熔化极气体保护电弧焊设备的构成和操作方式

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：熔化极气体保护电弧焊设备包括焊接电源、送丝机构、焊枪、焊枪水冷系统、保护气体供气系统等几部分，并用控制系统来供给和停止保护气体和冷却水、控制焊接电源的启动和停止以及按要求控制送丝速度。根据操作方式的不同，熔化极气体保护电弧焊设备可分为自动焊和半自动焊两类。图7-79是半自动熔化极气体保护电弧焊设备构成图；图7-80是自动化熔化极气体保护电弧焊设备构成图。

熔化极气体保护电弧焊设备包括焊接电源、送丝机构、焊枪、焊枪水冷系统、保护气体供气系统等几部分，并用控制系统来供给和停止保护气体和冷却水、控制焊接电源的启动和停止以及按要求控制送丝速度。根据操作方式的不同，熔化极气体保护电弧焊设备可分为自动焊和半自动焊两类。半自动焊设备不包括行走小车，焊枪的移动由人工操作进行；自动焊设备的焊枪安置在行走小车上，自动行走进行焊接。图7-79是半自动熔化极气体保护电弧焊设备构成图；图7-80是自动化熔化极气体保护电弧焊设备构成图。

图7-79 半自动熔化极气体保护电弧焊设备构成

图7-80 自动化熔化极气体保护电弧焊设备构成

1.焊接电源

熔化极气体保护电弧焊通常采用直流焊接电源，这种电源可分为变压器抽头式硅弧焊整流器、晶闸管弧焊整流器和弧焊逆变器。焊接电源的额定功率取决于所需要的电流范围。GMAW法所需求的电流通常在50～500A之间，特种应用要求1500A。电源的负载持续率通常为60%～100%，对于便携式焊机可为30%。空载电压为55～85V。

熔化极气体保护电弧焊一般采用直流反接。直流反接时，使用各种焊接电流值都能获得比较稳定的电弧，熔滴过渡平稳、飞溅小、焊缝成形好。直流正接时焊丝的熔化速度比采用直流反接时要高，但电弧变得很不稳定，所以很少采用。当采用直流正接时，应采用潜弧或短路过渡，所获得的熔深比采用直流反接时要浅。

熔化极气体保护电弧焊通常不使用交流电源，有两个原因：①在每半个周期中，随着焊接电流减少到零，电弧熄灭，如果阴极充分地冷却，则电弧复燃困难；②交流电弧的整流作用会促使电弧不稳定。但是，近年来依靠双逆变电源的变极性AC-MIG焊，能够很好地实现对电弧能量和熔滴过渡的控制，焊接效果很好。

根据熔化极气体保护电弧焊弧长稳定调节原理要求：①等速送丝方式焊机配平外特性（电压变化率小于7V/100A）电源；②变速送丝方式（电弧电压反馈）焊机配陡降或垂直陡降外特性电源；③亚射流电弧焊接铝及铝合金时，等速送丝方式焊机配陡降或垂直陡降外特性电源。此外，熔化极气体保护电弧焊配的焊接电源趋向于选择数字化逆变式弧焊电源，以适应熔化极气体保护电弧焊工艺更精细、更快速响应的要求。

2.送丝机构

送丝机构包括电动机、减速器、校直轮和送丝轮及焊丝盘等。为了保证送丝速度稳定和调节方便，送丝电动机一般采用直流型。细焊丝采用等速送丝方式，运行中应保持送丝速度不变，所以送丝电动机采用他励式或永久磁铁型。对于粗焊丝采用恒流型电源和变速送丝，这类送丝电动机除可用上述电动机外，还可以采用串励式电动机。欧美主要用伺服直流电动机，而日本使用印刷电动机。等速送丝机的送丝速度范围为2～16m/min，而变速送丝机的送丝速度为0.2～5m/min。

送丝机电动机调速控制电路传统上大多采用晶闸管整流电源，改变晶闸管的导通角就可以改变输出电压，从而改变电动机电枢电压达到调节电动机转速的目的。但晶闸管整流调速系统在低电压时纹波较大，电动机转速不稳定，因此送丝不稳定。目前PWM调速系统的应用越来越广泛，采用功率开关器件对加在直流电动机的电压进行脉冲控制，改变脉宽或占空比可控制电动机的平均电压以调速。由于电动机为感性负载，采用PWM控制，电动机电枢电流可以保证连续。为保证送丝速度的均匀和稳定，往往采用电枢电压反馈。

根据送丝方式不同，送丝系统可分为3种类型，如图7-81所示。

图7-81 送丝方式示意图

a）推丝式 b）、c）拉丝式 d）推拉丝式

1）推丝式。推丝式是半自动熔化极气体保护焊应用最广泛的送丝方式之一。这种送丝方式的焊枪结构简单、轻便、操作和维修都比较方便。但焊丝送进的阻力较大，随着软管的加长使送丝稳定性变差，特别是对于较细、较软材料的焊丝。一般送丝软管长3～5m。

2）拉丝式。拉丝式适用于细丝半自动焊，一种是将焊丝盘与焊枪分开，两者通过送丝软管连接。另一种是将焊丝盘直接安装在焊枪上。此外，还有一种是不但焊丝盘与焊枪分开，而且送丝电动机也与焊枪分开，可用于自动熔化极气体保护电弧焊。

3）推拉丝式。这种送丝方式的送丝软管最长可以加长到15m左右，扩大了半自动焊操作距离，送进焊丝时既靠后面送丝机的推力，又靠前面送丝机的拉力。但是拉丝速度应稍快于推丝，做到以拉丝为主。这样始终能保持焊丝在软管中处于拉直状态。

送丝电动机与驱动轮相连接，该驱动轮一方面从焊丝盘拉出焊丝，另一方面通过软管和焊枪把焊丝推出。目前主要使用对滚轮送丝机，可用二轮或四轮驱动装置，见图7-82和图7-83。其中二轮送丝装置中轮间的压紧力可以调节，该力的大小取决于焊丝直径和焊丝种类（如实芯和药芯焊丝，硬焊丝或软焊丝）。四轮送丝装置中，有两对滚轮压紧焊丝，这就保证了在送丝力相同时，减小滚轮对焊丝的压紧力，适合用于送进较软的焊丝，如铝焊丝和药芯焊丝。在送丝轮前后设有输入和输出导向管，其作用是使焊丝准确地对准送丝轮沟槽并尽量缩短导向管到送丝轮之间的距离，以便支承焊丝并防止焊丝失稳而弯折。

通常用于实芯焊丝的送丝滚轮形式示于图7-84，这里沟槽轮与平的支承轮相配合。V形沟槽常用于实芯硬焊丝，如碳钢、不锈钢；U形沟槽适用于软焊丝，如铝。滚花送丝轮与滚花支承轮相配合如图7-85所示，常用于药芯焊丝。滚花的作用是可以把最大的驱动力转移到焊丝上，但驱动轮对焊丝的压力却减小。

图7-82 对滚轮送丝机构

图7-83 四滚轮送丝机构

图7-84 送丝轮的沟槽形状

图7-85 滚花送丝轮适用于药芯焊丝

3.焊枪及软管

焊枪的功用有以下几方面：向焊接区输送出保护气，通过送丝装置向焊接区送进焊丝，通过导电嘴将电流通入焊丝使之与母材产生电弧。焊枪的基本组成如下：导电嘴、气体保护喷嘴、焊接软管和导丝管、气管、水管、焊接电缆和控制开关等。

在焊接时，由于焊接电流通过导电嘴产生电阻热和电弧的辐射热作用，将使焊枪发热，所以常常需要冷却。气冷焊枪在CO₂焊时，由于CO₂气体具有冷却作用，可使用高达600A的电流。但在使用氩气或氦气保护焊时通常只限于200A电流，超过上述电流时应该采用水冷焊枪。自动焊焊枪的基本构造与半自动焊焊枪相同，但其载容量较大，工作时间较长，一般都采用水冷。

GMAW用焊枪可用来进行手工操作（半自动焊）和自动焊（安装在机械装置上）。半自动焊枪通常有两种形式：鹅颈式和手枪式。鹅颈式焊枪应用最广泛，它适合于细焊丝，使用灵活方便，可达性好。典型鹅颈式焊枪示于图7-86a。而手枪式焊枪适用于较粗的焊丝，它常常采用水冷，如图7-86b所示。但除了上述两种推丝焊枪外，还有两种拉丝焊枪。其中一种在焊枪上装有小型送丝机构，通过焊丝软管与焊丝盘相连。还有一种焊枪上不仅装有小型送丝机构，而且还装有小型焊丝盘。这种焊枪主要用于细焊丝和软焊丝，但是由于枪体较重，不便使用。

导电嘴是由铜或铜合金制成，导电嘴的孔径和长度关系到送丝与导电的稳定性。如果焊丝直径与导电嘴结构尺寸匹配得当，则导电嘴能对焊丝起一定的矫直和定向作用；反之，孔道长度和孔径过大或过小，都会引起送丝或接触导电不稳定。孔道长度长而孔径小的导电嘴，送丝阻力大；孔道长度短而孔径大的导电嘴，对焊丝的矫直和定向作用差，容易引起焊丝与导电嘴接触不良，还可能引起打弧现象，致使二者黏结，增加送丝阻力，使送丝速度不稳定。

导电嘴孔径应比焊丝直径大0.13～0.25mm，长度约20～30mm。导电嘴定位于喷嘴中心。对于短路过渡，导电嘴常常伸到喷嘴之外；而对于喷射过渡，导电嘴应缩到喷嘴内，最多可以缩进3mm。

喷嘴应使保护气体平稳地流出，并覆盖在焊接区，其目的是防止焊丝端头、电弧空间和熔池金属受到空气污染。喷嘴有陶瓷喷嘴和金属喷嘴两种，根据应用情况可选择不同尺寸的喷嘴，一般直径为10～22mm。较大的焊接电流产生较大的熔池，则用大喷嘴。而小电流和短路过渡焊接时用小喷嘴。对于电弧点焊，焊枪喷嘴端头应开出沟槽，以便气体流出。

焊接软管和送丝导管应安装在接近送丝轮处。送丝软管支撑、保护和引导焊丝从送丝轮到焊枪。送丝导管可作为焊接软管的一个组成部分，也可以分开。无论哪种情况，送丝导管材料和内径都十分重要。钢和铜等硬焊丝推荐用弹簧钢管。铝和镁等软焊丝推荐用尼龙管。送丝导管必须定期维护，以保证它们的清洁和完好，注意不能将软管盘卷和过度弯曲。

此外，保护气、冷却水和焊接电缆、控制线也应接到焊枪上。

图7-86 半自动焊枪结构示意图

a）鹅颈式（气冷） b）手枪式（水冷）

4.供气系统与冷却水系统

供气系统通常与钨极氩弧焊类似，需要安装减压器、流量计和气阀。对于CO₂气体保护焊通常还需要安装预热器。如果气体纯度不够，还需要串接高压干燥器和低压干燥器，以吸收气体中的水分，防止焊缝中生成气孔。对于熔化极活性气体保护电弧焊还需要安装气体混合装置。如图7-87所示。

水冷式焊枪的冷却水系统由水箱、水泵、冷却水管和水压开关组成。水箱里的冷却水经水泵流经冷却水管和水压开关后流入焊枪，然后经冷却水管再回流入水箱形成冷却水循环。水压开关的作用是保证当冷却水未流经焊枪时，焊接系统不能启动焊接，以保护焊枪，避免过热而烧坏。

图7-87 熔化极气体保护焊供气系统

5.控制系统

控制系统由基本控制系统和程序控制系统组成。基本控制系统主要包括：焊接电源输出调节系统、送丝速度调节系统、小车（或工作台）行走速度调节系统和气体流量调节系统。它们的作用是在焊前或焊接过程中调节焊接电流、电压、送丝速度和气体流量的大小。焊接设备的程序控制系统的主要作用是：

1）控制焊接设备的启动和停止。

2）控制电磁气阀动作，实现提前送气和滞后停气，使焊接区受到良好的保护。

3）控制水压开关动作，保证焊枪受到良好的冷却。

4）控制引弧和熄弧。GMAW的引弧方式一般有三种：爆断引弧（焊丝接触工件并通以电流使焊丝与工件接触处熔化，焊丝爆断后引燃电弧），慢送丝引弧（焊丝缓慢送向工件，与工件接触引燃后，再提高送丝速度达到正常值）和回抽引弧（焊丝接触工件，通电后回抽焊丝引燃电弧）。熄弧方式有两种：电流衰减（送丝速度也相应衰减，填满弧坑，防止焊丝与工件粘连）和焊丝反烧（先停止送丝，在经过一定时间后切断焊接电源）。

5）控制送丝和小车（或工作台）移动。

程序控制系统将焊接电源、送丝系统、焊枪和行走系统、供气和冷却水系统有机地组合在一起，构成一个完整的，自动控制的焊接设备系统。

熔化极气体保护电弧焊设备的构成和操作方式

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