2. 1熔化极气体保护焊方法的原理
熔化极气体保护焊（英文简称GMAW）采用可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属，并向焊接区输送保护气体，使电弧、熔化的焊丝、熔池及附近的母材金属免受周围空气的有害作用。连续送进的焊丝金属不断熔化并过度到熔池，与熔化的母材金属融合形成焊缝金属，从而使工件相互连接起来，如图2.1所示。
图2.1 熔化极气体保护焊的工作原理
2. 2熔化极气体保护焊的分类
熔化极气体保护焊根据保护气体的种类不同可分为：熔化极惰性气体保护焊（英文简称MIG）、熔化极氧化性混合气体保护焊（英文简称MAG）和CO2气体保护电弧焊三种。
1.熔化极惰性气体保护焊（MIG）：保护气体采用氩气、氦气或氩气与氦气的混合气体，它们不与液态金属发生冶金反应，只起保护焊接区使之与空气隔离的作用。因此电弧燃烧稳定，熔滴过度平稳、安定，无激烈飞溅。这种方法特别适用于铝、铜、钛等有色金属的焊接。
2.熔化极氧化性混合气体保护焊（MAG）：保护气体由惰性气体和少量氧化性气体混合而成。由于保护气体具有氧化性，常用于黑色金属的焊接。在惰性气体中混入少量氧化性气体的目的是在基本不改变惰性气体电弧特性的条件下，进一步提高电弧的稳定性，改善焊缝成型，降低电弧辐射强度。
3.二氧化碳气体保护电弧焊（CO2）：保护气体是CO2，有时采用CO2+O2的混合气体。由于保护气体的价格低廉，采用短路过度时焊缝成型良好，加上使用含脱氧剂的焊丝可获得无内部焊接缺陷的高质量焊接接头，因此这种方法已成为黑色金属材料的最重要的焊接方法之一。
2. 3熔化极气体保护焊设备的主要构成
熔化极气体保护焊设备主要由下部分构成：
1.焊接电源及控制装置 2.送丝装置 3.焊枪
4.气体流量调整器 5.连接电缆和软管
其中，控制装置和焊接电源一般是做成一体的。
2.3.1焊接电源
有关焊接电源的内容将在下面各种焊接方法中分别介绍。
2.3.2送丝装置
送丝装置由下列部分构成: ①. 焊丝送进电机 ②. 保护气体开关电磁阀 ③. 送丝滚轮
焊丝供给装置是专门向焊枪供给焊丝的，在机器人焊接中主要采用推丝式单滚轮送丝方式。即在焊丝绕线架一侧设置传送焊丝滚轮，然后通过导管向焊枪传送焊丝。
在铝合金的MIG焊接中，由于焊丝比较柔软，所以在开始焊接时或焊接过程中焊丝在滚轮处会发生扭曲现象,为了克服这一难点,采取了各种措施。
2.3.3 焊枪
熔化极气体保护电弧焊焊枪大致有空冷式和水冷式两种形式，空冷式焊枪一般用于中小焊接电流，水冷式焊枪用于大电流焊接。
MIG焊枪与CO2/MAG焊枪形状相似，但有以下的差异： 1.为了无故障地传送比较柔软的铝焊丝，有专用铝焊接MIG焊枪。
2.为了顺利地传送如不锈钢、镍合金、高强度钢等硬质材质的焊丝，有专用焊接合金的MIG焊枪。
总之，对应不同的使用目的和不同用途，其焊枪的结构也不同。图2.2给出了几种焊枪的照片。图2.3为CO2气体保护焊焊枪结构示意图。
2.2 熔化极气体保护焊焊枪
图2.3 CO2气体保护焊焊枪结构示意图
2.3.4气体流量调整器
气体流量调整器安装在气瓶出口处，设定焊接时所必须的气体流量，气体流量调整器包括用以降低气瓶内高压的“压力调整器”和读取气体流量的“流量计”等。
小型CO2气体流量调整器中，由于气路不会结冰，所以使用非加热式气体流量调整器，而在大型CO2气体流量调整器中，由于能把气瓶内高压减压至0.2Mpa(约2kgf/cm2)，气体的快速膨胀带走热量导致气路结冰，所以在CO2气体流量调整器中要附上加热装置，如图2.4所示。
图2.4 CO2气体流量调整器
2. 4熔化极气体保护焊的熔滴过渡形式
3.4.1影响熔滴过渡的主要因素
影响熔化极气体保护焊的熔滴过渡形式的主要因素有：
(1) 电流的大小和种类 (2) 焊丝直径 (3) 焊丝成分
(4) 焊丝干伸长 (5) 保护气体的种类
3.4.2熔滴过渡形式
1.短路过渡
熔化极气体保护焊当焊丝较细、电流较小时，熔滴过渡形式一般为短路过渡。只有在焊丝与熔池接触的瞬间，熔滴才过渡到熔池，而在电弧空间则没有熔滴的过渡。
熔滴的短路过渡频率一般为20—200次/秒，短路过渡时对应的电流和电压波形如图2.5所示。悬挂在焊丝端头的熔滴直接和熔池接触，弧隙短路，焊丝与熔池之间形成液桥，焊接电流提高[图2.5（A），（B），（C），（D）]。在短路电流产生的电磁力和液态金属的表面张力的作用下，液桥形式缩颈变细，液桥断开，熔滴过渡到熔池，电弧重新引燃[图2.5（E），（F）]。短路电流的上升速度应足够使焊丝加热和促使熔滴过渡，但又不能太高，以防止由于熔滴的暴断产生飞溅。短路电流的上升速度可以通过调节电源的回路电感来控制。最佳的电感量的设置取决于焊接回路的电阻和焊丝的熔化温度。电弧燃烧后，焊丝端头的熔滴逐渐增大并送进，再次和熔滴接触，开始下一个短路过程[图2.5(H)]。
图2.5 CO2短路过渡时的电流及电压波形
保护气体的成分对短路过渡的熔滴尺寸及过渡频率有较大的影响，同时影响电弧特性和熔深。CO2与惰性气体相比产生较大的飞溅，但熔深较大。在焊接碳钢和低合金钢时常常
采用CO2和Ar的混合气体来降低飞溅和取得较大的熔深。在焊接有色金属时为了提高熔深在Ar气中常加入He气。
短路过渡形成的熔池小，冷却速度快，适于薄板的全位置以及根部间隙较大的焊缝的焊接。
2.滴状过渡
惰性气体保护焊当电流较小时，熔滴的过渡形式为滴状过渡。此时，熔滴的直径大于焊丝的直径，熔滴主要依靠重力过渡到熔池，因此在平焊位置熔滴才能较好地过渡到熔池中。
滴状过渡的电弧电压要比短路过渡的电压高，以保证熔滴在与熔池接触之前脱离焊丝端部，但由于电压过高，使得熔深不足，加强高过大，在实际生产中的惰性气体保护焊一般不采用这种过渡形式。
在CO2气体保护焊中，当焊接电压和电流大于短路过渡时的电压和电流时，熔滴的过渡为滴状过渡。由于斑点压力的阻碍作用，CO2气体保护焊的滴状过渡是非轴向的，飞溅较大，如图2.6所示。
与短路过渡相比，CO2滴状过渡熔深较大，特别适于碳钢的中、厚板的焊接。
图2.6 CO2气体保护焊的滴状过渡形式
3.喷射过渡
在纯Ar或富Ar气体中，对于给定的焊丝直径，当焊接电流增大到某一数值时，熔滴即从滴状过渡转变成喷射过渡。这个电流称为临界电流。喷射过渡时，焊丝金属以细滴（小于焊丝直径）沿电弧轴线方向进入熔池，电弧稳定，飞溅极少，如图2.7所示。
图2.7 熔滴的喷射过渡形式
喷射过渡临界电流值与液态金属的表面张力有关，与焊丝直径成反比，焊丝的干伸长对其也有一定的影响。它随着焊丝的熔化温度及保护气体成分的变化而变化，表2.1给出了常用焊丝的临界电流值。
表2.1 常用焊丝的临界电流值。 焊丝材料 焊丝直径 （mm） 碳钢 0.8 0.9 1.1 1.6 不锈钢 0.9 1.1 1.6 铝 0.8 1.1 1.6 无氧铜 0.9 1.1 1.6 硅青铜 0.9 1.1 1.6
Ar 98%Ar+2%O2 保护气体 最小的喷射电流 （A） 150 165 220 275 170 225 285 95 135 180 180 210 310 165 205 270
图2.8 脉冲喷射过渡
喷射过度的熔深较深，呈指状，适于中、厚板的平焊和横焊位置。为了适应薄板及全位置焊接，采用脉冲喷射过渡。脉冲喷射过渡是一种有规律的断续性喷射过渡，如图2.8所示。焊接电流是脉冲电流，包括恒定的基值电流和脉冲峰值电流两部分，基值电流使焊丝末端预热并局部熔化，但不形成熔滴。脉冲峰值电流作用期间则产生熔滴的喷射过渡。脉冲的幅值和频率决定电弧的能量，通过改变脉冲的幅值和频率就能实现薄板和厚板的全位置焊接。 4.亚射流过渡
铝及其合金的焊接通常采用射滴和短路相混合的过渡形式，这种过渡称为“亚射流过渡”“(mesosprag)”，如图2.9所示。其特点是弧长较短,电弧电压较低，电弧略带轻微爆破，焊丝端部的熔滴大到大约等于焊丝直径时，便沿电弧线方向一滴一滴过渡到熔池，间有瞬时短路发生。研究指出，在喷射过渡下，常易出现各种缺陷，如熔深呈“指形”，容易产生熔透不良等。此外，在喷射过渡下由于电弧较长，保护效果降低，焊缝起皱及表面易产生黑粉。而采用亚射流过渡，阴极雾化区大，溶池的保护效果好，焊缝成形好，焊接缺陷也较少。在相同的焊接电流下，亚射流过渡的焊丝熔化速度和熔深都较射流过渡大。电弧的固有自调节作用特别强，当弧长受外界干扰而发生变化时，焊丝的熔化速度发生变化较大，促使弧长向消除干扰的方向变化，因而可以迅速恢复到原来的长度。
图2.9 熔滴的亚射流过渡形式
2.5影响焊接结果的工艺参数
下面的一些参数影响焊缝的熔深、焊道的几何形状和焊接质量： （1） 焊接电流（送丝速度） （2） 电源极性
（3） 电弧电压（电弧长度） （4） 焊接速度 （5） 焊丝干伸长 （6） 焊枪角度 （7） 接头位置 （8） 焊丝直径
（9） 保护气体的成分和流量
2.5.1焊接电流
当其它参数不变时，焊接电流随着送丝速度的变化呈非线性变化。在平特性电源中，焊接电流的改变与送丝速度的变化行为相似，碳钢焊丝的焊接电流与送丝速度的关系如图 2.10所示。各种直径的焊丝当焊接电流较小时二者之间的关系都近似呈线性关系，焊接电流的增加，特别是小直径焊丝，曲线为非线性，随着焊接电流的增加焊丝的熔化速率提高，这主要是焊丝干伸长上的电阻热的贡献。
图2.10 碳钢焊丝的焊接电流与送丝速度的关系
如图2.10所示，当送丝速度保持不变时，较大的焊丝直径需要较大的焊接电流。焊丝的化学成分对二者之间的关系影响可以比较图2.10、2.11、2.12、.2.13。不同的焊丝对应不同的曲线位置和斜率，是由于焊丝的熔点和电阻率的不同。焊丝的干伸长对它们的关系也有一定的影响。
图2.11 ER4043铝合金焊丝焊接电流和送丝速度的关系
图2.12 300系列不锈钢焊丝送丝速度与焊接电流的关系
图2.13 Ecu铜焊丝焊接电流与送丝速度的关系
当其它参数保持不变时，焊接电流的增加对焊缝熔深的影响最为显著，几乎呈正比关系，如图2.14所示。焊缝宽度、余高等有增加的倾向，如图2.15所示。
图2.14 焊接电流与焊缝熔深的关系
图2.15 焊接电流与焊缝断面形状
焊接电流对熔滴过渡频率和熔滴的体积有较大的影响，随着焊接电流的增大，熔滴过渡频率提高，熔滴体积变小。
2.5.2电弧电压（电弧长度）
电弧电压和电弧长度通常是可以互换的两个术语，但应该指出它们是不同的。对于G电弧长度是一个独立的参数，而电弧电压除了与电弧长度有关外，还与其它参数有关，如保护气体、焊接方法、甚至焊接电缆。电弧电压是对电弧长度的近似描述，它还应该包括焊丝干伸长上的电压降。
电弧电压的设定取决于焊接材料、保护气体和熔滴过渡类型。为了获得最佳的电弧特性和焊道形状，进行工艺试验是非常必要的，因为最佳的电弧电压取决于多种因素, 如金属厚度、接头类型、焊接位置、焊丝直径、保护气体成分和焊接方法等。
电弧电压与焊缝形状的关系如图2.16所示。电弧电压越高，电弧就越长，焊缝余高越小，焊缝熔宽将增加，熔深略有减小。但电弧电压过大将产生气孔、飞溅和咬边；反之电弧电压越低，则电弧长度越短，焊缝余高越大，熔深将增加，焊缝宽度变窄。但过低的电弧电压会导致焊丝插入熔池。
图2.16 电弧电压与焊缝形状的关系
2.5.3．焊接速度
当其它条件不变时，合适的焊接速度可以使焊缝熔深取得最大值。
当焊接速度降低时，单位长度上填充金属的熔敷量增加。焊接速度如果过慢，电弧将主要作用在熔池上，使得熔深降低，焊缝增宽，而且容易产生烧穿和焊缝组织粗大等焊接缺陷。 在焊速较小时，电弧力的作用方向几乎是垂直向下的，随着焊接速度的提高，弧柱后倾有利熔池液态金属在电弧力作用下向尾部流动，使熔池底部暴露，因而有利于熔深的增加，当焊接速度提高到某一数值时焊缝熔深达到最大值。随后随着焊接速度的提高，每单位长度的母材金属从电弧得到的热量逐渐减少，焊缝的熔宽、熔深及余高都将减少。焊接速度过快会引起焊缝两侧咬边。
2.5.4极性
用“极性”这个术语来描述焊枪与直流电源的连接方法。当直流电源的正极与焊枪相连
时（DCEP），称为反极性；当直流电源的负极与焊枪相连时（DCEN），称为正极性。GMAW焊接方法一般使用反极性。因为这种连接方法电弧稳定，熔滴过渡平稳，飞溅少，焊缝成形美观，在较大的电流范围内都能获得较大的熔深。但在堆焊和补焊焊件时，则采用正极性比较合适。因为阴极发热量比较阳极大，焊丝的熔化系数大，约为反极性的1.6倍，金属熔敷效率高，可以提高生产率，由于熔深浅，对保证熔敷金属的性能有利。
2.5.5保护气体的成分及流量
保护气体的种类对焊缝成形有较大影响，如图2.17所示。各种保护气体的特点极其对电弧特性、焊接质量的影响将在下面各种焊接方法中介绍。
图2.17 保护气体的种类对焊缝成形的影响
气体流量的选择与焊接电流、焊接速度、焊丝干伸长以及作业环境等因素有关。一般细丝小规范时，气体流量的范围通常为5—15l/min，中等规范焊接时约为20l/min，粗丝大规范一般为25—50l/min。
2.5.6焊丝直径
焊丝直径对焊缝的熔深有较大影响。在相同的焊接规范下，随着焊接直径的减小，焊缝熔深增加。当焊丝干伸长度较大时，焊丝直径对焊丝的熔化速度也有影响，随着焊丝直径的变小，焊丝的熔化速度提高。
在选择焊接规范时，一般应根据板厚、坡口形状及焊接位置，选择焊丝直径，然后在确定焊接电流。表2.2为各种直径焊丝的适用范围。
表2.2 各种焊丝直径的适用范围 焊丝直径 （mm） 0.6 0.8 1.0 3070 50100 70120 短路过渡 焊接电流（A） 焊接电压（V） 1719 1821 1822 - - - 颗粒状过渡 焊接电流（A） 焊接电压（V） - - - 1.2 1.6 90150 140200 1923 2024 160400 200500 2538 2640
2.5.7焊丝的干伸长
如图2.18所示，焊丝的干伸长是导电嘴的末端到焊丝端部的距离。增加干伸长即增加焊丝的电阻。由于短路过渡焊接所采用的焊丝较细，焊丝干伸长产生的电阻热便成为不可忽略的因素。当其它规范不变时，随着干伸长的增加，焊丝的熔化速度提高，焊接电流和焊缝熔深都有减小的趋势。从保护气体效果看，该距离应尽量短，但由于飞溅容易堵塞喷嘴和难以观察熔池情况，所以还必须保持适当的高度为好。在小电流焊接时（短路过度），焊丝干伸长一般为6～15mm；大电流焊接时（其它过渡形式），该距离在15～25mm之内。总之该距离应随焊接姿势、电弧的稳定性和作业环境的不同进行调整。
图2.18 焊丝的干伸长
2.5.8焊枪的操作
焊枪的操作对焊缝的形状及熔深的影响较大。焊枪操作有两种方法：前进焊和后退焊。前进焊焊枪的指示方向与焊接方向相同，后退焊焊枪的指示方向与焊接方向相反。焊枪操作对焊缝熔宽和熔深的影响如图2.19（A）、（B）、（C）所示。
图2.19 焊枪操作对焊缝熔宽和熔深的影响
前进焊的特点：熔融金属向前流动，焊道宽、熔深小。
后退焊的特点：焊道窄、熔深大；易形成凸形焊缝；电弧稳定；飞溅少；在深坡口内熔渣较多时效果良好。
在焊接中，一般采用前进焊，这种方法不会使空气混入保护气体内，从而获得稳定的电弧，在焊接比较深的焊缝时，为了防止过多的飞溅，有时也采用后退焊。
焊枪的前进角保持在10～15°以内，为了使电弧有较强的硬直性，和增强在焊丝传送方向上的电弧力，如果焊枪过于倾斜的话，在焊枪前进方向上推动熔化金属的力就增大，从而使飞溅增多，出现熔化不好的结果。对于一些材料，如铝焊接时最好采用前进焊，对前面熔融金属有‘清洁’作用，提高润湿性，减少金属氧化物。
水平角焊缝焊接时，除了焊枪角度以外，还必须注意焊接的目标位置。在大电流情况下进行焊接时，如图2.20所示，焊枪与垂直板的夹角为35～45°，让焊枪在水平板上偏离1～3mm，否则，不仅会使焊缝成形恶化，还会造成垂直板侧的咬边现象。
图2.20 水平角焊缝中焊枪角度与目标位置
由于水平角焊缝限制焊脚尺寸在8～9mm之间，所以偏离目标位置的距离为2mm左右，但在利用短路过渡焊接小焊脚的角焊缝中，垂直板与水平板的交点就是目标位置。
2.5.9焊缝位置
喷射过渡一般用于平焊和横焊位置，脉冲喷射过渡可用于全位置的焊缝。在立焊和仰焊位置为了克服重力的作用，一般采用较细的焊丝，对于短路过渡和脉冲喷射过渡，直径小于
1.2mm的焊丝则较适合全位置焊接。薄板的立焊缝采用向下焊接可取得较好的效果。
工件倾斜时，焊缝成形可因焊接方向的不同而有明显的不同。当上坡焊时，熔池液态金属在重力和电弧力的作用下流向熔池尾部，电弧能深入地加热熔池底部的金属，使熔深和余高都增加。同时，熔池前部加热作用减弱，电弧斑点飘动范围减小，熔宽减小。上坡角度越大，影响也越显著。上坡角度（工件与水平面的夹角）大于6~12℃时，焊缝就会因余高过大，两侧出现咬边而明显恶化。
下坡焊时，情况与上述正好相反，即熔深和余高略有减少，而熔宽将略有增加。因此倾角小于6~8℃时可使焊缝表面成形得到改善，如果倾角过大，会导致未焊透和焊缝流溢等缺陷。两种焊接方法的对焊缝成形的影响如图2.21所示。
图2.21 上坡焊和下坡焊对焊缝成形的影响
2.6 MIG焊接方法
2.6.1MIG焊接方法的主要特征 1.电弧稳定、飞测少、焊缝外观漂亮。
图2.22 铝MIG焊接的焊缝外观
2.焊丝的熔化速度快、熔化深度大，熔敷效率高，与钨极氩弧焊相比，可大大提高生产效率，尤其适用于中等厚度和大厚度板材的焊接。 3.广泛用于铝材、不锈钢、铜合金、合金钢等金属的焊接
4.由于使用了惰性气体，所以能取得不混入杂质的良好的焊缝金属.。
MIG焊接方法的缺点是“有大风存在的地方不能使用”、“气体成本高”等， 这些缺点是气体保护焊接方法的通病，可采取防风对策，MIG焊接方法大多用于有色金属的焊接。
2.6.2MIG焊的熔滴过渡形式
表2.3 MIG焊接焊接时的过渡现象与所适用的作业关系 焊 机 型 号 200～500A 200～400A脉冲 0.9～1.2 0.9～016 短路过渡 焊丝直径(mm) 0.9～1.6 过渡 现 象 射流过渡或亚射流过渡 所适用的作业 用于中板、厚板焊接(向下、水平角焊接) 用于薄板、中板的全方位焊接 介于颗粒过渡和射流过渡用于薄板、中板的全方位焊接 之间的混合过渡 100～125A细丝 0．4～0．8
短路过渡 用于薄板全方位焊接 MIG焊中存在的熔滴过渡形式主要有滴状,短路和喷射过渡。滴状过渡使用的电流较小,
熔滴直径比焊丝直径大,飞溅较大,焊接过程不稳定,因此在生产中很少采用。短路过渡电弧电压较低,电弧功率比较小,通常仅用于薄板焊接。生产中用的最广泛了是喷射过渡。表2.3列举了MIG焊接时的过渡形式与所适应的作业的关系。
2.6.3MIG焊接材料
1.保护气体
主要有Ar、Ar+He、He、N2及Ar+H2，各种气体的适用范围及其特点如表2.4所示。
表2.4 不同材料焊接时的保护气体及其适用范围 被焊材料 铝及铝合金 保护气体 Ar Ar+He 混合比 26—90%He 附注 直流反接有阴极破碎作用 电弧温度高。适于焊接厚铝板，可增加熔深，减少气孔。随着He的比例增大，有一定飞溅 可增加热输入。适于射流电弧、脉冲电弧及短路电弧 板厚大于5—6mm时需预热 输入热量比纯Ar大可以减小预热温度 增大了输入热量，可降低或取消预热温度，但有飞溅及烟雾 输入热量比纯Ar大，但有一定的飞溅 焊接薄板 钛、锆及其合金 铜及其合金 Ar Ar+He Ar Ar+He N2 Ar+N2 Ar Ar Ar+He Ar+H2 Ar/He 75/25 Ar/He 50/50或30/70 Ar/N2 80/20 不锈钢及高强度钢 镍基合金 对于射流、脉冲及短路电弧均适用，是焊接镍基合金的主要气体 加15—20%He 增加热量输入 H26% 加H2有利于抑制CO气孔
2.焊丝
MIG焊丝化学成分通常应和母材的成分相近,但有些情况下,为了满意地进行焊接并获得满意的焊缝金属性能,需要采用与母材成分完全不同的焊丝,如焊接高强度铝合金和合金钢的焊丝在成分上通常完全不同于母材,其原因在于某些合金在焊缝金属中将产生不利了冶金反应,从而产生缺陷或显著降低焊缝金属性能。
MIG焊丝在使用前必须经过严格的化学或机械清理,清除表面的油脂。
2.6.4脉冲MIG焊接方法
2.6.4.1概述
理想的MIG焊接的熔滴过渡形式是射流过渡，但是这种过渡形式需要很大的电流，因而不适宜进行薄板的焊接，此外，短路过渡形式难以焊接铝、铜合金和特殊钢等金属材料，
这时使用“脉冲焊接法”是有效的。
在脉冲MIG焊接方法中，周期地流过大的脉冲电流(Ip)，利用该电流产生的夹紧力使熔滴部进行过渡，基值电流(IB)使 焊丝端部熔化,脉冲电流使熔滴脱离，如图2.23所示，脉冲焊接方法适用于薄板的焊接、特殊金属的焊接和全位置焊接等。
图2.23 脉冲电流波形与熔滴过渡
2.6.4.2脉冲MIG焊接方法(MIGP)的特点
MIGP的峰值电流及熔滴过渡是间歇而又可控的,与连续电流MIG焊相比,在工艺上具有如下特点:
1.具有较宽的电流调节范围
普通的射流过渡和短路过渡焊接,因受熔滴过渡形式的限制,它们所能采用的焊接电流范围都是有限的。而采用脉冲电流后,由于可在平均电流小于临界电流值的条件下获得射流过渡,因而同一种直径焊丝,随着脉冲效率的变化,能在高至几百安培,低至几十安培的电流范围内稳定地进行焊接。所以熔化极脉冲氩弧焊的工作电流范围包括了从短路过渡到射流过渡所有的电流区域,可用于射流过渡和短路过渡所能焊接的一切场合。既能焊接厚板,又能焊接薄板,焊接薄板时,熔透情况较短路过渡焊接好。与钨板氩弧焊焊接薄板相比,生产率高,变形小。 有意义的是可以用粗丝来焊接薄板,采用1.6mm焊丝,焊铝和不锈钢时,前者只要40A,后者只要90A就可以使电弧稳定燃烧,熔滴成细滴过渡。粗焊丝焊接薄板有如下优点:
对于铝等软质焊丝,粗丝送丝容易,且不偏摆,另外焊丝成本低。由于表面积与体积之比减少,
从而产生气孔的倾向减少。表一为脉冲氩弧焊焊接不同材料时,出现射流过渡的最小电流值。 2.有利于实现定位焊接
采用脉冲电流后,可用较小的平均电流进行焊接,因而溶池体积小,加上溶滴过渡和金属的加热是间歇性的,所以不发生淌流。
另外,在脉冲峰值电流作用下,熔滴的轴向性相当好,无论在什么位置都能使金属熔滴沿着电弧轴线向熔池过渡,焊缝成形好,飞溅损失小。 3.可有效地控制输入热量,改善接头性能
脉冲MIG焊,既可使母材得到较大的熔深,又可控制总的平均焊接电流在较低的水平,对于焊接高强钢以及铝合金等热敏感性材料非常有利,焊缝金属和近缝区金属过热都比较小,从而使焊接接头具有良好的韧性,并减少了产生裂纹的倾向。此外,脉冲电弧具有加强熔池搅拌作用,可以改善溶池冶金性能以及有助于消除气孔等。
2.6.5清除氧化物的作用
在MIG焊接中，当焊丝为阳极时，电弧的阴极点产生在母材表面残存的氧化物处，该阴极斑点的电流密度非常高，表面的氧化物可以被被简单除去。在焊丝的移动过程中不断地除去的氧化物，这就是清除氧化物的作用，该作用在焊接铝金属时，对除去表面比较厚的氧化物是非常重要的工序。
如图2.24所示，焊缝两边的白色部分是已清除氧化物的区域。
图2.24 铝合金的MIG焊接结果
在铝金属表面覆盖有熔点极高的厚氧化物层，靠电弧清除该氧化物层不够彻底时，必须在进行焊接前洗净被焊铝材的表面，例如用钢刷进行抛光研磨。
2.6.6MIG焊接电源
MIG焊接电源大致可分为直流电源和直流脉冲电源两种，各有所长，对应于不同的用途。
2.6.6.1直流电源
MIG焊接直流电源的静态特性有恒电压特性和恒电流特性两种，一般来说MIG焊接电源使用恒电压特性，当设定了焊接电流后，就以恒定的速度供给焊丝(定速供给)。 1.使用恒电压特性电源实现电弧的自适应控制
如图2.25所示，稳定的焊接状态为A0点， 对应交点K0电流I0，电弧长l0，假设由于焊枪的振动，电弧长度变长，于是移动到A1的状态，电弧长l0～l1，电弧的发生点移至k1，则电流减至I1，由于电流的减少，所以焊丝的熔化速度下降，而焊丝的供给速度为恒定的，所以电弧自动地返回稳定的A0状态， 相反，若移到A2状态电弧变短时，由于焊接电流增加，会自动地返回稳定状态A0。使用恒电压特性电源，实现了电弧的自适应控制，即使焊枪有振动，也能获得稳定的电弧。
图2.25 恒压特性与电弧特性
2.利用恒流特性的电源实现电弧的自适应控制
恒电流特性电源的外部特性如图2.26所示，即使输出电压有所变化，而焊接电流能保持恒定，电弧的发生点在电源的外部特性与电弧特性的交点处(图中的l0，l1，l2)，在恒电流特性电源中，不管电弧长度怎么变动，其焊接电流几乎不改变，因此这种电源的特点是能取得均匀的熔化深度，适宜在焊接时使用比较大的电流的厚板MIG焊接。
图2.26 恒电流特性与电弧特性
2.6.6.2直流脉冲电源
脉冲电源用于进行脉冲焊接，正如前面所述的那样，通过使用脉冲焊接电流，即使是小电流也能获得稳定的射流电弧，因此脉冲焊接适用于下述各方面： (1)焊接薄板(使用比较小的电流) (2)焊接特殊金属或不同种类的金属
(3)全方位焊接中、厚板金属，不用担心熔化深度不均匀
2.6.7利用逆变控制方式与模糊控制方式的脉冲MIG焊机的特点
脉冲MIG焊机，具有高质量和高性能的特点，特别适合焊接铝金属。 2.6.7.1波脉冲焊机的特点
波脉冲(wave pulse)法利用逆变原理高速控制输出电流，进行铝金属脉冲MIG焊接，图2.27表示波脉冲法的原理。
图2.27 波脉冲法的原理
利用波脉冲法能得到TIG焊接的波浪形鳞状焊缝外观，如图2.28所示。
图2.28 使用波脉冲法焊接的铝金属鳞片状焊缝外观
2.6.7.2.模糊控制逆变式脉冲MIG焊机的特点
利用模糊控制能简便地设定焊接条件，能监视焊接中的电弧状态，并自动地将其控制在最佳状态，能自动地调整输出电压以保持与输出电流相对应的最佳电弧长度。
图2.29表示“没有模糊控制”和“有模糊控制”的焊缝外观。
这种焊机能自动地监视由于焊接过程中母材的温度、清理作业和保护气体等变化引起的电弧状态，能自动控制该电弧状态经常保持最佳。
图2.30表示普通的MIG焊接和模糊控制焊接的熔深剖面，利用模糊控制能得到稳定而又均匀的熔深。
图2.30 模糊控制能得到稳定均匀的熔深
2.6.8常用金属材料的焊接
MIG焊接方法适用于铝、镁、不锈钢、铜与铜合金、镍、钛、铬合金、钼合金等金属的焊接，下面介绍常用的典型金属铝、不锈钢、铜在MIG焊接中的注意事项。
2.6.8.1铝及其合金的焊接
铝金属的焊接要比钢焊接要困难，这是由下述铝的性质所决定的。 熔化温度和热容量
铝的散热速度比钢要快四倍，所以局部加热很难，另外熔化温度低(约660℃)，所以熔化快； ①. 氧化膜
铝的表面有一层很薄、很密、熔点温度很高(2020℃)的氧化膜，该氧化膜妨碍与母材的融合，
因此在进行焊接前要进行清除氧化膜的作业(预处理)； ②. 吸气性
铝在熔化时容易吸收氧气等气体，这是焊缝产生气孔的原因，会降低焊缝的强度和耐腐蚀性；
③. 热胀冷缩
铝的膨胀系数约为钢材的两倍，凝固时容易产生裂纹； ④. 热量引起母材性质的改变
⑤. 由于焊接热量的影响，会降低与焊缝相邻接的母材的机械和冶金性能，热量越大,性能的降低程度或范围越显著。
上述内容是进行铝焊接时最基本的特征，因此施工时必须加以注意。
此外焊丝对焊接品质和焊缝的各种性质有很大的影响，因此与母材的组合是很重要的。焊丝表面的污垢、附着的水分也是焊缝缺陷(例如气孔)的原因，使用前后要注意处理和保管在干燥场所。
2.6.8.2不锈钢
不锈钢有奥氏体系列、铁素体系列、马氏体系列等，下面介绍其特性及焊接施工时的注意事项。
①. 马氏体系列(13Cr等)：有淬火硬化性质，容易产生裂纹，不好焊接，焊接时必须进行
充分的预热和后热处理
②. 铁素体系列(18Cr)：没有淬火硬化性质，高温时(475℃左右)会产生粒长大现象 ③. 奥氏体系列(18Cr—8Ni)：焊接性能比上两种要好，高温时会析出铬的碳化物，从而会
降低耐腐蚀性和机械强度。
不锈钢的热传导率是低碳钢的1/3～1/2，热膨胀率大，焊接时容易变形，因此在焊接时尽量少输入热量。另外，或使用夹具，或使用冷却板等都是好方法。
选择焊丝时，原则上是焊丝与母材具有相同的组成部分，但如果考虑焊缝的可焊性和使用性能时，不一定使用相同的成分，总之，选择焊丝的标准由可焊性和使用性能来决定。 MIG焊接不锈钢所使用的保护气体有：“Ar+O2”、“Ar+CO2”、“Ar+O2+CO2” ，使用纯Ar气体时，阴极斑点在母材表面漂移，影响电弧的稳定，焊缝成形也不好。
就保护气体的混合比例而言，当Ar+2～5%O2时能得到稳定的电弧，当Ar+5～10%CO2
时，由于焊缝金属中含碳量增加，最好不要用于超低碳型不锈钢(例如SUS304L)等要求焊接质量高的地方。
2.6.8.3铜与铜合金
1.铜
一般所谓的铜有脱氧铜、粗铜、无氧铜等，铜的传导率大约是低碳钢的2.5倍(表2.5)，由于能把电弧热量快速地扩散，使焊缝金属熔化时的流动性很差，产生融合不良。
表2.5 各种金属材料的物理性质比较
物 理 性 质 比重 熔点(℃) 比热(cal/g/℃) 膨胀系数(10-6/℃) 热传导率(cal/cm/s/℃)
在MIG焊接中，一般用来焊接板厚3mm以上的金属．对5～6mm板厚的金属必须进行预热，预热温度视母材材质而定，差别较大，大概在200～700℃左右，保持气体一般使用Ar气，但在厚板的焊接中使用Ar+He的混合气体能提高焊接效率，此外，粗铜中一般都含有氧气，所以在焊接时容易产生气孔，故在施工前要选好合适的焊丝，并进行清洗等前处理工序。 2.铜合金
铜合金有黄铜、青铜、铝青铜、镍青铜 、青铜等，铜合金的热传导率虽然比纯铜要小，但如果要焊接的部分的体积较大时，必须将其预热，由于锌蒸气的影响，黄铜的焊接性能不好，要用青铜焊丝，对于铍青铜要注意在焊接时会产生有毒气体，表2.6列举了焊接铜合金时如何选择焊丝。
表2.6 铜和铜合金的焊丝选择
铜 碳素钢 1 2 黄铜 1 2 铝青铜 1 2 2 3 硅青铜 1 3 1 2 3 硅青铜 1 2 2 3 3 按照AWS规格的焊丝标准 1„„ECu 2„„ECuA1～A2 黄铜 1 2 1 2 铜 1 低 碳 钢 7.8 1550 0.11 12 0.12 铝 2.7 660 0.22 24 0.37 铜 8.9 1080 0.09 16.5 0.94 铝青铜 2 2 3„„ECuSi～A
2.6.9典型的MIG焊接工艺参数
2.7 MAG焊接方法
2.7.1概述
MAG焊是采用在惰性气体中加入一定量的氧化性气体(活性气体)如Ar+CO2、Ar+O2、Ar+CO2+O2等,作为保护气体的一种熔化极气体保护电弧焊方法。可采用短路过渡、喷射过渡和脉冲喷射过渡进行焊接,可用于点焊、立焊、横焊和仰焊以及全位置焊等。尤其适用于碳钢、合金钢和不锈钢等黑色金属材料的焊接。
2.7.2氧化性混合气体的作用
1.提高熔滴过渡的稳定性
钢中的C在焊接过程中与O2或CO2反应生成较大量的CO，促使液体表现活泼地运动，这种运动也将促使电弧空间在较大的长度时方形成短路金属液柱，因此更容易使短路状态破坏立即转变为燃弧，因此对短路过渡电弧的稳定有利。同时加入氧化性气体后，有利于金属熔滴的细化,降低了射流过渡的临界电流。 2.稳定阴极班点,提高电弧燃烧的稳定性
用纯Ar来焊接不锈钢、碳钢等金属时，电弧阴极班点不稳定，产生所谓阴极飘移现象，加入O2或CO2后阴极飘移现象可被消除。
3.改善焊缝熔深形状及外观成形，消除焊接缺陷
用纯Ar焊接不锈钢、低碳钢及低合金钢时，液体金属的粘度及表面张力较大，易产生气孔。焊缝金属润湿性差，焊缝两侧容易形成咬肉等缺陷。由于阻极飘移现象，电弧根部不稳定，会引起焊缝熔深及焊缝成形不规则。另外，纯Ar做保护气体时，焊缝形状为蘑菇形(亦称指形)，这种熔深的根部往往容易产生气孔，对接焊时还容造成焊缝根部熔透不足的缺陷，采用氧化性气体,上述问题都能得到解决。
4.增大电弧热功率
在Ar中加入CO2和O2后，加剧了电弧区的氧化反应，氧化反应放出的这部分热量，可以使母材这部分熔深增加，焊丝的溶化系数提高。CO2气体在电弧中心分解对电弧有冷却作用，使电弧放电温度提高。另外在弧柱高温区分解时吸收了一定的热量在电弧的斑点附近时又重新释放出来。这种物理化学过程,对焊接熔池和焊丝起着一种增大输入热量的作用。因而提高了电弧的热功率，从而增加了母材的熔深和焊丝的熔化速度。
5.降低焊接成本
2.7.3常用氧化性气体及其适用的焊接材料
1.Ar+CO2
Ar+CO2混合气体分两种类型。一种为Ar+CO21～5%，用于焊接不锈钢等高合金钢及级别较高的高强度钢。另一种为Ar+CO220%，用于焊接低碳钢及低合金结构钢。焊接不锈钢时，O2的含量不应超过2%，否则焊缝表面氧化严重,接头质量下降。Ar+20%O2焊接碳素钢和低合金结构钢时，抗氮气孔性能比Ar+20%CO2及纯CO2好，焊缝缺口韧性较Ar+CO2气体焊接的焊缝稍有提高。 2.Ar+CO2
常用的配比为 Ar+CO220～30%，用来焊接低碳钢和低合金钢。用Ar+CO2混合气体焊接不锈钢时，CO2的比例不能通过5%。否则，焊缝金属有增碳的可能，从而降低接头的抗腐蚀性能。
3.Ar+CO2+O2
据试验，80%Ar+15%CO2+5%O2对于焊接低碳钢、低合金钢是最佳的。无论焊缝成形，接头质量以及金属熔滴过渡和电弧稳定性方面都非常满意。其焊缝断面形状如图所示，比较理想,熔深呈三角形焊接不锈钢及高强钢的常用气体为Ar+CO225%+O2%，但焊缝有增碳现象。
表2.7 常用氧化性混合气体的特点及应用范围
被焊材料 碳钢及低合金钢 保护气体 Ar+O2（1%—5%） Ar+O2（20%） Ar+CO2（20—30%） Ar+CO2（15%）+O2（5%） Ar+O2（1—2%） Ar+CO2（5%）+O2（·%） Ar+CO2（2%） 特点和应用范围 采用射流过渡，使熔滴细化，降低了射流过渡的临界电流值，提高了熔池的氧化性，提高抗N2气孔的能力，降低焊缝含H2量、含O2量及夹杂物，提高焊缝的塑性及抗冷裂的能力。用于焊缝要求较高的场合。 可采用各种过渡形式，飞溅小，电弧稳定，焊缝成型好，有一定的氧化性，克服了单一Ar保护时阴极漂移及金属粘稠的现象，改善蘑菇形熔深，焊缝力学性能优于纯Ar保护 可采用各种过渡形式可采用各种过渡形式，飞溅小，电弧稳定，焊缝成型好，有较好的焊接质量，焊缝断面形状及熔深理想。是焊接碳钢及低合金钢的最佳混合气体。 提高熔池的氧化性，降低焊缝金属含氢量，增大熔深，成型好，液体金属粘度及表面张力有所降低，不易产生气孔及咬边，克服阴极漂移现象。 提高了氧化性，熔深大，焊缝成型较好，但焊缝可能有少量增碳。 可简化焊前清理工作，电弧稳定，飞溅小抗气孔能力强，焊缝力学性能较高。 不锈钢及 高强度钢 铝极其合金
2.7.4常用的焊接规范
2.8 CO2焊接方法
2.8.1CO2电弧焊特点
1.焊接成本低，CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品,来源广、价格低。 2.生产率高，CO2电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝的熔化率高，熔敷速度快。 3.适用范围广，薄板、中厚板甚至厚板都能焊接，薄板焊接时变形小，并能进行全位置施焊。
4.抗锈能力强，焊缝含氢量低，抗裂性好。 5.焊后不需清渣。
6.由于是明弧，焊接过程中便于监视和控制。
2.8.2CO2电弧焊存在的主要问题及解决措施
2.8.2.1. 合金元素烧损问题
CO2电弧可以从两个方面使Fe及其它合金元素氧化。一种是与CO2直接作用: 如:
CO2FeFeOCO2CO2SiSiO22CO
CO2MnMnOCOCO2C2CO 另一种是和高温分解出的原子氧作用: FeOFeOSi2OSiO2
MnOMnOCOCO 第一种反应一般认为是在低于金属熔点温度下进行的，在金属氧化中不占主要地位。合金元素的氧化烧损主要是产生于第二种反应。反应产物MnO、SiO2成为熔渣浮于熔池表面。生成的CO2气体逸出到气中去，不会引起焊缝气孔。而FeO则熔入液态金属，并进一步和熔池及熔滴中的合金元素发生反应使其氧化。
在CO2电弧焊中，合金元素的烧损与合金元素与氧的亲合力成正比。Ni、Cr、Mo过渡系数最高，烧损最少。Si、Mn的过渡系数则较低，因为它们中的相当一部分要耗于熔池中的脱氧。Al、Ti、N2等元素的过渡系数更低，烧损比Si、Mn还要多。合金元素的烧损主要与电弧气氛的氧化性有关，因此必须在冶金上采取措施。目前，在焊丝设计中加入一定量的脱氧剂(如Al、Ti、Si、Mn等)，脱氧剂在完成脱氧任务之余，所剩余的量便作为合金元素留在焊缝中。
2.8.2.2. 气孔问题
CO2电弧焊，由于熔池凝固比较快，容易在焊缝中产生气孔。可能产生的气孔主要有：
CO气孔、H2气孔和N2气孔三种。
1.CO气孔
产生CO气孔的原因主要是熔池中的FeO和C反应 FeOCFeCO
这个反应在熔池中处于结晶温度时，进行得比较剧烈，由于这时熔池已开始凝固，CO气体不易逸出，于是在焊缝中形成气孔。 如果焊丝中有足够的脱氧元素Si和Mn，以及限制焊丝中的含碳量就可以抑制上述的氧化反应，有效地防止CO气孔的产生。 2.H2气孔
电弧区的氢主要来自焊丝、工件表面的油污、铁锈以及CO2气体中所含的水份。其中CO2气体中的水份常常是引起氢气孔的主要原因，所以焊前要适当清除工件和焊丝表面的油污和铁锈,另一方面尽可能使用含水分低的CO2气体。
3.N2气孔
焊缝中产生N2气孔的主要原因，是由于保护气层遭到破坏，大量空气浸入焊接区所造成的。保护气层失效的因素主要有：CO2气体流量过小，喷嘴被飞溅部分堵塞，喷嘴与工件的距离过大，电弧电压过高，以及焊接场地有侧向风等。因此在焊接过程中保证保护气层稳定可靠是防止N2气孔的关键。
2.8.2.3飞溅问题
CO2电弧焊产生飞溅的原因主要有:
1.熔入熔滴中的FeO与碳元素作用产生的CO气体，在电弧高温下急剧膨胀，使熔滴爆破而引起金属飞溅;
2.溶滴短路过渡后，当电弧再引燃时产生的对熔池的过大冲击力使液体金属溅出。 3.采用颗粒状过渡时,飞溅主要是由于熔滴非轴向过渡造成(电流不大时)，或由于熔滴瞬时短路而造成(大电流潜弧时)。
降低飞溅主要有工艺措施和冶金措施两个方面。工艺方面主要是采用尽量小的焊丝直径，合适的焊接电流与电压参数的匹配，和合适的短路电流上升速度,以及峰值短路电流。短路电流上升速度和峰值短路电流可以通过焊接回路串接的电感来调节。冶金方面主要是采用合适的焊丝和保护气体成分，适宜的焊丝和工件表面清理来减少因液体金属内部冶金反应生成的CO气体膨胀爆炸而造成的飞溅。
2.8.3CO2焊接的溶滴过渡形式
CO2焊的溶滴过渡形式主要有颗粒过渡、短路过渡和介于两者之间的混合过渡。 1.滴状过渡
当电弧电压较高，焊接电流较大时，常出现这种过渡形式CO2焊的颗粒状过渡是非轴向的。主要是由于CO2气体在高温下的分解和解离，对电弧产生的强烈的冷却作用，造成电弧和斑点面积收缩使电流密度提高，电弧的电场强度提高，并集中在溶滴的下部,熔滴将受到较大的斑点压力，迫使熔滴上挠，使熔滴不能轴向过渡，严重时电弧不稳定，产生飞溅随着电流的增加(1.2焊丝，电流大于300A时)，斑点面积增加，电弧收缩力由阻力变为推力，使熔滴细化，过渡频率也随之增加,飞溅较小，电弧较稳定，焊缝成形较好。 颗粒过渡电弧穿透力强，母材熔深大，适于中厚板的焊接。 2.短路过渡
当电弧电压较低，电流较小时，熔滴过渡为短路过渡形式。短路过渡电弧的燃烧、熄灭和溶滴过渡过程均很稳定，飞溅小，适于薄板的全位置焊接。
短路过渡焊接主要采用细焊丝，特别是0.6～1.2mm范围内的焊丝，随着焊丝直径增大，飞溅颗粒和飞溅数量都相应增大。
除短路过渡和颗粒过渡以外，还有一种介于二者之间的过渡形式，即混合过渡，熔滴过渡频率较低，颗粒较大，飞溅也较大，用于中等厚度板的焊接。
2.8.4焊接电源
2.8.4.1逆变控制方式和模糊控制方式的CO2/MAG焊机的特点 1.逆变控制CO2/MAG焊机的优点
逆变方式CO2/MAG焊机能快速地进行几KH到几10KH的控制，所以能大幅度地改进其性能，这是可控硅方式及其它控制方式所不能比拟的。具体说来有如下特长:
(1) 提高电弧的起弧性能 (2) 减少飞溅
(3) 能进行稳定的高速弧焊
2.模糊控制逆变方式CO2/MAG焊机的特长
模糊控制逆变方式CO2/MAG焊机除具有上面介绍的特长外，还有如下特长: (1) 能自动调整最佳电弧电压(电压模糊控制) (2) 能保持稳定的焊缝熔深(电流模糊控制)
(3) 能大幅度改进电弧的稳定性及焊缝外观(多种特性控制) 2.8.4.2直流电源
1.恒压特性电源的电弧自适应控制
CO2/MAG焊接方法不仅操作简单，而且能得到稳定的电弧，这是因为恒压特性电源有电弧长自适应控制作用，如图2.31所示。
假设在稳定的焊接状态S1，即焊接电流为200A，电弧长为3mm的状态下进行焊接，现在由于焊枪的振动等原因，电弧长度变短移动到S3状态。电弧长与电弧电压之间有一种比例关系(电弧越短，电弧电压就越低，反之电弧越长电压越高)，这时由于电弧长变短，于是电弧电压变低，变成20V，因为是恒压特性，电流就急速增加，由于不能改变焊丝大小和传送速度，所以在S3的状态下电流密度变高，焊丝的熔化速度变高，于是恢复到S1状态。相反，如果电弧变长，使处于S2状态时的电弧电压变成24V，于是焊接电流下降，而焊丝的送进速度为常数，所以焊丝的熔化速度下降，电弧就自动地回到S1状态处。上述就是恒压特性电源的电弧自适应控制。
图2.31 恒压特性电源的电弧自适应控制
2.8.5CO2焊接材料
2.8.5.1CO2气体
CO2气体是一种无色、无味的气体，在0℃和1 个大气压下，它的比重为1.9768g/L，为空气的1.5倍，所以焊接过程中能有效地将空气隔开。在常温下很稳定，在高温时CO2发生分解，其反应方程式为:CO2CO1O2283.24KJ，因此，在高温的焊接区域
2内，常常是三种气体(CO2、CO、O2)同时存在。
CO2由液态变成气态的沸点为-78℃，在0℃和1个标准大气压下，1公斤液态CO2可以变化成409升的气态CO2。容量为40公斤的标准钢瓶可以灌入25公斤的液态CO2。气瓶压力表上指示的压力值为钢瓶中的饱和压力，室温时20℃时，气体的饱和压力约57.2×105N/m2左右。
液态CO2中约可溶解0.05%(Wt%)的水，这些水在挥发成水汽后便混入CO2气体中一起进入焊接区，CO2气体纯度对焊缝的致密性和塑性有较大影响。随着CO2气体中水分增加，焊缝中含氢量增加，使焊缝的塑性降低。当焊缝质量要求较高时，要求CO2气体露点低于-40℃。为降低水分含量，在焊接气路系统中，需串联干燥器或预热器。有时在CO2气体中加入20～25%O2来焊接钢材，以获得较大的熔深和提高焊接速度。 对焊接用CO2气体纯度的要求，目前我国尚无国家标准，表2.8为日本焊接用CO2气体标准。
表2.8 日本工业标准K1106 一级 二级 CO2(容量%) 99.0%以上 99.5%以上 水分(重量%) — 0.05以下 氧含量 无氧 — 三级 99.5%以上 0.005以下 ※: 注明焊接用或符合JIS三级以上的气体可用于焊接。 2.8.5.2CO2焊丝
—
CO2/MAG焊接中使用的焊丝有实芯焊丝和药芯焊丝两大类, 如图2.32所示。
图2.32 焊丝种类
1.实芯焊丝
含有适量的脱氧剂的实心焊丝的特征如下:
小电流区域(短路过渡)
1.熔化深度较浅，适宜焊接薄板 2.容易进行全位置焊接和打底焊接 大电流区域(滴状过渡焊接)
1.电弧比较集中，熔化深度较深 2.焊接速度快，焊接效率高
缺点是飞溅多，与其他焊接方法相比焊缝外观较差。
常用国产焊丝牌号、化学成分和用途见表2.28。
表2.28 常用国产焊丝牌号、化学成分和用途
焊丝牌号 H10MnSi H08MnSi H08MnSiA H08Mn2SiA H04Mn2SiTiA H10MnSiMo H08Cr3Mn2MoA H0Cr18Ni9 H1Cr18Ni9 H1Cr18Ni9Nb C 0.14 0.10 0.10 0.10 0.14 0.14 0.10 0.06 0.14 0.09 Si 0.60-0.90 0.70-1.0 0.60-0.85 0.70-0.95 0.70-1.10 0.70-1.10 0.30-0.50 0.50-1.0 0.50-1.0 0.30-0.80 Mn 0.8-1.1 1.0-1.3 1.4-1.7 1.8-2.1 1.8-2.2 0.9-1.2 2.0-2.5 1.0-2.0 1.0-2.0 1.0-2.0 合金元素（%） Cr Ni 0.20 0.30 0.20 0.30 0.20 0.25 0.20 0.25 - - 0.20 0.30 2.5-3.0 - 18-20 8.0-10 18-20 8.0-10 18-20 9.0-11
用途 Mo - - - - Ti0.2-0.4 0.15-0.25 0.35-0.5 - - Nb1.2-1.5 S 0.030 0.030 0.030 0.030 0.025 0.030 0.030 0.020 0.020 0.020 P 0.040 0.040 0.035 0.035 0.025 0.040 0.030 0.030 0.030 0.030 焊接低碳钢和低合金钢 焊接低合金钢和低合金高强钢 焊接低合金高强钢 焊接贝氏体钢 焊接1Cr18Ni9Ti薄板 日本CO2焊丝的化学成份及熔敷金属的力学性能,见表3。
焊丝表面的清洁程度影响到焊缝金属中的含氢量，焊接合金钢或大厚度低碳钢时,应采用机械、化学或加热办法消除掉焊丝上的水份和污染杂物。
2.药芯焊丝
加焊料的焊丝称之为药芯焊丝[flux cored wire]，有时简称芯型焊丝，图2.33中的(b)是
典型的加焊料的焊丝例子，为了使电弧稳定，减少飞溅，改善焊缝的外观，有各种形状的加焊料的焊丝。
按焊料的成分对其进行分类，以氧化钛为主要成份的“焊剂类焊丝”和以金属粉为主要成分的“金属类焊丝”，各种焊丝的特征如下:
焊剂类焊丝的特征 1.气渣联合保护，电弧稳定性好，飞溅小，颗粒细小，焊缝外观漂亮。 2.焊接速度比实心焊丝快
金属类焊丝的特征
1.与其他焊丝比较，焊接速度最快 2.产生的飞溅少
3.焊接各种钢材的适应性强，通过调整焊剂的成分与比例可提供所需要的焊缝金属化学成分。
缺点：
1.焊丝制造过程复杂。
2.送丝较实芯焊丝困难，需要采用降低送丝压力的送丝机构。焊丝外表面容易锈蚀，焊剂易 潮湿。
表2.29表示各种实心焊丝与药芯焊丝的特性比较。
表2.29 实心焊丝与药芯焊丝的特性比较 焊丝种类 焊丝直径 标准电流范围(A) 作 业 性 能 实 心 焊 丝 大电流用 小电流用 1.2 1.6 1.2 220～350 250～550 80～220 药芯焊丝 焊剂类(用于全位置焊) 金属类 1.2 1.6 1.6 120～300 200～450 250～500 多 多 少 好 好 一般 好 好 一般 接*坦 接*坦 稍凸 少 少 少 好 好 一般 很深 很深 深 稍大 稍大 稍大 一般 能 不能 一般 一般 好 30～110 (25) 85～90 一般 一般 好 45～140 (25) 好 好 好 75～180 (25) 熔渣量 极少 极少 极少 脱渣性 不好 不好 不好 焊缝外观 一般 一般 一般 焊缝形状 凸 凸 稍凸 飞溅量 稍多 稍多 少 电弧稳定性 一般 一般 一般 熔深 深 深 浅 噪音 一般 一般 稍小 全位置 不能 不能 一般 焊接 焊 耐冷裂性能 好 好 好 接 耐热裂性能 好 好 好， 性 X射线探伤 好 好 一般 效 熔敷速60～120 55～180 15～50 (25) (25) (20) 度 g/min(焊丝干伸长度) 率 熔敷效率(%) 90～95 90～95 95～98 注: 焊机使用直流恒电压特性的电源(极性:焊丝正极)
8.6典型的CO2焊接工艺
85～90 90～95 7熔化极气体保护焊常见缺陷及对策
熔化极气体保护焊焊接机器人
2. 焊接机器人的构成及各部分的功能
图2.1 焊接机器人构成
焊接机器人由下列各部分构成,如图2.1所示。
(1) 操作机(机器人本体)
机器人本全指的是安装有焊枪进行实际作业的部分,其动作受安装在内部的伺服电机(S轴或6轴)的控制,机器人能拿得起的重(可搬重量)为3～40kg,视机器人的型号而定,此外,在机器人本体上还附加有焊枪、焊丝供给装置、气体电磁线等,机器人在自动运行时,焊枪在同一位置的重复精度为0.1mm。
表2.1 列了各种型号操作机的规格
型 号 V10S V10S V20S V40S G01S W01S 机器人S 机器人H 可搬重量 6kg 10kg 20kg 40kg 3kg 3kg 3kg 3kg 手臂的动作范围 2.25m2×340° 3.25m2×340° 2.96m2×340° 3.41m2×300° 0.64m2×260° 1.01m2×280° 0.84m2×270° 1.00m×230° 2本体重量 160kg 260kg 290kg 500kg 130kg 155kg 19kg 45kg (2) 控制器(控制装置)
控制器是机器人的头脑和记忆装置,所记忆的示教数据控制输入输出信号和各种接口,动力输入为3相200V(3～7KW),一个控制器最多能控制15个轴,记忆容约8000点,主要控制器如表2.2所示。
表2.2 控制器与操作机
控 制 器 OSACOM 6800 OSACOM CUPER8700 OSACOM OSACOM 机器人 Almega Vol,Gol Almega Vols,Gols,V10s,V20s,V40s,WolS Almcga EV,EG 机器人S、机器人H 操 作 机 (3) 示教盒
示教盒与控制器相连接,进行示教作业时,通过示教盒用手动操作操作机以输入自动运行时所需全部轨迹和作业条件,机器人通过操作这个示教盒能进行包括焊接条件在内的全部操作。
(4) 操作盒
操作盒是选择自动运行方式后使用的设备,有紧急停机按钮和暂停按钮,伺服上电按钮等,在使用多台工作站进行多个作业的自动运行时增加起动盒,可以预约或取消下一个起动功能。
(5) 焊机
当原封不动地使用CO2焊接的半自动焊机时,必须有焊机与机器人控制器间的信号交换的中介接口盒。最近,大多数焊机内部安装有:具有机器人焊接特性的专用接口,关于焊接的接口盒,具体信号的情况在下一章进行说明。
(6) 焊丝供给装置
将半自动焊机的一部分加以改进用于机器人上,在进行CO2焊接和MAG焊接时,气体电磁阀安装在其内,焊丝供给装置中的滚轮容易产生从焊丝掉下来的粉末,防碍焊丝的传磅,因此必须加以定期的维护。
(7) 焊枪
对于不同的机器人型号使用直型焊枪和弯曲焊枪,机器人所用焊枪的特点是:
机器人焊枪内部安装有防碰传感器,当焊枪与工作或夹具发生冲突时使机器人停止工作,避免损坏机器人本体。
为了便于进行示教作业,应把气体喷嘴设计得短一点,和从外部能看见焊丝的导电嘴。
为了使向焊丝供电能够稳定,焊丝导电嘴的孔径应比半自动焊接的导电嘴的孔径要小一点。
根据使用目的的不同,有时使用水冷式焊枪和风冷焊枪。
以上所述是弧焊机器人的构成,有时为了以任意可达的姿态焊接工件增加外设的变位机,为了能焊接大型工件,增加导轨机构等组合件,如图2.2所示,这样能大幅度地提高机器人的作业效率,当变位机或导轨机构与焊接机器人同时工作时,必须对机器人与外部轴进行协调控制,机器人使用同步运动控制软件能进行这种协调控制。
图2.2 与变位机或滑板机构的同步运动
3. 焊接施工的基本知识
为了取得良好的焊接结果,必须了解关于影响焊接施
工的各种因素:
3.1 焊接电流
焊接电流是影响焊缝熔深的最大因素。
调整焊接电流也就是改变焊丝的传送速度,普通的CO2和MAG焊机有恒电压特性,焊丝的传送速度是一定的。例如∮1.2焊丝在350A时的传送速度约为12m/min。
表3.1列举了不同直径的焊丝的可能使用的电流范围。
表3.1 不同的焊丝直径的焊接电流范围 焊丝直径 最小电流 最大电流 50A 150A 0.8mm 60A 200A 0.9mm 60A 250A 1.0mm 70A 350A 1.2mm 120A 450A 1.4mm 180A 550A 1.6mm 加大焊接电流时
(1) 熔化深度增加(向母材传入的热量增大)。 (2) 对薄板而言,容易熔穿。
(3) 焊丝的熔化量增加(几乎与电流成正比)。 焊脚增加
容易形成焊瘤,如图3.1所示
由于不同的焊接姿势咬边,如图3.2所示
图3.1 焊缝焊瘤 图3.2 焊缝咬边
(4) 如果电流加大,电压值也应调整到相应的值。
仅仅加大电流,会使焊丝处于插状态,飞溅物就会增多。 与电流值相对应有一个最佳的电压条件范围。
(5) 示教时应使焊丝干伸长度过些
电流增大时,飞溅物也增多,而且飞溅物容易附着在喷嘴上。 电流越大,电弧越强,热量对喷嘴的影响也越大。 关于标准电流与焊丝干伸长度的关系请参阅3.5节。
3.2 电弧电压
所谓电弧电压几乎与电弧长度的含义相同,电弧电压增大电弧变长,电弧电压减少电弧则变短。
电弧电压增大时 (1) 电弧变长 (2) 焊缝变宽 (3) 容易形成焊瘤 (4) 容易产生气孔
(5) 飞溅物减少但飞溅物的颗粒变大
图3.3 电弧电压增大时 图3.4 电弧电压减少时
3.3 焊接速度
作为示教数据输入的焊接速度是焊枪末端移动速度,尽管在焊接过程中焊枪角度发生变化,焊枪末端还是以所输入的一定速度进行移动。
如果提高焊接速度时:
(1) 熔敷量减少,为了获得一定的焊着量应提高焊接电流。 (2) 每单位长度的输入热量减少,焊道宽度减少和熔深也减少。
(3) 焊接的节拍时间加快。 (4) 容易产生咬边 (速度慢时容易发生焊瘤)
(5) 保护气体的作用下降,这时或增大
气体喷嘴直径或增加气体流量。
(6) 把最佳的电弧电压适当减少 例:MAG焊接,使用∮1.2焊丝时
250A,60cm/min时,为22V 250A,120cm/min时,为20V
3.4 焊枪角度
基本作用前进法进行焊接 用前进法焊接的特点
(1) 焊缝变宽 (2) 熔化深度较浅
(3) 能发挥保护气体的作用
用后退法焊接的特点
(1) 容易产生凸形焊接 (2) 熔化深度较深
如图3.5和3.6所示,对于焊接的前进方向焊丝末端的电弧或产生于熔化金属之上,或直接熔化母材(工件),这就能理解由于焊枪角度的影响改变了熔化深度和焊缝形状。
3.5 焊丝干伸长度
根据气体的保护性,飞溅物在喷嘴处的附着情况和不同的焊接电流来设定焊丝的干伸长度。
机器人的运算插补原点通常处于离焊丝导电嘴15mm处,所以原点位置改动为比15mm要大时,必须要改变系统参数。
(1) 如果忽视这种调整,如果在示教时让焊枪角度改变,那么就不能描绘出正常的直
线或圆弧轨迹。
(2) 在设定系统参数的焊枪长度时,必须反映到所有的示教数据中去。
焊丝的干伸长度过长时。
(1) 焊机上的电压计出现偏移,电流减少,这是因为由于焊丝伸出部分的阻抗发热使
电压降加大,导致电流减少。
(2) 与相同的电流时的情况比较,焊丝的熔化量增加。
(3) 气体的保护作用下降,这是因为喷嘴与母材之间的距离变大。
图3.7 焊丝的干伸长度
表3.2 示教时焊丝干伸长度的参考值
电流 干伸长度 130A以下 7～10mm 180A 12mm 250A 15mm 250A以上 20mm 3.6 模摆焊接
为了得到比较宽的焊缝,或焊接间隙比较大的工件时,有效的主法是进行摆动焊接。 利用机器人进行摆动焊接时,可直接用数字输入摆动振幅、频率、中央或两端的停止
时间等条件,也可选择摆动图案、非常方便。 摆动焊拉接非常有规则,并能取得漂亮的焊缝外观。 表3.3列举了部分摆动焊接的例子
表3.3 摆动条件例子(其1:没有停止的摆动)
速度 cm/min 25 30 30 40 45 电流 A 90 180 260 100 120 振幅 mm 3.0 5.0 4.0 4.0 2.0 频率 Hz 1.5 1.0 1.5 3.0 3.0 速度 cm/min 50 50 60 75 80 电流 A 90 200 150 170 210 振幅 mm 3.0 4.0 3.0 2.0 3.0 频率 Hz 3.0 3.0 5.0 5.0 9.0 决定摆动条件时的注意事项
(1) 焊接速度加快时,摆动频率也必须加快。 (2) 摆动频率也影响焊接电流和振幅。 (3) 遇到下列情况,摆动中必须输入两端停止。
a. 焊接速度比较慢时(例如:30cm/min以下时) b. 熔敷量较多时(电流大或速度慢) c. 走向上焊接第二层摆动时
(4) 为了取得宽幅焊缝,不仅要加大摆动振幅,而且要输入两端停止时间。
输入两端停止时间的摆动条件例子如表3.4所示。
表3.4 摆动条件例子(其2:有停止时间的摆动)
焊接姿势 向下 向下 立向上 立向上 电流 A 240 290 150 180 电压 V 27 32 20 22 速度 cm/m 20 20 8 7 频率 mm 8 12 12 18 周波数 Hz 1.0 0.5 0.4 0.4 两端停止 中央停止 sec sec 0.5 0.0 1.0 0.5 1.0 0.0 0.8 0.5 注:速度是不含停止时间的在前进方向上的速度。
3.7 保护气体和流量
(1) 用于一般钢材焊接的CO2和MAG方法的特点如表3.5所示。
项 目 纯度与构成 价 格 电弧电压 飞 溅 熔化深度 气 瓶 表3.5 CO2气体与MAG气体的比较
CO2气体 MAG气体 99.5%以上的 80%Ar＋20%CO2 便 宜 稍 贵 比MAG方法高1～2V 比CO2焊接低1～2V 一 般 少 深 稍 浅 液 态 高压压缩气 在用CO2焊接方法焊接薄板的过程中如果产生裂纹可以改用MAG气体保护焊
接方法,并把电压降低1～2V更为有效。
如果要获得漂亮外观的焊缝,最好采用MAG焊接方法。
(2) 在MAG焊接中改变气体混合比后的特性如图3.9所示。
(3) 在MAG焊接中的高电流区域,是一种熔滴射流过渡形式,熔化是指状,熔化深度也很
深。
但是,在角焊和边缘焊时,保护气体在
表3.6 气体流量的参考值(升/分)
焊接处不集中,并容易扩散,因此气体
电流 130A以下 180A 250A 250A以下 流量应是表3.6中所列的120～150%。 12 15 18 20 气体流量
图3.9 Ar+CO2混合气体中的焊滴过渡状态 图3.10 喷射过渡
4. 机器人与焊机的连接
为了充分发挥焊机的功能和机器人的作用,必须了解机器人与焊机之间都在进行哪些信号交互。
使用机器人专用焊接电源时,接口盒是安装在其内部的,所以机器人与焊机的连接是很简单的,如果不是这样的话,则在连接进要有接口盒。
4.1 焊接的时序
利用机器人的指令进行焊接时,有关的时序如下图所示。
图4.1 焊接时序
参考:
机器人专用焊接电流
CPVAS-350(Almega autoⅡ 350) CPVAS-500(Almega autoⅡ 350) CPDA-350(Almega fuzzy auto 350)
4.2 与焊接接口的连接
E5624型焊接电源接口
图4.2 E5624型焊接电源接口例子
4.3 从机器人的输出
(1) 电流值设定信号
这是一个从机器人送往焊机的焊接电流指令值,相当于半自动焊时的遥控盒的电流调整按钮,通过示教盒输入的电流值在控制装置(接口)内被变换,向焊机输出,焊机一般以直流电压的0V～＋15V作为最大输出,所以机器人输出信号是DC 0V～＋15V的模拟信号,由于示教盒输入的值是实际的焊接电流值,所以必须预先设定焊机的型号和焊丝直径等条件,具体的设定方法由下一章进行介绍。此外,这个端子也是在焊丝点动时或后退时向传送电机输出指令电压的端子。
(2) 电压值设定信号
与电流值设定方法相同,通过这个端子从机器人向焊机传送电弧电压指令,相当于半自动焊接时遥控盒的电压调整按钮,从机器人输出的这个信号也是DC 0V～＋15V的模拟信号,焊接机器人有自动电压设定功能,只要输出电流值就能方便地显示电压值,为了得到和输入示教盒的电压值相同的电弧电压,必须预先设定焊机的型号等条件,将在下一章进行介绍。
(3) 焊丝点动开关
这是利用示教盒进行焊丝的点动和后退操作时所输出的信号,通过设定用户参数值,可设定低速和高速两种点动速度,关于点动和后退信号的流向是这样的,通过示教盒输入的信号通过控制装置传送给图4.2所示的E5624型接口,进行点动时,CR22和CR23开始动作起动焊机的焊丝传送 电机(在机器人本体上),进行后退操作时,CR22和CR23开始动作把输入电机的电压 ,完成后退功能,点动和后退的速度可通过调整用户参数设定的电机速度来进行。
(4) 焊接起动信号
这是在自动运行正在示教“AS”(Arc Start:电弧起动)的起动信号,该信号与半自动焊机的焊枪开关信号起相同的作用,在焊接区间作为从机器人来的信号一直被保持着,所以必须使焊机面板的自我保持开关(焊口的有与无)设置在没有自我保持(no crater)的位置上,在图4.2的接口盒中CR21是起动指令。
除了上述四个信号以外,当使用机器人专用焊接电源(Almega auto或Alega fuzzy:CPVAS, CPDA)时,从机器人出来的紧急停机信号向焊机输出,这是为了在机器人控制装置一侧进行紧急停车,或者让焊机也一起强制停机。
此外,从控制装置向机器人本体输出焊线供给电机信号和气体电磁阀信号、气体电磁阀信号从接口盒直接向机器人本体上的气体电磁阀输出DC 24V电压,如上一页的图那样,向焊机供给电机的信号,首先通过从机器人来的电流值指令信号线向焊机输入,由焊机内部的电源和调速机(gevernor)产生用于焊丝供给电机的电压,把这个电压再次送往接口盒,用继电器切换焊丝的前进或后退,然后该信号再向位于机器人本体上的焊供给电机输出。
4.4 向机器人的输入
(1) 电流继电器(WCR:Welding Current Rdlay)
如果在自动运行中在焊接开始位置发生电弧的话,那么在焊机内部的电流检测就开始工作,检测继电器处于ON的位置,其中一个接点向机器(接口盒)输入,机器人就接受该信号以焊接速度进行工作。总之,该输入信号是产生电弧之后让机器人开始工作的信号。因此,如果该信号发生断线或继电器有故障,信号没有返回机器人时,则:
机器人一旦在焊接开始位置发生电弧时,就显示用参数设定的“弧焊开始不良检测时间”,再接着显示“焊接故障”。
反之,如果该信号发生短路故障,则:
机器人来到焊接开始位置时马上以焊接速度开始动作,在焊接开始处产生烧穿现象,或缺少焊丝,或焊丝堵在电极处而机器人在没有焊接的情况下继续前进。
(2) 电压检测线
把焊机的输出端子的＋极和－极接在机器人焊接接口的电压检测端子上,目的是检测焊丝与被焊金属之间的电压,或检测是否有短路现象,如果在焊接结束点处焊丝粘在母材上,就能让机器人暂进停机,因此电压检测线又称之为粘结检测线,在连接电压检测线时,一定要注意不要接错＋极和－极。
(3) 电源故障输入端子
该端子平常是用短路线进行短路的,是不使用的端子,但在自动运动中该端子处于“开”的状态,那么在示教盒上就显示“焊接电源故障”,从而使机器人暂停工作。
有时候该端子设立的目的是为其他设备用的,例如确认焊机冷却风扇的工作状态或检测焊机的温度上升状,在正常“闭”的状态向该端子输入上述确认或检测信号。
5. 焊接特性数据的内容及改变方法
记录在机器人上的焊接特性数据如果不正确时,那么在示教时所示教的电流和电压与实际的焊接电流和电弧电压不一致,这些数据可以变更,调整和重新编写。
5.1 编制特性数据的方法
焊接特性数据大致有两个作用,其一是在示教时输入电流时,电压值就自动选择最佳值。其二是示教的电流和电压值能产生实际的电弧,焊接特性数据的编制方法如下:
(1) 决定焊机种类、焊丝尺寸、气体种类。 (2) 在稳定焊接时读取电流和电压值。
(3) 测定这时焊机的指令值(为了得到焊接电压和电流的输入电压)。 (4) 把这些数据编成五种。
(5) 作为焊接特性数据输入机器人。 编制结果如表5.1所示的例子 电源:CPVAS-350(S-2) 焊丝:1.2 气体:MAG
表5.1 焊接特性数据例子
电流设定值(A) 100 150 200 250 350 电流指令值(V) 1.0 2.0 3.4 5.5 8.4 电压设定值(V) 16.0 16.5 19.5 23.0 28.5 电压指令值(V) 6.1 6.3 7.9 9.7 12.3 表5.1的含义如下:
(1) 例如用示教盒输出150A时,则自动显示最佳电压值为16.5V。
(2) 这时机器人输入焊机的电流指令值为2.0V,电压指令值为6.3V,实际如果进行自动焊
接时,是进行150A/16.5V的稳定焊接。
(3) 该表没有列举的值(例如125A),可通过机器人控制装置的计算机计算最佳电压值和
指令值。
注意:上述编制成功的特性数据是在实验室的平板上进行垂直下焊的模型焊接结
果,所以在焊接实际工件时会有误差。因此所输入的特性数据,只能作为示教时的参考资料,当需要详细正确值时,请参阅下面将要介绍的“变更方法和重新编制的方法”。
5.2 改变特性数据的方法
由于焊接电缆的长度、焊丝材料、焊丝的干伸长度、焊机特性的变动以及其他各种原因,所以示教的值与实际电流和电压值是不同的,焊机仪表指示值之差在10%以内的话,可以认为在仪表(2.5级精度)的误差范围之内,如果误差大于此范围,则要对特性数据进行更改和修正。 更改特性数据有两种方法:
(1) 利用5.1节的方法编制新的特性数据,并将其输入机器人中去,如果此时不是接受实际工件的焊接状态进行焊接(焊丝的种类、干伸长度、电缆的长度和保护气体等),就会在自动运行时产生误差。此外,如果使用的焊接条件被限定在某个电流范围内时,那么在这范围内决定5种电流值,对其分别加以测量能提高精度,这种方法必须使用直流电压计对电压加以测量,比较麻烦,下面的方法比较简便。 (2) 将已经编制成的特性数据作部分更改的方法
使用已编制成功的特性数据进行焊接,把这时示教盒上的值与焊机仪表的显示值记录下来,计算两者的比率,然后从已有的特性数据中仅改动比率的部分就可以了,例如使用上一页的表5.1所列的特性数据,假设示教值为150A,而焊机显示100A,则仪表显示值低(!50-100)/100=0.5倍,所以可将特性数据的电流指令值从2.0V增至 3.0V,或将电流设定值从150A改为100A就能得到近似值。
5.3 编制与存贮新的数据
在与已编制的特性数据不同的环境下(例如使用通用焊接电源和使用没有记录的焊丝直径等)进行焊接时,必须重新编制特性数据。如果不用正确的特性数据时,那么示教的焊接条件设定值与实际的焊接条件不一致,重新编制特性数据的方法可按5.1节的顺序进行,此时应尽量在与实际的焊接状态相同的状态下编制五种数据。
向示教盒输入的方法,以及操作方法请参照使用说明书(操作篇)
6. 具体焊接示教作业的注意事项
根据不同的焊接姿势、材料、板厚等各种条件,焊接技术有其特有的决窍,在让机器人进行自动焊接之前,必须充分理解人用手焊接的技术及方法,下面介绍其中的一部分。
6.1 焊接薄板时的注意事项
薄板一般指板厚为0.8～4.0mm的金属板,焊接此类薄板时的最大特点是:
容易烧穿 容易变形
焊接时对这两点必须特别加以注意,一般来说,使用80A～150A的短路焊接方法,在这个电流区域中产生的飞溅少(特别是在MAG焊接中),并能取得漂亮的焊缝外观,焊接时几乎都采用窄焊道,不采用摆动焊,如非要采用摆动焊时,频率要高(3～10HZ),振幅要小,由于电流较小,产生的飞溅也少,所以焊接过程中喷嘴与母材间的示教距离要短(7～12mm),使用机器人焊接薄板时,关键是要求工件具有很高的精度,稍为有点间隙即容易烧穿,再加上是小电流和窄小的摆幅,所以很易使焊缝歪斜。
实际焊接时的注意事项及关键之处如下:
(1) MAG焊接方法比CO2焊接方法在焊接薄板时要好,不易烧穿,使用MAG焊接方法,
飞溅少,焊缝外观漂亮,而且电弧电压要CO2比焊接方法低。
(2) 使用下行法焊接使熔化深度较浅所以适合薄板的焊接,这种方法还能使焊缝外观平
滑漂亮,焊接速度也快,不仅在90度垂直方向上而且在60度或45度方向上也能使熔人深度浅,取得很好的效果,但要注意太过倾斜时虽然焊缝漂亮,但熔化深度较小,会造成焊接缺陷,如果用机器人控制的转位机进行同步运动时能以最佳姿势对所有的焊接位进行焊接。
(3) 为了避免把母材烧穿,有效的办法是用衬板(铜垫等),但衬板与母材必须贴紧,有间隙
的地方容易烧穿。
(4) 有焊接短的焊缝时(10～40mm)容易烧穿,所以应预先点焊2～3点,然后开始焊缝的
焊接。
(5) 对薄板或有间隙的工件来说,有效的方法是断续脉冲(Stitch pulse)焊接法,该方法有
如下特点:电弧的发生是间 性的(点焊),机器人的动作与电弧同步也是间 式的。因此能控制焊接时的输入热和冷却时间,由于输入母材的热量被压缩到最低限度,所以很适合用于薄板或有间隙的工件的焊接,其焊接参数为: 焊接电流:点焊焊接电流 焊接电压:点焊焊接电流 焊接速度:点焊移动速度 点焊时间:发生电弧的时间
冷却时间:点焊后到移动为止的等待时间 移动间隙:点之间的移动距离
该方法的缺点是:
生产节拍时间过长。
由于电弧的产生和停止很频繁,所以飞溅很多。
(6) 把焊丝设置为负极性
一般都是焊丝设置为正极性(＋),但把焊丝设置为负极性(－)可以减少传到母材的热量,能有效地防止把工作烧穿。
此外,防止薄板的焊接变形,有如下方法:
进行高速度焊接。 使用铜垫衬板。
使用接触面积大的铜板放在工件夹具上以加快焊接后的冷却速度。 改变焊接顺序(跳焊法、对称法、后退法)。
6.2 焊接不同板厚时的注意事项
把厚板与薄板焊接在一起时有如下特点:
薄板很容易熔化 薄板一侧容易变形
因此,在焊接时要注意下列事项:
示教时把焊丝对准厚板,如右图所示 板厚差别越大时,越要对准厚板 板厚差别比较大时,电弧不熔化薄板,
通过厚板的池、熔化情况进行示教。
图6.1 不同板厚时的对准位置
6.3 角焊缝焊接
焊接T型缝、搭接缝、十字型接缝等的接合部称之为角焊缝,水平角焊缝与船形角焊缝时有不同的焊接姿势。另外,又把焊接搭接缝称之为搭接角焊缝,水平角焊缝的最大等焊脚为7～8mm,若要取得比这要大的焊脚时,可进行摆动焊或多层焊。
图6.2 水平填角焊接 图6.3 向下填角焊接
在不同板厚的角焊缝中,若垂直板为薄板时,由于薄板极易熔化,所以焊丝要对准厚的法兰板一侧。
7. 机器人焊接夹具的制造
机器人是以0.1mm的重复再现精度自动运行的,所以固定工件的夹具不牢固的话是得不到好的焊接结果的,本章介绍制造机器人夹具时的要点。
7.1 设计机器人夹具时的基本条件
利用机器人进行焊接时,不是利用人的五官感觉来进行的,而是机器人重复同一轨迹自动运行进行焊接的,所以设计机器人夹具时要确认如下几点。 (1) 明确用机器人进行焊接的各种要求
最终目标是什么?
对自动化的要求及其规模? 提高多少生产效率及其生产节拍?
提高质量的关键在哪里?工件的精确定位是否可能?
(2) 工件本身的精度是否高?
必须使定位误差小于焊丝直径的一半。
(3) 工件焊接部位有无定位基准?
在参照定位基准的基础上设置工件。
(4) 机器人是以示教再现方式进行工件时,不能象操作人员那样根据不同情况随机应
变。
(5) 机器人的动作区域是有限制的,在动作区域内焊枪的角度也有限制,所以存在不能进
行焊接的部位。
(6) 在焊接过程中会产生焊道歪斜和飞溅,所以夹具要有一定的强度,要采取遮挡飞溅或
减少飞溅的对策。
(7) 焊接结束后,必须有“取下工件,安装下一个工件”的工序。
(8) 机器人的动作既高速又危险,设计时必须对安全给予足够的重视,应参照劳动安全法
和劳动安全守则进行设计。
7.2 在设计机器人夹具前的准备工作
(1) 收集关于工件的信息
材质、板厚、表面处理、重量和有关图纸等。 前一道工序的制造工艺。 生产量等情况。
(2) 了解目前的施工方法
有否半自动焊接的夹具,改造后能否用作机器人夹具? 有什么焊接条件?
(3) 过去有无相同的加工例子供参考?
调查类似的工件
(4) 预算规模有多大?
7.3 制造夹具时的注意事项
(1) 决定把工件固定,或让其旋转,或移动机器人。
(2) 选择最稳定的固定工件的方法,选择最佳姿势焊接工件。 (3) 关于夹具的设计
有的工件需要定位焊,有的则不需要,其夹紧方法各不相同。
夹紧的方法有手动直接夹紧,通过切换阀的手动夹紧和电控夹紧等,可根据成本、使用目标和规模加以选择。 夹具安装在靠近焊接部位。
若采用手动夹紧方法要考虑其大小和操作的灵活性,以方便操作人员使用。 要考虑焊接时产生的飞油对夹具的影响,据此来决定夹具的位置。
(4) 如果同一个工件需要焊接多处,应该统一定位基准。 (5) 要考虑工件的装入、取出、工具的传送。
(6) 夹具所用的零件最好使用市面容易买得以到的标准品。
(7) 如在一个工件台上进行多品种生产时,可考虑在工作台人工更换夹具,因为自动切换
方法精度低,动作不稳定,故障多。
(8) 机器人与工作台最好共用一个台基,这样易于搬运安装,又不改动机器人与夹具间的
相对关系。
(9) 应采取足够的防止飞溅的措施
可动部分会附着上飞溅吗? 飞溅会影响定位基准吗?
飞溅过多,积累起来会影响机器人和夹具的动作吗? 周围环境有无可燃物品?
(10) 应考虑能方便地对夹具进行维修
在有定位基准的时候,维修时间要短。 保持一定数量的零件备品。 定期清扫飞溅等残渣。
用户最熟悉关于工件的加工方法 灵活应用用户积累的经验来制造夹具
夹具的结构越简单越好
8. 焊接故障及对策
机器人进行焊接时,焊接故障会使机器人停止工作,大多数的故障都是很容易排除的,现列举如下:
8.1 起弧故障
现 象 电机不转) 旋转) 原因及检查要点 焊机的故障灯亮 传送滚轮空转 导电嘴堵塞 导管堵塞 2.点动时不起弧 焊机的电压表指示针振动 在起弧点没有空载电压 母材表面绝缘 是否接通 安装焊丝 把焊丝安放在滚轮槽内 更换导电嘴 更换导管 被焊金属方法的电缆断线 动力线断线 焊机故障 清除被焊金属表面的矿石、涂料、锈等杂物 3.电弧出来一点马上停 连接错误(WCR检测线) 止 运送焊丝时负荷过大 焊接特性数据,设定出错 重复连接 清扫或更换导管、导电嘴、或轻轻转动电机 选择与电源、焊丝直径相符的特性数据 换成最佳数据 对 策 检查焊机的开关 1.焊丝不动(传送焊丝的 焊机的开关没接通 (传送焊丝的电机正在 没有焊丝了 8.2 焊接过程的故障
现 象 就不稳定) 原因及检查要点 气体流量是否适当? 焊接特性的设定是否有错? 对 策 焊丝正极,母材负极 一般的气体流量为10～20L/ min 选择符合电源和焊丝直径的特性数据 换成最佳数据 (偶而不稳定) 焊丝的传送阻力太大 周围环境是否有风? 焊丝和母材是否不干净? 有电流时是否发热? 供电不稳定 清扫导管或更换导管 更换导电嘴 轻轻转动焊丝滚轮 采取防风屏等措施 清理母材,换成新的焊丝 拧紧电缆接头 更换动力电缆 更换导电嘴 2.示教值与仪表指示值 焊接特性数据的设定错误 不一致 焊丝干伸长度是否过短或过长 选择符合电源和焊丝直径的特性数据 换成最佳数据 以标准长度(约15mm)进行示教 3.在焊丝供给装置中焊 焊丝供给装置或导管处与负极 检查绝缘状态,并采取必要措施 丝热熔断 母材发生短路 1.电弧不稳定(从一开始 极性是否接对了? 8.3 焊接缺陷及对策
现 象 1.产生气孔 原因及检查要点 气体流量是否适当? 气体流量计冻结? 是否有风在吹? 工件表面是否不干净? 软管及连接处是否漏气? 喷嘴与母材之间的距离过大 是否是镀锌钢板? 2.焊接时容易 焊接电流过高 工件有缝隙 用CO2焊接方法 焊枪角是后退角 能改变焊接姿势吗? 对 策 通常15～20L/ min,应有所增加 流量计应安装加热器 采取防风对策 清理工件 用肥皂水检查或更换软管 在示教时让工件靠近喷嘴 使用镀锌焊丝 调整到适当值 改进上一道工序,使工件消除间隙达到所要求的精度 试采用摆动焊 试改用MAG焊接方法 改用前进角 下行焊接 9. 焊接机器人的安全事项
机器人是一种非常有用的工业生产设备,但是由于机器人的动作快、力气大,不小心对其进行就会造成灾害,本章介绍机器人的安全事项。
9.1 机器人特有的危险性
机器人特有的危险性
与其他的工业机械相比较,机器人下述各种危险性。
(1) 机器人的机构与控制原理非常复杂,操作人员必须具备足够的知识,否则会出现误操
作,成为不安全的因素。
(2) 操作机能在上下、左右、前后等三维空间内进行高速运动,有时对其动作不能预测。 (3) 在控制装置中使用许式精密的IC零件,如受外部干扰,则会产生误动作,这样动作是
不能进行预测的。
(4) 进行示教作业时,操作人员必须进入机器人的可动区域内进行作业,这就有可能受到
操作机误动作的威胁。
因此,作为机器人生产工厂的操作人员和机器人用户的操作人员必须注意安全,生产工厂的操作人员„„必须遵守“安全机器人”(日本工业标准:JIS-B-8433用户的操作人员„„必须遵守劳动安全规则,接受机器人安全操作的专门教育,在现场设置安全护栏,和其他注意事项。
9.2 劳动安全规则
使用工业机器人的操作人员必须遵守劳动安全规则,其内容如下:
(1) 使用和维护工业机器人的操作人员,必须接受劳动安全规则的专门教育,JIS-8-8433
第36条31、32项。
(2) 在机器人的动作范围以外,设置安全护栏,以避免在机器人自动运行时不能接触机器
人(JIS-B-8433第150条之4项)。
(3) 制定操作方法等作业规程,在发生故障时必须使机器人停止工作(JIS-B-8433第150
条之3)。
(4) 在开始作业前必须检查机器人(JIS-B-8433第151条)。
表9.1 接受工业机器人安全专门教育的课时
讲 授 内 容 关于工业机器人的知识 关于工业机器人的示教(检查)等的知识 国家有关法规 工业机器人操作方法 工业机器人的示教(检查)等的操作方法 合 计 示教人员 2课时 4课时 1课时 1课时 2课时 10课时 检查与修理人员 4课时 4课时 1课时 1课时 3课时 13课时 9.3 自动运行中的安全事项
自动运行的机器人移动速度为100°/秒～430°/秒,是非常快的,所以如果在自动运行时,操作人员接触操作机,那么后果是严重的,因此在劳动安全规划中规定,使用机器人时必须设置安全护栏,操作人员不得进入机器人的运动范围之内,此外,处于自动运行状态的机器人,即使停止工作,也绝对不要靠近它,因为不知道什么条件会触发它又高速地运动,表9.2表示处于停止状态的机器人再起动的可能性。
表9.2 机器人从停止到起动的可能性
1 2 3 4 5 停 止 状 态 暂停(保持)状态 等待外部输入的状态 示教条件下的停止(定时器等) 一周期结束后的停止 其他故障等原因的停止 起 动 的 可 能 性 如有再起动信号的话就动作 如有输入信号的话就动作 满足条件的话就动作 有下一起动信号时就动作 下一个动作不明确
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容