1、第一章第一章 气体保护焊工艺基础气体保护焊工艺基础(5b)(5b) 第五节 保护气体保护气体 一 单一成分的保护气体 二 混合保护气体 三 常用保护气体的选择 许多材料可以用较多种类的保护气体焊接。 在选择采用何种保护气体时必须考虑许多因素， 进行相互比较，旨在得到高的焊接质量和经济性。 表 1-12 给出了几种最基本保护气体的性能，气瓶颜色和连接螺纹。在选择保护气体时应注意以下事项： 材料和材料外形尺寸 焊缝准备及其公差 焊接位置 保护作用和防气孔的可靠性 保护气体和焊丝的合理搭配 焊渣量 焊缝金属的性能 耐腐蚀性（尤其是铬镍钢） 可应用的电弧种类和工作点 焊接速度 由一只喷咀或同两只喷咀喷
2、出保护气体 飞溅量和飞溅大小 焊机购置 经济性 由保护气体区出来的有害物质和杂质。 保护气体对于焊接影响的大小，不仅决定于保护气体的组成和性能，更主要的影响因素却在于电弧种类和工作点选择、焊丝种类、焊接电源特性、焊炬情况及其它的边界条件。表 1-13 介绍了常用保护气体的分类，它是按反应性能来分类的。 表 1-12 几种基本保护气体和性能，气瓶颜色和连接螺纹 气体种类 焊接时的反应性 在 15C 和 1 巴时的比重 公斤/米 3 气瓶颜色 气瓶连接螺纹 氩 Ar 惰性 1.759 灰色 W21.80 x 1/4“ 氦 He 惰性 0.176 灰色 W21.80 x 1/4“ 二氧化碳 CO2
3、氧化性 1.849 灰色 x） W21.80 x 1/4“ 氧 O2 xx） 氧化性 1.336 兰色 R3/4“ X）二氧化碳气瓶除了颜色外，另外有识别字母 S 或 ST XX）氧气只能和其它保护气体混合使用 表 1-13 常用保护气体的分类 分类 序号 组成气体数 各组成成分的体积% 按 DIN 1910第 4 部分适用的焊接方法 备注 氧化性 惰性 还原性 反应惰性 CO2 O2 Ar He H2 N2 R 1 1 100 原子氢焊 还原性 2 2 其余1） 1-15 钨极氩弧焊 等离子焊 还原性 I 1 1 100 钨极氩弧焊 等离子焊，熔化极惰性气体保护焊，焊根保护 惰性 2 1 3
4、 2 其余 M1 1 2 1-3 其余1） MAGM 弱氧化性 强氧化性 2 2 2-5 其余1） 3 2 6-14 其余1） M2 1 2 15-25 其余1） 2 3 5-15 1-3 其余1） 3 2 4-8 其余1） M3 1 2 26-40 其余1） 2 3 5-20 4-6 其余1） 3 2 9-12 其余1） C 1 1 100 MAGC F 1 2 其余1） 1-30 焊根保护 在 H210%时呈现还原性 2 2 1-30 其余 1）此处的氩气可部分由氦气代替 表中的 R 类气体为起还原作用的保护气体。属于这类的有原子氢焊用的氢气，还有氩气含量达 15%的氩-氢混合气体，用于等
5、离子焊最外层的保护气体和焊镍材时采用，偶尔在钨极氩弧焊也采用这种保护气体。 I 类为惰性气体。这里多指氩气、氦气和氩-氦混合气体，用于钨极氩弧焊、熔化极惰性气体保护焊和等离子弧焊。 M 类属于具有氧化性的保护气体，又可按氧化性的强弱进一步细分为 M1,M2 和 M3 和另外一类完全用 CO2 作保护气体的 C 类。M 和 C 类同为氧化性保护气体。M 类适用于混合气体的熔化极活性气体保护焊（MAGM）。主要气体成分为氩气，部分也允许用氦气代替。这种混合气体的活性成分为二氧化碳（CO2），在电弧的高温下，二氧化碳分解生成一氧化碳和氧或氧分子（O2）。三元混合气体指除氩气外，还有两个活性成分，即
6、CO2 和 O2。完全用二氧化碳作保护气体的焊接称为 MAGC 焊，即二氧化碳熔化极活性气体保护焊，简称为 CO2 气体保护焊。 F 类为作焊根保护用的保护气体。供单面焊时防止焊根氧化，利于底部焊道的成形。一般由氩气和氢气或氢气和氮气组成。后一种主要用于焊接非合金和低合金钢。 为确保焊接质量，防止产生气孔，除了应正确选择合适的保护气体外，还必须注意保持保护气体的纯净。具体措施为： 应保持保护气体管道和焊炬的密封和干燥 注意冷却水的密封，使焊炬上无冷凝水 使用干净的和与焊接任务一致的保护气体喷咀 注意正确调节气体喷咀的位置（距离、倾角和对准焊缝） 注意计量好保护气体的流量 选择合适的电弧工作点（
7、指电弧长度等） 注意焊接时气瓶的压力不得低于气体流量表的工作压力（2-4 巴），以确保对焊缝金属的保护效果。 注意在旋开减压阀后，必须立即再关闭气瓶阀门，不能让空气跑进“空”瓶内去。 此外，应根据焊接方法和材料来选择相应的保护气体（表 1-14）。 如表所示，对有色金属、奥氏体不锈钢和高温合金可以用惰性气体（纯氩或纯氦）进行的气体保护焊，既可以用钨极，也可以用焊丝（熔化极）。 对铜及铜合金以及用氮合金化的奥氏体钢可用纯氮气进行熔化极气体保护焊。对碳钢和合金结构钢一般用CO2 气体保护焊。对铝和铝合金、钛有钛合金则常用氩和氦混合气体的气体保护焊。此时氦含量应75%。不锈钢和镍基合金钢则广泛使用氩
8、气加二氧化碳、氩气加氧气和氩气加二氧化碳加氧气的熔化极活性气体保护焊。 表 1-14 常用保护气体适用的焊接方法和材料 保护气体成分 适用焊接方法 焊丝直径 适用的金属材料 焊件厚度（毫米） 施焊方式 焊接位置 备注 纯 Ar 钨极氩弧焊 有色金属，奥氏体不锈钢和高温合金 手工焊，自动焊 熔化极惰性气体保护焊 喷射过渡 0.8-1.6 3-5 半自动焊 全位置 立焊向下焊 1.6-5.0 5-40 平焊 脉冲喷射过渡 0.8-2.0 1.5-5 自动焊 全位置 立焊向下焊 1.6-5.0 6-40 平焊 纯 He 钨极氦弧焊 手工焊，自动焊 熔化极惰性气体保护焊 喷射过渡 0.8-1.6 4-
9、6 半自动焊，自动焊 全位置 立焊向下焊 1.2-4.0 6-40 自动焊 平焊 脉冲喷射过渡 0.8-1.2 2-5 半自动焊，自动焊 全位置 立焊向下焊 2.0-4.0 8-40 自动焊 平焊 纯 N2 熔化极惰性气体保护焊 滴状，短路过渡 0.8-1.2 铜和铜合金，用氮合金化奥氏体不锈钢 3-5 半自动焊 全位置 立焊向下焊 1.6-4.0 5-30 自动焊 平焊 纯 CO2 熔化极活性气体保护焊 短路过渡 0.5-1.6 碳钢，合金结构钢 0.5-5 半自动焊 全位置 立焊向下焊 滴状，短路过渡 1.6-4.0 4-10 自动焊 平焊 Ar +75% He 钨极氩弧焊 铝及铝合金，钛
10、及钛合金 手工焊，自动焊 熔化极惰性气体保护焊，喷射过渡 1.6-4.0 8-40 自动焊 平焊 Ar+ （5-15） % He 钨极氩弧焊 不锈钢，镍基合金 手工焊，自动焊 Ar+5% CO2 熔化极惰性气体保护焊 短路过渡 0.5-1.2 碳钢，合金结构钢，不锈钢，高合金钢（CO2少） 0.8-3.0 半自动焊，自动焊 全位置 立焊向下焊 脉冲喷射 0.8-5.0 1.0-5.0 全位置，平焊 立焊向下焊 Ar+20% CO2 喷射过渡 0.8-5.0 2.0-5.0 平焊 Ar+（1-5）%O2 熔化极惰性气体保护焊 喷射过渡 0.7-1.2 碳钢，合金结构钢，不锈钢，高合金钢（加1-3
11、% O2） 1-4 半自动焊 自动焊 全位置 立焊向下焊 1.6-4.0 5-50 平焊 脉冲喷射过渡 0.7-2.0 1-5 全位置 立焊向下焊 1.6-5.0 3-30 平焊 四四 常用保护气体对焊接性能的影响常用保护气体对焊接性能的影响 如表如表 1 1- -1515 所示，纯氩（所示，纯氩（99.995% Ar99.995% Ar）的弧柱）的弧柱电位梯度低，电弧稳定性好，金属过渡特性也不错。焊缝呈蘑菇形。 表 1-15 常用保护气体对焊接性能的影响 保护气体 成分 弧柱电位梯度 电弧稳定性 金属过渡特性 化学性能 焊缝熔深形状 加热特性 Ar 纯度 99.995% 低 好 满意 蘑菇形
12、 He 纯度 99.99% 高 满意 满意 扁平形 焊接热输入比 Ar 高 N2 纯度 99.9% 高 差 差 易在钢中引起气孔和氧化物 扁平形 CO2 纯度 99.9% 高 满意 满意， 有些飞溅 强氧化性 扁平形 熔深较大 Ar+He Ar+75%He 中等 好 好 扁平形 熔深较大 焊接热输入比 Ar 高 Ar+H2 Ar+ （5-15） %H2 中等 好 还原性，H2大于 5%时会产生气孔 熔深较大 Ar+CO2 Ar+5%CO2 低，中等 好 好 弱氧化性 蘑菇形， 熔深较大 （改善焊缝成形） Ar+20%CO2 好 好 中等氧化性 弱氧化性 Ar+O2 Ar+（1-5）% O2 低
13、 好 好 Ar+CO2+O2 Ar+20% CO2+5%O2 中等 好 好 中等氧化性 CO2+O2 CO2+20% O2 高 稍差 满意 强氧化性 扁平形 熔深较大 而用纯氩气作保护气体时，其电位梯度比用纯氦气时高。焊缝呈扁平形。因为焊接热输入较大，电弧能量分布宽。 使用氮气时尽管弧柱电位高，但电弧不稳定，熔滴过渡特性差，易在钢中引起气孔和氮化物，使焊缝金属脆化，较适用于铜和镍的焊接。 当用氩加氦的混合保护气体时，按相互所佔比例的不同，又分以氦气为主的和以氩气为主的两种。弧柱电位梯度为中等。两者间熔滴过渡特性有一些区别。熔深均较大。同时具有两种惰性气体的性能。适合焊大厚度的铝制工件。 下面着
14、重介绍熔化极活性气体保护焊（MAG）常用保护气体的一些重要知识，即在表 1-30 中的 C 类和 M 类保持气体对焊接性能的影响。总的来讲，使用这些活性保护气体必须注意如下几点： 防气孔的可靠性防气孔的可靠性 由二氧化碳（CO2）分解出的氧或作为保护气体加入的氧和熔池起反应。除引起合金元素烧损外，有可能在熔池中形成气体状物质。如焊缝金属内有足够的与氧有较大化合力的元素存在的话，可避免产生气体状氧化物。产生的氧立即被化合以焊渣形式迅速从熔池分离出去。焊接非合金钢时必须采用合金钢焊丝。为了避免气孔，应让保护气体与焊丝合理搭配，此外还应确定合理的电弧工作点。电弧电压调节不当和熔化功率偏高时均可能引起
15、气孔。 烧损和夹渣烧损和夹渣 如前所述，氧的最重要的化学反应是造成氧化物夹渣。夹渣沉积在焊缝区内，此外氧还易造成烟气并导致合金元素的烧损。 在表 1-13 中 M3 类混合保护气体以及用 CO2 保护气体时，其夹渣情况比用 M1 和 M2 时严重一些。因为夹渣量随焊丝中的锰和硅含量增加而增加。此外，这种夹渣量还随电弧长度（电弧电压）增加，并随电弧功率提高和焊接速度降低而增多。必须采用有足够高合金成分的焊丝来弥补合金元素的烧损。 焊缝金属中残留的氧化物可导致焊接接头韧性的降低。尽管如此，用 CO2 或高含氧量的混合保护气体（如M3.3）所取得的冲击韧性在许多应用范围也是完全可满足要求的。 在用强
16、氧化性保护气体进行多道焊时必须注意，不得有夹渣。为此，每焊一道焊缝之前必须仔细检查，看看前一首这焊缝内是否有夹渣，如有，必须先清除掉夹渣后再焊。 对铬镍钢的耐腐蚀性对铬镍钢的耐腐蚀性 不能用纯二氧化碳保护气体焊接低碳奥氏体铬镍钢。可以用混合保护气体，但其中的二氧化碳含量应限制在一定范围（CO25%。当采用的二氧化碳含量小于此。5%的富氩的混合保护气体时，可得到基本上无氧化的焊缝表面。当用非镇定的铬镍钢焊丝焊接时，保护气体中应完全放弃采用 CO2，而改用含 1-5%氧的富氩的混合保护气体。若保护气体中的二氧化碳偏高，熔池内吸收由保护气体中分离出的碳。那些仅仅微量增高的碳也可能促进产生晶间腐蚀。对
17、于没有 明显腐蚀应力的铬镍钢，例如低温技术中应用的铬镍钢，用较高二氧化碳含量（20%）的混合保护气体也没有问题。 充填（空心）焊丝充填（空心）焊丝 这种充填（空心）焊丝不能自已保护。焊接非合金钢和低合金钢时多用二氧化碳气体保护焊或用混合气体的气体保护焊焊接。但应控制混合气体中的含氧量不宜过大。 1 1 二氧化碳（二氧化碳（CO2CO2） 二氧化碳保护气体多用于焊接非合金钢和部分低合金钢。 氧化碳的最小单位（分子）是由一原子碳和二原子氧组成的化合物。因这个化合物处于全饱和状态，不和其它物质产生反应。 二氧化碳是一种无色无味的气体。 在市场上二氧化碳被作为碳酸 （二氧化碳的水溶液）出售。 和空气相
18、比， 二氧化碳的流动性好， 比重较大， 在电弧区受热后体积和压力增大 （分子分解所引起） ，从而使二氧化碳气体具有良好的保护作用，可以可靠地防止产生气孔。 使用二氧化碳保护气体对焊接性能的影响表现在以下三个方面： 1）对电弧的影响 二氧化碳电弧除了受到金属烟雾的影响外，还在很大程度上受到这种保护气体导热性的影响。二氧化碳气体导热性好， 故导电的电弧截面小， 所以二氧化碳电弧中的电压降和电流密度比混合保护气体电弧大一些。其电弧电压比用混合保护气体时大 4 伏。尽管二氧化碳电弧有高的能量密度，用正常焊接参数焊接时在焊缝中心不会产生指状熔池。二氧化碳的导热性好除了引起分子变化外（CO2CO+O），在
19、相同的电弧功率下焊缝熔池成形比用富氩混合保护气体时明显宽一些。故用少量的侧向摆动焊丝，便可以得到较宽的熔池。二氧化碳气体保护焊特别适用于某些特殊位置的焊接，尤其是厚壁工件下降焊缝的焊接。 2）对熔滴过渡的影响 二氧化碳电弧，由于电流密度和温度较高，靠发热和分子分解时产生的爆炸压力产现熔滴过渡。此外，在较大电弧功率时的二氧化碳电弧的熔滴过渡有可能引起短路。这种作用在电弧上的力和短路过程使熔滴过渡变得较困难，往往会造成剧烈飞溅，并会因振动而导致熔池位移。为减少熔滴过渡的这种困难，可采取下列措施： 选择合适的电弧工作点 缩短焊丝伸出端的长度 选用合适的焊丝材料和直径 调节电功率 在二氧化碳气体保护焊
20、时必须非常仔细地调节电压和电流强度（熔化功率）。电流强度的变化曲线对各个电弧相位有很大的影响。尤其重要的是短路后再次引弧电功率不宜过高。只要全面考虑了各种可能的影响因素，可以得到光滑的焊缝和较少的飞溅量。 用二氧化碳保护气体焊接壁厚 1 毫米以下的薄壁工件比较困难，另外当开 I 型或 V 型坡口无铜垫间隙大时其搭桥性能不如用混合气体的气体保护焊。 纯二氧化碳电弧不能用由脉冲电流控制的熔滴过渡。 只有在保护气体区域具有较高的二氧化碳含量 （80%） ，并在焊炬旁通过一附加喷咀向电弧区内喷入纯氢气才能得到喷射电弧和脉冲电弧。 3）对焊渣的影响 二氧化碳气体保护焊产生的焊渣较多。在焊接小焊缝时焊渣沉
21、积区可能出现不均匀成形的焊道。当用大电弧功率焊接时，焊渣造成熔池剧烈振动，若焊接参数选择不当将会引起咬边。 2 2 氩气和二氧化碳混合气体氩气和二氧化碳混合气体 焊接非合金钢和低合金钢时可以应用二氧化碳含量在10-30%的富氩混合保护气体。 可用实心焊丝和充填 （空心）焊丝。一般不宜用于焊接奥氏体铬镍不锈钢。 和用纯氩气时相比较，随着氩气中二氧化碳含量的增加，熔池变深（图 1-21），气孔敏感性小，焊渣量大。只要电弧不是过长，工件表面没有氧化皮和铁锈，产生的焊渣比用纯二氧化碳气体保护焊时明显降低。 当采用二氧化碳短弧、喷射弧和脉冲弧工作时，只要焊接参数合理，焊接时的飞溅很小。现分述如下： 1）
22、短弧 用氩气和二氧化碳混合气体短弧焊时，适用于薄板连接和间隙大时搭桥。对于强制位置焊，尤其是厚壁工件下降角焊缝，应优先采用高二氧化碳含量的保护气体。从而可以减少因焊接速度不均匀和运条不当造成的连接缺陷。 2）喷射弧 在电弧功率大时，用低二氧化碳含量的这种混合保护气体焊接也可得到喷射弧。当二氧化碳含量超过 15%后，熔滴变大，伴随短路，形成部分熔滴过渡。在二氧化碳含量大于 30%以后，其熔滴过渡情况和二氧化碳气体保护焊时的很类似。防止产生气孔的可靠性增加，由于此时氩气中的二氧化碳气体较多，熔池深度增大，但也同时增加了焊渣量和飞溅。 3）脉冲弧 随着二氧化碳含量增加，脉冲弧焊较困难。只有在焊炬结构
23、上采取一定措施，让两种保护气体分开来送入电弧区时， 才能在采用高二氧化碳含量的混合气体时得到脉冲弧 （图 1-23） ， 这一点也同样对喷射弧适用。 根据电源的动态特性曲线和其它的焊接条件，在短弧和喷射弧间的工作点可能会引起剧烈的飞溅。故应避免在这中间区域施焊，应调节成脉冲弧以减少飞溅。在喷射弧区内，如焊到大间隙或工件边缘，往往会由于偏吹而出现剧烈的飞溅。 3 3 氩气和氧气的混合气体氩气和氧气的混合气体 焊接钢材时，在这种混合气体中的含氧量为 1-12%。 这种混合气体和纯氩气相比，熔池较深和烧损较大。若增加混合气体中的含氧量，可降低熔滴过渡时的表面张力，减小熔化范围。形成一种平坦而光滑的焊
24、道。适用于焊接奥氏体铬镍钢。优点在于焊缝金属不会渗碳。可通过变化含氧量和焊丝化学成分的措施控制电弧工作点以调节烧损。尽管含氧量高的这种混合气体焊接后焊缝金属的韧性有一些降低，但一般情况下仍能达到材料要求的冲击韧性。 1）喷射弧和脉冲弧 在这种氩气和氧气的混合气体中喷射弧和脉冲弧很稳定。和氩气加二氧化碳的混合气体相比，喷射弧的工作范围在较小的电弧功率时便已开始。由于电弧形状决定于氩气，也由于焊丝端部的表面张力较小，故为一种小体积和无飞溅状的熔滴过渡。飞溅少是因为较小的体积和较少热焓的缘故。工件熔池不大，熔滴分离较容易。在保护气体喷咀上只有少量飞溅，能不间断地焊较长的焊缝，不需要中途中断下来清洁保
25、护气体喷咀。 2）短弧 这种氩气和氧气的混合气体很适合用短弧焊接薄壁工件。 对于强制位置的厚壁工件应改用氩-二氧化碳混合气体或大或小纯二氧化碳气体保护焊，因为这种氩气和氧气的混合气体焊接时熔池的表面张力较小，尤其是焊下降焊缝时，会出现熔池过快前跑的危险。在上升焊或其它强制位置，当电弧功率足够大时，很难避免出现较大的焊缝拱顶。 4 4 氩气氩气- -二氧化碳二氧化碳- -氧气的三元混合气体氧气的三元混合气体 这种混合气体的组成为 3-7%氧气和 5-15%二氧化碳气体，其余为氩气。 适合于焊接非合金钢和低合金钢。只有当二氧化碳含量低于 5%时，才允许将这种混合气体用于焊接有腐蚀应力的奥氏体铬镍钢
26、。 这种三元混合气体的优点是兼有氩气-二氧化碳和氩气氧气这两种混合气体的特点。 当采用短弧焊接时，特别适合于薄板和大间隙搭桥焊。在采用有高熔敷量的喷射弧时，熔滴过渡很细，几乎看不见飞溅。 在这种三元混合气体中若减少二氧化碳含量，增加含氧量，也可勉强用于强制位置厚壁工件的焊接。 图 1-22 表示熔化极活性气体保护焊（MAG ）中三种具有代表性的活性气体组成和 V 形坡口与角焊缝对焊缝截面形状的影响。 焊接参数 焊丝 SG2 DIN8559 焊丝直径 1.2 毫米 母材：Rst37.5 试样表面经过机械加工 自动焊焊接 焊接位置：水平 焊炬调节：中性 焊丝速度：9.5 米/分 焊接速度：350
27、毫米/分 保护气体流量：171 升/分 接触管距离：181 毫米 工作电压：和保护气体相适应 伏 备注：1）在保护气体喷咀外测量 图 1-22 几种保护气体组成和坡口形状对焊缝截面形状的影响 五五 MAGMAG 焊时在电弧和保护气体区分别送入不同保护气体的方法（焊时在电弧和保护气体区分别送入不同保护气体的方法（MAGCIMAGCI） 图 1-23 表示一只带有两个气体喷咀的熔化极气体保护焊的焊炬示意图。 用处在内部的一只喷咀向保护区中心区域输送氩气或氩气-氧气混合气体。而由外喷咀向保护区喷出二氧化碳气体。中心区域采用何种保护气体主要决定于应用的电弧种类。当应用喷射弧和脉冲弧时希望最好向电弧区喷
28、出高含氩量的保护气体。这两种电弧均可调节，使飞溅减少到很小的程度。外部区域用二氧化碳气体保护不会对熔滴过渡带来不良影响。 图 1-23 分别将不同保护气体送入内、外保护区的 MAG 焊焊炬示意图（MAGCI 法） 为确保电弧区含氩气多的部位的氩气不流失，内喷咀和电弧间的距离不得过大。下列情况可能造成二氧化碳侵入电弧区，从而出现问题，即：焊丝端部和喷咀中民线偏差过大；喷咀变形或位移；飞溅粘附于喷咀上；在高度时选用了不合理的焊接参数；焊炬倾斜角太大或坡口没开好等。 这种 MAGCI 法尽管存在着保护气体消耗大，保护气体控制和焊炬结构以及必须确保与这种方法有关的焊接条件等缺点，但还是必须的，因为用它
29、来焊接非合金钢和低合金钢还是完全经济的。其主要的优点是仅用少量的氩气（15-25%），其余为二氧化碳，应用飞溅很少的喷射弧或脉冲弧。 和纯二氧化碳气体保护焊相比，熔深小和焊渣较少，但若和其它多数混合气体保护焊相比则较大。焊缝性能和其它 MAG 焊所达到的差不多。 六六 焊缝背面保护气体和焊根保护设备焊缝背面保护气体和焊根保护设备 焊缝背面和焊根受到较高的温度加热， 但从焊炬喷出的保护气体往往不能对这部分进行保护或保护得不够。 焊接时如焊缝背面暴露在空气下，即未施加保护时会产生氧化。对钢材来说，会因受热变色，出现粗糙的氧化层。对某些气体敏感性的材料（如钛、锆和钼），在热影响区会引起严重的脆化。常
30、用的焊缝背面用的焊根保护气体有氩气、氩气和氢气以及氮气和氢气的混合保护气体。 氩气的价格较贵，只有在有特殊要求时才用于作焊缝背面的保护气体。常用的焊根保护气体有两种。当焊缝背面表面质量要求较高时（例如热变色）应用氩气加（1-30%）氢气，一般非合金钢和低合金钢的焊根保护气体均采用氮气加（1-30%）氢气。由于这些保护气体含有氮气和氢气，对大多数非铁金属材料有不利的影响，故几乎只适用于钢材（铁素体铬钢也不能用）。 如果钢材焊后不允许出现热变色，必须对温度在 400K 以上的工件热影响区施行焊根气体保护。有下列常用的焊根保护设备： 最简单的， 但不完善的保护方法是在焊缝坡口背面垫一块带有槽的短板来
31、作对接焊缝的焊根保护 （图1-24） 。工件上部焊炬喷出的氩气被垫板挡住，从而使焊根也处在保护气体的保护范围内。这种方法仅对工件焊根留有间隙的焊接才适用，而垫板和工件间不得有间隙。 图 1-24 用带槽铜滑块作垫板，不能保证无热变色 图 1-25 由铜滑块下面通入焊根保护气体的夹具 图 1-26 焊接气体敏感性强材料用夹具 图 1-25 是一种较完善的焊根保护方法。铜滑块的槽内钻有许多孔，即从铜滑块下面向焊根通入焊根保护气体。 如需作大面积保护，可以焊缝背面用多孔的金属过滤板或用前面放有细孔板的钢丝网实现气体保护的均匀分布。焊接那些对气体敏感的材料（如钛材），如不能在充满氩气的小室或帐篷内焊，
32、便应用图 1-26 这种带有保护气体喷雾器的夹具。 图 1-27 表示各种管子焊根保护气体的输送设备。 可限制保护气体空间以较少的气体量收到良好的保护效果。这种设备也起夹持零件和焊根成形的作用。 图 1-27 由管端管塞通入焊根保护气体 图 1-28 大直径管用油毛毡密封内部，用胶带回转挡板密封外部 可采用专用夹具来密封管内的保护气体的空间。当焊接较长的小直径管道，因为从管道内部无法焊，可从管道两端管塞的孔中通入焊根保护气体。管塞可用木塞或橡皮塞（图 1-27）。 对于大直径管子，为进行焊根保护，可在管内用油毛毡制造的密封碗或密封圆锥插入，通入焊根保护气体时自动胀开。管外焊缝上帖一铝或玻璃纤维
33、的胶带或带槽的可回转挡板（图 1-28）。 大直径管采用这种密封方法的目的是节省焊根保护气体。但在使用时应尽量限制预热温度不宜过高，否则油毛毡易燃烧。 管子外侧用胶带或带槽牢房转挡板盖住未焊部位可防止焊根保护气体的流失和空气的侵入。 图 1-29 是大直径管适用的焊根保护专用夹具。采用了皮革或橡皮碗的弹性密封方式。 这种密封方法比图 1-28 的密封效果好，但制造专用工具费用也高一些。同样也要控制预热温度，因皮革或橡皮均不能耐高温。另一方面，如工件直径变化时，需更换相异常直径的密封环。 图 1-29 适用于大直径管的弹性密封方法 图 1-30 大直径管焊根保护用刚性密封夹具 为了解决这几个问题
34、，又发展了图 1-30 这种采用弓形结构，靠推杆和弹簧胀缩，刚性的大直径管焊根保护夹具。 图 1-30 这种夹具的优点是焊根保护气体的耗量最少。管径的微量变化对密封的影响不大。不怕采用高的预热温度和焊接热影响区的高温影响。 应正确控制焊根保护气体的流量，不宜过大，因过大时挤压熔池，导致焊根成形缺陷。但过小又起不到驱赶空气、防止空气侵入的作用。 7. 7. 对熔化极气体保护焊焊机的评价对熔化极气体保护焊焊机的评价 现在还没有具有约束力的标准和判定标准来评价和比较焊接设备。评估焊机的使用性能首先应注意技术参数，可以从焊机制造厂商提供的铭牌和焊机使用说明书中查到技术参数。其次再通过试样焊接来判定焊机
35、的操作性和焊接性能。最后再考虑焊机的经济性和制造厂商的售后服务部等因素。 表 5-3 给出了评估焊机的一些重要的项目，其中有的项目和焊机的应用范围有关。 表 5-3 熔化极气体保护焊焊机的评估项目 技术参数 焊接性能 操作性能 经济性 调节范围 负荷性能（合闸时间） 连续或分段的电压调节和级差的大小 遥控 调节脉冲电弧的可能性 焊接参数储存（编程） 从焊缝开始到结束的电流程序 可调节的附加电感（扼流圈） 点焊和缝焊定时开关 可调节的自由燃烧时间 稳压设备 冷却设备 噪音大小 引弧 电弧稳定性 电弧长度调节 （“内调节”的惰性） 飞溅情况 焊缝成型 （成型，焊波） 操纵元件 测量设备 运输可能性
36、 稳定性 和各种电网电压连接的可能性 焊接电缆和焊炬的连接 佔地面积 保护方式 购置费 可用率 功率因素 效率 空载损失 维修费用 备件情况 （供货期，费用） 第三节第三节 熔化极气体保护焊的电弧和熔滴过渡熔化极气体保护焊的电弧和熔滴过渡 1） 一一 概述概述 在焊接时电弧作为能源，将电能转换成热能。电弧过程可看成“独立的放电”，其过程如下： 电子从负极（阴极）流出，以巨大的加速度飞往正极（阳极）。电子在冲撞正极时将运动能转换成热能。产生高温，高温使有关材料熔化和部分汽化。电子在两极间飞行时碰到原子，便冲撞原子的电子壳层，又进一步释放出电子，新电子流又流向正极。原子残留物由于失掉了电子不再呈中
37、性，而显示出带正电荷，称为离子。 离子具有正电荷， 故离子加速流向负极。 离子和负极冲撞时也同样产生热能， 导致熔化和蒸发。 电子和离子在气柱的电场内的流体称为“等离子”。离子主要由金属原子产生，而保护气体中的原子是几乎不参加电离的。尽管如此，保护气体的化学成分对熔滴过渡的种类和焊缝成形仍有很大的影响。保护气体的种类会影响到导电电弧截面的大小，从而也会影响到熔滴分离力的大小和方向。导电电弧柱的截面和发光的电弧外壳不是一回事，它和保护气体的导热性有关。当为具有优良导热性的保护气体时，可形成一种截面剧烈收缩，电流密度较大和温度较高的电弧核心。 二氧化碳气体和氦气都具有很好的导热性。在这两种保护气体
38、作用下均可形成一种与氩气或富氩混合保护气体时相反的细的导电的电弧核心。电弧柱的剧烈收缩会造成电阻增加和正负极间电压降的加大。在同样的熔化能力下二氧化碳电弧的电压比富气混合气体的的电压高 3 伏左右。 尽管在二氧化碳气体保护焊时电弧核心很小，但由于这种气体导热性很好，可得到如图 5-38 所示较宽的高温环形区和较深的侧向熔池。 图 5-38 氩气和二氧化碳保护气体对电弧形状的影响 图 5-39 熔滴过程时的受力 在二氧化碳气体保护焊时部分二氧化碳气体被电弧焊接热量分解（热分解）。二氧化碳分子分解成一氧化碳和氧。同时产生一膨胀力。在低温电弧区（指电弧外层和引弧部位）一氧化碳和氧又再次结合生成二氧化
39、碳（再化合）。并同时释放出在分解时吸收的能量，增加熔池温度。部分分解出的氧和熔池材料化合，形成焊渣。这样化合的氧也产生少量二氧化碳。电弧像任何通电的导体一样会产生一个磁场，这个磁场会使其中导电的电弧焊接核心产生进一步压缩的效果。随着导体电流密度的增加（安/毫米 2），在电磁场的作用下电弧焊接核心的径向截面收缩增加，这个过程称为“收缩效应“（挤压效应）。在引弧区的电流密度特别大，在这个区域以外的电流密度则较小，收缩力也较小。 在电极（焊丝）方向产生不同的收缩力，引弧部位和电弧柱受到轴向力作用，该轴向力由高电流密度区（大径向力）向较小电流密度区（小径向力）的方向作用。这有点类似于挤牙膏时的情况，有
40、一个部位呈现圆环形状收缩，牙膏从管子内被挤出来。焊丝熔滴分离的的机理也与此相同（图 5-39）。 氩弧焊时由于氩气这种保护气体的导热性较小，形成较宽的电弧核心，电弧罩着较大范围的焊丝端部。电弧的热量熔化焊丝端部，但熔液的表面张力反作用，造成熔滴分离。如果在焊接时达到一定的临界电流强度和电压，焊丝端中电弧焊接开始部位的截面便会剧烈收缩（收缩效应），分离成许多小熔滴，并快速流向熔池。在德国标准 DIN 1910 中称这种熔滴过渡形式为喷射弧，只有在用氩气或富氩混合气体进行焊接时才会产生这种电弧。 氩弧焊的熔池特点是在工件表面熔池较宽（二氧化碳气体保护焊则与此相反），而在熔池中心部位，则形成熔深大而
41、尖呈手指状的熔池。后者是由剧烈加速的线状熔滴射流而引起的。 在二氧化碳气体保护焊时，形成一种截面收缩的电弧柱。在电弧开始部位的截面特别小，所谓电弧开始部位指位于焊丝端面的下面的部位。由于此部位的电流密度高会产生一个抵制熔滴分离的力，即产生一个反冲力。在此反冲力的作用下形成一大熔滴，该熔滴在产生剧烈侧向偏转后才分离。在熔滴分离前与熔池已往往产生了如图 5-40 所示的短路。 根据德国标准DIN 1910 规定， 二氧化碳气体保护焊的熔滴过渡形式随功率不同而异。 当功率较小时用短弧，而在功率较大时则宜用长弧。二氧化碳气体保护焊不宜用脉冲电流焊接（见脉冲电弧），因为如在脉冲相位遇到巨大的收缩力会阻碍
42、及时的熔滴分离。 1 1 焊丝的极性焊丝的极性 1）钢 焊接钢材时焊丝可以接正极或负极。如图 5-40 所示，在焊丝接正极时，只要焊接参数调节正确可以得到较平坦的焊缝凸起部位的，并且同时具有足够熔深和较小飞溅损失的焊缝，故焊接钢材时多选用正极为焊丝电极。 在焊丝接负极时，其熔化能力比接正极时提高 30%以上，而在电源方面并不多消耗电能。估计产生这种效应的原因是焊丝端部离子放电和电弧开始部位快速后跳获得高热量的缘故。焊丝接负极时具有较大熔化能力和较小熔深的特点可利用来进行堆焊和焊接壁厚0.8 毫米的薄板。此时熔滴频率明显低于焊丝接正极时的熔滴频率。焊丝接负极的缺点是焊缝凸起部分大，熔深小。当熔化
43、能力大时产生飞溅多（图 5-40）。 图 5-40 焊丝极性的影响 图 5-41 在工件边缘电弧偏移。 2）铝 熔化极氩弧焊焊接铝时焊丝接正极。旨在能在工件上（负极）使高熔点氧化皮裂开和清除，即有一种“净化效应”。而在焊丝接负极时却没有这种“净化效应“。使用氩气时的“净化效应”比使用氦气时要好一些。正确的握持焊炬可加快这种“净化效应”。 2 2 电弧偏移电弧偏移 任何带电导体周围无存在着一个磁场。这一点对电弧和。因为电弧可被看成一种运动的导体。若外加一个磁场可引起电弧偏移。此时电弧不再沿着最短距离（即由焊丝到工件）燃烧。在局部强磁场作用下，电弧向弱磁场方向偏移。当用长电弧焊接时电弧的偏移尤其明
44、显，这一点图 5-41 所示的过渡的熔滴。 防止电弧偏移的措施有： 焊接时不宜将电弧调节得过长； 在焊缝边缘焊一块辅助板； 倾斜握持焊炬。 3 3 电弧种类电弧种类 熔化极气体保护焊有以下几种最重要的熔滴过渡形式：即喷射弧，长弧，短弧和脉冲弧（表 5-4）。在德国标准 DIN1910 第 4 部分中对电弧种类的名称 作了明确的规定。 表 5-4 按 DIN 1910 第 4 部分规定办理的电弧种类 名称 缩写符号 材料过渡 短路情况 喷射弧（焊接） S 最细的熔滴 无短路 长弧（焊接） L 粗熔滴 偶尔短路 短弧（焊接） K 细熔滴 短路 脉冲弧（焊椄） P 可调节熔滴大小和熔滴频率 无短路
45、第三节第三节 熔化极气体保护焊的电弧和熔滴过渡熔化极气体保护焊的电弧和熔滴过渡 2） 一一 概述概述 二二 喷射弧（喷射弧（MAGS/MIGSMAGS/MIGS） 如 DIN 1910 第 1 部分所述，喷射弧的特点是熔滴最小，材料过渡无短路。即喷射弧焊接时焊接参数不变，用微小熔滴和自由飞行的熔滴实现材料过渡。焊丝端部在焊接时被熔化成尖形或扁平状主要决定于材料、保护气体、电流密度和焊丝伸出端电阻的加热。喷射弧的熔滴过渡情况如图 5-42 所示。 由于喷射弧焊接时熔滴很小，且熔池流动性好，不适合于全位置焊接，一般多用于水平焊缝的填充和盖面焊道的焊接。 现对喷射弧的调节说明如下： 图5-43上的工
46、作点 和图5-44上的工作点 为喷射弧在熔化极气体保护焊电弧和熔滴过渡曲线图上的位置。只有在应用了合适保护气体并具有足够高的电流强度和电压时才会形成这种飞溅少的喷射弧。 图 5-43 上的工作点 和图 5-44 上的工作点 表明此时具有足够的电压，但电流强度过小（或焊丝送进速度过小），熔滴较粗大， 因为电流密度过小。 而在图 5-43 上的工作点 ， 此时电压高出实际需要的电弧特性曲线救国很多，引弧后电弧很长并突然中断。焊丝继续送进，接触工件后又重新引弧，电弧焊接达到较大长度后又突然中断，这样反复只能呈断续地焊接。 图 5-44 一的工作点 表示的也是喷射弧的一种情况，具有足够的电压，但焊丝送
47、进速度选得过大，电弧较短。焊丝端部较尖，经常短路。 短的喷射弧（见 DIN 1910 第 4 部分长弧）适用于厚板单层水平角焊缝的焊接。可避免角焊缝垂直边上的咬边和保证熔深达到角点，若电弧过短，焊炬位置不对以及焊接速度不当，尽管电弧功率较高，仍会造成大的焊道凸起高度（如图 5-45）所示。 图 5-42 喷射弧的熔滴过渡 图 5-43 熔化极气体保护层焊的电弧和熔滴过渡（一） 在较高熔化能力区 MAG 焊，保护气体组成为 90%氩气+5%二氧化碳+5%氧气， 在熔化能力不变的情况下，电压不同时的曲线 图 5-44 熔化极气体保护焊的电弧和熔滴过渡（二） 焊丝送进速度和电流强度对喷射弧的影响 图
48、 5-45 在用喷射弧焊接水平角焊缝时电弧电压的影响 Stromst?rke：电流强度；Drahtf?rdergeschwindigkeit：焊丝输送速度 图 5-46 喷射弧焊时导电咀位置的参考值 用二氧化碳气体保护焊焊接钢材时，在一般生产中常用电流密度下依然会出现短路状的熔滴过渡。但在用富氩的混合保护气体（Ar+O2,Ar+CO2,Ar+CO2+O2）焊接时，尽管此时二氧化碳含量一般低于 20%，但在足够高的电流密度下已看不到明显的短路现象。 在较大的喷射弧功率作用下，导电咀和气体喷咀将承受很高的热负荷。为避免导电咀和焊丝送进装置出现故障，应在焊丝送进精度和电阻发热元件允许的范围内增加导电
49、咀的距离。图 5-46 介绍了喷射弧焊时导电咀端面距气体喷咀端面和工件表面距离的经验数据。当然，焊炬必须得到充分的冷却，对此也应给予足够的重视。 三三 长弧（长弧（MAGLMAGL） 图 5-47 表示长弧的熔滴过渡情况。这种长弧表示熔滴自由飞行过渡和短路过渡混在一起的状态。长弧的熔滴比喷射弧的熔滴大。 图 5-47 长弧的熔滴过渡 图 5-48 表示用二氧化碳或二氧化碳含量超过 20%的富氩混合保护气体焊接时，在整个电弧特性曲线上除短弧范围外可采用的几个工作点。Ar+O2,Ar+CO2 或 Ar+20% CO2 这几种混合保护气体适合于喷射弧焊接，长弧的特点是其工作点处在喷射弧边界值下面。图
50、 5-47 表明，由于长弧熔滴过渡时存在着部分短路现象，故会产生很大的电流强度峰值。飞溅损失一般较大。可采用以下措施来明显地减少飞溅损失： 图 5-48 二氧化碳气体保护焊用长弧焊接时的熔滴过渡（在较大熔敷量区域） 在相同熔敷量和不同电压的条件下选择工作点 图 5-49 长弧焊时导电咀位置的参考值 1 在众多减少飞溅损失的措施中，改善电源特性具有很大的意义。靠调节特性曲线倾角，通过电子控制设备和扼流圈可控制电流上升速度和短路时的电流峰值。如电源动态特性较差时，可在焊机外附加扼流圈，用滤波装置来实现对焊接参数的调节。 2 优化电弧电压减少飞溅。在较大熔敷量时若具有足够高的电压，不仅可减少飞溅，而
