氣體保護焊焊接方法對焊接工藝的影響

李重達

摘 要：短路過渡焊接由于具有電流小、電壓低的焊接特點，使得短路過渡焊接的范圍較小，焊接產(chǎn)生的光、熱輻射較小，操作難度較低，易于與薄板焊接等方式進行全方位焊接，因而在生產(chǎn)生活中得到了廣泛應(yīng)用。為了進一步提升焊接的質(zhì)量水平，在考慮焊縫金屬的化學(xué)成分、焊接接頭的組織和性能、焊接應(yīng)力與變形時，還要保證焊接接頭沒有缺陷，這些與焊接方法和焊接工藝是否合理有密切關(guān)系。各種焊接方法有各自的特點，因此，焊接時應(yīng)根據(jù)應(yīng)用范圍進行合理選用。另外，每種焊接方法隨著不同的焊接工藝，也明顯地影響焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：氣體保護焊 氣孔 飛濺 熔池 工藝參數(shù)

中圖分類號：TG444 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0051-02

氣體保護焊時，為了提升焊接流程的穩(wěn)定性，通常情況下會使用短路過渡以及細顆粒過渡兩種方式作為熔滴過渡的主要形式。

在進行短路過渡焊接的過程中，將焊接回路中的電弧電壓、焊接電流、送絲速度、焊接回路電感、焊接速度、氣體流量和焊絲伸出長度以及電源極性等作為主要的技術(shù)參數(shù)進行設(shè)置。焊接回路中的電弧電壓和焊接電流，短路過渡由于自身功能要求，呈現(xiàn)出低電壓的特性。但是如果電弧電壓的數(shù)值過低，增加焊接引燃難度，就造成了焊接流程的不穩(wěn)定。如果焊接回路中出現(xiàn)電弧電壓過高的情況，使得熔滴過渡發(fā)生改變，由短路過渡轉(zhuǎn)變?yōu)榇箢w粒的長弧過渡，也同樣造成了焊接過程的不穩(wěn)定。為了保證焊接流程的穩(wěn)定性，焊絲直徑、電弧電壓與焊接電流要根據(jù)實際要求，進行科學(xué)設(shè)置，使得三者能夠協(xié)調(diào)起來，保證焊接質(zhì)量。

1 氣孔問題

在氣體保護焊時，由于氧化作用，會在熔池中產(chǎn)生氣體，由于氣體又具有冷卻功能，一方面熔池在快速凝固的情況下，在焊縫之中容易產(chǎn)生較多氣孔。一般使用焊絲作為技術(shù)手段，減少焊縫中氣孔的產(chǎn)生幾率。這是因為焊絲之中含有足夠的脫氧元素，能夠高效地防止焊縫氣孔的產(chǎn)生。另一方面熔池在高溫條件下，會有大量氧氣滲入進來，在焊縫凝結(jié)的過程中氧氣不能夠完全逸出，殘留的氧氣在焊縫中形成氣孔。

氣體保護焊電弧區(qū)中的氫元素主要來自兩個部分：一部分是焊接過程中所使用的焊絲以及工件表面的油污及鐵銹內(nèi)含有氫元素；另一部分是氣體中含有一定的水分。為了消除氫氣的影響，一方面在進行焊接操作之前，相關(guān)工作人員要對焊絲和工件表面的油污與鐵銹進行清除；另一方面焊接過程中應(yīng)選用水分含量較低的氣體。通過降低熔池中氫元素的含量，不但可以有效消除氫氣孔，還能夠有效提高焊縫金屬的塑性，提升焊接效果。

目前國內(nèi)焊接用氣主要來自釀造廠、制糖廠及化工廠的副產(chǎn)品，含水分較高且不穩(wěn)定。為了獲得優(yōu)質(zhì)焊縫，焊前對瓶裝氣體要進行處理，其方法是將氣瓶倒置1～2 h，然后打開閥門，排出沉積在瓶底的水，每隔30 min排水一次，先后2～3次，放水后仍將瓶正置，再打開閥門放氣2～3 min，排出瓶內(nèi)上部的空氣，另外在氣路系統(tǒng)中放置干燥器，以除去氣中的水分。干燥器內(nèi)一般放置硅膠或脫水硫酸等吸水劑。

當瓶內(nèi)氣體壓力降到980kPa時，不能繼續(xù)使用。這是因為瓶內(nèi)氣體壓力降到980kPa以下時，氣體所含水分將增加到3倍左右。當焊接對水分比較敏感的金屬，瓶內(nèi)氣壓為14kPa7時，就不宜再用。

根據(jù)上述情況，焊接區(qū)存在著氧化性氣體，使得氧的分壓增加，造成自由狀態(tài)之下的氫被氧化，形成不溶于金屬的水蒸氣和羥基，從而降低了氫氣對焊接活動的消極影響。

氫氣的氧化性導(dǎo)致氣體孔和飛濺的產(chǎn)生，但在制約氫的危害方面又是有益的，所以與埋弧焊和氫弧焊相比，氣體保護焊對鐵銹、水分的敏感性較小。

進行氣體保護焊的過程中，氮氣的來源主要有兩個：一是空氣之中的氮氣進入焊接區(qū)；二是焊接氣體純度不高。相關(guān)實驗表明，短路過渡時氣中加入3%的氮（按體積），在射流過渡時氣中加入4%的氮（按體積）仍不會引起氣孔。在一般情況下，氣中含氮量最多不超過1%（按體積），可以看出氣純度不高造成氮氣孔的可能性較低。從實際情況來看，焊接過程中，焊縫內(nèi)的氮氣孔產(chǎn)生主要是因為保護氣流遭到破壞，使得大量空氣進入焊接區(qū)造成的。

保護氣流受到損壞的主要原因是多方面的，例如氣體流量過低、噴嘴受到堵塞、噴嘴與工件間距設(shè)置不合理，以及焊接場地有側(cè)向風等。

因此可以看出，對于氣體保護焊，在采用含有脫氧劑的焊絲焊接低碳鋼與低合金鋼時，焊接之前，需要對焊絲以及被焊工件表面存在的油污、鐵銹等雜質(zhì)進行清理，當氣中的水分在比較低的情況下，焊縫金屬中產(chǎn)生的氣孔主要是氮氣孔，所以在焊接過程中要保證保護氣流的穩(wěn)定，能夠有效防止金屬焊接縫中氣孔的出現(xiàn)。

另外，焊接工藝方面的因素例如焊接回路中的電弧電壓、焊接人員的工作速度、電源極性等，也會造成氣孔產(chǎn)生。焊接回路中電弧電壓如果升高，就會增加空氣進入焊接區(qū)的幾率，熔池中含氮量增加，即使不出現(xiàn)氣孔，也會導(dǎo)致焊縫金屬塑性的下降。焊接速度主要影響熔池的結(jié)晶速度。反極性焊接對消除氣孔有利。

2 飛濺問題

飛濺是氣體保護焊的主要特點，氣體保護焊時，應(yīng)采取措施，盡可能地使飛濺最小。當前減少飛濺的主要措施有以下幾個方面。

2.1 從冶金方面著手

即使用飛濺率較低的焊絲，在實芯焊絲的選擇過程中，在保持焊絲機械性的前提之下，要盡可能地降低焊絲的含碳量，并在其中加入一定量的鈦、鋁等元素。通過這種方式在顆粒過渡或短路過渡操作的過程中，都可顯著減少飛濺，采用藥芯焊絲，藥芯焊絲的飛濺約為實芯焊絲的2倍。

2.2 合理選用工藝參數(shù)

焊接電流、電弧電壓、焊絲伸出長度以及焊槍角度等，都會影響飛濺的大小。

（1）焊接電流與電弧電壓：氣體保護焊時，對于每種直徑焊絲，當電流區(qū)內(nèi)的電流較小時，飛濺率較??；而當電流區(qū)內(nèi)的電流較大時，飛濺率也相對較??；當其處于中間區(qū)飛濺率達到最大。例如直徑為1.2 mm的焊絲，當電流區(qū)內(nèi)的電流小于150 A或大于300 A時，飛濺率相對較低，而當電流處于150～300 A的范圍內(nèi)，飛濺率增加。因此，焊接電流在選用的過程中，應(yīng)盡量避開飛濺率較高的電流區(qū)間。

（2）焊絲伸出長度：飛濺的大小與焊絲伸出長度也有關(guān)系，如：1.2 mm焊絲，電流280 A時，焊絲伸出長度從20 mm增至30 mm，飛濺量約增加5%，因而焊絲伸出長度應(yīng)盡量縮短。

（3）焊槍角度：焊槍前傾或者后傾，最好不超過20°，這是因為，焊槍垂直時飛濺量最小，傾斜角度越大，飛濺越多。

顆粒過渡焊接時在氣筒中加入氧氣。盡管通過合理選用規(guī)范參數(shù)，以及采用錢弧方法等，來降低飛濺率，但飛濺量仍較大。在氣筒中加入一定數(shù)量的氧氣，是減少顆粒過渡焊接時飛濺的有效措施。在氧氣加入后，隨著氧氣比例增加，飛濺逐漸減小，變化最顯著的是顆粒直徑大于0.8 mm時的飛濺，對于小于0.8 mm的細顆粒飛濺影響不大。

混合氣體除減小飛濺外，氣含量對焊縫成形也有影響，隨加入氣量的增多，焊縫熔深減小，熔寬加大，余高減小。此外，采用混合氣體焊接時，焊縫金屬低溫韌性值，也比純氣焊接時焊縫金屬低溫韌性值高。

短路過渡焊接時，在短路過程的最后階段，由于短路電流的急劇增大，致使液橋金屬被迅速地加熱并熱量集中，導(dǎo)致液橋爆斷而產(chǎn)生飛濺。目前減少飛濺的方法有以下幾種。

（1）在焊接回路中串入電感、電阻，或增大電源變壓器的阻抗。為控制引起飛濺的能量，一般在焊接回路中串入電感、電阻，或增大電源變壓器的阻抗，或是這幾種方法的綜合運用，來限制短路電流增長速度及峰值電流。特別是平硬（或緩降）外特性電源加點抗器，當前應(yīng)用仍很普遍。這種方法的特點是：設(shè)備簡單，但電抗器體積大，且調(diào)節(jié)精度及范圍都受一定的局限。

（2）電流切換法：每個熔滴過渡過程中，在液橋頸縮到臨界尺寸之前，是允許短路電流自然增大，從而保證其電磁壓縮力的有利作用。當頸縮尺寸達到臨界尺寸后，便立即進行電流切換，將電流迅速從高值切換到低值，以使液橋頸縮處在小電流下爆斷。試驗證明，將電流從400 A降到30 A，飛濺率可降低到2%～3%。

（3）電流波形控制法：通過控制輸出電流波形，使金屬液橋在低的電流上升速度和低的短路峰值電流下爆斷，從而減少飛濺。液橋爆斷，電弧再引燃后，立即提高燃弧電流，甚至此時施加電流脈沖，經(jīng)一段時間燃弧電流再從高值過渡到穩(wěn)定值，這樣可增加燃弧期間母材輸入熱量，以達到增加熔深和改善焊縫成形的目的。

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