高效熔化极气体保护焊技术

自从20世纪60年代熔化极气体保护焊接（GMAW）方法出现以来，它以高效、节能、操作简单方便、便于实现机械化和自动化等特点，在实际生产中得到广泛的应用，并已经成为焊条电弧焊的替代工艺。目前，西欧、美国和日本等工业发达国家的MIG/MAG焊接工艺占所有焊接工作量的60%～80%，中国约有40%。工业生产的发展和市场的竟争，高效、优质、低耗已成为制造业发展的一项基本战略。近年来由于汽车、集装箱、机车车辆、工程机械等行业的高速发展，对高速焊和高熔敷效率焊接的需求越来越多。

高效率熔化极气体保护焊主要有两大类：一类是以T.I.M.E.（Transferred Ionized Molten Energy）焊为主的单丝法；一类是双丝焊接法。

1.T.I.M.E.焊接法

T.I.M.E.焊接法是综合考虑了各种影响焊接材料熔化效率的方法后，提出的一种高效焊接法。T.I.M.E.焊是由Canada Weld Process公司的John Church在1980年研究成功的一种高性能的MAG焊接工艺，它有三个突出的特点：

1）采用大的焊丝伸出长度。焊丝伸出长度可达35～40mm。

2）采用特殊的四元混合保护气体（0.5%O₂-8%CO₂-26.5%He-65%Ar）。由于在保护气体中加入He，熔滴呈稳定的喷射过渡，增加了熔池深度，电弧高速旋转，同时亦改善了熔池边缘的熔合，焊缝质量好，成形宽而平滑。气体成分的变化，对焊接电弧的物理特性会产生明显的变化。保护气体中加入了氦气，使高温热导率和电离电压提高，从而使电弧电压提高。电弧电压的提高，一方面使电弧能量提高，另一方面使电弧等离子流力增大，使得焊接电弧更加挺直，熔滴过渡的连续性好，焊缝的熔深也较常规焊接要大。

3）焊丝送进速度突破了传统MAG焊的极限。最大送丝速度由传统的16m/min提高到50m/min。在连续大电流区间获得了稳定的旋转射流过渡，焊丝熔化效率较高，焊丝的熔敷率达到25kg/h左右，是传统MAG焊的三倍。为适应大电流高熔敷率焊接，采用较大容量的高性能焊机，大功率水冷式焊枪和送丝机。传统的MAG焊与T.I.M.E.焊的差异及工艺性能比较见表6-5和表6-6。

表6-5 传统MAG焊与T.I.M.E.焊方法上的差异

表6-6 传统MAG焊与T.I.M.E.焊工艺性能比较

2.其他单丝高效焊接法

以T.I.M.E.焊接工艺为代表的细丝大电流高效焊接方法，目前已经成为各国焊接学者研究的热点问题。特别是在保护气体的选择上，人们做了大量的工作。由于T.I.M.E.焊接工艺所采用的保护气是富含氦气的四元保护气体，而且对气体的配比精度要求较高。因此，使得气体的成本很高，这严重地限制了T.I.M.E.焊接法的推广和使用。为了降低成本，焊接工作者试图采用简单的二元或三元混合气体，来获得稳定的高效焊接工艺过程。在这方面比较有代表性的是英国AGA公司研究的速熔（Rapid Melt）焊接法和德国LINDE公司推出的LINFAST焊接法。

（1）速熔（Rapid Melt）焊接法　和T.I.M.E.焊接方法相似，它也是通过改变保护气体的成分来改变焊接电弧物理特性。它在保证焊接质量的前提下，使得焊接熔敷效率得到很大的提高。和传统的MIG/MAG焊接方法相比较，速熔焊大大扩展了传统的MIG/MAG焊接的规范区间，从而使得焊接生产效率得到提高。采用瑞典的MISON8（Ar-8%CO₂-0.03%NO）气体保护进行的速熔焊接试验，焊丝的熔敷效率从传统的射流过渡的8kg/h提高到10～20kg/h。

（2）LINFAST焊接工法LINFAST焊接法的基本原理是在保护气体的选择上除了具有保护功能之外，还要使得焊接电弧的形态以及熔滴过渡过程得到有效的控制，从而实现稳定的旋转射流过渡过程，满足提高焊接效率、改善焊接质量的要求。LINFAST焊根据不同的焊接参数区间和不同的应用场合，选择不同的保护气体，以降低气体的成本。例如，在较低的送丝速度范围15～20m/min，LINFAST焊采用Ar+8%～18%CO₂保护气体。CO₂气体的加入，可以提高焊接电弧的挺直度，使电弧收缩，可加大熔深，同时对焊缝金属还有清洁作用。如果为了提高焊缝的熔深，则可以加入体积分数为20%～30%的氦气。如采用德国的CORGON He 25S气体则可以在22m/min的送丝速度下，得到旋转电弧的熔滴过渡，这时焊接速度可提高到252cm/min，从而使焊接成本降低10%～20%。通过进一步提高CO₂气体的比例，可使送丝速度最高达27m/min。常用的LINFAST焊保护气体如表6-7所示。(www.xing528.com)

表6-7 常用的LINFAST焊保护气体成分（%）

3.双丝熔化极气体保护高速焊

双丝焊是近年来发展起来的一种高速高效焊接方法，焊接薄板时可以显著提高焊接速度（达到3～6m/min），焊接厚板时可以提高熔敷效率。除了高速高效外，双丝焊接还有其他的特点：在熔敷效率增加时保持较低的热输入，热影响区小，焊接变形小，焊接气孔率低等。由于焊接速度非常高，特别适合采用全自动和机器人焊接。目前，串列双丝焊已在汽车、造船、机械工程、机车车辆及压力容器等行业中得到应用。同时用串列双丝MIG焊焊铝也取得了很好的效果。

图6-12 熔化极惰性气体双丝保护焊原理两根焊丝间相互绝缘，电源间同步

图6-13 脉冲电弧焊焊丝间错开的电流曲线

高效双丝焊主要有两种方式：一种是双弧（Twin arc）法，另一种为串列双丝熔焊法（Tandem GMAW）。两种方法使用的焊接设备相类似，都是由两台焊接电源、两套送丝机和一个共用的送双丝的电缆等组成。为了防止同相位的两个电弧的相互干扰，常采用脉冲MIG/脉冲MAG焊法，并保持两个电弧轮流交替燃烧。这样，就要求一个协同控制器来保证两个电源的输出电流波形的相位相差180°。当焊接参数设置到最佳时，脉冲电弧能得到无短路、几乎无飞溅的过渡过程，真正做到“一个脉冲过渡一个熔滴”的效果，每个熔滴的大小几乎完全相同，其大小是由电弧功率来决定。双丝焊和Tandem焊接工艺原理如图6-12所示。

在普通的双丝焊工艺中，两根焊丝共用一台电源，并从同一个导电嘴中送出，采用同一个焊接参数焊接。而串列双丝高速焊则采用两个独立的电源，焊丝则从两个独立的相互绝缘的导电嘴中送出，串列的两根焊丝熔化在同一熔池中，两个焊机都有自己独立的控制系统和独立可控的送丝机构，并能独立调节熔滴过渡和弧长，设置独立的焊接参数，如电流波形和相位，如图6-13所示，大大提高了熔化极气体保护焊的焊接速度和熔敷速率。其熔敷速率与单丝高速焊及普通单丝焊相比，大约为2倍和4倍。MIG/MAG单丝焊和Tandem应用比较见表6-8。

在Tandem GMAW焊接工艺中，两根焊丝都可使用脉冲电源，两种脉冲可以是同步的，也可以是不同步的。为在两个电源间获得脉冲弧焊时可调节的相位差，在电源之间增加了一个协调装置，每个电源的参数可持续调节，而且可调节的范围相当大。在双丝焊过程中，一般前置焊丝采用较大的电流，可获得较大的熔深，而后置焊丝则采用较小的电流，电弧较长，以获得成形良好的焊缝。

表6-8 MIG/MAG单丝焊和Tandem应用比较