CO2焊接工艺及设备.doc

1、CO2焊接工艺及设备（二）20 仰焊工艺有何特殊性？如何正确地操作焊枪和选择焊接参数？由于仰焊时人处在一种不自然的位置，难以稳定操作。同时操作还要举起较重的焊枪和电缆线，增加了操作的难度。另外，仰焊时熔池铁液容易下垂，很容易形成凸形焊道，严重时引起铁液流淌，因此，应严格控制焊接参数，才能得到良好的焊缝成形。1）、单道仰焊薄板往往采用单 面焊，为了能够焊透，工件应留 1.41.6mm 的间隙。使用细焊丝 （直径0.81.2mm）进行短 路过渡焊接,焊接电流为 120130A,电 弧电压为1819V。操作焊枪时应对 准坡口中心，焊枪角度如图 28 所示，类似于右焊法。这时应以直线式或小幅摆动，靠电

2、弧力和表面张力的作用保持熔池。焊速过慢时，熔池金属下垂，焊道表面出现凹凸不平，严重时熔池金属流失。所以焊接时应时刻留心熔池的状态，及时调节焊接速度和摆动方式。焊枪倾角过大时将造成凸形焊道和咬边。2）、多层仰焊当工件较厚时，需 要采用多层焊。当无垫板时第一层焊道类 似于单面焊。当有垫板时，工件之间应留 有一定的间隙，电流可以略大些，但仍为 短路过渡。这时焊接电流为 130140A，电 弧电压为 1920V。操作时焊枪应对准 坡口中心，焊枪应保持如图 29 所示的角度， 以右焊法匀速移动。这时必须注意垫板与坡口根部应充分熔透，不应出现凸形焊道。为此应该采用小幅摆动，并在焊道两侧少许停留，以便得到表

3、面平坦的焊道，为此后的填充焊道创造良好的条件。第 2 层和第 3 层焊道都以均匀摆动焊枪的形式进行焊接，但在前一处与坡口面的交界处应做短时停留，以便保证该处充分熔透并防止产生咬边。这时所用的焊接参数为焊接电流120130A，电弧电压为 1819V。第 4 层以后，由于焊缝宽 度太大，则摆幅太大时易产生未焊透和气孔。所以最好 采用如图 30 所示的熔敷方法，也就是从第 4 层以后，每 层焊两条焊道。在这两条焊道中第 1 条焊道不宜过宽， 否则将造成焊道下垂和给第 2 道留下的坡口太窄，易使 第 2 道形成未焊透和凸形焊道。所以第 1 条焊道略过中心，而第 2 条焊道应与第 1 条焊道搭接上。盖面

4、焊道为修饰焊道，应力求美观。为此首先应确保盖面焊道的前一层焊道表面平坦，并使该焊道距工件表面 12mm 左右。盖面焊道也采用两条焊道完成。焊这两条焊道时，电弧坡口两侧应少许停留，防止产生咬边和余高不足。在焊接第 2 条焊道时应注意与第 1 条焊道均匀搭接，防止产生焊道的高度和宽度不规整。这时使用的焊接参数较小，焊接电流为120130A，电弧电压为 1819V。21 管子全位置焊接时应注意哪些问题？当水平固定管焊接时，管子不动，而焊枪绕管子旋转，这时将出现以下几种焊接位置：平焊、向下立焊、仰焊和向上立焊，所以称之为全位置焊。全位置焊时应保证在不同空间位置时熔池不流淌，焊缝成形、焊缝厚度均匀和充分

5、焊透而不烧穿，这时，应采用短路过渡小参数焊接，以获得较小的熔池。薄壁管时使用 0.81.0mm 的细焊丝，而厚壁管时一律采用直径 1.2mm 的焊丝。焊接电流为 80140A，电弧电压为 1822V。除采用全位置焊外，对薄壁管（3mm 以下）还可以采用向下焊，薄壁管可以不开坡口和不留根部间隙。而厚壁管则需要开坡口，并留 02mm 的根部间隙，进行向上多层焊。摆动方法可参照立焊。焊接参数如表 10 所示。表 10 全位置焊接管子的典型焊接参数I 形坡口 V 形坡口薄板 向下焊接：电流 80140A电压 1822V无间隙焊丝 0.91.2mm中厚板 向上焊接：电流 120160A电压 1923V根

6、部间隙 02.5mm焊丝 1.2mm要求单面焊双面成形第 1 层(向上焊接)电流 100140A电压 1822V根部间隙 02mm焊丝 1.2mm第 2 层以上(向上焊接)电流 120160A电压 1923V焊丝 1.2mm与普通的等速送丝相比，为什么脉动送丝可以降低飞溅？ 这种焊接方法与变动电流脉冲焊类似，但不是通过叠加电流脉冲的方式进行焊接，而是通过断续送丝的方法完成焊接过程。在断续送丝过程中，靠机械力的作用促进熔滴的过渡，从而减少了熔滴过渡对电流大小的要求。因此，降低了飞溅。脉动送丝焊接方 法熔滴过渡过程及送丝速度与时间的 关系如图 31 所示。基值送丝速度 min与 脉动送丝速度 ma

7、x，按一定规律变 化。在脉动送丝时间 tp内，经过增速 时间 ta后，送丝速度达到最大值 max，而在减速时间 tc之后又达到最 小值 min。图 31 还表明了焊丝端头的熔滴与送丝速度变化的关系。叠加送丝脉冲之前，熔滴处于相对静止的状态（图 31 中 1 所示）。随着脉动送丝的进行，熔滴质量中心的速度从近似正弦规律增加，最初熔滴运 动速度缓慢，其上作用着焊丝方向的惯性力， 该力可改变熔滴的形状（如图 31 中 2 所示）， 使熔滴变扁。当送丝速度达到最大时，熔滴也 受到加速度作用而重新恢复成球状（如图31 中 3 所示）。在 tc时间 内，当送丝速度降低时，熔滴受惯性作用加速 运动，使熔滴向

8、熔池方向移动，首先拉长熔滴 而后形成缩颈（如图31 中 4、5 所示），并把 熔滴从焊丝上接断。由于脉动送丝减速运动时 惯性力的作用，促进了熔滴过渡。因此脉动送丝焊接的最小电流比电流脉冲控制熔滴过渡的临界平均电流小10%20%左右。这种脉动送丝焊接，电弧电压较高时，可以实现无短路过渡的射滴过渡焊接，也可以实现脉动送丝与短路过渡同步的焊接过程。若参数合适，则短路过程规则，飞溅小，焊接过程稳定。它的典型电流电压波形如图 32 所示。23 CO2焊的工艺特点对焊接设备提出了怎样的要求？CO2焊接设备是为了实现 CO2焊接过程，体现 CO2焊接的工艺特点，因此，设备的组成及其电气性能和焊接工艺性能是由

9、 CO2焊接工艺参数特点决定的。CO2焊的主要工艺参数有焊接电流、焊接电压和焊接速度。在许多情况下仅保证这些工艺参数是不够的，还应注意到焊枪角度、焊枪指向位置、焊丝伸出长度和焊枪的摆动特点（包括摆动频率和摆动轨迹等）。不过在半自动焊中，焊接设备所能提供的参数只有焊接电流和电弧电压这两个主要工艺参数，其他参数均由操作者根据工艺要求来掌握。而自动焊时则不同，所有的工艺参数都是有设备来给定的。但对通用自动焊设备来说，主要控制的参数只有焊接电流、电弧电压和焊接速度。其他工艺参数根据不同的工艺要求，依靠调整设备来实现。工艺参数是由焊接设备提供的。为满足工艺要求，焊接设备应具有如下功能：1）能给定焊接工艺

10、参数，并能在要求的范围内连续调节。即焊接设备所输出的电流、电压的范围应能覆盖焊接工艺所要求的参数范围。2）能保证主要焊接工艺参数稳定。也就是当系统受到外界干扰时，能在不影响焊接质量的条件下，迅速恢复到给定的工艺参数。3）能保 证焊接过程按照规定程 序动作。例如：预送气、 引弧、焊接、收弧和滞 后停气等焊接时序。4）能提 供所需的稳定的 CO2气 体流量。5）如果 需要时，应能提供冷却 水和遥控装置。6）对 于短路过渡焊 接法还要求具 有良好的动特 性。24 CO2焊机的基本 组成是怎样的？CO2焊 机根据其自动 化程度、机型和外观的不同而具有较大差异。但其基本组成是相似的，由如下 7 个部分组

11、成（如图 33 和图 34 所示）：焊接电源；控制箱；送丝机；焊枪（对于自动焊为焊接小车）；遥控盒；CO 2气体减压表及流量计；冷却水循环装置（用于大电流焊接时冷却焊枪）。焊接电源一般为直流平外特性或缓降外特性，只有在粗丝 CO2焊时选用陡降外特性。控制箱中安装着主要的控制装置。其主要功能包括：控制电源的通断、调整焊接电流和电弧电压，控制送丝速度，供给与停送保护气体等。对于自动焊来说，还需要控制小车（或工件）的移动速度（即焊接速度）。当焊接电流超过 500A 时，焊枪需要水冷。所以还需要设置冷却水循环装置。在半自动焊的情况下，控制箱大都放置在电源箱内。而在自动焊的情况下，控制箱往往独立设置。送

12、丝机是驱动焊丝向焊枪输送的装置。它处在焊接电源与工件之间，但一般情况下更靠近工件，以减小送丝阻力，提高送丝稳定性。焊枪是输送焊丝、馈送电流和保护气体的操作器具。所以焊接电流、控制电缆、送丝软管、气管及冷却水管等都与它相连。CO2气体的压力和流量由减压表和流量计调节。如果 CO2气体流量较大时，还需要加热CO2气体的预热器，否则易使减压器冻结。调整焊接电流和电弧电压的旋钮，一种情况是安装在电源箱的面板上，另一种情况是安装在单独设置的遥控盒上。自动焊机则安装在小车上。CO2半自动焊时，沿焊缝移动焊枪是靠手工操作。而自动焊则不同，这时沿焊缝移动是靠焊接小车或工件移动（或转动）。只有那些特殊用途的自动

13、焊机（全位置焊、立焊或横焊等）的机头才具有较复杂的摆动机构。25 CO2焊机有几种送丝方式？它们各有什么特点？如何根据生产条件选择合适的送丝方式？根据焊丝直径以及施工要求，CO 2焊送丝机通常可分为如下 3 种形式：推丝式、拉丝式和推拉丝式。1）推丝式主要用于焊丝直径为 0.82mm 的情况,它是应用最广的一种送丝方式。其特点是焊枪结构简单轻便，适于操作。但焊丝需要较长的送丝软管才能进入焊枪。焊丝在软管中受到较大阻力，影响送丝稳定性。软管的刚性和长度等皆对阻力有影响，软管的刚性过大，送丝阻力可以减小，但操作不便；而软管刚性过小，送丝阻力过大，但操作灵活，所以软管刚性应适当。另外软管长度过长时，

14、阻力也大，所以软管长度也不应过长，一般软管长度为35m。2）拉丝式主要用于细焊丝（焊丝直径小于或等于 0.8mm）。因为细丝刚性小，难以推丝。这时送丝电动机与焊丝盘均安装在焊枪上。由于送丝力较小，所以常常选用 10W 左右的小电动机。同时焊丝盘容量大约为 0.7kg 左右。尽管如此，拉丝式焊枪仍然较重。可见拉丝式保证了送丝的稳定性，但由于焊枪较重，增加了焊工的劳动强度。3）推拉丝式送丝机可以增加焊工的工作范围，克服了使用推丝式焊枪操作范围小的缺点。这时送丝软管可以加长到 1020m 左右。除推丝机外，在焊枪上加装了拉丝机。这时推丝是主要动力，而拉丝机只是将焊丝拉直，以减小推丝阻力。推力与拉力必

15、须很好配合，通常拉丝速度应稍快于推丝。这种方式虽有一些优点，但由于结构复杂，调整麻烦，同时焊枪较重，因此作为半自动焊应用不多，主要用于自动焊。加长推丝式可以满足焊工在更大范围内工作的需要。这时送丝软管可以加长到 20m。主推丝机安装在焊机附近，而辅推丝机放置在焊接施工处，两者之间距离为 1020m，焊丝从辅推丝机送出后仍有 35m 的活动范围。这种方式不但可以加长送丝距离，还能减轻工人的劳动强度，深受用户欢迎。26 逆变式弧焊电源的基本原理是什么？利用逆变电源进行 CO2焊有何优越性？逆变式电源的原理方框图如图 35 所示。单相或三相 50Hz 的交流网路电压先经输入整流器整流和滤波，再通过大

16、功率开关电子元件的交替开关作用，变成 20kHz 左右的中频电压，后经中频变压器降至适合于焊接的几十伏电压，用输出整流器整流并经电抗器滤波，变为直流输出。在图 35 中 所示的框图中，逆变电 源的核心是由大功率开 关管和中频变压器组成的逆变电路。现以图 36 所示的全桥逆变电路说明其工作原理：当开关管 VT1和 VT4开通、VT 2和 VT3关断时，直流高压 U0经 VT1、C、L 和 VT4对变压器一次侧进行充电，变压器一次侧电压左正右负；当开关管 VT2和 VT3开通、VT 1和 VT4关断时，直流高压 U0经VT3、L、C 和 VT2对变压器一次侧进行充电，变压器一次侧电压右正左负。因此

17、，经过开关管 VT1、VT 4和 VT2、VT 3的 交替开通与关断，就把直流高压 U0变成加在 变压器一次侧的交流高压，经变压器二次侧 耦合出合适的交流电压，经整流输出焊接电 压。在图 36 中，C 是隔直电容，防止 VT1至 VT4性能 的差异以及导通时间的微小偏差造成变压器 的偏磁。VD 1至VD4是回馈二极管，将关断 时刻变压器产生的过高的感应电势回馈一次 整流电容，R1、C 1 至 R4、C 4 构成VT1 至 VT4 的缓冲网络。 与传统的晶闸管相控整流电源相比，逆变电源具有诸多优势。由于变压器的工作频率从50Hz 提高到 20kHz 左右，则绕组匝数与铁心截面积的乘积就可以减小到

18、原来的 1/400，这就使整机重量、体积显著减小；同时，变压器的铜损和铁损也相应减小，提高了电源效率。逆变电源的最大优势还在于其优越的电源动特性和焊接工艺性能。在 CO2短路过渡焊中，由于电弧长度较短，要求电源具有比较硬的水平外特性，以保证弧长的自动调节和焊接过程的稳定性。传统的晶闸管相控整流电源一般采用电压给定的开环控制，由于变压器漏抗以及电源内部损耗等原因，电源的外特性是自然缓降的，其弧长调节性能不如逆变电源。其次，CO2短路过渡焊是燃弧和短路交替进行的周期性过程，熔滴过渡频率约为 60150Hz，短路时间约为 35ms。这些工艺特点要求电源具有较高的动态响应速度，以便对燃弧电压以及短路电

19、流上升率进行实时控制。而在晶闸管相控电源中，晶闸管导通角调整一次的时间平均为 3.3ms 左右，这一时间长度与熔滴短路时间相当，不可能对短路过程的电流进行微控制，因此，在晶闸管整流焊机主电路输出端串联一适当大小的电感，对短路电流进行宏观控制。相比之下，逆变电源的开关频率为 20kHz，每 50s 左右就可以对开关管的导通时间进行一次调整，因此，在短路过程中，可以及时地调节开关时间，达到控制短路电流波形的目的，得到优越的焊接工艺性能。27 现在国产 CO2有哪几种主要型号？其基本参数范围是什么？焊机型号按 GB/T 102491988“电焊机型号编制方法”规定进行编制，MIG/MAG 气体保护电

20、弧焊机的型如表 11 所示。表 11 MIG/MAG 焊机主要型号第一字位 第二字位 第三字位 第四字位 第五字位N MIG/MAG 焊机ZBDUG自动焊半 自 动 焊点焊堆焊切割省略MC氩气及混合气体保护焊直流氩气及混合气体保护焊脉冲二氧化碳保护焊省略1234567焊车式全位置焊车式横臂式机床式旋转焊头式台式焊接机器人变位式A 额定焊接电流首先介绍电焊机型号编制原则：1）产品型号由汉语拼音字母及阿拉伯数字组成。2）产品型号的编排顺 序：常见的主要型号如下： NBC半自动 CO2焊 机。NB半自动氩气（或 混合气体）保护焊机。NBM半自动 MIG/MAG 脉冲焊机。NZC自动 CO2焊机。NZ

21、自动 MIG/MAG 焊机。NDCCO2电弧点焊机。根据 JB/T 87481998 标准，MIG/MAG 弧焊机的基本参数如下：1）额定焊接电流（A）等级分为如下的档次：100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000。2000A 以上由制造厂和用户商定。2）额定负载持续率分为：35%、60%、100%。3）工作周期为 10min。4）焊接电流调节范围：最小焊接电流：对于额定焊接电流 200A 及其以下焊机由企业标准规定；对于额定焊接电流 200A 以上焊机25%额定焊接电流。最大额定焊接电流大于额定焊接电流。5）约定负载

22、电压。焊机在整个调节范围内，其约定负载电压与约定焊接电流的关系应符合以下公式。U2=14 0.05I2式中 U 2约定负载电压，V；I2约定焊接电流，A。当电流等于或大于 600A 时。其电压恒等于 44V。28 在焊接电源输出主回路中串接的电感在短路过渡 CO2焊中的作用是什么？任何一种焊机的性能都 存在二重性，即：电气性能和焊接工艺性能。因此， 电源中任一部件的设计及其参数选择也都应该满足 这两种性能的要求。对于晶闸管相控整流电源和开 关管逆变电源而言，电源的输出及调节都是通过控 制开关管的导通、关断时间比来实现的。如果说在 电源主回路中不串接电感，电源将输出矩形波。因此，电感首先是对电源

23、的输出起到平波的作用。在 CO2短路过渡焊中，对电源输出主回路电感的要求不仅仅是平波作用。为了减少焊接飞溅，必须限制短路期间的电流上升率和短路峰值电流。为了改善焊缝成形，该电感还能改变燃弧电流的大小。如果将焊接电源负载回路等效为一个带感性负载的恒压源，如图37 所示，则电源输出电流 i、电阻 R、电感 L 与电弧电压 Ua 的关系应满足： di iR L Ua = E （3）dt在短路期间，短路电阻 很小，约几十毫欧，这时式（3）可简化成：di E = （4）dt L可见，对于 CO2焊机来 说，其电源外特性为恒压特性，即电源输出电压 U 基本不变且等于电源电 压 E。在短路期间的电流变化速度

24、 di/dt 由式（4） 所决定。为了限制短路电流上升速度，要求电感 L 大些；相反，电感 L 越 小，则短路电流上升越快。综上所述，焊机电源主 回路电感在 CO2短路过渡焊中的作用是：对输出电 流进行滤波、控制短路电流上升率和最大短路电流 以及燃弧能量。29 CO2焊的气路装置由 哪几部分组成？气体保护焊时要求可靠的气体保护，供气装置的作用就是要保证纯度合格的保护气体以一定的流量平稳地从喷嘴喷出。目前国内 CO2气体的供应方式有：瓶装液态 CO2供气、管道供气和 CO2发生器供气 3 种。但大多是以钢瓶装液态 CO2供气。这时的供气装置主要包括钢瓶、预热器、减压阀、干燥器、流量计和电磁气阀等

25、。如图 38 所示。1）CO 2钢瓶。储存液态 CO2，瓶子表面涂银白色并写有“二氧化碳”。瓶 中有液态 CO2时，瓶中压力为 CO2气体的饱和压力， 可达 5070kg/cm 3，随环境温度而变。2）预热器。当打开气 瓶阀门时，气瓶内的液态 CO2要挥发成气态，同时 将吸收大量的热。另外，经减压后，气体体积膨胀， 也会使气体温度降低。为了防止管路冻结，在减压之前，一般都要对 CO2气体 通过预热器进行预热。预热器大多采用电阻加热式， 也就是采用 36V 交流供电，功率为 100150W 左右。3）减压阀和流量计。 减压阀的作用是将高压CO2变为低压气体，其压力 一般为 12kg/cm 3，气

26、体流量大小是通过流量计 来调节的。我国常用的转子流量计，是用空气作为 介质来标定的。若浮子材料为铝，则 CO2气体的流 量与空气标定的流量之间的关系为：q（CO 2）=0.809q(空气)4)干燥器.干燥器内装有干燥剂,如硅胶、脱水硫酸铜和无水氯化钙等。无水氯化钙吸水性较好，但它不能重复使用。而硅胶和脱水硫酸铜吸水后经过加热器烘干还可以重复使用，所以多被选用。只有当含水量较高时，才需要加装干燥器。5）电磁气阀。用来接通和切断保护气体，其结构如图 39 所示。当气阀得电时，衔铁被吸起，气体能够从入口进入和出口流出。否则，该通路被衔铁堵塞。以上介绍的是 CO2焊气路装置的一般结构。其中：1）、3）

27、和 5）是基本配置，2）和4）是选用项。当环境温度较高、气体流量较小、CO 2纯度较高时，可以不用预热器和干燥器。30 在进行半自动 CO2焊时，如何正确地进行起弧操作？半自动焊时，喷嘴母材之间的距离不好控制，这个距离过大，则气体保护效果恶化。对于手工焊工来说，极易出现这样的情况，也就是当焊丝以一定速度冲向母材时，往往把焊枪顶起，结果使焊枪远离母材，从而破坏了正常保护。所以，焊工应该注意保持焊枪到工件之间的距离。起弧时切忌在焊丝和工件接触时按下焊枪按钮。在这种情况下起弧，往往造成很大的飞溅，并可使导电嘴堵塞，结果使焊丝和导电嘴端头粘在一起，还可能出现返烧，甚至烧毁导电嘴。所以，起弧之前应该在焊

28、丝端头与工件表面之间保持一定距离的情况下按焊枪按钮。一般情况下，焊接结束时在焊丝端头常常残留一个较大的熔滴，并在其下表面附着一层渣，它将使电弧难以引燃。为此，起弧之前应该剪断焊丝端头，显然这是相当麻烦的工作。近年出现的一些高档焊机 中，装有焊丝端头处理电路。这样，每当焊接结束时， 都能自动去掉焊丝端头的熔滴。从而为下次起弧创造 了良好的条件。这种作用称为剪断效应。半自动焊时习惯的起 弧方式是焊丝端头与焊接处划擦的过程中按焊枪按钮， 通常称为“划擦起弧”。这种起弧成 功率较高。起 弧后，必须迅速 调整焊枪对准 位置、焊枪角度 和导电嘴母 材之间的距离。起弧 处由于工件的温度较低，所以，焊深比较浅

29、。另外，由于过程不稳定，容易产生缺陷。为防止这种缺陷的影响，可以采取如图 40 所示的方法。显然图 40a 是把起弧处留在工艺板上。但在一般情况下往往不采用这种方法，而是直接在工件上起弧。由于起弧处熔深浅，特别是在短路过渡时容易引起未焊透。为此可以采用图 40b 所示的倒退起弧法，起弧后快速返回母材端头，再沿焊接线移动，在焊道重合部分进行摆动，熔深浅处用余高来补偿。图 40c 适合于环缝自动焊情况，起弧后快速移动，得到较窄的焊道，为随后焊道接头创造条件。半自动焊时的焊道接头处通常采用图 40b 所示的倒退焊法，使焊道充分熔合，达到完全消除前一焊道弧坑的目的。31 为了提高引弧成功率，应在电源上采取哪些措施：提高引弧成功率是十分重要的。因为引弧失败将带来许多不利的影响，主要有以下几个方面：1）引弧失败时，由于焊丝冲向母材，使焊枪指向位置偏移。2）引弧失败易引起返烧现象，焊丝易与导电嘴端头粘着。3）焊接引弧处易产生缺陷。4）使得定位焊或电弧点焊的工作效率低。5）焊工易疲劳而影响工作情绪和焊接质量。CO2焊接触引弧时的状态如图 41 所示。起动后，焊丝送进并逐渐接近母材，一旦与母材接触，电源将提供较大的短路电流，利用在 A 点附近的焊丝爆断，进行引弧。如果在 B 点爆断，由于 AB 的距离超过电弧可能保持的最大弧长，则电弧立即熄灭，引弧失败。所以在 A点爆断是引弧成功的必要条件。