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高效MIG/MAG焊中焊接材料熔化效率的影响因素

熔化极气体保护焊以其高效、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％。自从20世纪90年代以来，随着工业生产的发展，高参数化、厚板、超厚板焊接金属结构的应用得越来越广泛，各生产厂家为了增强市场竞争能力，越来越强烈的要求提高焊接生产效率和降低生产成本。现有的调查结果表明，如果焊丝的熔敷速率达不到20％/min以上，则即难以满足焊接产品的生产效率要求，也不能获得预期的经济效益。因此，提高MIG/MAG焊接工艺的生产效率，是提高焊接产品市场竞争能力的一个有效途径。

提高焊接生产效率主要包括两个方面：一是以提高焊接速度为目的高速焊接，它的基本出发点是在提高焊接速度的同时提高焊接电流，以维持焊接热输入量大体上保持不变，主要用于薄板的焊接；二是以提高焊接材料的熔化速率为目的高熔敷率焊接，即要求在单位时间内熔化更多的焊接材料，本文主要针对第二方面进行研究讨论。

1.焊接材料的熔化效率

要想提高焊接材料的熔化效率，应该在一定的焊接规范的前提下提高焊接材料的熔化速率，因此凡是能够提高焊接材料熔化速率的方法和措施就可以提高焊接材料的熔敷效率。

熔化速率的定义是单位时间内熔化的焊接材料(填充金属和母材)的重量，它是实现高效焊接方法最重要的因素。对于熔化极气体保护焊，熔化焊接材料的能量由两部分组成，一部分是电弧产生的能量C1；另一部分是在焊丝干伸长部分产生的电阻热C1，如图1所示。

2.焊接材料熔化效率的影响因素

(1)焊接电流 要想提高熔化速率，增大焊接电流是必要的，随着焊接电流的增大，焊接材料的熔化速率会明显提高。但是对于一定直径的焊丝来讲，它的电流容量是有一定限制的。当焊接电流增大到一定程度时，焊接电弧形态以及熔滴过过滤装置渡形式将发生明显变化。采用细丝时，焊接电流增大到一定程度就会进人不稳定的旋转射流过渡，此时熔滴往往是横向抛出成为飞溅，焊接过程非常不稳定。若采用粗丝大电流焊接如SAW，随着焊接电流的加大，焊丝的熔化速率提高，但是同时对工件的热输入也随之提高，焊接热输入量提高，这对于高强钢以及特殊用途材料的焊接是很不适应的。在这种情况下，要想在保证焊接质量的前提下提高焊接生产效率，必须在提高焊接电流的同时辅助其他的工艺措施。

(2)焊丝干伸长度 在相同的焊接电流情况下，增大焊为经济利用遵义地区及藏饰耳饰全国第107届中国工博会于2015年11月3日⑺日在国家会展中心(上海)成功举行超高硫铝土矿提供了坚实的技术支持丝的干伸长度也可以提高焊丝的熔化速率。图1中的C电动车2表示在焊丝上产生的欧姆热与电流平方成正比，这一点对提高焊丝的熔化速率是非常重要的。因为焊丝的电阻率也会随着焊丝温度的升高而提高，随着焊接电流的增加，焊丝的电阻率也会提高。图2为三种不同干伸长度时的焊丝熔敷效率与电流之间的关系曲线。由图2可以看出，在相同的焊接电流的情况下，随着干伸长度的增加，焊丝的熔敷效率明显提高。因此在大电流焊接时，在焊丝上产生的欧姆热对焊丝的熔化速率起着至关重要的作用。

(3)极性对熔敷效率的影响 采用不同的极性进行焊接时，焊丝和母材的熔敷效率是不同的。通常情况下，熔化极气体保护焊采用DCEP(直流反接)，因为DCEP可以实现较大的熔深和可以防止熔深不足的缺陷。图3和图4给出了极性与熔深以及焊丝的熔敷效率之间的关系。可以看出，直流反接可以获得较大的熔深，但焊丝的熔敷效率较小；DCEN(直流正接)可以获得较高的焊丝熔敷效率，但母材的熔深较小。

从图3和图4可以看出，可以通过改变极性来调整母材的熔化速率以及焊丝的熔敷效率，从而满足不同的焊接工艺的要求。如果要求增大母材的熔深，则可以采用DCEP；如果焊接薄板时，可以采用DCEN，从而减少母材的熔深，而增大焊丝的熔化效率，最终实现高速高效焊接。

(4)焊丝直径的影响 图5说明了不同直径的焊丝在不同焊接规范参数下熔敷效率。由此可以看出，在相同的焊接电流情况下，随腐植酸肥着焊丝直径的减小，焊接电流密度上升，焊丝的熔敷效率也上升；相反，如果保持熔敷效率一定，随着焊丝直径的减小，焊接电流减小，相应的对工件的热输入也减少，即在相同的熔敷效率的前提下，可以减少对母材的热输入，这对高强钢以及特殊用途钢的焊接是非常有利的。所以，焊接工作者在研究高效MIG/MAG焊接工艺时，大多采用细丝大电流焊接，正是利用了上述优点。如TIME焊接工艺采用1.2mm的焊丝，最高送丝速度可达50m/min。LINFAST以及双丝TANDEM等焊接工艺均采用1.2mm的细丝。采用细丝焊接的另外一个优点就是在小电流焊接时电弧的稳定性提高，对熔池的冲击力减小，从而保持熔深的均匀一致。

(5)保护气体的影响 针对MIG/MAG保护气体的研究已经开展许多年，保护气体在焊接过程中的作用主要表现在以下几个方面：①提高电弧稳定性。②改善熔滴过渡。③提高焊缝金属力学性能。④提高焊接生产效率。⑤减少焊接缺陷的可能性，诸如气孔、未熔合等。另外，由于不同气体的物理、化学性质不同，它在焊接过程中所起的作用也不相同，因此对保护气体的选择，应该针对不同的工艺条件、不同的应用场合而有所不同。

图6说明了不同气体的电导率随着温度变化的规律。由图6可以看出随着温度的提高，气体的分解和电离更加容易，因此使气体的电导率随着温度的提高而提高。

图7所示是气体的热导率与温度之间的关系曲线。气体的热导率是保护气体的一个非常重要的特性，它直接影响到焊接电弧的温度和形态以及焊缝成形。由图7可以看出，氢气、氧气、CO2气体在低温(大约3000K)时具有较高的热导率，而氦气和氩气在高温(大约9000K)时具有较高的热导率。

MIG/MAG焊接所采用的气体通常是在纯氚、CO2和Ar-He混合的基础上加入氧气或C打底涂漆之前未仔细去除铁锈、型砂、油污及其他污物O2气体，来增加气体中的氧化势。目前，焊接工作者对MIG/AG焊保护气体的研究取得了很多的成果，尤其是在高效(高熔敷率)焊接的保护气体。如TIME气体(Ar/8％ CO2/0.5％ O2/26.5％ He)、LINFAST气体Corgon He30(10％CO2/30％He/Ar)等。

上述气体虽然成分差异，但是都实现了高熔敷效率焊接工艺。那么，保护气体对焊丝的熔敷效率有什么影响呢？为了说明这个问题W．Lucas和M．Suban以及J．Tusek对不同介质保护的情况下的焊丝熔敷效率的变化情况进行了试验研究，图8a为W．Lucas 5种不同的保护气体保护的情况下得到的焊丝熔敷效率变化情况。图8b为M．Suban和J．Tusek对不同的保护气体保护的情况下得到的焊丝熔化速率变化情况。研究表明，不同成分的气体对电弧的特性、熔滴过渡的形式以及焊接熔池的特性有较大的影响，而对焊丝的熔化速率的影响是很有限的。基于上述结果，在选择保护气体时应该根据不同的工艺要求(焊接材料的成分、材料的厚度以及焊接位置等)选择不同的保护气体。

3.结语

(1)增大焊接电流可以明显提高焊接材料的熔化效率，但是在增大焊接电流的同时应该辅助其他的工艺措施，才能保证焊接工艺良好。

(2)增大焊丝的于伸长度，对提高焊丝的熔敷效率起着至关重要的作用。

(3)选用细丝大电流焊接工艺，可以在提高焊丝熔敷效率的同时，减少对母材的热输入，有利于高强钢和有特殊用途的材料的焊接。

(4)选择DCEP可以获得较大的熔深，采用DCEN可以提高焊丝的熔敷效率，适于薄板的高速焊接。

(5)保护气体的成分列焊丝的熔敷效率的影响不大，但是，保护气体可以提高电弧的稳定性，改善熔滴过渡，拓展焊接规范的使用范围。选用少氦或者无氦的价格低廉的混合气体，取代三元或四元富氦气体，再辅助其他的工艺措施(磁场控制)，可实现在细丝大电流情况下的稳定熔滴过渡，这对低成本高效MAG焊接新工艺具有十分重要的现实意义。(end)