气体保护焊焊接方法对焊接工艺的影响

李重达

摘 要：短路过渡焊接由于具有电流小、电压低的焊接特点，使得短路过渡焊接的范围较小，焊接产生的光、热辐射较小，操作难度较低，易于与薄板焊接等方式进行全方位焊接，因而在生产生活中得到了广泛应用。为了进一步提升焊接的质量水平，在考虑焊缝金属的化学成分、焊接接头的组织和性能、焊接应力与变形时，还要保证焊接接头没有缺陷，这些与焊接方法和焊接工艺是否合理有密切关系。各种焊接方法有各自的特点，因此，焊接时应根据应用范围进行合理选用。另外，每种焊接方法随着不同的焊接工艺，也明显地影响焊接质量。

关键词：气体保护焊 气孔 飞溅 熔池 工艺参数

中图分类号：TG444 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0051-02

气体保护焊时，为了提升焊接流程的稳定性，通常情况下会使用短路过渡以及细颗粒过渡两种方式作为熔滴过渡的主要形式。

在进行短路过渡焊接的过程中，将焊接回路中的电弧电压、焊接电流、送丝速度、焊接回路电感、焊接速度、气体流量和焊丝伸出长度以及电源极性等作为主要的技术参数进行设置。焊接回路中的电弧电压和焊接电流，短路过渡由于自身功能要求，呈现出低电压的特性。但是如果电弧电压的数值过低，增加焊接引燃难度，就造成了焊接流程的不稳定。如果焊接回路中出现电弧电压过高的情况，使得熔滴过渡发生改变，由短路过渡转变为大颗粒的长弧过渡，也同样造成了焊接过程的不稳定。为了保证焊接流程的稳定性，焊丝直径、电弧电压与焊接电流要根据实际要求，进行科学设置，使得三者能够协调起来，保证焊接质量。

1 气孔问题

在气体保护焊时，由于氧化作用，会在熔池中产生气体，由于气体又具有冷却功能，一方面熔池在快速凝固的情况下，在焊缝之中容易产生较多气孔。一般使用焊丝作为技术手段，减少焊缝中气孔的产生几率。这是因为焊丝之中含有足够的脱氧元素，能够高效地防止焊缝气孔的产生。另一方面熔池在高温条件下，会有大量氧气渗入进来，在焊缝凝结的过程中氧气不能够完全逸出，残留的氧气在焊缝中形成气孔。

气体保护焊电弧区中的氢元素主要来自两个部分：一部分是焊接过程中所使用的焊丝以及工件表面的油污及铁锈内含有氢元素；另一部分是气体中含有一定的水分。为了消除氢气的影响，一方面在进行焊接操作之前，相关工作人员要对焊丝和工件表面的油污与铁锈进行清除；另一方面焊接过程中应选用水分含量较低的气体。通过降低熔池中氢元素的含量，不但可以有效消除氢气孔，还能够有效提高焊缝金属的塑性，提升焊接效果。

目前国内焊接用气主要来自酿造厂、制糖厂及化工厂的副产品，含水分较高且不稳定。为了获得优质焊缝，焊前对瓶装气体要进行处理，其方法是将气瓶倒置1～2 h，然后打开阀门，排出沉积在瓶底的水，每隔30 min排水一次，先后2～3次，放水后仍将瓶正置，再打开阀门放气2～3 min，排出瓶内上部的空气，另外在气路系统中放置干燥器，以除去气中的水分。干燥器内一般放置硅胶或脱水硫酸等吸水剂。

当瓶内气体压力降到980kPa时，不能继续使用。这是因为瓶内气体压力降到980kPa以下时，气体所含水分将增加到3倍左右。当焊接对水分比较敏感的金属，瓶内气压为14kPa7时，就不宜再用。

根据上述情况，焊接区存在着氧化性气体，使得氧的分压增加，造成自由状态之下的氢被氧化，形成不溶于金属的水蒸气和羟基，从而降低了氢气对焊接活动的消极影响。

氢气的氧化性导致气体孔和飞溅的产生，但在制约氢的危害方面又是有益的，所以与埋弧焊和氢弧焊相比，气体保护焊对铁锈、水分的敏感性较小。

进行气体保护焊的过程中，氮气的来源主要有两个：一是空气之中的氮气进入焊接区；二是焊接气体纯度不高。相关实验表明，短路过渡时气中加入3%的氮（按体积），在射流过渡时气中加入4%的氮（按体积）仍不会引起气孔。在一般情况下，气中含氮量最多不超过1%（按体积），可以看出气纯度不高造成氮气孔的可能性较低。从实际情况来看，焊接过程中，焊缝内的氮气孔产生主要是因为保护气流遭到破坏，使得大量空气进入焊接区造成的。

保护气流受到损坏的主要原因是多方面的，例如气体流量过低、喷嘴受到堵塞、喷嘴与工件间距设置不合理，以及焊接场地有侧向风等。

因此可以看出，对于气体保护焊，在采用含有脱氧剂的焊丝焊接低碳钢与低合金钢时，焊接之前，需要对焊丝以及被焊工件表面存在的油污、铁锈等杂质进行清理，当气中的水分在比较低的情况下，焊缝金属中产生的气孔主要是氮气孔，所以在焊接过程中要保证保护气流的稳定，能够有效防止金属焊接缝中气孔的出现。

另外，焊接工艺方面的因素例如焊接回路中的电弧电压、焊接人员的工作速度、电源极性等，也会造成气孔产生。焊接回路中电弧电压如果升高，就会增加空气进入焊接区的几率，熔池中含氮量增加，即使不出现气孔，也会导致焊缝金属塑性的下降。焊接速度主要影响熔池的结晶速度。反极性焊接对消除气孔有利。

2 飞溅问题

飞溅是气体保护焊的主要特点，气体保护焊时，应采取措施，尽可能地使飞溅最小。当前减少飞溅的主要措施有以下几个方面。

2.1 从冶金方面着手

即使用飞溅率较低的焊丝，在实芯焊丝的选择过程中，在保持焊丝机械性的前提之下，要尽可能地降低焊丝的含碳量，并在其中加入一定量的钛、铝等元素。通过这种方式在颗粒过渡或短路过渡操作的过程中，都可显著减少飞溅，采用药芯焊丝，药芯焊丝的飞溅约为实芯焊丝的2倍。

2.2 合理选用工艺参数

焊接电流、电弧电压、焊丝伸出长度以及焊枪角度等，都会影响飞溅的大小。

（1）焊接电流与电弧电压：气体保护焊时，对于每种直径焊丝，当电流区内的电流较小时，飞溅率较小；而当电流区内的电流较大时，飞溅率也相对较小；当其处于中间区飞溅率达到最大。例如直径为1.2 mm的焊丝，当电流区内的电流小于150 A或大于300 A时，飞溅率相对较低，而当电流处于150～300 A的范围内，飞溅率增加。因此，焊接电流在选用的过程中，应尽量避开飞溅率较高的电流区间。

（2）焊丝伸出长度：飞溅的大小与焊丝伸出长度也有关系，如：1.2 mm焊丝，电流280 A时，焊丝伸出长度从20 mm增至30 mm，飞溅量约增加5%，因而焊丝伸出长度应尽量缩短。

（3）焊枪角度：焊枪前倾或者后倾，最好不超过20°，这是因为，焊枪垂直时飞溅量最小，倾斜角度越大，飞溅越多。

颗粒过渡焊接时在气筒中加入氧气。尽管通过合理选用规范参数，以及采用钱弧方法等，来降低飞溅率，但飞溅量仍较大。在气筒中加入一定数量的氧气，是减少颗粒过渡焊接时飞溅的有效措施。在氧气加入后，随着氧气比例增加，飞溅逐渐减小，变化最显著的是颗粒直径大于0.8 mm时的飞溅，对于小于0.8 mm的细颗粒飞溅影响不大。

混合气体除减小飞溅外，气含量对焊缝成形也有影响，随加入气量的增多，焊缝熔深减小，熔宽加大，余高减小。此外，采用混合气体焊接时，焊缝金属低温韧性值，也比纯气焊接时焊缝金属低温韧性值高。

短路过渡焊接时，在短路过程的最后阶段，由于短路电流的急剧增大，致使液桥金属被迅速地加热并热量集中，导致液桥爆断而产生飞溅。目前减少飞溅的方法有以下几种。

（1）在焊接回路中串入电感、电阻，或增大电源变压器的阻抗。为控制引起飞溅的能量，一般在焊接回路中串入电感、电阻，或增大电源变压器的阻抗，或是这几种方法的综合运用，来限制短路电流增长速度及峰值电流。特别是平硬（或缓降）外特性电源加点抗器，当前应用仍很普遍。这种方法的特点是：设备简单，但电抗器体积大，且调节精度及范围都受一定的局限。

（2）电流切换法：每个熔滴过渡过程中，在液桥颈缩到临界尺寸之前，是允许短路电流自然增大，从而保证其电磁压缩力的有利作用。当颈缩尺寸达到临界尺寸后，便立即进行电流切换，将电流迅速从高值切换到低值，以使液桥颈缩处在小电流下爆断。试验证明，将电流从400 A降到30 A，飞溅率可降低到2%～3%。

（3）电流波形控制法：通过控制输出电流波形，使金属液桥在低的电流上升速度和低的短路峰值电流下爆断，从而减少飞溅。液桥爆断，电弧再引燃后，立即提高燃弧电流，甚至此时施加电流脉冲，经一段时间燃弧电流再从高值过渡到稳定值，这样可增加燃弧期间母材输入热量，以达到增加熔深和改善焊缝成形的目的。

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