第二章-熔化极气体保护焊

熔化极气体保护焊

2.1熔化极气体保护焊方法的原理

熔化极气体保护焊（英文简称GMAW）采用可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为

热源来熔化焊丝与母材金属，并向焊接区输送保护气体，使电弧、熔化的焊丝、熔池及附近

的母材金属免受周围空气的有害作用。连续送进的焊丝金属不断熔化并过度到熔池，与熔化

的母材金属融合形成焊缝金属，从而使工件相互连接起来，如图2.1所示。

图2.1熔化极气体保护焊的工作原理

2.2熔化极气体保护焊的分类

熔化极气体保护焊根据保护气体的种类不同可分为：熔化极惰性气体保护焊（英文简称

MIG）、熔化极氧化性混合气体保护焊（英文简称MAG）和C02气体保护电弧焊三种。

1.熔化极惰性气体保护焊（MIG）：保护气体采用氤气、氧气或氨气与氢气的混合气体,

它们不与液态金属发生冶金反应，只起保护焊接区使之与空气隔离的作用。因此电弧燃烧稳

定，熔滴过度平稳、安定，无激烈飞溅。这种方法特别适用于铝、铜、钛等有色金属的焊接。

2.熔化极氧化性混合气体保护焊（MAG）：保护气体由惰性气体和少量氧化性气体混合

而成。由于保护气体具有氧化性，常用于黑色金属的焊接。在惰性气体中混入少量氧化性气

体的目的是在基本不改变惰性气体电弧特性的条件下，进一步提高电弧的稳定性，改善焊缝

成型，降低电弧辐射强度。

3.二氧化碳气体保护电弧焊（C02）：保护气体是CO2，有时采用CO2+O2的混合气体。

由于保护气体的价格低廉，采用短路过度时焊缝成型良好，加上使用含脱氧剂的焊丝可获得

无内部焊接缺陷的高质量焊接接头，因此这种方法已成为黑色金属材料的最重要的焊接方法

之一。

2.3熔化极气体保护焊设备的主要构成

熔化极气体保护焊设备主要由下部分构成：

1.焊接电源及控制装置

2.送丝装置

3.焊枪

4.气体流量调整器

5.连接电缆和软管

其中，控制装置和焊接电源一般是做成一体的。

2.3.1焊接电源

有关焊接电源的内容将在下面各种焊接方法中分别介绍。

2.3.2送丝装置

送丝装置由下列部分构成：

①.焊丝送进电机

②.保护气体开关电磁阀

③.送丝滚轮

焊丝供给装置是专门向焊枪供给焊丝的，在机器人焊接中主要采用推丝式单滚轮送丝方

式。即在焊丝绕线架一侧设置传送焊丝滚轮，然后通过导管向焊枪传送焊丝。

在铝合金的MIG焊接中，由于焊丝比较柔软，所以在开始焊接时或焊接过程中焊丝在

滚轮处会发生扭曲现象，为了克服这一难点，采取了各种措施。

2.3.3焊枪

熔化极气体保护电弧焊焊枪大致有空冷式和水冷式两种形式，空冷式焊枪一般用于中小

焊接电流，水冷式焊枪用于大电流焊接。

MIG焊枪与COo/MAG焊枪形状相似，但有以下的差异：

1.为了无故障地传送比较柔软的铝焊丝，有专用铝焊接MIG焊枪。

2.为了顺利地传送如不锈钢、银合金、高强度钢等硬质材质的焊丝，有专用焊接合金

的MIG焊枪。

总之，对应不同的使用目的和不同用途，其焊枪的结构也不同。

2.3.4气体流量调整器

气体流量调整器安装在气瓶出口处，设定焊接时所必须的气体流量，气体流量调整器包

括用以降低气瓶内高压的“压力调整器”和读取气体流量的“流量计”等。

小型CO2气体流量调整器中，由于气路不会结冰，所以使用非加热式气体流量调整器,

而在大型C02气体流量调整器中，由于能把气瓶内高压减压至0.2Mpa(约2kgf/cm2),气体

的快速膨胀带走热量导致气路结冰，所以在CCh气体流量调整器中要附上加热装置，如图

2.4所示。

图2.4C02气体流量调整器

2.4熔化极气体保护焊的熔滴过渡形式

3.4.1影响熔滴过渡的主要因素

影响熔化极气体保护焊的熔滴过渡形式的主要因素有：

(1)电流的大小和种类

(2)焊丝直径

(3)焊丝成分

(4)焊丝干伸长

(5)保护气体的种类

3.4.2熔滴过渡形式

1.短路过渡

熔化极气体保护焊当焊丝较细、电流较小时，熔滴过渡形式一般为短路过渡。只有在焊丝与

熔池接触的瞬间，熔滴才过渡到熔池，而在电弧空间则没有熔滴的过渡。

熔滴的短路过渡频率一般为20-200次/秒，短路过渡时对应的电流和电压波形如图2.5所示o

悬挂在焊丝端头的熔滴直接和熔池接触，弧隙短路，焊丝与熔池之间形成液桥，焊接电流提

高［图2.5(A),(B),(C),(D)］„在短路电流产生的电磁力和液态金属的表面张力的作用

下，液桥形式缩颈变细，液桥断开，熔滴过渡到熔池，电弧重新引燃［图2.5(E),(F)］o

短路电流的上升速度应足够使焊丝加热和促使熔滴过渡，但又不能太高，以防止由于熔滴的

暴断产生飞溅。短路电流的上升速度可以通过调节电源的回路电感来控制。最佳的电感量的

设置取决于焊接回路的电阻和焊丝的熔化温度。电弧燃烧后，焊丝端头的熔滴逐渐增大并送

进，再次和熔滴接触，开始下一个短路过程［图2.5(H)］。

保护气体的成分对短路过渡的熔滴尺寸及过渡频率有较大的影响，同时影响电弧特性和

熔深。CO2与惰性气体相比产生较大的飞溅，但熔深较大。在焊接碳钢和低合金钢时常常

采用CO2和Ar的混合气体来降低飞溅和取得较大的熔深。在焊接有色金属时为了提高熔深

在Ar气中常加入He气。

短路过渡形成的熔池小，冷却速度快，适于薄板的全位置以及根部间隙较大的焊缝的焊接。

2.滴状过渡

惰性气体保护焊当电流较小时，熔滴的过渡形式为滴状过渡。此时，熔滴的直径大于焊

丝的直径，熔滴主要依靠重力过渡到熔池，因此在平焊位置熔滴才能较好地过渡到熔池中。

滴状过渡的电弧电压要比短路过渡的电压高，以保证熔滴在与熔池接触之前脱离焊丝端

部，但由于电压过高，使得熔深不足，加强高过大，在实际生产中的惰性气体保护焊一般不

采用这种过渡形式。

在C02气体保护焊中，当焊接电压和电流大于短路过渡时的电压和电流时，熔滴的过

渡为滴状过渡。由于斑点压力的阻碍作用，C02气体保护焊的滴状过渡是非轴向的，飞溅

较大。

与短路过渡相比，CO2滴状过渡熔深较大，特别适于碳钢的中、厚板的焊接。

3.喷射过渡

在纯Ar或富Ar气体中，对于给定的焊丝直径，当焊接电流增大到某一数值时，熔滴

即从滴状过渡转变成喷射过渡。这个电流称为临界电流。喷射过渡时，焊丝金属以细滴(小

于焊丝直径)沿电弧轴线方向进入熔池，电弧稳定，飞溅极少。

喷射过渡临界电流值与液态金属的表面张力有关，与焊丝直径成反比，焊丝的干伸长对

其也有一定的影响。它随着焊丝的熔化温度及保护气体成分的变化而变化，表2.1给出了常

用焊丝的临界电流值。

表2.1常用焊丝的临界电流值。

焊丝材料焊丝直径保护气体最小的喷射电流

(mm)(A)

0.8150

碳钢0.9165

1.1220

1.698%Ar+2%O2275

0.9170

不锈钢1.1225

1.6285

0.895

铝1.1135

1.6180

0.9180

无氧铜1.1Ar210

1.6310

0.9165

硅青铜1.1205

1.6270

喷射过度的熔深较深，呈指状，适于中、厚板的平焊和横焊位置。为了适应薄板及全位

置焊接，采用脉冲喷射过渡。脉冲喷射过渡是一种有规律的断续性喷射过渡。焊接电流是脉

冲电流，包括恒定的基值电流和脉冲峰值电流两部分，基值电流使焊丝末端预热并局部熔化,

但不形成熔滴。脉冲峰值电流作用期间则产生熔滴的喷射过渡。脉冲的幅值和频率决定电弧

的能量，通过改变脉冲的幅值和频率就能实现薄板和厚板的全位置焊接。

4.亚射流过渡

铝及其合金的焊接通常采用射滴和短路相混合的过渡形式，这种过渡称为“亚射流过渡”

”(mesosprag)”。其特点是弧长较短，电弧电压较低，电弧略带轻微爆破，焊丝端部的熔滴大

到大约等于焊丝直径时，便沿电弧线方向一滴一滴过渡到熔池，间有瞬时短路发生。研究指

出，在喷射过渡下，常易出现各种缺陷，如熔深呈“指形”，容易产生熔透不良等。此外，

在喷射过渡下由于电弧较长，保护效果降低，焊缝起皱及表面易产生黑粉。而采用亚射流过

渡，阴极雾化区大，溶池的保护效果好，焊缝成形好，焊接缺陷也较少。在相同的焊接电流

下，亚射流过渡的焊丝熔化速度和熔深都较射流过渡大。电弧的固有自调节作用特别强，当

弧长受外界干扰而发生变化时，焊丝的熔化速度发生变化较大，促使弧长向消除干扰的方向

变化，因而可以迅速恢复到原来的长度。

2.5影响焊接结果的工艺参数

下面的一些参数影响焊缝的熔深、焊道的几何形状和焊接质量:

(1)焊接电流(送丝速度)

(2)电源极性

(3)电弧电压(电弧长度)

(4)焊接速度

(5)焊丝干伸长

(6)焊枪角度

（7）接头位置

（8）焊丝直径

（9）保护气体的成分和流量

2.5.1焊接电流

当其它参数不变时，焊接电流随着送丝速度的变化呈非线性变化。在平特性电源中，焊

接电流的改变与送丝速度的变化行为相似。各种直径的焊丝当焊接电流较小时二者之间的关

系都近似呈线性关系，焊接电流的增加，特别是小直径焊丝，曲线为非线性，随着焊接电流

的增加焊丝的熔化速率提高，这主要是焊丝干伸长上的电阻热的贡献。

当送丝速度保持不变时，较大的焊丝直径需要较大的焊接电流。焊丝的化学成分对二者

之间的关系影响3。不同的焊丝对应不同的曲线位置和斜率，是由于焊丝的熔点和电阻率的

不同。焊丝的干伸长对它们的关系也有一定的影响。

当其它参数保持不变时，焊接电流的增加对焊缝熔深的影响最为显著，几乎呈正比关系。

焊缝宽度、余高等有增加的倾向。

焊接电流对熔滴过渡频率和熔滴的体积有较大的影响，随着焊接电流的增大，熔滴过渡

频率提高，熔滴体积变小。

2.5.2电弧电压（电弧长度）

电弧电压和电弧长度通常是可以互换的两个术语，但应该指出它们是不同的。对于G

电弧长度是一个独立的参数，而电弧电压除了与电弧长度有关外，还与其它参数有关，如保

护气体、焊接方法、甚至焊接电缆。电弧电压是对电弧长度的近似描述，它还应该包括焊丝

干伸长上的电压降。

电弧电压的设定取决于焊接材料、保护气体和熔滴过渡类型。为了获得最佳的电弧特性

和焊道形状，进行工艺试验是非常必要的，因为最佳的电弧电压取决于多种因素，如金属厚

度、接头类型、焊接位置、焊丝直径、保护气体成分和焊接方法等。

电弧电压与焊缝形状的关系。电弧电压越高，电弧就越长，焊缝余高越小，焊缝熔宽将

增加，熔深略有减小。但电弧电压过大将产生气孔、飞溅和咬边；反之电弧电压越低，则电

弧长度越短，焊缝余高越大，熔深将增加，焊缝宽度变窄。但过低的电弧电压会导致焊丝插

入熔池。

2.5.3.焊接速度

当其它条件不变时，合适的焊接速度可以使焊缝熔深取得最大值。

当焊接速度降低时，单位长度上填充金属的熔敷量增加。焊接速度如果过慢，电弧将主

要作用在熔池上，使得熔深降低，焊缝增宽，而且容易产生烧穿和焊缝组织粗大等焊接缺陷。

在焊速较小时，电弧力的作用方向几乎是垂直向下的，随着焊接速度的提高，弧柱后倾

有利熔池液态金属在电弧力作用下向尾部流动，使熔池底部暴露，因而有利于熔深的增加，

当焊接速度提高到某一数值时焊缝熔深达到最大值。随后随着焊接速度的提高，每单位长度

的母材金属从电弧得到的热量逐渐减少，焊缝的熔宽、熔深及余高都将减少。焊接速度过快

会引起焊缝两侧咬边。

2.5.4极性

用“极性”这个术语来描述焊枪与直流电源的连接方法。当直流电源的正极与焊枪相连

时（DCEP）,称为反极性；当直流电源的负极与焊枪相连时（DCEN）,称为正极性。GMAW

焊接方法一般使用反极性。因为这种连接方法电弧稳定，熔滴过渡平稳，飞溅少，焊缝成形

美观，在较大的电流范围内都能获得较大的熔深。但在堆焊和补焊焊件时，则采用正极性比

较合适。因为阴极发热量比较阳极大，焊丝的熔化系数大，约为反极性的1.6倍，金属熔敷

效率高，可以提高生产率，由于熔深浅，对保证熔敷金属的性能有利。

2.5.5保护气体的成分及流量

保护气体的种类对焊缝成形有较大影响。各种保护气体的特点极其对电弧特性、焊接质

量的影响将在下面各种焊接方法中介绍。

气体流量的选择与焊接电流、焊接速度、焊丝干伸长以及作业环境等因素有关。一般细

丝小规范时，气体流量的范围通常为5-151/min,中等规范焊接时约为201/min,粗丝大规

范一般为25—501/mino

2.5.6焊丝直径

焊丝直径对焊缝的熔深有较大影响。在相同的焊接规范下，随着焊接直径的减小，焊缝

熔深增加。当焊丝干伸长度较大时，焊丝直径对焊丝的熔化速度也有影响，随着焊丝直径的

变小，焊丝的熔化速度提高。

在选择焊接规范时，一般应根据板厚、坡口形状及焊接位置，选择焊丝直径，然后在确

定焊接电流。表2.2为各种直径焊丝的适用范围。

表2.2各种焊丝直径的适用范围

焊丝直径短路过渡颗粒状过渡

（mm）焊接电流（A）焊接电压（V）焊接电流（A）焊接电压（V）

0.630~7017~19--

0.850〜10018〜21--

1.070〜12018~22--

1.290〜15019〜23160〜40025〜38

1.6140〜20020〜24200〜50026〜40

2.5.7焊丝的干伸长

焊丝的干伸长是导电嘴的末端到焊丝端部的距离。增加干伸长即增加焊丝的电阻。由于

短路过渡焊接所采用的焊丝较细，焊丝干伸长产生的电阻热便成为不可忽略的因素。当其它

规范不变时，随着干伸长的增加，焊丝的熔化速度提高，焊接电流和焊缝熔深都有减小的趋

势。从保护气体效果看，该距离应尽量短，但由于飞溅容易堵塞喷嘴和难以观察熔池情况，

所以还必须保持适当的高度为好。在小电流焊接时（短路过度），焊丝干伸长一般为6~

15mm；大电流焊接时（其它过渡形式），该距离在15〜25mm之内。总之该距离应随焊接

姿势、电弧的稳定性和作业环境的不同进行调整。

2.5.8焊枪的操作

焊枪的操作对焊缝的形状及熔深的影响较大。焊枪操作有两种方法：前进焊和后退焊。

前进焊焊枪的指示方向与焊接方向相同，后退焊焊枪的指示方向与焊接方向相反。焊枪操作

对焊缝熔宽和熔深的影响。

前进焊的特点：熔融金属向前流动，焊道宽、熔深小。

后退焊的特点：焊道窄、熔深大；易形成凸形焊缝；电弧稳定；飞溅少；在深坡口内熔

渣较多时效果良好。

在焊接中，一般采用前进焊，这种方法不会使空气混入保护气体内，从而获得稳定的电

弧，在焊接比较深的焊缝时，为了防止过多的飞溅，有时也采用后退焊。

焊枪的前进角保持在10~15°以内，为了使电弧有较强的硬直性，和增强在焊丝传送

方向上的电弧力，如果焊枪过于倾斜的话，在焊枪前进方向上推动熔化金属的力就增大，从

而使飞溅增多，出现熔化不好的结果。对于一些材料，如铝焊接时最好采用前进焊，对前面

熔融金属有‘清洁'作用，提高润湿性，减少金属氧化物。

水平角焊缝焊接时，除了焊枪角度以外，还必须注意焊接的目标位置。在大电流情况下

进行焊接时，如图2.20所示，焊枪与垂直板的夹角为35〜45°,让焊枪在水平板上偏离1〜

3mm,否则，不仅会使焊缝成形恶化，还会造成垂直板侧的咬边现象。

由于水平角焊缝限制焊脚尺寸在8〜9mm之间,所以偏离目标位置的距离为2mm左右,

但在利用短路过渡焊接小焊脚的角焊缝中，垂直板与水平板的交点就是目标位置。

2.5.9焊缝位置

喷射过渡一般用于平焊和横焊位置，脉冲喷射过渡可用于全位置的焊缝。在立焊和仰焊

位置为了克服重力的作用，一般采用较细的焊丝，对于短路过渡和脉冲喷射过渡，直径小于

1.2mm的焊丝则较适合全位置焊接。薄板的立焊缝采用向下焊接可取得较好的效果。

工件倾斜时，焊缝成形可因焊接方向的不同而有明显的不同。当上坡焊时，熔池液态金

属在重力和电弧力的作用下流向熔池尾部，电弧能深入地加热熔池底部的金属，使熔深和余

高都增加。同时，熔池前部加热作用减弱，电弧斑点飘动范围减小，熔宽减小。上坡角度越

大，影响也越显著。上坡角度（工件与水平面的夹角）大于6~12℃时，焊缝就会因余高过

大，两侧出现咬边而明显恶化。

下坡焊时，情况与上述正好相反，即熔深和余高略有减少，而熔宽将略有增加。因此倾

角小于6~8℃时可使焊缝表面成形得到改善，如果倾角过大，会导致未焊透和焊缝流溢等缺

陷。两种焊接方法的对焊缝成形的影响如图2.21所示。

2.6MIG焊接方法

2.6.1MIG焊接方法的主要特征

1.电弧稳定、飞测少、焊缝外观漂亮。

2.焊丝的熔化速度快、熔化深度大，熔敷效率高，与鸨极氤弧焊相比，可大大提高生产

效率，尤其适用于中等厚度和大厚度板材的焊接。

3.广泛用于铝材、不锈钢、铜合金、合金钢等金属的焊接

4.由于使用了惰性气体，所以能取得不混入杂质的良好的焊缝金属

MIG焊接方法的缺点是“有大风存在的地方不能使用”、“气体成本高”等，这些缺点

是气体保护焊接方法的通病，可采取防风对策，MIG焊接方法大多用于有色金属的焊接。

2.6.2MIG焊的熔滴过渡形式

表2.3MIG焊接焊接时的过渡现象与所适用的作业关系

焊机型号焊丝直径(mm)过渡现象所适用的作业

0.9〜1.6射流过渡或亚射流过渡用于中板、厚板焊接(向下、水平

200〜500A角焊接)

0.9〜1.2短路过渡用于薄板、中板的全方位焊接

200—400A脉冲0.9-016介于颗粒过渡和射流过渡用于薄板、中板的全方位焊接

之间的混合过渡

100〜125A细丝0.4〜0.8短路过渡用于薄板全方位焊接

MIG焊中存在的熔滴过渡形式主要有滴状，短路和喷射过渡。滴状过渡使用的电流较小,

熔滴直径比焊丝直径大，飞溅较大，焊接过程不稳定，因此在生产中很少采用。短路过渡电弧电

压较低，电弧功率比较小，通常仅用于薄板焊接。生产中用的最广泛了是喷射过渡。表2.3列

举了MIG焊接时的过渡形式与所适应的作业的关系。

2.6.3MIG焊接材料

1.保护气体

主要有Ar、Ar+He、He、底及Ar+H2.各种气体的适用范围及其特点如表2.4所示。

表2.4不同材料焊接时的保护气体及其适用范围

被焊材料保护气体混合比附注

铝及铝合金Ar直流反接有阴极破碎作用

Ar+He26—90%He电弧温度高。适于焊接厚铝板，可增加

熔深，减少气孔。随着He的比例增大，

有一定飞溅

钛、错及其合Ar

金Ar+HeAr/He75/25可增加热输入。适于射流电弧、脉冲电

弧及短路电弧

铜及其合金Ar板厚大于5—6mm时需预热

Ar+HeAr/He50/50输入热量比纯Ar大可以减小预热温度

或30/70

N2增大了输入热量，可降低或取消预热温

度，但有飞溅及烟雾

Ar+N2Ar/N280/20输入热量比纯Ar大，但有一定的飞溅

不锈钢及高Ar焊接薄板

强度钢

银基合金Ar对于射流、脉冲及短路电弧均适用，是

焊接馍基合金的主要气体

Ar+He加15—20%He增加热量输入

Ar+H2H26%加H2有利于抑制CO气孔

2.焊丝

MIG焊丝化学成分通常应和母材的成分相近,但有些情况下，为了满意地进行焊接并获

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，如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在焊缝金属中将产生不利了冶金

反应,从而产生缺陷或显著降低焊缝金属性能。

MIG焊丝在使用前必须经过严格的化学或机械清理，清除表面的油脂。

2.6.4脉冲MIG焊接方法

2.6.4.1概述

理想的MIG焊接的熔滴过渡形式是射流过渡，但是这种过渡形式需要很大的电流，因

而不适宜进行薄板的焊接，此外，短路过渡形式难以焊接铝、铜合金和特殊钢等金属材料,

这时使用“脉冲焊接法”是有效的。

在脉冲MIG焊接方法中，周期地流过大的脉冲电流(Ip),利用该电流产生的夹紧力使熔

滴部进行过渡，基值电流(IB)使焊丝端部熔化，脉冲电流使熔滴脱离，如图2.23所示，脉冲

焊接方法适用于薄板的焊接、特殊金属的焊接和全位置焊接等。

2.6.4.2脉冲MIG焊接方法(MIGP)的特点

MIGP的峰值电流及熔滴过渡是间歇而又可控的，与连续电流MIG焊相比，在工艺上具有

如下特点：

1.具有较宽的电流调节范围

普通的射流过渡和短路过渡焊接，因受熔滴过渡形式的限制，它们所能采用的焊接电流范

围都是有限的。而采用脉冲电流后,由于可在平均电流小于临界电流值的条件下获得射流过

渡，因而同一种直径焊丝,随着脉冲效率的变化，能在高至几百安培，低至几十安培的电流范围

内稳定地进行焊接。所以熔化极脉冲氨弧焊的工作电流范围包括了从短路过渡到射流过渡所

有的电流区域，可用于射流过渡和短路过渡所能焊接的一切场合。既能焊接厚板，又能焊接薄

板，焊接薄板时，熔透情况较短路过渡焊接好。与鸨板氨弧焊焊接薄板相比，生产率高，变形小。

有意义的是可以用粗丝来焊接薄板，采用似.6mm焊丝，焊铝和不锈钢时，前者只要40A,后

者只要90A就可以使电弧稳定燃烧，熔滴成细滴过渡。粗焊丝焊接薄板有如下优点：

对于铝等软质焊丝,粗丝送丝容易，且不偏摆，另外焊丝成本低。由于表面积与体积之比减少,

从而产生气孔的倾向减少。表一为脉冲氤弧焊焊接不同材料时，出现射流过渡的最小电流值。

2.有利于实现定位焊接

采用脉冲电流后，可用较小的平均电流进行焊接，因而溶池体积小,加上溶滴过渡和金属

的加热是间歇性的，所以不发生淌流。

另外，在脉冲峰值电流作用下，熔滴的轴向性相当好,无论在什么位置都能使金属熔滴沿

着电弧轴线向熔池过渡，焊缝成形好，飞溅损失小。

3.可有效地控制输入热量,改善接头性能

脉冲MIG焊，既可使母材得到较大的熔深,又可控制总的平均焊接电流在较低的水平，对

于焊接高强钢以及铝合金等热敏感性材料非常有利，焊缝金属和近缝区金属过热都比较小，从

而使焊接接头具有良好的韧性,并减少了产生裂纹的倾向。此外,脉冲电弧具有加强熔池搅拌

作用,可以改善溶池冶金性能以及有助于消除气孔等。

2.6.5清除氧化物的作用

在MIG焊接中，当焊丝为阳极时，电弧的阴极点产生在母材表面残存的氧化物处，该

阴极斑点的电流密度非常高，表面的氧化物可以被被简单除去。在焊丝的移动过程中不断地

除去的氧化物，这就是清除氧化物的作用，该作用在焊接铝金属时，对除去表面比较厚的氧

化物是非常重要的工序。

在铝金属表面覆盖有熔点极高的厚氧化物层，靠电弧清除该氧化物层不够彻底时，必须

在进行焊接前洗净被焊铝材的表面，例如用钢刷进行抛光研磨。

2.6.6MIG焊接电源

MIG焊接电源大致可分为直流电源和直流脉冲电源两种，各有所长，对应于不同的用

途。

2.6.6.1直流电源

MIG焊接直流电源的静态特性有恒电压特性和恒电流特性两种，一般来说MIG焊接电

源使用恒电压特性，当设定了焊接电流后，就以恒定的速度供给焊丝（定速供给）。

1.使用恒电压特性电源实现电弧的自适应控制

如图2.25所示，稳定的焊接状态为Ao点，对应交点Ko电流lo，电弧长lo，假设由于

焊枪的振动，电弧长度变长，于是移动到Ai的状态，电弧长lo〜h，电弧的发生点移至ki,

则电流减至h，由于电流的减少，所以焊丝的熔化速度下降，而焊丝的供给速度为恒定的，

所以电弧自动地返回稳定的Ao状态，相反，若移到A2状态电弧变短时，由于焊接电流增

加，会自动地返回稳定状态Ao。使用恒电压特性电源，实现了电弧的自适应控制，即使焊

枪有振动，也能获得稳定的电弧。

2.利用恒流特性的电源实现电弧的自适应控制

恒电流特性电源的外部特性如图2.26所示，即使输出电压有所变化，而焊接电流能保

持恒定，电弧的发生点在电源的外部特性与电弧特性的交点处(图中的lo,L，12)，在恒电流

特性电源中，不管电弧长度怎么变动，其焊接电流几乎不改变，因此这种电源的特点是能取

得均匀的熔化深度，适宜在焊接时使用比较大的电流的厚板MIG焊接。

2.6.6.2直流脉冲电源

脉冲电源用于进行脉冲焊接，正如前面所述的那样，通过使用脉冲焊接电流，即使是小

电流也能获得稳定的射流电弧，因此脉冲焊接适用于下述各方面：

(1)焊接薄板(使用比较小的电流)

(2)焊接特殊金属或不同种类的金属

(3)全方位焊接中、厚板金属，不用担心熔化深度不均匀

2.6.7利用逆变控制方式与模糊控制方式的脉冲MIG焊机的特点

脉冲MIG焊机，具有高质量和高性能的特点，特别适合焊接铝金属。

2.6.7.1波脉冲焊机的特点

波脉冲(wavepulse)法利用逆变原理高速控制输出电流，进行铝金属脉冲MIG焊接，表示

波脉冲法的原理。

267.2.模糊控制逆变式脉冲MIG焊机的特点

利用模糊控制能简便地设定焊接条件，能监视焊接中的电弧状态，并自动地将其控制在

最佳状态，能自动地调整输出电压以保持与输出电流相对应的最佳电弧长度。

这种焊机能自动地监视由于焊接过程中母材的温度、清理作业和保护气体等变化引起的

电弧状态，能自动控制该电弧状态经常保持最佳。

图2.30表示普通的MIG焊接和模糊控制焊接的熔深剖面，利用模糊控制能得到稳定而

又均匀的熔深。

2.6.8常用金属材料的焊接

MIG焊接方法适用于铝、镁、不锈钢、铜与铜合金、馍、钛、铭合金、铝合金等金属

的焊接，下面介绍常用的典型金属铝、不锈钢、铜在MIG焊接中的注意事项。

2.6.8.1铝及其合金的焊接

铝金属的焊接要比钢焊接要困难，这是由下述铝的性质所决定的。

熔化温度和热容量

铝的散热速度比钢要快四倍，所以局部加热很难，另外熔化温度低（约660℃）,所以熔化快;

①.氧化膜

铝的表面有一层很薄、很密、熔点温度很高（2020C）的氧化膜，该氧化膜妨碍与母材的融合,

因此在进行焊接前要进行清除氧化膜的作业（预处理）；

②.吸气性

铝在熔化时容易吸收氧气等气体，这是焊缝产生气孔的原因，会降低焊缝的强度和耐腐蚀

性；

③.热胀冷缩

铝的膨胀系数约为钢材的两倍，凝固时容易产生裂纹；

④.热量引起母材性质的改变

⑤.由于焊接热量的影响，会降低与焊缝相邻接的母材的机械和冶金性能，热量

越大，性能的降低程度或范围越显著。

上述内容是进行铝焊接时最基本的特征，因此施工时必须加以注意。

此外焊丝对焊接品质和焊缝的各种性质有很大的影响，因此与母材的组合是很重要的。焊丝

表面的污垢、附着的水分也是焊缝缺陷（例如气孔）的原因，使用前后要注意处理和保管在干

燥场所。

2.6.8.2不锈钢

不锈钢有奥氏体系列、铁素体系列、马氏体系列等，下面介绍其特性及焊接施工时的注

意事项。

①.马氏体系列(13Cr等)：有淬火硬化性质，容易产生裂纹，不好焊接，焊接时必须进行

充分的预热和后热处理

②.铁素体系列(18Cr)：没有淬火硬化性质，高温时(475℃左右)会产生粒长大现象

③.奥氏体系列(18Cr—8Ni)：焊接性能比上两种要好，高温时会析出铭的碳化物，从而会

降低耐腐蚀性和机械强度。

不锈钢的热传导率是低碳钢的1/3〜1/2,热膨胀率大，焊接时容易变形，因此在焊接时

尽量少输入热量。另外，或使用夹具，或使用冷却板等都是好方法。

选择焊丝时，原则上是焊丝与母材具有相同的组成部分，但如果考虑焊缝的可焊性和使

用性能时，不一定使用相同的成分，总之，选择焊丝的标准由可焊性和使用性能来决定。

MIG焊接不锈钢所使用的保护气体有：“Ar+Ch"、“Ar+C02"、“Ar+Ch+CCh”,使用

纯Ar气体时，阴极斑点在母材表面漂移，影响电弧的稳定，焊缝成形也不好。

就保护气体的混合比例而言，当Ar+2〜5%。2时能得到稳定的电弧，当Ar+5〜10%CO2

时，由于焊缝金属中含碳量增加，最好不要用于超低碳型不锈钢(例如SUS304L)等要求焊接

质量高的地方。

268.3铜与铜合金

1.铜

一般所谓的铜有脱氧铜、粗铜、无氧铜等，铜的传导率大约是低碳钢的2.5倍(表2.5),

由于能把电弧热量快速地扩散，使焊缝金属熔化时的流动性很差，产生融合不良。

表2.5各种金属材料的物理性质比较

物理性质低碳钢铝铜

比重7.82.78.9

熔点(℃/p>

比热(cal/g/℃)0.110.220.09

膨胀系数(10-6/C)122416.5

热传导率(cal/cm/s/℃)0.120.370.94

在MIG焊接中，一般用来焊接板厚3mm以上的金属.对5〜6mm板厚的金属必须进

行预热，预热温度视母材材质而定，差别较大，大概在200〜700℃左右，保持气体一般使

用Ar气，但在厚板的焊接中使用Ar+He的混合气体能提高焊接效率，此外，粗铜中一般都

含有氧气，所以在焊接时容易产生气孔，故在施工前要选好合适的焊丝，并进行清洗等前处

理工序。

2.铜合金

铜合金有黄铜、青铜、铝青铜、银青铜、青铜等，铜合金的热传导率虽然比纯铜要小,

但如果要焊接的部分的体积较大时，必须将其预热，由于锌蒸气的影响，黄铜的焊接性能不

好，要用青铜焊丝，对于镀青铜要注意在焊接时会产生有毒气体，表2.6列举了焊接铜合金

时如何选择焊丝。

表2.64同和铜合金的焊丝选择

碳素钢铝青铜硅青铜黄铜铜

铜11111

2232

黄铜1211

2322

3

硅青铜123按照AWS规格的焊丝标准

231…ECu

2……ECuAl〜A2

铝青铜223-…・ECuSi〜A

2.6.9典型的MIG焊接工艺参数

2.7MAG焊接方法

2.7.1概述

MAG焊是采用在惰性气体中加入一定量的氧化性气体（活性气体）如Ar+CO?、Ar+Ch、

Ar+CCh+Ch等，作为保护气体的一种熔化极气体保护电弧焊方法。可采用短路过渡、喷射过

渡和脉冲喷射过渡进行焊接，可用于点焊、立焊、横焊和仰焊以及全位置焊等。尤其适用于

碳钢、合金钢和不锈钢等黑色金属材料的焊接。

2.7.2氧化性混合气体的作用

1.提高熔滴过渡的稳定性

钢中的C在焊接过程中与或CO2反应生成较大量的co,促使液体表现活泼地运动,

这种运动也将促使电弧空间在较大的长度时方形成短路金属液柱，因此更容易使短路状态破

坏立即转变为燃弧，因此对短路过渡电弧的稳定有利。同时加入氧化性气体后，有利于金属

熔滴的细化，降低了射流过渡的临界电流。

2.稳定阴极班点，提高电弧燃烧的稳定性

用纯Ar来焊接不锈钢、碳钢等金属时，电弧阴极班点不稳定，产生所谓阴极飘移现象,

加入或CO2后阴极飘移现象可被消除。

3.改善焊缝熔深形状及外观成形，消除焊接缺陷

用纯Ar焊接不锈钢、低碳钢及低合金钢时，液体金属的粘度及表面张力较大，易产生

气孔。焊缝金属润湿性差，焊缝两侧容易形成咬肉等缺陷。由于阻极飘移现象，电弧根部不

稳定，会引起焊缝熔深及焊缝成形不规则。另外，纯Ar做保护气体时，焊缝形状为蘑菇形

（亦称指形），这种熔深的根部往往容易产生气孔，对接焊时还容造成焊缝根部熔透不足的缺

陷，采用氧化性气体，上述问题都能得到解决。

4.增大电弧热功率

在Ar中加入CO2和。2后，加剧了电弧区的氧化反应，氧化反应放出的这部分热量，

可以使母材这部分熔深增加，焊丝的溶化系数提高。CO2气体在电弧中心分解对电弧有冷却

作用，使电弧放电温度提高。另外在弧柱高温区分解时吸收了一定的热量在电弧的斑点附近

时又重新释放出来。这种物理化学过程,对焊接熔池和焊丝起着一种增大输入热量的作用。

因而提高了电弧的热功率，从而增加了母材的熔深和焊丝的熔化速度。

5.降低焊接成本

2.7.3常用氧化性气体及其适用的焊接材料

l.Ar+CO2

Ar+CO2混合气体分两种类型。一种为Ar+CCM〜5%,用于焊接不锈钢等高合金钢及级

别较高的高强度钢。另一种为Ar+CO220%,用于焊接低碳钢及低合金结构钢。焊接不锈钢

时，。2的含量不应超过2%,否则焊缝表面氧化严重，接头质量下降。Ar+20%02焊接碳素钢

和低合金结构钢时，抗氮气孔性能比Ar+20%CO2及纯CO2好，焊缝缺口韧性较Ar+CO2气

体焊接的焊缝稍有提高。

2.Ar+CO2

常用的配比为Ar+CCh20〜30%,用来焊接低碳钢和低合金钢。用Ar+CCh混合气体焊

接不锈钢时，CO?的比例不能通过5%。否则，焊缝金属有增碳的可能，从而降低接头的抗

腐蚀性能。

3.Ar+CCh+Ch

据试验，80%Ar+15%C02+5%02对于焊接低碳钢、低合金钢是最佳的。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非常满意。其焊缝断面形状如图所示，比较

理想,熔深呈三角形焊接不锈钢及高强钢的常用气体为Ar+CO225%+O2%，但焊缝有增碳现

象。

表2.7常用氧化性混合气体的特点及应用范围

被焊材料保护气体特点和应用范围

采用射流过渡，使熔滴细化，降低了射流过渡的临界电流值，提

高了熔池的氧化性，提高抗N2气孔的能力，降低焊缝含H2量、

Ar+O2(1%—5%)含02量及夹杂物，提高焊缝的塑性及抗冷裂的能力。用于焊缝要

求较高的场合。

Ar+O2(20%)

可采用各种过渡形式，飞溅小，电弧稳定，焊缝成型好，有一定

碳钢及低合金钢的氧化性，克服了单一Ar保护时阴极漂移及金属粘稠的现象，改

Ar+CO2(20—30%)善蘑菇形熔深，焊缝力学性能优于纯Ar保护

可采用各种过渡形式可采用各种过渡形式，飞溅小，电弧稳定，

焊缝成型好，有较好的焊接质量，焊缝断面形状及熔深理想。是

Ar+CO2(15%)+02焊接碳钢及低合金钢的最佳混合气体。

(5%)

提高熔池的氧化性，降低焊缝金属含氢量，增大熔深，成型好，

液体金属粘度及表面张力有所降低，不易产生气孔及咬边，克服

不锈钢及Ar+O2(1—2%)阴极漂移现象。

高强度钢Ar+CO2(5%)+O2(•%)提高了氧化性，熔深大，焊缝成型较好，但焊缝可能有少量增碳。

铝极其合金可简化焊前清理工作，电弧稳定，飞溅小抗气孔能力强，焊缝力

Ar+CO2(2%)学性能较高。

2.7.4常用的焊接规范

2.8CO2焊接方法

2.8.1CO2电弧焊特点

1.焊接成本低，CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品，来源广、价格低。

2.生产率高，CO2电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝的熔化率高，熔敷速度快。

3.适用范围广，薄板、中厚板甚至厚板都能焊接，薄板焊接时变形小，并能进行全位置

施焊。

4.抗锈能力强，焊缝含氢量低，抗裂性好。

5.焊后不需清渣。

6.由于是明弧，焊接过程中便于监视和控制。

2.8.2CO2电弧焊存在的主要问题及解决措施

2.821.合金元素烧损问题

CO2电弧可以从两个方面使Fe及其它合金元素氧化。一种是与CO?直接作用：

如：

CO,+FeoFeO+CO

2CO2+SioSiO,+2CO

CO,+MnoMnO+CO

CO；+Co2co

另一种是和高温分解出的原子氧作用：

Fe+0u>FeO

Si+20oSiC）2

Mn+00MnO

c+o=CO

第一种反应一般认为是在低于金属熔点温度下进行的，在金属氧化中不占主要地位。合

金元素的氧化烧损主要是产生于第二种反应。反应产物MnO、Si02成为熔渣浮于熔池表面。

生成的CCh气体逸出到气中去，不会引起焊缝气孔。而FeO则熔入液态金属，并进一步和

熔池及熔滴中的合金元素发生反应使其氧化。

在CCh电弧焊中，合金元素的烧损与合金元素与氧的亲合力成正比。Ni、Cr、Mo过渡

系数最高，烧损最少。Si、Mn的过渡系数则较低，因为它们中的相当一部分要耗于熔池中

的脱氧。Al、Ti、N2等元素的过渡系数更低，烧损比Si、Mn还要多。合金元素的烧损主要

与电弧气氛的氧化性有关，因此必须在冶金上采取措施。目前，在焊丝设计中加入一定量的

脱氧剂（如Al、Ti、Si、Mn等），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。

282.2.气孔问题

C02电弧焊，由于熔池凝固比较快，容易在焊缝中产生气孔。可能产生的气孔主要有:

co气孔、H2气孔和N2气孔三种。

1.CO气孔

产生CO气孔的原因主要是熔池中的FeO和C反应

FeO+CoFe+CO

这个反应在熔池中处于结晶温度时，进行得比较剧烈，由于这时熔池已开始凝固，CO

气体不易逸出，于是在焊缝中形成气孔。

如果焊丝中有足够的脱氧元素Si和Mn,以及限制焊丝中的含碳量就可以抑制上述的氧

化反应，有效地防止CO气孔的产生。

2任气孔

电弧区的氢主要来自焊丝、工件表面的油污、铁锈以及CCh气体中所含的水份。其中

co2气体中的水份常常是引起氢气孔的主要原因，所以焊前要适当清除工件和焊丝表面的油

污和铁锈，另一方面尽可能使用含水分低的CO2气体。

3.N2气孔

焊缝中产生N2气孔的主要原因，是由于保护气层遭到破坏，大量空气浸入焊接区所造

成的。保护气层失效的因素主要有：CCh气体流量过小，喷嘴被飞溅部分堵塞，喷嘴与工件

的距离过大，电弧电压过高，以及焊接场地有侧向风等。因此在焊接过程中保证保护气层稳

定可靠是防止N2气孔的关键。

2.8.2.3飞溅问题

CO2电弧焊产生飞溅的原因主要有：

1.熔入熔滴中的FeO与碳元素作用产生的CO气体，在电弧高温下急剧膨胀，使熔滴爆

破而引起金属飞溅；

2.溶滴短路过渡后，当电弧再引燃时产生的对熔池的过大冲击力使液体金属溅出。

3.采用颗粒状过渡时，飞溅主要是由于熔滴非轴向过渡造成（电流不大时），或由于熔滴瞬

时短路而造成（大电流潜弧时）。

降低飞溅主要有工艺措施和冶金措施两个方面。工艺方面主要是采用尽量小的焊丝直

径，合适的焊接电流与电压参数的匹配，和合适的短路电流上升速度，以及峰值短路电流。

短路电流上升速度和峰值短路电流可以通过焊接回路串接的电感来调节。冶金方面主要是采

用合适的焊丝和保护气体成分，适宜的焊丝和工件表面清理来减少因液体金属内部冶金反应

生成的CO气体膨胀爆炸而造成的飞溅。

2.8.3CO2焊接的溶滴过渡形式

C02焊的溶滴过渡形式主要有颗粒过渡、短路过渡和介于两者之间的混合过渡。

1.滴状过渡

当电弧电压较高，焊接电流较大时，常出现这种过渡形式C02焊的颗粒状过渡是非轴

向的。主要是由于C02气体在高温下的分解和解离，对电弧产生的强烈的冷却作用，造成

电弧和斑点面积收缩使电流密度提高，电弧的电场强度提高，并集中在溶滴的下部，熔滴将

受到较大的斑点压力，迫使熔滴上挠，使熔滴不能轴向过渡，严重时电弧不稳定，产生飞溅

随着电流的增加91.2焊丝，电流大于300A时），斑点面积增加，电弧收缩力由阻力变为推

力，使熔滴细化，过渡频率也随之增加，飞溅较小，电弧较稳定，焊缝成形较好。

颗粒过渡电弧穿透力强，母材熔深大，适于中厚板的焊接。

2.短路过渡

当电弧电压较低，电流较小时，熔滴过渡为短路过渡形式。短路过渡电弧的燃烧、熄灭

和溶滴过渡过程均很稳定，飞溅小，适于薄板的全位置焊接。

短路过渡焊接主要采用细焊丝，特别是帆.6〜1.2mm范围内的焊丝，随着焊丝直径增大,

飞溅颗粒和飞溅数量都相应增大。

除短路过渡和颗粒过渡以外，还有一种介于二者之间的过渡形式，即混合过渡，熔滴过

渡频率较低，颗粒较大，飞溅也较大，用于中等厚度板的焊接。

2.8.4焊接电源

2.8.4.1逆变控制方式和模糊控制方式的CCh/MAG焊机的特点

1.逆变控制CCh/MAG焊机的优点

逆变方式CCh/MAG焊机能快速地进行几KH到几10KH的控制，所以能大幅度地改进

其性能，这是可控硅方式及其它控制方式所不能比拟的。具体说来有如下特长：

(1)提高电弧的起弧性能

(2)减少飞溅

(3)能进行稳定的高速弧焊

2.模糊控制逆变方式CCh/MAG焊机的特长

模糊控制逆变方式CCh/MAG焊机除具有上面介绍的特长外，还有如下特长：

(1)能自动调整最佳电弧电压(电压模糊控制)

(2)能保持稳定的焊缝熔深(电流模糊控制)

(3)能大幅度改进电弧的稳定性及焊缝外观(多种特性控制)

2.8.4.2直流电源

1.恒压特性电源的电弧自适应控制

CCh/MAG焊接方法不仅操作简单，而且能得到稳定的电弧，这是因为恒压特性电源有

电弧长自适应控制作用，如图2.31所示。

假设在稳定的焊接状态S1,即焊接电流为200A,电弧长为3mm的状态下进行焊接，

现在由于焊枪的振动等原因，电弧长度变短移动到S3状态。电弧长与电弧电压之间有一种

比例关系(电弧越短，电弧电压就越低，反之电弧越长电压越高)，这时由于电弧长变短，于

是电弧电压变低，变成20V,因为是恒压特性，电流就急速增加，由于不能改变焊丝大小和

传送速度，所以在S3的状态下电流密度变高，焊丝的熔化速度变高，于是恢复到S1状态。

相反，如果电弧变长，使处于S2状态时的电弧电压变成24V,于是焊接电流下降，而焊丝

的送进速度为常数，所以焊丝的熔化速度下降，电弧就自动地回到S1状态处。上述就是恒

压特性电源的电弧自适应控制。

图2.31恒压特性电源的电弧自适应控制

2.8.5CO2焊接材料

2.851CO2气体

CO2气体是一种无色、无味的气体，在0℃和1个大气压下，它的比重为1.9768g/L,

为空气的1.5倍，所以焊接过程中能有效地将空气隔开。在常温下很稳定，在高温时CO2

发生分解，其反应方程式为:CO20co+%。2-283.24KJ,因此，在高温的焊接区域

内，常常是三种气体（CO2、CO、。2）同时存在。

CCh由液态变成气态的沸点为-78C,在和1个标准大气压下，1公斤液态C02可以

变化成409升的气态CO2o容量为40公斤的标准钢瓶可以灌入25公斤的液态CO2o气瓶压

力表上指示的压力值为钢瓶中的饱和压力，室温时20℃时，气体的饱和压力约57.2X105N/m2

左右。

液态CO2中约可溶解0.05%（Wt%）的水，这些水在挥发成水汽后便混入CO2气体中一起

进入焊接区，CO2气体纯度对焊缝的致密性和塑性有较大影响。随着CO2气体中水分增加，

焊缝中含氢量增加，使焊缝的塑性降低。当焊缝质量要求较高时，要求CO2气体露点低于-40

℃。为降低水分含量，在焊接气路系统中，需串联干燥器或预热器。有时在CO2气体中加

入20〜25%Ch来焊接钢材，以获得较大的熔深和提高焊接速度。

对焊接用C02气体纯度的要求，目前我国尚无国家标准，表2.8为日本焊接用CO2气体

标准。

表2.8日本工业标准K1106

CO2（容量％）水分（重量％）氧含量

一级99.0%以上一无氧

二级99.5%以上0.05以下一

三级|99.5%以上|0.005以下―—