气体保护电弧焊

气体保护电弧焊第一页，共70页。

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—金属第二页，共70页。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。

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。第三页，共70页。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+HeHe10铜及铜合金Ar惰性熔化极及钨极Ar+N2N220熔化极N2还原性不锈钢Ar惰性钨极Ar+O2O21～2氧化性熔化极Ar+O2+CO2O22；CO25碳钢及低合金钢CO2氧化性熔化极Ar+CO2CO210～15CO2+O2钛及钛合金Ar惰性熔化极及钨极Ar+HeHe25镍基合金Ar惰性熔化极及钨极Ar+HeHe15Ar+N2N26还原性钨极表6-1常用保护气体的选择第四页，共70页。（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护焊两类。（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。（3）按操作方法分为：手工、半自动和自动气体保护焊。第五页，共70页。6.2.1二氧化碳气体保护电弧焊概述1、二氧化碳气体保护电弧焊焊接过程。第六页，共70页。2．二氧化碳气体保护电弧焊的特点：（一）二氧化碳气体保护焊有如下工艺优点：

1、焊接成本低

CO2气体及CO2焊焊丝价格便宜，焊接能耗低。

2、焊缝质量好

第七页，共70页。3、生产效率高4、适用范围广适用于各种位置的焊接，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第八页，共70页。（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

第九页，共70页。（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：

2CO22CO+O2

氧气又进一步分解为氧原子：

O22O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反应，生成CO气体，易于导致气孔。第十页，共70页。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。第十一页，共70页。（二）二氧化碳焊的气孔问题

1、CO气孔 一氧化碳气孔产生的主要原因是以下反应：

FeO+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。第十二页，共70页。

2、氢气孔二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。

第十三页，共70页。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。第十四页，共70页。2）熔滴与熔池间短路后，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。

第十五页，共70页。短路过渡第十六页，共70页。（二）细颗粒过渡细颗粒过渡出现在电弧电压较高、焊接电流较大的情况下。焊接方向第十七页，共70页。1、飞溅对焊接过程的影响a降低焊接生产效率，b增加了焊接材料及电能的损耗，c增加了辅助工作量，d过量的飞溅使焊接质量下降。第十八页，共70页。（1）由冶金反应引起的飞溅。（2）由极点压力引起的飞溅。（3）由熔滴短路引起的飞溅。（4）由非轴向粗滴过渡造成的飞溅。（5）由焊接工艺参数选用不当引起的飞溅。第十九页，共70页。（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，还可以用药芯焊丝，减少飞溅。（2）在气体中加入少量氩气（3）采用直流反接进行焊接。（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。（5）正确的选择CO2焊的焊接工艺参数，减小飞溅。第二十页，共70页。CO2焊材料有：焊丝和CO2气体1、CO2焊丝CO2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。

H08Mn2SiA焊丝，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。

第二十一页，共70页。焊丝牌号用途H08MnSiH08MnSiA焊接低碳钢及σs＜300Mpa的低合金钢H10MnSiA焊接一般低碳钢及低合金钢H08Mn2Si焊接σs＜500Mpa的低合金钢H04Mn2SiTiAH04MnSiAlTiA焊接质量要求高的低合金钢H08MnSiCrMoAH08MnSiCrMoVA焊接耐热钢和调质钢第二十二页，共70页。CO2焊所用的焊丝的要求：1、一般直径在0.5～5.0mm范围内；2、焊丝直径要均匀。CO2半自动常用的焊丝，有0.8、1.0、1.2、1.6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2.0～5.0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。第二十三页，共70页。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。第二十四页，共70页。CO2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。第二十五页，共70页。（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。为了适应CO2焊的特点，对焊接电源提出如下的要求：

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。

2）焊接电源应有良好的动特性。

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。第二十六页，共70页。（二）控制系统控制各个部件按照一定的时间顺序进入/退出工作状态。1、引弧：1）爆裂引弧：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。第二十七页，共70页。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。第二十八页，共70页。（三）气路和水路1、气路系统除了气瓶、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。第二十九页，共70页。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、水路系统水路系统通以冷却水，用于冷却焊炬及电缆。第三十页，共70页。一）、二氧化碳气体保护焊工艺参数的选择（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。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。第三十一页，共70页。

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的最佳短路过渡焊接规范。

第三十二页，共70页。焊丝直径/mm0.81.21.6电弧电压/V181920焊接电流/A100110120135140180表7-1 短路过渡的电流值及电弧电压范围。第三十三页，共70页。焊丝直径/mm电流下限值/A电弧电压/V1.640034452.05003.06504.07502、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。第三十四页，共70页。（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15mh-130mh-1。（四）焊接回路电感1、短路过渡作用：1）控制短路电流上升速度及短路电流峰值。第三十五页，共70页。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。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。第三十六页，共70页。（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，干伸长度应选得大一些，一般应控制在10mm20mm内。第三十七页，共70页。（六）气体流量•短路过渡：保护气体流量一般为5Lmin-115Lmin-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10Lmin-120Lmin-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。第三十八页，共70页。例厚度为6mm的开V形坡口平板对接CO2自动焊焊前准备母材选用Q235碳钢，两对接板的厚度为6mm，开V形坡口，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。图6-12装配间隙及定位焊图6-13板对接平焊的反变形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。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。第三十九页，共70页。表6-6板厚6mmV形坡口对接平板的焊接参数焊接层次位置焊丝直径/mm焊接电流/A焊接电压/V气体流量/（L/min）自动焊焊速/m.h-1打底层1.2180-42023-4315-2520-42盖面层200-45026-4320-2520-42第四十页，共70页。焊接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。焊接时要注意两点：1）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。2）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。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0.5~1.5mm，并匀速前进。第四十一页，共70页。6.3.1氩弧焊概述氩弧焊是使用氩作为保护气体的一种气体保护焊。1．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：（1）氩气保护性能优良，能获得较为纯净及质量高的焊缝。（2）热影响区很窄，焊接变形与应力均小，裂纹倾向也小。（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。（4）可焊的材料范围很广。第四十二页，共70页。氩弧焊按所用的电极不同第四十三页，共70页。可分为：钨极脉冲氩弧焊和熔化极脉冲氩弧焊。与普通氩弧焊的根本区别是采用脉冲焊接电流

脉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—维弧电源第四十四页，共70页。（1）适用于各种可焊性较差材料的焊接，可减少裂缝倾向。（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。（3）容易克服焊缝下榻缺陷，提高抗烧穿能力。（4）特别适合焊接很薄的板材。第四十五页，共70页。

1．钨极氩弧焊电弧特性（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：1）引然电弧较困难

2）电弧燃烧稳定

3）“阴极破碎”作用第四十六页，共70页。1交流钨极氩弧焊的特点：

1）负半波时，氩弧对工件产生阴极破碎作用；

2）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。

第四十七页，共70页。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—直流分量第四十八页，共70页。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。第四十九页，共70页。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。

第五十页，共70页。焊接回路中加高频振荡器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。第五十一页，共70页。

加稳弧装置1）正弦波交流电弧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。第五十二页，共70页。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6—17手工钨极氩弧焊设备系统图第五十三页，共70页。(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。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。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。第五十四页，共70页。

钨极氩弧焊的电弧静特性曲线是水平的。与焊接电源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第五十五页，共70页。（2）焊枪是TIG焊机的关键组成部件之一。1焊枪的主要作用是：

1）夹持钨极；

2）传导焊接电流；

3）向焊接区输出保护气体。第五十六页，共70页。焊枪的喷嘴是决定氩气保护性能的重要部件。其形状有：图6—19常见的喷嘴形状示意图a—圆柱带锥形b—圆柱带球形c—圆锥形第五十七页，共70页。(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。第五十八页，共70页。(4)冷却系统

一般选用的最大焊接电流在200A以上时，必须通水来冷却焊枪、电极和焊接电缆。第五十九页，共70页。图6—20为交流手工钨极氩弧焊的控制程序方框图。第六十页，共70页。定型生产的NSA系列手工钨极氩弧焊机的应用较为普遍。直流的有NSAl—300型，交流的有NSA—300型、NSA4—300型、NSA一500型，交直流两用的有NSA2—300型等。第六十一页，共70页。一、焊前准备（一）接头及坡口形式1、TIG焊常用的接头形式：对接、搭接、角接、卷边对接等。2、坡口加工原则：板厚小于3mm时，可开I形坡口；板厚在31