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1、word第五章 气体保护焊等离子弧焊与切割第三节 熔化极气体保护焊 熔化极气体保护焊是应用最广泛的焊接方法之一。焊条电弧焊，熔化极气体保护焊以与钨极氩弧焊已经成为机械行业必备的焊接工艺方法。其中，气体保护焊以其生产效率高，焊接质量好，操作简单，本钱最低而得到极其广泛的应用。可以说，如果掌握了熔化极气体保护焊技术特别是短路过渡气体保护焊技术，就能在机械制造企业立足。熔化极气体保护焊与钨极氩弧焊的最大区别就在于熔化极气体保护焊的电极在焊接过程中是熔化的，如图示。为此，熔化极气体保护焊的电源外特性与焊条电弧焊不同，还需要专门的送丝机构用来送进焊丝。熔化极气体保护焊焊接示意图熔化极气体保护焊设备示意图
2、1 熔化极气体保护焊的焊接电源：绝大多数气体保护焊电源都是平外特性配用等速送丝机构。下降外特性电源配用变速送丝机构，只有在焊丝直径超过2.0毫米时才使用，多用于厚板铝合金的机器焊。我们能够实际接触到的都是平特性电源加等速送丝机构。下降外特性电源加变速送丝，在此就不讨论了。a 电弧自动调节特性：熔化极气体保护焊的电弧静特性，位于曲线的上升段。采用平特性电源，等速送丝机，能够以最小的本钱，达到电弧稳定燃烧的目的。电弧自动调节特性的研究是大学本科的内容，我们不进展深入的讨论。在这里仅仅说明它的原理。熔化极气体保护焊电弧在燃烧时，一方面焊丝在不断送进，另一方面，焊丝也在不断的熔化。电弧稳定燃烧的根本条
3、件和具体特征就是焊丝的送进速度必须等于焊丝的熔化速度。即：V送V熔 另外，在我们这个熔化极气体保护焊系统中，作出三个假设：第一， 焊接电源是平特性的，无论焊接电流发生多大变化，电源的输出电压维持不变；第二， 把电弧简化为一个大电阻；这也根本符合实际情况，整个焊接回路的电阻实际上就是弧阻；第三， 整个焊接回路的表现符合欧姆定律；UIR；焊接回路当中实际上是存在电感和变压器的内阻的，但是，与电弧电阻相比，他们都可以忽略不计。另外，虽然电弧静特性曲线整体上是U型不是线性的，但是在气体保护焊的X畴，电弧静特性曲线位于上升段，可以认为是线性的。现在，在焊接过程中，由于外界的干扰，电弧略微拉长，于是，弧阻
4、增大，电压不变，那么根据欧姆定律，电流一定变小，于是，焊丝的熔化速度也就变小，V熔V送，焊丝送得快，熔得慢，那么弧长趋向于变短，最后又恢复到V送V熔；电弧继续稳定燃烧； 假设，在焊接过程中，由于外界的干扰，电弧略微缩短，于是，弧阻减小，电压不变，那么根据欧姆定律，电流一定增大，于是，焊丝的熔化速度也就增大，V熔V送，焊丝熔化快，送进慢，那么电弧又趋向于变长，最终又恢复到V送V熔；电弧继续稳定燃烧； 也就是说，平特性电源加等速送丝，焊接过程中的弧长波动可以自动恢复。这就是电弧的自动调节特性。在焊丝直径不超过毫米的情况下依靠电弧自动调节特性可以很好地维持电弧稳定燃烧。b焊接规X的调节：熔化极气体保
5、护焊的规X调节与焊条电弧焊和钨极氩弧焊不同，焊条电弧焊，钨极氩弧焊调节电流只需要旋转一个旋钮或者手柄，但是，熔化极气体保护焊的电流调节却需要旋转两个旋钮，它们是：焊接电压旋钮和送丝速度旋钮。 假定现在熔化极气体保护焊的电弧在稳定燃烧中，弧长保持不变。如果我们需要增大电流，那么按照欧姆定律，我们要增大焊接电压，所以，要把焊接电压的旋钮向增大方向旋转。这时弧压升高，电流增大，焊丝熔化速度会加快，V送V熔的平衡会打破，如果不加控制的话，电弧会越来越长，最后焊丝和导电嘴熔化在一起，送丝终止，电弧熄灭。所以，我们在增大电弧电压的情况下要把送丝速度的旋钮也向增大方向旋转，使得焊丝的送进速度也加快，这样就能
6、继续保持V送V熔的平衡，电弧长度略微增长，焊接电压升高，焊接电流增大，达到了调节焊接电流的目的。详细的焊接电流调节方法将在操作技术一节中详细表示。c 熔化极气体保护焊的熔滴过渡：焊丝被电弧熔化后形成熔滴，熔滴从焊丝端部滴落并进入熔池的过程叫做熔滴过渡。气体保护焊的熔滴过渡可以分为滴状过渡，短路过渡，喷射过渡，旋转喷射过渡和脉冲喷射过渡。其中，滴状过渡因焊缝成型恶劣不予采用，旋转喷射过渡也应用很少，其他几种过渡形式都广泛得到应用。我们在操作焊条电弧焊的时候，如果把电弧拉长，用高速摄影拍摄，可以看到一滴滴颗粒比拟大的熔滴从焊条端部向熔池中滴落，但是熔滴并不是直接滴入熔池，而是在电弧空间扭曲摇摆着，
7、熔滴的形状也在不断变化，最后，熔滴经过复杂的曲线运动进入熔池。有些熔滴甚至滴落过程中又返回焊条端部，然后再次滴落下来。有些如此没有进入熔池，直接飞出电弧空间。如果逐渐压低电弧，这时可以通过高速摄影看到，熔滴尺寸变细，滴落速度加快，当电弧压低到一定程度，熔滴会跟熔池出现短路现象。这时电弧熄灭，而熔滴就是在电弧熄灭时过渡到熔池中的。熔滴过渡后，电弧再次引燃，加热和熔化焊条，熔滴又逐渐长大，直到发生再一次的熔滴短路。这时，焊接电流，焊接电压的波动都比拟小，飞溅也较小，焊缝波纹细密，成型优良。 反之，在焊接电流比拟小，焊接电压却很高的时候，就是电弧长度拉得很长的情况下，熔滴尺寸很粗大，滴落速度慢，就是
8、过渡频率很低，飞出电弧空间的熔滴很多，也就是飞溅很大。焊缝成型不好。熔滴终究怎样从焊丝端部过渡到熔池中的呢？熔滴的尺寸和过渡频率是根据什么决定的呢？熔滴的过渡特性为什么对于电弧稳定性，飞溅的大小，以与焊缝成型为什么有如此显著的影响呢？或许我们可以想到，焊丝端部熔化的熔滴本身具有一定质量，它是被地球引力吸引到熔池中去的。但是，焊条电弧焊在仰焊的位置，焊条是向上的，重力方向与熔滴的过渡方向相反，但是仰焊仍然可以顺利操作，把熔滴逆着重力方向过渡到工件上去。另外，高速摄影证明，熔滴每秒钟可以滴落数百滴，这说明熔滴滴落时的加速度远远高于重力加速度2。这就让我们认识到，重力或许不是促使熔滴过渡唯一的力，甚
9、至不是主要的力。熔滴之所以能够从焊丝端部过渡到熔池中，除了重力以外，一定还有其他的力促使熔滴过渡，同时这些力的作用比重力更重要。虽然上述现象是在焊条电弧焊操作中观察到的，但是在熔化极气体保护焊中同样可以观察到。现在我们对熔化极气体保护焊的熔滴过渡进展细致的研究，为此我们首先指定氩气作为保护气。首先研究熔化极氩弧焊的熔滴过渡状况。研究明确，在熔化极氩弧焊中，影响熔滴形成和过渡的力除了熔滴自身的重力以外，还有外表X力，电磁收缩力(简称电磁力)，斑点压力以与等离子流力等等。熔滴的过渡频率(每秒钟过渡多少滴)，过渡形式(喷射过渡还是短路过渡)都是由这些力共同作用的结果来决定的。附录：熔滴上的作用力：1
10、 重力和外表X力：假设一根悬垂的筷子端头有一滴水，那么这滴水可以悬在筷子端头并不落下来。在焊丝端部的熔滴也有类似的情况。由于液体金属外表X力的作用，也会让液体熔滴悬垂在焊丝端部阻止它的过渡。这时，重力Fmg是有利于熔滴过渡的。熔滴悬垂在焊丝端部的外表X力由下式决定：Fs2Rcos 式中：Fs 外表X力的轴向分力 R 焊丝半径 液体金属的外表X力系数(与液体金属种类，气体种类，温度有关) 在长弧焊时，外表X力总是阻碍熔滴脱离焊丝端部，因而是反过渡力。 在短弧焊时，熔滴尚未长大到与熔池接触之前，外表X力也是阻碍熔滴过渡，但是当熔滴与熔池接触之后，由于熔滴与熔池的接触周界长度比与焊丝要大得多，因此外
11、表X力会把熔滴拉入熔池。在这时，外表X力才成为过渡力。由此可见，使用细直径的焊丝，改善液体的外表X力系数，有利于熔滴过渡。不锈钢，高温合金等等高镍铬含量的金属的液体粘度非常大，外表X力系数大，可以超过碳钢的外表X力系数50，过渡困难。而铝合金外表X力系数就很小，铝熔滴过渡轻快。在氩气中掺入少量氧气，也能降低外表X力系数。焊接不锈钢的时候通常都要参加1左右的氧气。2斑点压力：我们在讲解电弧的时候，提到过电弧是依靠气体电离和电子发射来作到让气体导电的。所以在电弧空间充斥着带电的质点，电子和离子。它们在电场的作用下，电子加速飞向阳极，而正离子飞向阴极。并且猛烈地撞击在电极的斑点上。产生了机械撞击力。
12、这个力称为斑点压力。可见无论是直流正接还是直流反接，这个力都是阻止熔滴过渡的。 直流正接DCEP，焊丝作为阴极，阴极斑点落在熔滴底部，撞击在熔滴底部阴极斑点上的是氩正离子，它的质量大，撞击力强，所以熔化极气体保护焊时如果使用直流正接，熔滴可以在焊丝端部成长为巨大的熔球，在电弧空间飘荡，几乎无法过渡。 直流反接DCEN，焊丝作为阳极，阴极斑点落在熔池上，沉重的氩正离子砸向熔池，阳极斑点落在熔滴底部，撞击在熔滴底部的是电子，它的质量仅仅是氩正离子的几万分之一，阻止熔滴过渡的斑点压力就小得多。所以，气体保护焊必须使用直流反接才能正常操作，焊条电弧焊也仅仅是在堆焊打底或者铸铁补焊这类要求少熔化母材的情
13、况下才使用直流正接。另外，氩正离子砸向熔池，能够破碎熔池外表的氧化物，在铝合金焊接时这是必不可少的条件。 总之，在直流正接的情况下，飞溅大，熔深浅，熔滴氧化严重，几乎不能完成熔滴过渡。所以，熔化极气体保护焊都采用直流反接。3电磁力：我们在讲解电弧的时候提到过电磁力的概念。库仑在1820年发现两根通有一样方向电流的平行直导线会互相吸引。通有相反方向电流的平行直导线如此互相排斥。这可以用中学物理的右手螺旋定如此和电动机左手定如此来解释。假定两根平行直导线垂直于纸面，电流流入纸面。载流导体会产生磁场，两根导线都会产生磁场，磁场方向按照右手螺旋定如此确定。其中一根导线在另一根导线的磁场中，磁场中的载流
14、导体受力方向按照左手定如此确定，于是，可以知道这两根平行导线互相吸引。这是两根载流导体的情况。任何载流导体，其中所通过的电流都可以认为是由许多导电的电流素线组成，这些电流素线之间也要产生相互的吸引力。把所有电流素线所产生的吸引力积分起来，就可以得到一个从四周向中心压缩导体的力。它趋向于把导体的截面变细。这个力就叫做电磁力。电磁力的大小与电流的平方成正比。对于液体导体和气体导体都适用。但是对于固体导体电磁力比拟小，不能导致固体导体截面变细，除非是在雷击的情况下，闪电产生强大磁场，导体中通过极大的电流，所以，被雷电击中的变压器线圈都会被扯断。但是对于液体导体和气体导体就不同了。电磁力足以让它们的截
15、面变细。当焊接电流通过液体金属熔滴时，电磁力对熔滴产生压缩作用，于是熔滴就在某个截面变细，最终从焊丝端部滴落下来。所以，电磁力如图示在大多数情况下都是过渡力。 电磁力是否是过渡力要看弧根面积的大小。所谓弧根就是熔滴导电的部位。熔化极氩弧焊，弧根面积非常大，甚至可以扩散到熔滴的上半部去，但是在二氧化碳气体保护焊，弧根面积很小，所以电磁力在二氧化碳气体保护焊的熔滴滴落过程中贡献不大，但是在熔滴短路之后贡献很大。4等离子流力：电弧中心局部电流密度非常大，温度极高，其中的气体完全电离，这种完全电离了的气体称为电弧等离子体。导电性能极好。焊接电弧的形状是锥形，从上向下是发散的，所以在电流素线之间的电磁力
16、会有一个轴向的向下的分力，于是，弧心部位的等离子流体在这个轴向推力的推动下高速向下流动，速度可超过音速，达到103米每秒。气流流动形成的真空就依靠吸取电弧上方的气体来补充。这就形成了焊接电弧的等离子流力。这股超音速气流从焊丝端部进入电弧空间时，可以促使熔滴脱离焊丝端部并加速向熔池滴落。还能对熔池产生强大的挖掘作用，增加熔深，甚至把熔池金属吹出熔池之外。即使是钨极氩弧焊，在大电流时也能产生明显的等离子流力。等离子流力虽然在正接反接都能产生，但是，直流正接时，熔滴非常粗大，还受到斑点压力四处飘荡，从流体力学的角度来说会减弱等离子流力。电流越大，等离子流力越大，小电流时就不明显了。现在，以熔化极氩弧焊，直流反接为例说明不同
