等厚度和大厚度工件。

（1）焊丝直径

（2）电流和电压

（3）气体流量

（4）焊接速度

3.7.4 焊接设备

CO2焊焊接设备是由供气系统、送丝系统、自动或半自动焊枪、焊接电源以及操纵系统组成的，见图3-19。

图3-19 CO2焊焊接设备示意图

1-CO2气瓶；2-预热器；3-高压干操器；4-气体减压阀；5-气体流量计；6-低压干燥器；

7-气阀；8-送丝机构；9-焊枪；10-可调电感；11-焊接电源；12-焊件

3.7.

4.1 焊接电源

（1）电流种类和极性的选择

（2）对外特性的要求

图3-20 弧长变化时电源外特性曲线对电流变化的阻碍

1—平特性；2—下降外特性

（3）对动特性的要求

3.7.

4.2 供气系统

3.7.

4.3 送丝系统

CO2焊采纳等速送丝系统。

3.7.

4.4 自动和半自动焊枪

它们的作用是导电、导丝和导气。

3.7.

4.5 操纵系统

气体爱护焊操纵系统应完成下列工作：

（1）操纵送丝

包括焊前调整焊丝干伸长和送丝速度，送丝、停丝和退丝，焊接过程中电压有微小波动时自动保持恒定送丝速度。

（2）操纵供气