电弧和气体的关系

焊接安全技术：第三章焊接安全技术：第三章焊接方法及安全焊接方法及安全 第四节第四节气体保护电弧焊气体保护电弧焊 气体保护电弧焊简称气体保护焊或气电焊， 它是利用电弧作为热源， 气体作为保护介质 的熔化焊。 在焊接过程中， 保护气体在电弧周围造成气体保护层， 将电弧、 熔池与空气隔开， 防止有害气体的影响，并保证电弧稳定燃烧。气体保护焊，可以按电极的状态、操作方式、 保护气体种类、电特性、极性、适用范围等不同加以分类，常用气体保护焊分类见表3-14。 根据具体情况的不同， 气体保护焊可采用不同的气体， 常用的保护气体有二氧化碳、 氩 气、氦气、氢气及混合气体。气体保护焊的优点是：电弧线性好，对中容易，易实现全位置 焊接和自动焊接；电弧热量集中，熔池小，焊接速度快，热影响区较窄，焊件变形小，抗裂 能力强，焊缝质量好。缺点是不宜在有风的场地施焊，电弧光辐射较强。本节着重介绍氩弧 焊和二氧化碳气体保护电弧焊。 一、氩弧焊一、氩弧焊 氩弧焊按照电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊两种。 1 1．非熔化极氩弧焊的工作原理及特点．非熔化极氩弧焊的工作原理及特点 非熔化极氩弧焊是电弧在非熔化极(通常是钨极)和工件之间燃烧，在焊接电弧周围流过 一种不和金属起化学反应的惰性气体(常常用氩气)，形成一个保护气罩，使钨极端头，电弧 和熔池及已处于高温的金属不与空气接触， 能防止氧化和吸收有害气体。 从而形成致密的焊 接接头，其力学性能非常好。如图3-9 所示。 钨极氩弧焊的特点如下。 (1)可以焊接化学性质非常活泼的金属及合金。惰性气体氩或氦即使在高温下也不与化 学性质活泼的铝、钛、镁、铜、镍及其合金起化学反应，也不溶于液态金属中。用熔渣保护 的焊接方法(如手弧焊或埋弧焊等)很难焊接这些材料，或者根本不能焊接。 (2)可获得体质的焊接接头。用这种焊接方法获得的焊缝金属纯度高，气体和气体金属 夹杂物少，焊接缺陷少。对焊缝金属质量要求高的低碳钢、 低合金钢及不锈钢常用这种焊接 方法来焊接。 (3)可焊接薄件、小件。 (4)可单面焊双面成形及全位置焊接。 (5)焊接生产率低。 钨极氩弧焊所使用的焊接电流受钨极载流能力的限制，电弧功率较小，电弧穿透力小， 熔深浅且焊接速度低，同时在焊接过程中需经常更换钨极。 2 2．熔化极氩弧焊的工作原理及特点．熔化极氩弧焊的工作原理及特点 熔化极氩弧焊原理如图 3-10 所示。 焊丝通过丝轮送进，导电嘴导电，在母材与焊丝之间产生电弧，使焊丝和母材熔化，并 用惰性气体氩气保护电弧和熔融金属来进行焊接的。 它和钨极氩弧焊的区别： 一个是焊丝作 电极，并被不断熔化填入熔池，冷凝后形成焊缝；另一个是保护气体，随着熔化极氩弧焊的 技术应用， 保护气体已由单一的氩气发展出多种混合气体的广泛应用， 如 Ar 80％＋CO220％ 的富氩保护气。通常前者称为MIG，后者称为MAG。从其操作方式看，目前应用最广的是 半自动熔化极氩弧焊和富氩混合气保护焊，其次是自动熔化极氩弧焊。 熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊相比，有如下特点。 (1)效率高因为它电流密度大，热量集中，熔敷率高，焊接速度快。另外，容易引弧。 (2)需加强防护因弧光强烈，烟气大，所以要加强防护。 3 3．保护气体．保护气体 (1)最常用的惰性气体是氩气。它是一种五色无味的气体，在空气的含量为0．935％(按 体积计算)，氩的沸点为－186℃，介于氧和氦的沸点之间。氩是氧气厂分馏液态空气制取氧 气时的副产品。 我国均采用瓶装氩气用于焊接，在室温时，其充装压力为 15MPa。钢瓶涂灰色漆，并 标有“氩气”字样。纯氩的化学成分要求为： Ar≥99．99％；He≤0．01％；O2≤0．0015％； H2≤0．0005％；总碳量≤0．001％；水分≤30mg／m3。 氩气是一种比较理想的保护气体，比空气密度大 25％，在平焊时有利于对焊接电弧进 行保护，降低了保护气体的消耗。 氩气是一种化学性质非常不活泼的气体， 即使在高温下也 不和金属发生化学反应， 从而没有了合金元素氧化烧损及由此带来的一系列问题。 氩气也不 溶于液态的金属，因而不会引起气孔。氩是一种单原子气体， 以原子状态存在，在高温下没 有分子分解或原子吸热的现象。 氩气的比热容和热传导能力小， 即本身吸收量小，向外传热 也少，电弧中的热量不易散失，使焊接电弧燃烧稳定，热量集中，有利于焊接的进行。 氩气的缺点是电离势较高。 当电弧空间充满氩气时， 电弧的引燃较为困难， 但电弧一旦 引燃后就非常稳定。 (2)氦气(He)。氦气在空气中的含量很少，按体积计算只占0．0005％，密度约为氩气的 1／10。因而为了获得良好的保护效果，就要加大流量。 用氦气保护时，电弧电压比氩要高得多，氦弧的发热量要比氩弧大得多。因此，氦气保 护焊可焊接大厚度工件及导热性好的材料， 如铜及铜合金， 也用于不锈钢管的高速机械化焊 接。 但是，氦气提取的成本费用昂贵，因而应用很少。 (3)混合气体。在一种气体中加人少量的另外一种或两种气体后，对细化熔滴、减少飞 溅、提高电弧稳定性、改变熔深及提高电弧温度等有一定好处。因而， 以氩为主的混合气体 熔化极气体保护焊应用十分广泛， 如 Ar 80％＋CO2(5～20)％， Ar 95％＋O2(1～5)％， Ar 80％ ＋N2 20％，Ar＋H2，Ar＋He，Ar 80％＋CO2 15％＋O2 5％等。 4 4．非熔化电极．非熔化电极 (1)非熔化极气体保护焊对电极材料的要求 ①耐高温，在焊接过程中本身不熔化。 ②电极要有较高的电子发射能力，要易于引弧及维持电弧的稳定燃烧。 从这些要求来看，钨是比较理想的电极材料。 (2)常用钨极材料的特点钨极氩弧焊用的非熔化极材料有纯钨极、钍钨极、铈钨极、 镧钨极、锆钨极、钇钨极等。其中前三种是最常见的。 ①纯钨极是使用历史最长的一种非熔化电极。 但其有一些缺点： 一是电子发射能力较 差，要求电源有较高的空载电压；二是抗烧损性差，使用寿命较短，需要经常更换重磨钨极 端头。目前主要用于交流电焊接铝、镁及其合金时，利用其破碎氧化膜的作用好的特点。 ②钍钨极在钨中加入一定量的氧化钍(ThO2)后就成为钍钨极。其电子发射能力高，所 需电弧电压低，引弧容易而且稳定，大大延长钨极的使用寿命。但氧化钍 (THO2)有微量放 射性。 ③铈钨极在钨中加入 2％以下的氧化铈(CeO)，就制成了铈钨极。其主要特点是：没 有放射性，许用电流增大，热电子发射能力强，电弧稳定，热量集中，使用寿命长，端头形 状易于保持。 5 5．电流种类和极性．电流种类和极性 氩弧焊既可以使用直流电又可以使用交流电。 而在使用直流电时， 直流正极性应用最广。 电流种类及极性不同时，电弧的特点也截然不同。 (1)直流反极性产生两种极重要的物理现象，即“阴极破碎作用和钨极过热问题” 。 ①阴极破碎作用。电流在直流反极性时， 由于焊件是阴极，电弧空间的正离子飞向焊接 熔池及其附近的区域，质量大的正离子带着很大的动力撞击其表面， 释放出很多能量，正离 子撞击阴极释放出的能量要比电子撞击阳极表面释放出的能量多。在正离子的撞击作用下， 金属表面氧化膜被破坏， 甚至发生分解、 蒸发而消失， 液态金属