如何实现高效熔化极气体保护焊？

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：图7-72 双丝熔化极气体保护焊组成示意图双丝焊专用焊枪结构紧凑，如图7-74所示。窄间隙熔化极气体保护焊机头由于接头坡口窄而深，实现高质量、高可靠性的窄间隙焊并非易事。

1.双丝MIG/MAG焊

（1）双丝焊的工作原理双丝气体保护焊是由普通单丝焊发展而来的，双丝熔化极氩弧焊机的组成见图7-72，包括一把焊枪、一个喷嘴、两个独立的导电嘴、两个送丝机和两个焊接电源。双丝焊时采用两根焊丝作为电极和填充金属，在同一焊枪喷嘴的保护气体环境下，由两个独立的相互绝缘的导电嘴送出后与工件之间形成两个电弧，并形成同一熔池。

送丝方式通常采用等速送丝，两个电弧采用脉冲电流控制，每根焊丝都能独立地调节熔滴过渡和弧长。双丝焊为了形成一个熔池，两根焊丝距离为5～7mm。按前后串联排列的两电弧，获得椭圆状的熔池。两个脉冲电流的脉冲波形可以有如下三种组合类型：①同频率，同相位；②同频率，相位差可调；③不同频率，相位任意，如图7-73所示。由于焊丝距离很近，为防止干扰和确保电弧稳定，应保证相位差为180°，这时两个电弧交替导通。

双丝焊改变了电弧的加热特点，两根焊丝交替燃弧对熔池进行搅拌作用，使得熔池的温度分布更均匀，从而有效地抑制了咬边的产生，这对高速焊来说是十分必要的。两个电弧协调稳定的工作时，形成一个熔池和一条焊缝，焊接过程及焊接质量都很稳定。

（2）双丝焊接设备双丝焊接设备由两台脉冲焊接电源组成，两个电源分为主电源和从电源，二者通过协同控制设备连接。负载持续率为100%，总电流为900A左右（每台电源均为500A）。采用两台四轮驱动机构送丝机，送丝速度达到30m/min。焊铝时推荐使用双丝推拉丝机构，送丝速度可达22m/min。

图7-72 双丝熔化极气体保护焊组成示意图

双丝焊专用焊枪结构紧凑，如图7-74所示。焊枪配有一个大功率的双循环水冷系统，使导电嘴与喷嘴同时得到冷却。由于双丝焊的焊接速度较高，焊枪也较重，不宜采用手工操作，一般都是机器人焊和自动焊，同时对焊缝跟踪和焊前准备要求很高。

图7-73 双丝焊脉冲电流的脉冲波形

图7-74 双丝焊专用焊枪

（3）双丝焊的工艺特点及应用

1）焊接速度快，生产率高。双丝焊改变了熔池热量的分布特点，并保持较短的电弧，有利于实现高速焊。同时，焊丝的熔敷速度也有很大的提高。无论是MIG焊铝，还是MAG焊钢，双丝焊均比单丝的焊接速度快得多，约快1～2倍。

2）焊接热输入低。虽然双丝焊总的电弧功率较高，但是由于焊接速度提高更快，总的热输入还是很低，所以减小了焊接变形，提高了焊接接头的性能。

3）抑制焊接缺陷的产生。由于双丝焊的特点，使得在高速焊时不产生咬边缺陷。双丝焊时两根焊丝均为射滴过渡形式，所以几乎没有飞溅，焊接过程十分稳定和焊缝成形好，熔滴温度较低，合金元素烧损少。

双丝焊主要应用在汽车及零部件制造业、造船、机车车辆、工程机械、压力容器和发电设备等，适用于搭接焊缝、平角焊缝、船形焊缝和对接焊缝等各种接头形式，可对碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金等各种金属材料进行焊接。

2.CMT（冷金属过渡）焊

（1）冷金属过渡焊工作原理冷金属过渡（Cold Metal Transfer）焊简称CMT焊，是奥地利的FRONIUS公司推出的新型短路过渡形式的熔化极气体保护焊。CMT焊接方法由于具有更快的焊接速度、更好的搭桥能力、更小的变形、更均匀一致的焊缝成形、没有飞溅等优点，拓展了普通MIG/MAG焊所不能涉及的领域，焊接热输入量大幅降低，可实现薄板或超薄板（0.3～3mm）的无飞溅、高质量MIG/MAG熔焊和MIG钎焊；装配间隙要求降低，1mm板的搭接接头间隙允许达到1.5mm；焊接速度可达4m/min以上。

CMT冷金属过渡技术是在短路过渡基础上开发的，与传统短路过渡一样，有短路—燃弧—短路—燃弧的周期循环过程，不同的是CMT工艺在短路时通过焊丝回抽来脱落熔滴，而不是增大短路电流形成缩颈脱落熔滴。普通的短路过渡过程是：焊丝熔化形成熔滴—熔滴同熔池短路—短路桥爆断，短路时伴有大的电流和飞溅。而CMT过渡方式正好相反，在熔滴短路时，数字化焊接电源输出电流几乎为零，同时焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，从根本上消除了产生飞溅的因素。整个焊接过程实现“热—冷—热”交替转换，焊接热输入量大幅降低。

（2）冷金属过渡焊的特点CMT工艺使用数字化弧焊电源设备，检测到焊丝与熔池短路信号后，将输出电流和电压降到几乎为零，不产生短路大电流，从而减少热输入量；同时，焊丝回抽帮助熔滴过渡到熔池。CMT工艺焊接电流电压波形如图7-75所示，短路时电压接近于零，而电流也同时下降至极小。图7-76是CMT焊接过程及一个工艺周期的高速摄像。

图7-75 CMT工艺焊接电流电压波形

图7-76 CMT焊接工艺过程及高速摄像

CMT焊同普通MIG/MAG焊不同，熔滴过渡过程由送丝运动变化来控制，焊丝的“前送—回抽”频率可高达70次/s。整个焊接系统包括焊丝的运动均为闭环控制，而普通的MIG/MAG焊送丝系统都是独立的，并没有实现闭环控制。CMT采用闭环控制监测电弧长度，在焊丝伸出长度或焊接速度改变的情况下，电弧长度也能保持一致。保证了CMT电弧的稳定性，即使在焊接速度极快的前提下，也不会出现断弧的情况。CMT焊焊丝伸出长度改变时，仅仅改变送丝速度，不会导致焊接电流的变化，从而实现一致的熔深，加上弧长高度的稳定性，就能达到非常均匀一致的焊缝外观成形。

3.窄间隙熔化极气体保护焊

窄间隙熔化极气体保护焊是一种高效率的焊接技术，用于焊接大厚板对接焊缝。接头形式为对接接头，开I形坡口或小角度V形坡口，间隙为6～15mm，可焊厚度为30～300mm，采用单道多层或双道多层焊。目前一般采用焊丝直径为0.8～1.6mm的细丝窄间隙焊，保护气体多用混合气体（Ar80%+CO₂20%，质量分数）。

（1）窄间隙熔化极气体保护焊机头由于接头坡口窄而深，实现高质量、高可靠性的窄间隙焊并非易事。若用传统技术进行焊接，因为普通焊枪的导电嘴不能伸到坡口中，当进行厚壁零件多层焊时，随着焊缝层数的增加，焊丝外伸长度必然发生变化，这将导致焊接规范发生变化而影响焊接过程的稳定性，也使引弧发生困难。另外，要向坡口底部输送保护气体有困难，为了提高保护效果，必须采用特殊的送气装置，否则保护效果差，易产生缺陷。

为了解决这个问题，要求采用专用焊枪，保证焊丝和保护气体能送到焊接电弧处。焊枪的导电嘴可伸到坡口中，且要求绝缘和水冷。随着焊缝层数的增加，焊枪可通过丝杠传动机构提升，以保证多层焊每道焊缝的焊丝伸出长度不变。另外，保护气体的恰当喷入，可提高电弧的稳定性，改善接头的力学性能和保持焊缝合理成形。图7-77给出了一种窄间隙GMAW焊枪的结构。

（2）窄间隙熔化极气体保护焊中的侧壁熔合问题窄间隙焊最大的问题是容易出现侧壁熔合不良，造成焊接缺陷，且返修困难。在窄间隙焊接条件下，电弧轴线基本与坡口侧壁平行，能量密度最高的电弧中心很难熔化到坡口侧壁，连能量密度很低的电弧周边也难以作用到，这就导致了侧壁均匀熔合可靠性差，特别在低热输入焊接时尤为突出。为了保证每一道焊层与坡口两侧均匀熔合，应采取一定的措施。常用以下几种控制方法，如图7-78所示。

图7-77 窄间隙GMAW焊枪结构

1—导丝管 2—冷却水管 3—保护气管 4—绝缘支架 5—内保护罩 6—冷却块 7—导电杆 8—导电嘴 9—过滤网板

图7-78 典型的窄间隙GMAW控制方法

a）摆动焊枪 b）导电嘴倾斜 c）波浪焊丝 d）偏心旋转电弧 e）双绞焊丝 f）双丝焊

1）摆动焊枪的方法：图7-78a和b所示为摆动焊枪的方法，在图7-78a中通过电动机驱动，使导电嘴在坡口内对称摆动，带动焊丝和焊接电弧指向坡口两侧的尖角处。在图7-78b中导电嘴位置居于焊缝中心，但端部弯曲，与焊枪轴线之间呈3°～15°的角度，电动机带动导电嘴在一定范围内旋转，就可以实现沿着焊缝横截面的摆动倾斜。焊枪摆动频率、速度和停留时间可以设定。但是由于导电嘴到坡口面的距离太小，所以这项技术有时不易可靠地实现和应用。

2）摆动焊丝的方法：如图7-78c所示，焊丝通过摇摆装置、送丝轮和坡口中的导电嘴进入到待焊处，摇摆器带动焊丝左右摇摆和通过旋转的送丝轮，使细焊丝弯曲成波浪状，并送进导电嘴中。导电嘴具有一定的矫直作用，可是通过导电嘴后，焊丝又恢复了波浪形。该波浪形焊丝的端头从窄间隙坡口的一侧不断地摆动到另一侧，使得电弧摆动，而导电嘴却始终保持在坡口的中心。此外，还有靠成形齿轮啮合，使焊丝折曲的送丝方式。这项技术在很窄的坡口中也能摆动电弧，但若焊丝不规则波动容易引起焊接缺陷。

3）旋转电弧（焊枪或焊丝）的方法：图7-78d是旋转焊枪的方法，采用了具有偏心孔的导电嘴，在电动机和齿轮副的驱动下连续旋转，焊丝端部将以偏心量为半径旋转，改善电弧对周边的熔合作用。此外，还有导电杆锥形旋转的方式，可以解决传动稳定性和导电嘴磨损问题。旋转焊丝的方法则是在波浪形焊丝的基础上，让焊丝旋转送进实现螺旋状弯曲，从而使电弧产生旋转。

4）双绞焊丝的方法：图7-78e中导电嘴也保持在坡口中心，可是其中的焊丝却是将两根焊丝预先绞合在一起成为麻花状。当把它送进坡口间隙中后，在两根焊丝端头产生电弧，该电弧连续绕导电嘴中心旋转。并指向坡口两侧，产生足够的熔深。但这种方式需要特制焊丝，且对导电嘴磨损较严重。

5）双丝焊的方法：如图7-78f所示，可控方向的两根焊丝和两个导电嘴可以按纵向前后排列，电弧分别指向各自的坡口侧面，并焊出一系列搭接角焊缝。通过预弯焊丝的方式稳定性不好，可采用弯曲导电嘴或斜孔导电嘴使两焊丝从导电嘴出来时各指向坡口一侧。通常其焊丝间距为50～100mm，为非共熔池状态。也可以采用共熔池的双丝焊，双丝间距在5～10mm之间时焊缝成形良好。一般双丝都有独立的送丝系统、控制系统和焊接电源。

此外，还可以采用多元混合气体保护下的旋转射流过渡方法，在大电流条件下达到使电弧旋转的目的。这种方法的焊接规范区较窄，热输入较大。

（3）窄间隙熔化极气体保护焊的特点及应用窄间隙焊的焊接电源一般仍采用直流反极性，也可以用脉冲电流焊接。采用细丝窄间隙焊，由于热输入低，熔池体积小，残余应力和焊件变形都小，且可以全位置焊接。在全位置焊接时，必须提高焊接速度，为的是降低热输入和形成小的焊接熔池。大电流焊接时，焊接电源若用反极性，熔滴呈喷射过渡，指状熔深明显，焊缝成形系数小，容易产生裂纹。此时可采用直流正极性，熔滴细颗粒平稳过渡，飞溅小，焊缝成形系数大，裂纹倾向性小。但是不适用于空间位置焊接，一般仅限于平焊。

窄间隙焊是厚板多道焊，后道焊缝对前道焊缝有回火作用，而前道焊缝对后道焊缝又有预热作用，所以焊缝金属的晶粒细小均匀，焊缝的力学性能好。窄间隙熔化极气体保护焊的特点是：

1）因接头不需开坡口或只需开很小的坡口，减少了填充金属量，焊后又不用清渣，故节省焊接时间和材料，提高焊接生产率。

2）焊缝热输入相应较低，热影响区小，焊接应力和焊件变形都小，裂纹倾向小，焊缝力学性能高。

3）熔池和电弧观察比较困难，要求能方便地进行焊枪位置的对中和调整。

4）主要缺点是比较容易产生未焊透和夹渣，而且难以返修。

窄间隙熔化极气体保护焊可以焊接黑色金属和有色金属，目前主要用于焊接低碳钢、低合金高强度钢、高合金钢和铝合金等。主要用于锅炉、压力容器、动力机械和建筑钢结构等。

如何实现高效熔化极气体保护焊？

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