1、1焊接工藝與設備熔化極氬弧焊（MIG、MAG）材料科學與工程專業限選課程2熔化極氬弧焊的概念Metal Argon Arc Welding是使用焊絲作為熔化電極，采用氬氣或富氬混合氣作保護氣體的電弧焊方法。熔化極惰性氣體保護焊 Metal Inert-Gas arc welding-MIG 熔化極活性氣體保護電弧焊 Metal Active Gas arc welding-MAG3本課主要內容：MIG/MAG 原理和特點MIG/MAG 熔滴過渡MIG/MAG 自動調節系統MIG/MAG 焊接設備MIG/MAG 焊接材料MIG/MAG 焊接工藝4 7.1 熔化極氬弧焊的原理1-焊件2-電弧3-焊

2、絲4-焊絲盤5-送絲滾輪6-導電嘴7-保護罩8-保護氣體9-熔池10-焊縫金屬5同CO2氣體保護焊相比，電弧更穩定、熔滴過渡平穩、飛濺小、焊縫成形美觀；MIG焊純惰性氣體，電弧空間無氧化性，能避免氧化，焊接中不產生熔渣，在焊絲中不需要加入脫氧劑，可以使用與母材同等成分的焊絲進行焊接；MAG焊具有氧化性但相對較弱。同TIG相比，電流密度更大、焊絲m快、熔敷效率、母材熔深、焊接變形、生產效率高。MIG/MAG焊直流反接焊接鎂鋁及其合金時，對母材表面的氧化膜具有良好的“陰極破碎”作用，而不必擔心陽極的過熱燒損。與TIG焊相比，熱效率高 7.2 熔化極氬弧焊的特點6理解幾個概念熔化速度mmelting

3、 rate 熔化電極在單位時間內熔化的長度或重量。（kg/h 或m/h）2. 熔敷速度deposition rate 單位時間內熔敷在焊件上金屬的量(kg/h)。3. 熔敷效率deposition efficiency 熔敷金屬的量與熔化的填充金屬量的百分比。4. 飛濺sputter 焊接過程中熔化的金屬顆粒和熔渣向周圍飛散的現象。飛散出的金屬顆粒和熔渣習慣上也稱之為“飛濺”。與“熔化系數（g/Ah）相區別7熔滴droplet: 電弧焊時在焊條或焊絲端部 形成的，并向熔池過渡的液態金屬滴。熔滴過渡metal transfer：電弧焊時在焊條或焊絲端部形成的熔滴，通過電弧空間向熔池轉移的過程。

4、7.3 熔化極氬弧焊的熔滴過渡熔滴過渡形態有：粗滴過渡 射滴過渡 射流過渡 旋轉射流過渡 亞射流過渡 短路過渡等。不同的熔滴過渡形式有不同的形成條件及應用范圍。8新材料幾個典型案例鋁合金熔化極氬弧焊熔滴過渡與焊接參數的關系 9 熔化極氬弧焊時的極性選擇 熔化極氬弧焊一般采用直流反接（焊件接負），很少采用直流正接（焊件接正）或者交流電流。主要原因： 焊接過程穩定；熔深大，效率高； 熔滴過渡過程穩定； 在焊接鋁、鎂及其合金時，也需要利用直流反接時電弧對焊件 及熔池表面的氧化膜所具有的陰極清理作用。 10焊絲為陰極：（工件為陽極：正接）當熔化極氬弧焊的焊絲陰極時，焊絲端部被陰極斑點包圍。陰極斑點會自

5、動尋找逸出功較低的氧化膜存在點，并且清理這些氧化膜。 純Ar或富Ar混合氣體，電弧的氧化性較弱，陰極清理氧化膜生成氧化膜，使得焊絲端部的氧化膜被清理后陰極斑點難以在純金屬點滯留，會向焊絲側壁尋找氧化膜存在的點，這勢必造成陰極斑點跳動及上爬。電流越大，或保護氣氛中的氧化性氣體越少，上爬越高。陰極斑點上爬到焊絲的固體區，電弧以包圍熔滴的形態出現。電弧電流形成的電磁收縮力對熔滴過渡完全不起作用，熔滴主要靠重力作用過渡，于是形成粗滴過渡。陰極斑點壓力大于陽極斑點的壓力，過渡過程不穩定；電弧不穩定，焊縫成形不良，因此這種極性的接法在焊接工程中基本不用。熔深大：陰極壓降陽極壓降；陰極產熱量大；11焊絲為陽

6、極：（工件為陰極：反接）當熔化極氬弧焊的焊絲為陽極時，電弧的陽極區在熔滴前端形成。（1）焊接電流較小 ：弧根在熔滴底部，電磁收縮力較小，熔滴呈粗滴過渡（a）， 過渡不穩定。（2）增大焊接電流：弧根面積擴張，形成包圍熔滴的態勢，電磁收縮力增加，焊絲端被削成尖狀，熔滴得以細顆粒化，熔滴直徑等于或小于焊絲直徑，呈現噴射過渡形式。熔滴的這種過渡形式過程穩定，焊縫成形良好，在焊接工程中基本都采用這種極性的接法。 （3）陰極：具有陰極清理作用，非常適合焊接鋁、鎂及其合金； 熔化極氬弧焊，若無特別說明，都是指采用直流反接法。12 射滴過渡 射滴過渡是鋁合金MIG焊和鋼焊絲脈沖焊經常采用的熔滴過渡形式之一。

7、以鋁合金焊接為例，當焊接電流增加到射滴過渡的臨界電流值時，熔滴即由滴狀過渡變為射滴過渡。 射滴過渡時的電弧形態：爍亮區呈現鐘罩形，弧根面積上爬，包圍熔滴大部或全部，熔滴內部的電流線發散。這時阻礙熔滴過渡的力主要是焊絲與熔滴間的表面張力。斑點壓力作用在熔滴表面各個部位，其阻礙熔滴過渡的作用降低。作用在熔滴上的電磁收縮力成為過渡的推動力。熔滴的尺寸明顯變小，接近于焊絲直徑，熔滴沿焊絲軸向過渡，過渡加速度大于重力加速度，過渡頻率達到每秒100-200次。這是一種穩定的過渡形式。13鋼焊絲MIG焊、富氬MAG焊的射滴過渡區間很窄，在形成射滴過渡后馬上就轉變為射流過渡，鋼焊絲MIG焊沒有射滴過渡。射滴過

8、渡低熔點材料焊絲焊接時呈現的熔滴過渡形式。在脈沖MIG焊控制脈沖參數，鋼質焊絲形成射滴過渡。實際上射滴過渡是脈沖MIG焊、MAG焊所力求實現的過渡形式。 射滴過渡的 I臨界電流焊絲材質、焊絲直徑、保護氣體等因素有關。通常鋼焊絲的臨界電流比鋁焊絲的臨界電流大。焊絲直徑增加，射滴過渡臨界電流也增加。14 射流過渡鋼材MIG焊和MAG焊，銅及其合金MIG焊，當IaI臨界電流值，都能產生射流過渡。 射流過渡工藝上的主要優點：焊接過程穩定，飛濺極少，焊縫成形質量好。電弧穩定，對保護氣流的擾動作用小，保護效果好。電弧功率大，熱流集中，對焊件的熔透能力強。15亞射流過渡概念: 亞射流過渡是只在鋁及鋁合金MI

9、G焊時才會出現的一種熔滴過渡形式，其特征介于短路過渡與射滴過渡之間。 右圖為: 鋁合金MIG焊熔滴過渡形式與電弧電壓及弧長的關系 形成亞射流過渡的弧長因電弧電流大小不同而異，弧長取下限時具有部分短路過渡的特征； 弧長取上限時具有部分射滴過渡的特征。16電弧自身調節系統電弧固有的自調節系統 電弧電壓反饋調節系統7.4 熔化極氬弧焊的自動調節系統17電弧自身調節系統 電弧穩定燃燒時，Ia、Ua由焊接電源的外特性曲線和電弧靜特性曲線的交點決定的。焊接電源的外特性上升、平、下降、陡降、垂直陡降電弧靜特性曲線：上升、平、下降、18電弧自身調節系統焊接電源的外特性曲線變化：電弧靜特性曲線變化：19 采用開

10、環控制，送絲速度預選后在焊接過程中melt=const.弧長a 依靠電弧的自身調節作用來調整焊絲的melt，使其重新等于焊絲送進速度，從而恢復電弧長度。電弧自身調節系統：電弧長度焊絲熔化速度melt和焊絲的送進速度feed共同決定的。電弧穩定燃燒，弧長保持不變必要條件：f m 20概念: 鋁焊絲、亞射流熔滴過、進行MIG焊時，在等速送絲的條件下，電弧所具有一種特殊的自動調節作用。 電弧固有的自調節系統 隨弧長減小（即弧壓減小）熔化一定送絲速度的焊絲所需要的焊接電流減小了，即焊絲熔化系數=m/Ia（g/ (hA)）增加了。 焊絲熔化系數g/ (hA)m=m / Ia熔化系數鋁焊絲MIG焊熔化特性

11、與熔滴過渡形態的關系 熔化系數melting coefficient 單位電流、單位時間內焊條或焊絲熔化量。 melt/Ia與“熔化速度”相區別電弧固有自調節系統的弧長調節過程 電弧固有的自調節系統，是在鋁合金MIG焊時所具有的電弧固有自調節作用的基礎上建立起來一種電弧自動調節系統。該系統是由具有固有自調節作用的電弧，配合以等速送絲方式和垂降特性（恒流）焊接電源而構成的。 垂降特性熔化系數22電弧固有的自調節系統 與電弧自身調節系統的異同 相同點： 等速送絲，即f 保持不變； 都是利用焊絲熔化速度m 作調節量來保持焊接弧長的穩定。不同點： *電弧固有的自調節系統焊絲熔化系數m的改變來影響m 。

12、 （*鋁合金MIG 、*亞射流過渡）* 電源外特性：垂直陡降 電弧自身調節系統焊接電流Iw的改變來影響m 。 *電源外特性：陡降 23半自動焊自動焊 7.5 熔化極氬弧焊的焊接設備24半自動熔化極氬弧焊設備25自動熔化極氬弧焊設備26277.5.1 熔化極氬弧焊的焊接電源熔化極氬弧焊通常采用直流弧焊電源，電源分為變壓器抽頭二極管整流式、晶閘管可控整流式、IGBT逆變式等幾種。 287.5.2 熔化極氬弧焊的送絲系統送絲系統：送絲機構（包括電動機、減速器、矯直輪、送絲輪）、送絲軟管（導絲管）、焊絲盤等組成。根據送絲系統送絲方式不同，半自動焊送絲系統有三種基本送絲方式。熔化極氬弧焊機送絲方式示意圖

13、 a)推絲式 b)、c)拉絲式（0.8mm ） d)推拉絲式297.5.3 熔化極氬弧焊的焊槍熔化極氬弧焊焊槍按其應用方式分為半自動焊槍（手工操作）和自動焊槍（安裝在行走臺車上）。 典型半自動焊焊槍示意圖a)鵝頸式（氣冷） b)手槍式（水冷）30自動焊焊槍 拉絲式焊槍示意圖（空冷）1一槍筒總成 2一減速器總成 3一壓臂組件 4一電動機總成 5一槍殼 6-焊絲盤 7一絲盤軸 8一護板組件 9一導電板 10一膠套 11-電纜 12-螺蓋 13一開關 14-螺釘 15一透明罩 16一自攻螺釘31一種自動熔化極氬弧焊槍結構示意圖1鋼管2鎮靜室3導流體4銅篩網5分流套6導電嘴7噴嘴8帽蓋327.5.4

14、熔化極氬弧焊的供氣系統純惰性氣體供氣系統與TIG焊的供氣系統相同，也是由氣源（高壓氣瓶）、氣體減壓閥、氣體流量計、電磁氣閥和送氣軟管等組成， 富Ar混合氣體的供氣方式有兩種 337.5.5 熔化極氬弧焊的水冷系統347.5 熔化極氬弧焊用焊接材料7.5.1 保護氣體不同的保護氣體，具有不同的焊接工藝特性。這里介紹一些常用的混合氣體的特性以及它們的適用范圍。35 1. ArHeHe, Ar都是惰性氣體，但由于He的傳熱系數大，在相同的電弧長度下，氦弧比氬弧的弧壓高，電弧溫度亦高很多。Ar弧的傳熱系數比較小，燃燒非常穩定，進行熔化極Ar 弧焊時熔滴很容易呈穩定的軸向射流過渡，飛濺極小。 以Ar 氣

15、為主，加入一定數量的He氣后可獲得兩者所具有的優點。焊接大厚度鋁及鋁合金：可改善焊縫熔深，減少氣孔和提高生產率。加入He量視板厚而定，板越厚加入的He應越多。 焊接銅及銅合金：改善焊縫金屬的潤濕性，提高焊接質量，50-75%He。 焊接Ti、Zr等金屬：改善熔深及焊縫金屬的潤濕性。He的比例通常為25%。焊接鎳基合金時：焊縫金屬潤濕性及焊縫熔深比純Ar好。15-20%He。36 2. ArH2 利用Ar+H2混合氣體中H2的還原性，焊接鎳及其合金時可以抑制和消除焊縫中的CO氣孔，但H2的體積分數必須低于6%，否則會導致產生H2氣孔。在Ar中加入H2可提高電弧溫度，增加母材熱輸入。37 3. A

16、rN2Ar中加入N2后，電弧的溫度比純Ar電弧的溫度高。主要用于焊接銅及銅合金（從冶金性質上考慮，通常氬弧焊只在焊接脫氧銅時使用），Ar:N2=80%：20%。這種氣體與Ar + He混合氣體比較，優點是N2的來源多，價格便宜缺點：焊接時有飛濺，并且焊縫表面較粗糙，焊縫外觀不如Ar十He混合氣體好。另外，由于N2的存在，焊接中還伴有一定的煙霧。但是，在焊接奧氏體不銹鋼時，在Ar中加人少量的N2 (1-4%)，對提高電弧的剛度以及改善焊縫成形具有一定的效果。384. ArO2Ar + O2混合氣體分兩種類型： （1）含O2量，15%焊接SST等高合金鋼及級別較高的高強度鋼； （2）含O2量，20

17、以上焊接低碳鋼及低合金結構鋼。 用純Ar焊接不銹鋼時（包括焊接低碳鋼及低合金鋼），存在問題： （1）液體金屬的粘度及表面張力較大，易產生氣孔。 （2）焊縫金屬潤濕性差，易形成咬肉。 （3）電弧陰極斑點不穩定，產生陰極漂移現象。焊縫熔深及焊縫成形不規則。 （4）金屬熔滴的粗化，射流過渡的Ithreshold用純Ar保護的MIG焊焊接不銹鋼等金屬是不合適的。通常在Ar中加入一定量的O2，使上述問題得以改善。 394. ArO2用純Ar保護的MIG焊焊接不銹鋼等金屬是不合適的。通常在Ar中加入一定量的O2，使上述問題得以改善。 （1）Ar+1O2：克服陰極漂移現象。 （2）加入O2有利于金屬熔滴的細

18、化，降低射流過渡的Ithreshold。 （3）降低表面張力，熔池金屬流動性、潤濕性改善，成型改善；用Ar+O2混合氣體焊接的不銹鋼焊縫，臨界電流Ic。進人脈沖電流階段后，電弧爍亮區逐漸形成，電弧先是束狀，然后逐漸擴展形成鐘罩形。陽極斑點區擴大并上爬，陽極斑點覆蓋了熔滴的大部或全部表面。脈沖電流Ip：熔化焊絲形成液體金屬，形成強大的電磁收縮力及等離子流力，在液體金屬與焊絲端之間形成縮頸。在脈沖電流下降時刻形成熔滴過渡，或者在脈沖電流結束之后的基值時間初期形成熔滴過渡，過渡的熔滴一般為球形熔滴，熔滴直徑與焊絲直徑基本相同。焊絲端頭不形成明顯的鉛筆尖狀，熔滴過渡后焊絲端頭很快收縮成半球狀。熔滴脫離

19、焊絲向熔池過渡的加速度較小，熔滴在電弧空間的過渡速度較慢，熔滴沿焊絲軸線方向向熔池過渡，過渡的方向性好。一個脈沖電流過渡一個熔滴，再現性很好，焊接過程穩定，沒有飛濺，可用于立焊、仰焊等空間位置焊接。70（2）一脈多滴 脈沖熔化極氬弧焊一脈多滴熔滴過渡的過程如圖7-26所示。一脈多滴熔滴過渡控制形式：在基值時間Tb內基值電流Ib較小，電弧狀態及焊絲加熱熔化狀態與一脈一滴熔滴過渡控制形式的狀態基本一樣。在進入脈沖時間Tp以后，在脈沖電流Ip的作用下形成電弧爍亮區并且擴展成錐形，電弧熔化焊絲金屬，陽極斑點擴大并上爬。熔化金屬在電磁力及等離子流力的作用下形成縮頸，焊絲端頭的熔化金屬以射滴形式過渡一個較

20、大熔滴，然后焊絲端頭形成鉛筆尖狀，不斷有許多小滴以射流方式向熔池過渡，此時焊接過程穩定，沒有飛濺。脈沖Ip電流期間過渡的小熔滴以較大的加速度向熔池過渡。當脈沖電流結束后，這種熔滴過渡結束，電弧爍亮區消失，焊絲端頭的金屬液體柱可能瞬時斷成數截并且聚成小球落入熔池，隨后焊絲端頭殘留的液體金屬收縮成半球狀。71 （3）多脈一滴脈沖熔化極Ar弧焊多脈一滴熔滴過渡過程：在第一個脈沖電流作用以后，需要經過第二個脈沖電流或更多的脈沖電流作用，焊絲端頭才能熔化積聚到能夠形成熔滴過渡的熔滴體積，進而形成熔滴過渡。通常熔滴直徑大于焊絲直徑，重力是形成熔滴過渡的主要作用力。 在脈沖電流Ip較小或者脈沖時間Tp較短的

21、情況下將出現多脈一滴的熔滴過渡形式。72732脈沖熔化極氬弧焊的參數選擇脈沖熔化極氬弧焊的主要脈沖焊接參數有：基值電流Ib、基值時間Tb、脈沖電流Ip和脈沖時間Tp。脈沖熔化極氬弧焊的其他焊接參數有：焊接電流：平均電流Ie脈沖頻率f：f1/T 脈沖周期時間T 的倒數；脈沖寬度比： KpTp/T脈沖周期時間T：TTbTp74脈沖熔化極氬弧焊一脈一滴的熔滴過渡形式是理想的熔滴過渡形式，另外一脈23滴的熔滴過渡形式也是實用的熔滴過渡形式。正確選擇脈沖焊接參數，能夠實現良好的熔滴過渡形式，控制合適的熱輸入量，獲得良好的焊縫成形。脈沖熔化極氬弧焊在平均電流Ie一定的情況下，熔滴過渡與焊接參數區間的關系如

22、圖7-28所示。脈沖電流Ip及脈沖時間Tp是脈沖熔化極氬弧焊的重要參數。在脈沖時間一定的情況下，由多脈一滴轉變為一脈一滴所需要的最低脈沖電流稱為臨界脈沖射滴電流，由一脈一滴轉變為一脈多滴所需要的最低脈沖電流稱為臨界脈沖射流電流。75 (1)基值電流Ib及基值時間Tb： 維持電弧連續燃燒，預熱焊絲和母材，使焊絲端部有一定的熔化量，為脈沖電弧期間熔滴過渡作準備。基值電流及基值時間也是調節平均電流即焊接電流、調節焊接熱輸入的重要參數。 基值電流不宜取得過大，否則脈沖焊接的特點就不明顯，甚至在基值電流的作用下就產生熔滴過渡，失去了對熔滴過渡的可控性。基值電流也不能過小，否則可能導致電弧不穩定。76 （

23、2）脈沖電流1p及脈沖時間Tp：決定脈沖能量的重要參數。 為了實現一脈一滴的熔滴過渡，脈沖時間必須使脈沖電流處于臨界脈沖射滴電流與臨界脈沖射流電流之間，而且避免出現一脈多滴的情況。臨界脈沖射滴電流和臨界脈沖射流電流不是固定的，它隨著脈沖時間Tp及基值電流Ib的增加而降低；反之，隨著這兩個參數的減少而增大。 通常脈沖熔化極氬弧焊采用脈沖電流的主要目的是控制熔滴過渡，同時脈沖電流也影響焊縫的熔深。在平均電流和送絲速度不變的情況下，脈沖電流增大，熔深增大；脈沖電流減小，熔深減小。由此，可根據工藝需要，通過調節脈沖電流幅值來調節熔深的大小。77 （3）焊接電流I：脈沖熔化極A弧焊的一個重要特征就是在焊

24、接電流（平均電流）低于臨界電流的情況下能夠實現熔滴噴射過渡。平均電流決定對母材的熱輸入量，應根據焊件厚度、焊縫空間位置、焊接材質等確定焊接電流。（4）脈沖頻率f和脈沖寬度比Kp：脈沖頻率f的大小需要適應焊接電流大小，若焊接電流（或送絲速度）較大，需要較高的脈沖頻率；焊接電流較小，需要較低的脈沖頻率。實際上脈沖頻率存在一定的調節范圍，脈沖頻率過高，將失去脈沖焊接的特點；脈沖頻率過低，焊接過程不穩定， 脈沖寬度比Kp反映了脈沖焊接特點的強弱。脈沖寬度比過大，脈沖焊接的特點不顯著，一般不大于50%。 在等速送絲的情況下，若熔滴過渡是一脈一滴，熔滴過渡頻率在30-300滴s范圍內，焊接薄板時，對母材的

25、熔透情況較短路過渡焊接好，若與鎢極氬弧焊焊接薄板相比，焊接生產率高，工件變形小。熔滴過渡頻率過高就需要頻率很高的脈沖電流配合，工藝上也沒有必要；過渡頻率過低，由于焊接參數區間窄，熔滴過渡的規律性受影響。78 4脈沖熔化極氬弧焊的工藝特點（1）擴大了焊接電流的調節范圍： 對于一定直徑的焊絲，就普通的無脈沖熔化極氬弧焊而言，若采用噴射過渡， IaI噴射過渡臨界電流；若采用短路過渡，可以使用的焊接電流范圍也是有限的。采用脈沖電流，在I平均電流I噴射過渡臨界電流，獲得穩定的噴射過渡。焊接電流范圍：從短路過渡射流過渡的全部的電流區域，可用于射流過渡和短路過渡所能焊接的一切場合；能焊接薄板，又能焊接厚板。

26、可以使用較粗的焊絲焊接薄板。首先較粗的焊絲細絲易于送絲，這樣對于Al、Cu等軟質焊絲最為有利。粗絲挺直性好，焊絲指向性好，不易偏擺，焊絲端容易保持在焊縫中心線上。此外，采用粗絲降低焊接成本，并且粗絲的表面積與體積之比較小，可使產生氣孔的傾向性降低。79（2）有效控制熔滴過渡及熔池尺寸，有利于全位置焊接： 采用脈沖電流，可用較小的平均電流進行焊接，因而熔池體積小。另外，熔滴過渡和熔池金屬的加熱是間歇的，所以不易發生流淌。 在脈沖電流作用下熔滴的軸向性比較好，不論是仰焊或立焊都能迫使熔滴金屬沿著電弧軸線向熔池過渡，焊縫成形好，飛濺損失小。所以在進行全位置焊接時，在控制焊縫成形方面脈沖熔化極氬弧焊比

27、普通熔化極氬弧焊有利。80（3）可有效地控制熱輸入，改善接頭性能：在焊接高強度鋼以及某些鋁合金時，由于這些材料的熱敏感性較強，因而對母材輸入的熱量有一定的限制。若用普通焊接方法，只能采用小規范，其結果是熔深較小，在厚板多層焊時容易產生熔合不良等缺陷。采用脈沖電弧后，既可使母材得到較大的熔深（因脈沖電流幅值大），又可控制總的平均焊接電流在較低的水平。焊縫金屬及熱影響區金屬的過熱都比較小，從而使焊接接頭具有良好的韌性，減小了產生裂紋的傾向。（4）脈沖電弧還具有加強熔池攪拌的作用，可以改善熔池冶金性能，有利于消除氣孔。817.7.2雙絲熔化極氬弧焊1雙絲熔化極氬弧焊工作原理一把焊槍，一個噴嘴，兩個獨立的導電嘴，兩個送絲機和兩個焊接電源，一個同步控制器。兩個導電嘴中各輸出一根焊絲，并與工件之間形成雙電弧。同步控制器協調控制雙絲的送絲及兩個焊接電源的輸出，即協調控制兩個電弧的焊接參數。兩個電弧協調穩定地工作時，形成一個熔池和一條焊縫，焊接過程及焊接質量都很穩定。82 2雙絲熔化極氬弧焊的過程控制雙絲熔化極氬弧焊的兩根焊絲的送絲方式通常采用等速送絲，兩個電弧采用脈沖