第二章 熔化极气体保护焊
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。
第二节 熔化极气体保护焊的分类及特点
一、熔化极气体保护焊的分类
1、按保护气体分类
保护气体是气体保护焊中影响最大的因素之一。根据保护气体的不同，熔化极气体保护焊又分以下几类：
1）MIG焊（熔化极惰性气体保护电弧焊）
利用Ar 、He或Ar+He等惰性气体为保护气体的焊接方法称熔化极惰性气体保护电弧焊，简称MTG（Metal Insert Gas Welding）焊。
2）MAG焊（熔化极活性气体保护电弧焊）
在氩中加入少量氧化性气体（O2、 CO2或其混合气体）混合而成的气体作为保护气体的焊接方法称为熔化极活性气体保护电弧焊，简称简称MAG焊（Metal Active Gas Welding）。该法常用于低碳钢等黑色金属的焊接，一般情况下，该活性气体中O2为2%5% CO2为5%20%，其作用是能提高电弧稳定性和改善焊缝成形。
3）CO2气体保护焊
采用纯CO2气体或CO2 +O2混合气体作为保护气体的焊接方法称为CO2气体保护焊，常简称CO2焊。由于焊法成本低和效率高，现已成为黑色金属的主要焊接方法之一。
熔化极气体保护焊常用混合气体的特点及应用范围如表3-1所示。
表3-1 低碳钢熔化极气体保护焊常用气体的特点及应用范围
保护气体 化学性质 特点及应用范围
Ar+(15%)O2或Ar+（1020%）O2 氧化性 用于射流过渡及脉冲射滴过渡，降低射流过渡临界电流值，电弧稳定，焊道成形良好，有效防止氮气孔及氢气孔，可提高焊缝的塑性及抗冷裂能力，咬边小，焊接速度高，用于对焊缝性能要求较高的场合。
Ar+15%CO2+5%O2 氧化性 可采用各种过渡形式，飞溅小，电弧稳定，成形好，有良好的焊接质量，焊缝断面形状及熔深理想。该成分的气体是焊接低碳钢的最佳混合气体。
Ar+(2030%)CO2 氧化性 可采用各种过渡形式，比纯CO2保护飞溅小，电弧燃烧稳定，焊缝成形较好，焊缝力学性能优于纯氩作保护气体时的焊缝
熔化极活性气体保护焊（Metal Active Gas Arc Welding ）（MAG焊）
熔化极活性气体保护焊一般采用在氩气中加入少量的氧化性气体（CO2、O2或其他混合气体）的混合气体作为保护气体进行焊接的一种熔化极气体保护焊方法。
1、熔化极活性气体保护焊的原理及特点
原理与熔化极氩弧焊相同。
特点：除了具有一般气体保护焊的特点外，与纯氩弧焊、纯CO2焊相比还具有以下特点：
（1）与纯氩气保护焊相比
①熔池、熔滴温度比纯氩弧焊高，电流密度大， 因此熔深大，焊缝厚度大，焊丝熔化速度快，熔敷效率高，有利于提高焊接生产率。
②具有一定氧化性，克服了纯氩保护时表面张力大、液态金属粘稠、易咬边及斑点漂移等问题。同时改善了焊缝成形，由纯氩的指状（蘑菇）熔深成形改变为深圆弧状成形，接头的力学性能好。
③ CO2气体较便宜，降低了焊接成本低，但CO2的加入提高了产生喷射过渡的临界电流，引起熔滴和熔池金属的氧化及合金元素的烧损
（2）与纯CO2气体保护焊相比
①电弧温度高，易形成喷射过渡，故电弧稳定性好，飞溅少，熔敷系数高，节省焊材，生产效率高。
②由于大部分为惰性的氩气，熔池保护效果好，焊缝金属不易形成气孔，力学性能高。
③焊缝成形好，焊缝平缓，波纹细密，均匀美观，成本较CO2焊高。
2、熔化极活性气体保护焊常用混合气体及应用
（1）Ar+O2
Ar+O2可用于碳钢、低合金钢、不锈钢等高合金钢和高强钢的焊接。
焊接不锈钢等高合金钢和高强钢时，O2含量控制在(1%～5%)；
焊接碳钢、低合金钢时，O2含量可达20%。
为什么加入O2：
①克服阴极斑点漂移，降低射流过渡的临界电流值，有利于熔滴的细化；
②焊接不锈钢时，加入微量的O2对接头的抗腐蚀性无显著影响；当O2超过2%时，焊缝表面氧化严重，接头质量下降。
③因为焊缝金属的冲击韧性不取决于保护气体的氧化性，而取决于焊缝金属的含氧量，加入适量的O2，虽然气体的氧化性提高，但焊缝金属中的含氧量和杂质减少，因此焊缝金属的冲击韧性有所提高；
CO2（二氧化碳）气体保护焊的原理、特点及应用
CO2气体保护焊是一种以CO2作为保护气体的熔化极电弧焊，简称CO2焊。CO2气体密度较大，巨受电弧加热后体积膨胀较大，所以隔离空气、保护熔池的效果较好，但CO2是一种氧化性较强的气体，在焊接过程中会使合金元素烧损，产生气孔和金属飞溅，故需用脱氧能力较强的焊丝或添加焊剂来保证焊接接头的冶金质量。
CO2焊按焊丝可分为细丝（直径小于1.6mm）、粗丝（直径大于1.6mm）和药芯焊丝CO2焊三种。按操作方法可分为半机械化和机械化CO2焊两种。
1、CO2焊的原理
CO2气体保护焊是采用CO2作为保护气体，使焊接区和金属熔池不受外界空气的侵入，依靠焊丝和工件间产生的电弧热来熔化金属的一种熔化极气体保护焊，焊丝由送丝机构通过软管经导电嘴送出，而CO2气体从喷嘴内以一定的流量喷出，这样当焊丝与焊件接触引燃电弧后，连续送给的焊丝末端和熔池被CO2气流所保护，防止了空气对熔化金属的危害作用，从而保证获得高质量的焊缝。CO2气体保护焊焊接原理如下图所示。
▲CO2气体保护焊焊接原理 1—焊丝 2—喷嘴 3—电弧 4—CO2气流
5—熔池 6—焊缝 7—焊件
2、CO2焊的特点
（1）CO2焊的优点
与其他电弧焊比较，CO2焊的优点如下：
①焊接熔池与大气隔绝，对油、锈敏感性较低，可以减少焊件及焊丝的清理工作。电弧可见性良好，便于对中，操作方便，易于掌握熔池熔化和焊缝成形。
①电弧在气流的压缩下使热量集中，工件受热面积小，热影响区窄，加上CO2气体的冷却作用，因而焊件变形和残余应力较小，特别适用于薄板的焊接。
①电弧的穿透能力强，熔深较大，对接焊件可减少焊接层数。对厚10mm左右的钢板可以开①形坡口一次焊透，角焊缝的焊脚尺寸也可以相应地减小。
①焊后无焊接熔渣，所以在多层焊时就无需中间清渣。焊丝自动送进，容易实现机械化操作，短路过渡技术可用于全位置及其他空间焊缝的焊接，生产率高。
