1、富氩气体保护焊富氩气体保护焊知识初探摘 要焊接是指工件（同种或异种材质），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。金属的焊接，按其工艺过程的特点分有熔焊、压焊和钎焊三大类。本文通过对富氩气体保护焊的焊接性能、焊接工艺及其焊接应用实例的分析掌握其特点，并将其与CO2气体保护焊进行比较分析，富氩气体保护焊工艺性能优于CO2气体保护焊，与CO2气体保护焊相比，富氩气体保护焊焊缝成形好，飞溅大大减少，焊缝金属的综合性能优于CO2气体保护焊，焊接成本接近。采用富氩气体保护焊可降低焊缝的返修率，节约能源和焊接材料，提高焊接质量，减轻了工人的劳动强度
2、，改善了操作环境，具有较好的综合效益，值得推广应用。从20世纪末国家逐渐在各个行业推广自动焊的基础焊接方式气体保护焊，来取代传统的手工电弧焊，应用尤为广泛的富氩气体保护焊. 引 言焊接制造是一门理论和实践性较强的综合性技术。富氩气体保护焊可适用于大部分主要金属，包括碳钢、合金钢。富氩气体保护焊可采用短路过渡、喷射过渡和脉冲喷射过渡进行焊接，能获得稳定的焊接工艺性能和良好的焊接接头，可用于各种位置（平焊、立焊、横焊和仰焊以及全位置焊）的焊接，尤其适用于碳钢、合金钢和不锈钢等黑色金属材料的焊接。进入21世纪，随着科学技术突飞猛进的发展，焊接结构得到了越来越广泛的使用，焊接方法也向着多元化的方向发展
3、，这就对焊接效率提出了更高的要求。传统富氩气体保护焊焊接工艺最高送丝速度小于18 m/min，最高焊接速度低于18m/min，所以为了提高生产效率，进一步提高焊接速度成为近年来焊接领域研究的热点之一。近年来，我国科技工作者正逐步加大对高速富氩气体保护焊技术的研究并取得了一些重要的成果，但客观的说在高速、高效气体保护焊接工艺与国外先进国家相比仍存在较大差距。因此推动高效、高速富氩气体保护焊方法的研究和应用具有重要的意义。 焊接生产率的提高主要有两个途径：一是薄板焊接时焊接速度的提高；二是中、厚板焊接时熔敷率的提高。为提高焊接速度，基本的出发点是速度提高的同时增大焊接电流，以维持焊接热输人大致不变
4、。但焊接电流的提高会造成电弧压力的显著增加。过大的电弧压力导致熔池液面的剧烈变形，使作用于熔滴和熔池的电弧力急剧增加破坏焊接过程的稳定性并使母材热输入高而导致焊缝组织变差、焊接变形变大，造成很多焊接缺陷，咬边和驼峰焊道是最常见高速焊接焊缝成形缺陷。因此为了获得稳定的高速富氩气体保护焊过程 ，必须从控制熔滴过渡、 稳定熔池流态、合理分配焊接热输入等方面采取有效措施。目前，在此基础上发展了多种高速熔化极气体保护电弧焊焊接方法，很多已开始应用于实际生产中。 第一章 焊接的分类及特点焊接的分类 焊接的定义：焊接是指被焊（同种或异种的材质），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达
5、到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。 焊接的种类特性：金属的焊接，按其工艺过程的特点分有熔焊、压焊和钎焊三大类. 熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。富氩气体保护焊就是熔焊的一种。熔焊时，热源将待焊工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。 在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。 为了提高焊接质量，人们研究出了各种保护方法。例如，气体保护电弧焊就是用氩、
6、二氧化碳等气体隔绝大气，以保护焊接时的电弧和熔池率；又如钢材焊接时，在焊条药皮中加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧，就可以保护焊条中有益元素锰、硅等免于氧化而进入熔池，冷却后获得优质焊缝。 压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。 钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。 焊接的特点（1）焊接是通过加热或加压
7、，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。所以是一种把分离的金属件连接成为不可拆卸的一个整体的加工方法。在被广泛应用以前，不同拆卸连接的主要方法是铆接。与铆接相比，焊接具有节省金属、生产率高、致密性好、操作条件好、易于实现机械化和自动化。所以现在焊接已基本取代连接铆接。（2）焊接的另一个特点是可以化大为小、以小拼大。在制造大型机件与结构件或复杂的机器零件时，可以化大为小、化复杂为简单的方法准备坏料，用铸-焊、锻-焊联合工艺，用小型铸、锻设备生产大或复杂零件。例如我国生产的大型水压机立柱或发电机主轴等。（3）焊接可以制造双金属结构。用焊接方法可制不同材料的复杂层容器
8、，对焊不同材料的零件或工具（如较粗的钻头，就是用45号作钻柄，高速钢作钻头的切削部分）等。所以，焊接是进行金属构件、机器零件等的重要加工方法，如桥梁、建筑构件、船体、锅炉、车箱、容器等。此外，焊接还是修补铸、锻件的缺陷和磨损零件的重要方法。国外专家认为：“到2020年焊接仍将是制造业的重要加工工艺。它是一种精确、可靠、低成本，并且是采用高科技连接材料的方法。目前还没有其他方法能够比焊接更为广泛地应用于金属的连接，并对所焊的产品增加更大的附加值。随着数字化技术日益成熟，数字焊机、数字化控制技术业已稳步进入市场。三峡工程、西气东输工程、航天工程、船舶工程等国家大型基础工程，有效地促进了先进焊接特别
9、是焊接自动化技术的发展与进步。汽车及零部件的制造对焊接的自动化程度要求日新月异。我国焊接产业逐步走向“高效、自动化、智能化”。目前我国的焊接自动化率还不足30%，同发达工业国家的80%差距甚远。从20世纪末国家逐渐在各个行业推广自动焊的基础焊接方式气体保护焊，来取代传统的手工电弧焊，应用尤为广泛的富氩气体保护焊，现已初见成效。可以预计在未来的10年，国内自动化焊接技术将以前所未有的速度发展。第二章 富氩气体保护焊和CO2气体保护焊的性能特点比较分析 富氩气体保护焊 富氩气体保护焊的定义使用焊丝作为熔化电极，采用氩气或富氩混合气体作为保护气体的电弧焊接方法叫富氩气体保护焊。 富氩气体保护焊的特点
10、富氩气体保护焊可适用于大部分主要金属，包括碳钢、合金钢。富氩气体保护焊具有下列特点：1 焊接成本低，其综合成本大概是手工电弧焊的1/2。2 生产效率高 可以使用较大的电流密度（200A/mm2左右），比手工电弧焊（1020A/mm2左右）高得多，因此熔深比手弧焊高倍，对10mm以下的钢板可以不开坡口，对于厚板可以减少坡口加大钝边进行焊接，同时具有焊丝熔化快，不用清理熔渣等特点，效率可比手弧焊提高4倍。3 焊后变形小 因气体保护焊的电弧热量集中，加热面积小，Ar+CO2气流有冷却作用，因此焊件焊后变形小，特别是薄板的焊接更为突出。4 抗锈能力强 气体保护和埋弧焊相比，具有较高的抗锈能力，所以焊前
11、对焊件表面的清洁工作要求不高，可以节省生产中大量的辅助时间。 富氩焊接可以克服由于纯CO2气体保护焊的缺点，因CO2气体本身具有较强的氧化性，因此在焊接过程中会引起合金元素烧损，产生气孔和引起较强的飞溅，而在富氩气氛中飞溅问题得到有效控制，可以节省清渣费用减少清渣剂的使用并且可以节约一部分电耗。富氩气体保护焊可采用短路过渡、喷射过渡和脉冲喷射过渡进行焊接，能获得稳定的焊接工艺性能和良好的焊接接头，可用于各种位置（平焊、立焊、横焊和仰焊以及全位置焊）的焊接，尤其适用于碳钢、合金钢和不锈钢等黑色金属材料的焊接。 富氩气体保护焊的常用活性混合气体及其适用范围 Ar+O2这种混合气体具有一定的氧化性，
12、一方面能降低液体金属的表面张力，具有熔滴细匀、电弧稳定、焊缝成形规则等特点；另一方面由于保护气体具有氧化性，可以在熔池表面不断地生成氧化膜，生成的氧化物可以降低电子逸出功，故能稳定阴极斑点，克服阴极斑点飘忽不定的缺点，增加电弧的稳定性，同时也有利于增加液体金属的流动性，细化熔滴，改善焊缝成形。但是焊接不锈钢时，氧的加入量不能太高，一般控制在1%5%（体积分数）范围内，否则合金元素氧化烧损多，引起夹渣和飞溅的问题。焊接低碳钢和低合金钢时，在Ar中O2的加入量可达20%（体积分数）。 Ar+CO2在Ar中加入CO2的体积分数15时，其作用与Ar中加入25（体积分数）的O2相似。若加入CO2的体积分
13、数25,其工艺特征就接近纯CO2气体保护焊。但飞溅相对较少，可以改善呈蘑菇状的焊缝截面形状，以减少气孔的生成。这种混合气体有电弧稳定、飞溅小、容易获得轴向射流过渡等优点，又因其具具有氧化性，能稳定电弧，有较好的熔深和焊缝成形，焊接质量好，可用于射流过渡，短路过渡及脉冲过渡形式的熔化极气体保护焊。目前，广泛应用于焊接低碳钢及合金钢，也可焊接不锈钢。在Ar中加入CO2会提高临界电流，其熔滴过渡特性随着CO2量的增加而恶化，飞溅也增大。通常CO2加入量在530（体积分数）范围内。 Ar+ CO2 + O2 在Ar中加入适量的CO2和O2焊接低碳钢、低合金钢，比采用上述两种混合气体作气体保护焊接的焊缝
14、成形、接头质量、金属熔滴过渡和电弧稳定性好。在熔化极及钨极气体保护焊中，常见的焊接用保护气体及其使用范围见表21。表21 焊接用保护气体及其使用范围被焊材料保护气体（体积分数）工件厚度/mm特点铝及铝合金100%Ar025较好的熔滴过渡，电弧稳定，飞溅小35%Ar+65%He2575热输入比纯氩大，改善Al-Mg合金的熔化特性，减少气孔25%Ar+75%He76热输入高，减价熔深，减少气孔，适用于焊接厚铝板镁100%Ar良好的清理作用钛100%Ar良好的电弧稳定性，焊缝污染小，在焊接区域的背面要求惰性气体保护以防空气危害铜及铜合金100%Ar能产生稳定的射流过渡，良好的润湿性Ar+50%70%
15、He热输入比纯氩大，可以减少预热温度镍及镍合金100%Ar能产生稳定的射流过渡、脉冲射滴过渡及短路过渡Ar+15%20%He热输入高于纯氩不锈钢99%Ar+1% O2改善电弧稳定性，用于射流过渡及脉冲射滴过渡，能较好控制熔池，焊缝形状良好，焊较厚的材料时产生的咬边较小98%Ar+2% O2较好的电弧稳定性，可用于射流过渡及脉冲射滴过渡，焊缝形状良好，焊接较薄工件比加1%（体积分数）O2 的混合气体有更高的速度低合金高强度钢98%Ar+2% O2最小的咬边和良好的韧性，可用于射流过渡及脉冲射滴过渡低碳钢Ar+3%5% O2改善电弧稳定性，用于射流过渡及脉冲射滴过渡，能较好控制熔池，焊缝形状良好，
16、咬边较小，比纯氩的焊速更高Ar+10%20% O2电弧稳定，克用于射流过渡及脉冲射滴过渡，焊缝成形好，飞溅较小，可高速焊接80%Ar+15% CO2+5% O2电弧稳定，可用于射流过渡及脉冲射滴过渡，焊缝成形好，熔深较大65%Ar+%He+8% CO2 +% O2电弧稳定，尤其在大电流时可得到稳定的喷射过渡，能实现大电流下的高熔敷率，焊丝的最高送丝速度可达50m/min，焊缝冲击韧性度好 CO2气体保护焊 CO2气体保护焊的定义使用焊丝作为熔化电极，采用CO2气体作为保护气体的电弧焊接方法叫CO2气体保护焊。 CO2气体保护焊的特点 CO2气体保护焊穿透能力强，焊接电流密度大（100300A/
17、m2），变形小，生产效率比焊条电弧焊高13倍。 CO2气体便宜，焊前对工件的清理可以从简，其焊接成本只有焊条电弧焊的40%50%。 焊缝抗锈能力强，含氢量低，冷裂纹倾向小。 焊接过程中金属飞溅较多，特别是当工艺参数调节不匹配时，尤为严重。5 不能焊接易氧化的金属材料，抗风能力差，野外作业时或漏天作业时，需要有防风措施。6 焊接弧光强，注意弧光辐射。7 CO2气体是一种氧化性气体，在高温下分解，具有强烈的氧化作用，把合金元素烧损或造成气孔和飞溅等。解决CO2氧化性的措施是脱氧，具体做法是在焊丝中加入一定量脱氧剂。实践表明采用Si-Mn脱氧效果最好，所以目前广泛采用H08Mn2SiA、H10Mn2
18、Si等焊丝。 CO2气体保护焊的常用保护气体用于焊接的CO2气体，其纯度要求%，通常CO2是以液态装入钢瓶中，容量为40L的标准钢瓶可灌入25Kg的液态CO2， 25Kg的液态CO2约占钢瓶容积的80%，其余20%左右的空间充满气化的CO2。气瓶压力表上所指的压力就是这部分饱和压力。该压力大小与环境温度有关，所以正确估算瓶内CO2气体储量是采用称钢瓶质量的方法。（备注：1Kg的液态CO2可汽化509LCO2气体）CO2气瓶外表漆黑色并写有黄色字样。CO2气体含水量较高，焊接时候容易产生气孔等缺陷，在现场减少水分的措施为：1)将气瓶倒立静置12小时，然后开启阀门，把沉积在瓶口部的水排出，可放23
19、次，每次间隔30分钟，放后将气瓶放正。2)倒置放水后的气瓶，使用前先打开阀门放掉瓶上面纯度较低的气体，然后在套上输气管。3)在气路中设置高压干燥器和低压干燥器，另外在气路中设置气体预热装置，防止CO2气中水分在减压器内结冰而堵塞气路。 富氩气体保护焊与CO2气体保护焊的性能比较 焊接方法与焊接效果，见表2-2。表2-2 焊接方法与焊接效果焊接方法保护气体焊缝表面飞溅量熔深气体保护焊气体稍微粗糙较大深富氩气体保护焊氩气 气体平滑小较深氩气氧气非常平滑微量或无浅 CO2气体保护焊/富氩气体保护焊焊接方法的优缺点，见表2-3。表2-3 CO2气体保护焊/富氩气体保护焊焊接方法的优缺点优点缺点CO2气
20、体保护焊的优点：焊接速度快、熔池深、熔敷效率高、一种焊丝可适用多种板厚、焊接质量好、焊后变形小、一种焊丝可适用多种材质、可实现全位置焊接、成本低，效率高、易操作，易实现自动化。有飞溅，焊缝外观稍差、适用材质仅限于钢系列。富氩气体保护焊除具有CO2气体保护焊的优点之外：焊缝外观美观、飞溅少、双面成形焊接、全位置焊接容易、适合高速焊接。适用材质仅限于钢系列、保护气体较贵。第三章 富氩气体保护焊和CO2气体保护焊的焊接工艺分析比较结构钢喷射过渡和短路过渡富氩混合气体保护焊焊接参数结构钢喷射过渡富氩混合气体保护焊焊接参数，见表3-1。表3-1 结构钢喷射过渡富氩混合气体保护焊焊接参数板厚/mm接头形式
21、间隙b/mm钝边p/mm焊丝直径/mm送丝速度/（mm/s）电弧电压/v焊接电流/A焊接速度/（mm/s）焊道数1148159262719020081114159169262720021013151178822627310320351272762526290300572216918029313203307924991042728360370681418019030323303406812919526273403505723154163293030031057237276252629030046248791262730034046228289262732033079437882262731032
22、07944一一9910427283603706833828926273203305844一一919527283403505843828926273203305744一一991042728360370466注：坡口角=4560。 保护气体成分（体积分数，%）：80%Ar+20%CO2或95%Ar+5%O2，保护气体流量2025L/min。结构钢短路过渡富氩混合气体保护焊焊接参数见，表3-2。表3-2 结构钢短路过渡富氩混合气体保护焊焊接参数板厚/mm焊接位置接头形式间隙b/mm钝边p/mm焊丝直径/mm送丝速度/（mm/s）电弧电压/v焊接电流/A焊接速度/（mm/s）焊道数F、H、V、O1、4
23、04751131445508111F、H、V、O1、40475713145560811H17276161710511011131476801101151012V、O1506315168590584616690951012F111211618201501556863681819160165H9397171813013558411411818201551601012V、O1939717181301355841719810F1939719202102156102510H4899519216817680182017518557V、O28589171812012546410210617191401455
24、8F991042021220225572H21801901820175185352423524520212202251V、H2858917181201252324102106181914014557O93971719130135231注：坡口形式同表3-1，坡口角=4560。保护气体成分（体积分数，%）：75%Ar+25%CO2或50%Ar+50%CO2,保护气体流量1620L/min。焊接位置：F平焊；H横焊；V立焊（泛指向上立焊）；O仰焊。本表引自国外资料，一些尺寸数据均由英制换算得到。结构钢短路过渡和细颗粒状过渡CO2气体保护焊焊接参数CO2气体保护焊时，由于熔滴过渡的不同形式，需采用不
25、同的焊接工艺参数 ：（1）短路过渡时的工艺参数 短路过渡焊接采用细丝焊，常用焊丝直径为，随着焊丝直径增大，飞溅颗粒都相应增大。短路过渡焊接时，主要的焊接工艺参数有电弧电压、焊接电流、焊接速度，气体流量及纯度，焊丝深出长度。 1）电弧电压及焊接电流 电弧电压是短路过渡时的关键参数，短路过渡的特点是采用低电压。电弧电压与焊接电流相匹配，可以获得飞溅小，焊缝成形良好的稳定焊接过程。的一般参数：电压 19V；电流120135A。 2）焊接速度 随着焊接速度的增加，焊缝熔宽、熔深和余高均减小。焊速过高，容易产生咬边和未焊透等缺陷，同时气体保护效果变坏，易产生气孔。焊接速度过低，易产生烧穿，组织粗大等缺陷
26、，并且变形增大，生产效率降低。因此，应根据生产实践对焊接速度进行正确的选择。通常半自动焊的速度不超过min,自动焊的速度不超过min。 3）气体的流量及纯度 气体流量过小时，保护气体的挺度不足，焊缝容易产生气孔等缺陷；气体流量过大时，不仅浪费气体，而且氧化性增强，焊缝表面上会形成一层暗灰色的氧化皮，使焊缝质量下降。为保证焊接区免受空气的污染，当焊接电流大或焊接速度快，焊丝伸出长度较长以及室外焊接时，应增大气体流量。通常细丝焊接时，气体流量在1525L/min之间。CO2气体的纯度不得低于%。同时，当气瓶内的压力低于1Mpa,就应停止使用，以免产生气孔。这是因为气瓶内压力降低时，溶于液态CO2中
27、的水分汽化量也随之增大，从而混入CO2气体中的水蒸气就越多。 4）焊丝伸出长度 由于短路过渡均采用细焊丝，所以焊丝伸出长度上所产生的电阻热影响很大。伸出长度增加，焊丝上的电阻热增加，焊丝熔化加快，生产率提高。但伸出长度过大时，焊丝容易发生过热而成段熔断，飞溅严重，焊接过程不稳定。同时伸出增大后，喷嘴与焊件间的距离亦增大，因此气体保护效果变差。但伸出长度过小势必缩短喷嘴与焊件间的距离，飞溅金属容易堵塞喷嘴。合适的伸出长度应为焊丝直径的1012倍，细丝焊时以815mm为宜。 （2）细颗粒状过渡时的工艺参数 细颗粒状过渡大都采用较粗的焊丝，以上。表3-3给出几种直径焊丝的参考规范 ：表33 细颗粒状
28、过渡时的工艺参数焊丝直径（mm）最低电流（A）300400500电弧电压（V）3445第四章 富氩气体保护焊代替CO2气体保护焊可行性分析及推广应用 富氩气体保护焊与CO2气体保护焊的特点 CO2气体保护焊。电弧稳定性差，熔滴呈非轴向过渡，飞溅大，焊缝成形差，焊丝合金过渡系数降低（约为8%12%，焊丝熔化后以飞溅形式浪费掉），焊缝金属冲击韧性低等。 富氩气体保护焊（Ar+ CO2混合气体保护焊）。显著提高电弧稳定性，熔滴细化，过渡频率增加，飞溅大大减少（飞溅率为1%3%，采用射流过渡时几乎无飞溅），焊缝成形美观。此外，采用混合气体保护还可以改善熔深形状，未焊透和裂纹等缺陷大大减少，并能提高焊缝金属的性，减少焊后清理工作量，节能降耗，改善操作环境。 工艺试验
