毕业设计说明书（论文）中文摘要
Ar/CO2不同气体药芯焊丝保护焊接工艺研究 摘要： 本文对Ar气和CO2气药芯焊丝熔化极保护焊的焊接工艺进行了对比研究，在合理的焊接规范工艺参数下；比较了这两种不同保护气体的熔滴过渡形式，有无飞溅，焊缝成形，熔池形状和力学性能；针对这些现象上的不同，从焊接规范参数、电弧力和焊接时的氧化还原等方面给出了解释。基于焊接工艺的角度，提出了采用Ar+CO2混合保护气体焊接的建议。 关键词：CO2气；Ar气；熔化极保护焊；熔滴过渡 I
毕业设计说明书（论文）外文摘要
Title Technology Research of Different Gas Ar/CO2 Flux-cored Wire Protection Welding Abstract In this paper, the Ar gas and CO2 gas flux-cored wire melting of welding welding technology extremely protection makes a comparative study, in the rational welding standard process parameters. Comparison of these two kinds of different protection gas of melting drops of transition form, have without splash, weld pool, pool shape and mechanical properties; According to the phenomenon of the different from standard parameters, welding and welding arc force when oxidation and reduction of the explanation is given, etc. Based on the point of view of welding technology, and put forth the Ar + CO2 mixed gas welding advice protection. Keywords : CO2; Ar ; Melting extremely protection welding ; Melt drops of transition II
毕业设计说明书（论文）
目录
前言 ....................................................................................................... 1 第一章 绪论 ................................................................................................ 2
1.1 CO2气熔化极保护焊 ..................................................................... 2
1.1.1 CO2气熔化极保护焊原理 ..................................................... 2 1.1.2 CO2气熔化极保护焊特点 ..................................................... 2 1.1.3 CO2气熔化极保护焊的冶金特性 .......................................... 3 1.1.4 焊接规范参数的选择 ........................................................... 4 1.1.5 熔滴过渡 .............................................................................. 6 1.1.6 电弧力 .................................................................................. 8 1.1.7 飞溅产生的原因 ................................................................. 11 1.1.8 减少飞溅的方法 ................................................................. 11 1.1.9 CO2焊的应用 ....................................................................... 13 1.2 Ar气熔化极保护焊 ........................................................................ 13
1.2.1 Ar气熔化极保护焊原理 ..................................................... 13 1.2.2 Ar气熔化极保护焊特点 ..................................................... 13 1.2.3 Ar气熔化极保护焊的焊接技术 .......................................... 14 1.2.4熔滴过渡 ............................................................................. 15 1.2.5 Ar气熔化极保护焊的应用 .................................................. 17 1.3 本课题研究的内容及目的 ............................................................ 17
1.3.1 本课题研究的内容 ............................................................. 17 1.3.2 本课题研究目的 ................................................................. 18
第二章 焊接材料与设备 ............................................................................ 19
2.1 试样准备 ....................................................................................... 19
2.1.1 材料 .................................................................................... 19 2.1.2 气体 .................................................................................... 20 2.2 焊接设备的选择 ........................................................................... 20 2.3 方法 ............................................................................................... 21
III
第三章 CO2气熔化极保护焊 ..................................................................... 22
3.1 焊接实际 ....................................................................................... 22 3.2 焊接参数 ....................................................................................... 22 3.3 焊缝成形 ....................................................................................... 22 3.4 熔滴过渡 ....................................................................................... 24 3.5 熔池形状 ....................................................................................... 24 3.6 力学性能 ....................................................................................... 24 第四章 Ar气熔化极保护焊 ...................................................................... 27
4.1 焊接实际 ....................................................................................... 27 4.2 焊接参数 ....................................................................................... 27 4.3 焊缝成形 ....................................................................................... 27 4.3 熔滴过渡 ....................................................................................... 29 4.4 熔池形状 ....................................................................................... 29 4.5 力学性能 ....................................................................................... 29 第五章 Ar气和CO2气熔化极保护焊工艺对比 ....................................... 31
5.1 熔池形状的影响因素 .................................................................... 31
5.1.1 焊接规范参数 ..................................................................... 31 5.1.2 深宽比 ................................................................................ 32 5.1.3 熔滴过渡形式 ..................................................................... 35 5.2 飞溅对比 ....................................................................................... 36
5.2.1 CO2电弧焊产生飞溅的原因及危害 .................................... 36 5.2.2 减少飞溅的方法 ................................................................. 36 5.3 力学性能对比 ............................................................................... 37
5.3.1 硬度 .................................................................................... 37
第六章 结论 ................................................................................................ 38 参考文献 ..................................................................................................... 39
致谢 ..................................................................................................... 41
IV
前言
随着焊接科学与焊接技术的不断发展，焊接新方法和焊接新技术不断地涌现出来，如激光焊、搅拌摩擦焊等等。而这些最新的焊接方法由于不成熟或设备成本过高等诸多因素，并未得到广泛的应用。相反，传统的焊条电弧焊虽然具有设备简单，操作灵活等一系列优点，但是由于其生产效率低、劳动强度大，对操作人员要求高的因素限制了本身的使用。在此情况下，CO2气体保护焊和氩弧焊的应用几乎占据了主流。好的焊接保护气应当具有低的电离势，即气体电离所需的电压。低的电离电压可以使气体容易电离，从而容易起弧，并同时保持电弧的稳定。好的焊接保护气还可以保护焊接熔池和熔滴不受大气侵蚀，保护气体对于影响焊接质量的其他气体起到了排斥作用，因此保护气体大多由惰性气体组成。纯CO2是一种比空气重的气体。它有高的导热性，产生的电弧较宽，焊缝也较宽。CO2有较强的氧化性，它焊接时产生的飞溅较大，而且焊接质量也不是很理想。Ar气也是一种比空气重的气体。它用于焊接可以有效地保护熔滴和焊接熔池，提高焊接表面的光滑度，飞溅较少，但Ar气所产生的电离弧较窄，而且电弧不稳定。因此，这两种气体在单独用于焊接低碳钢时，都有各自不同的优缺点。
CO2气体保护焊在焊接时所产生的大量飞溅，一直困扰着焊接业的进一步发展。而Ar+CO2混合气体保护焊的出现解决了这一难题，Ar+CO2混合气体保护焊相对于纯CO2气体保护焊来说，进一步提高了焊接效率和焊接质量，同时减少了大量的飞溅，而且更重要的是它也大大降低了焊接成本。Ar+CO2混合气体保护焊的焊接表现优于CO2气体保护焊，它应是焊接低碳钢的一种比较理想的保护气体。
但鉴于学校实验条件的限制，将混合气体焊接工艺的对比研究放到两个极端，改为研究纯CO2气体保护焊与纯Ar气体保护焊在焊接工艺，焊缝成形以及力学性能等方面的异同，并由这两个极端的对比得出混合气体保护与纯CO2气体保护焊在工艺，焊缝成形及力学性能等的差异。并对CO2气体保护焊的飞溅的原因进行解释，提出减少焊接飞溅的有效措施。
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第一章 绪论
1.1 CO2气熔化极保护焊
1.1.1 CO2气熔化极保护焊原理[1]
利用CO2气体在焊丝熔化极电弧焊中对电弧及熔化区母材进行保护的焊接方法称作“CO2气体保护电弧焊”，简称“CO2焊”。CO2焊有如下两点特征：
第一个特征是，采用卷在焊丝盘上、与母材相近材质的金属焊丝作为电极。焊丝即是电弧的一极，同时焊丝熔化后作为焊接金属的一部分与母材熔化金属共同形成焊缝，起到填充材料的作用，如图1.1所示。
第二个特征是，为防止外界空气混 图1.1 CO2电弧焊方法 入到电弧、熔池所组成的焊接区，采用了
CO2气体进行保护。气体是从喷嘴中流出，并且能够完全覆盖电弧及熔池。
1.1.2 CO2气熔化极保护焊特点
与气体电弧焊方法相比，CO2焊有以下特点：
(1)生产效率高,节省电能。CO2气体保护焊的电流密度大,可达100～300 A/mm2,因此电弧热量集中,焊丝的熔化效率高,母材的熔透厚度大,焊接速度快,同时焊后不需要清渣,所以能够显著提高效率,节省电能。 (2)焊接成本低。由于CO2气体和焊丝的价格低廉,对于焊前的生产准备要求不高,焊后清理和校正工时少,所以成本低。
(3)焊接变形小。由于电弧热量集中、线能量低和CO2气体具有较强的冷却作用, 使焊件受热面积小。特别是焊接薄板时,变形很小。
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(4)对油、锈产生气孔的敏感性较低。
(5)焊缝中含氢量少,所以提高了焊接低合金高强钢抗冷裂纹的能力。
(6)熔滴采用短路过渡时可用于立焊、仰焊和全位置焊接。
(7)电弧可见性好,有利于观察,焊丝能准确对准焊接线,尤其是在半自动焊时可以较容易地实现短焊缝和曲线焊缝的焊接工作。 (8)操作简单,容易掌握。
CO2气体在电弧高温下分解出氧，形成很强的氧化性气氛，使该方法表现出如下缺点和不足：
(1)与手弧焊相比设备较复杂,易出现故障,要求具有较高的维护设备的技术能力。
(2)抗风能力差,给室外焊接作业带来一定困难。 (3)弧光较强,必须注意劳动保护。
(4)与手弧焊和埋弧焊相比,焊缝成形不够美观,焊接飞溅较大。 CO2焊在较细直径的焊丝中流过较大的电流，焊丝熔化速度非常快，为了保持电弧长度处于一定值，焊丝必须是连续快速向焊接区送进。由此原因，手工送丝实际上是不可能的，必须利用电机等驱动装置进行自动送丝。这也就把CO2电弧焊的操作方式限定在半自动焊和自动焊两项上。
通过对焊接条件的合理选择，以及随着焊接电压特性的不断改进，现在CO2焊已经成为钢铁材料焊接中不可缺少的一种重要焊接方法。
1.1.3 CO2气熔化极保护焊的冶金特性
1. 合金元素的氧化与脱氧[2]
（1）合金元素的氧化：CO2气体是氧化性气体，在电弧高温作用下会分解：CO2 = CO﹢1／2 O2
（2）氧化反应的结果：氧化反应会使Fe、Si、Mn和C等合金元素烧损，在CO2电弧焊中，Ni、Cr、Mo过渡系数最高，烧损最少。
、
3
（3）CO2电弧焊的脱氧在CO2电弧中，熔入液态金属中的FeO是引起气孔、飞溅的主要因素，同时FeO残留在焊缝金属中将使焊缝金属的含氧量增加而降低力学性能[7]。
2. CO2气体保护焊的气孔[13]
由于熔池表面没有熔渣覆盖，CO2气流又有冷却作用，因而熔池 凝固较快。如果焊接材料和焊接工艺参数选择不当，可能会出现CO气孔、氮气孔和氢气孔。
1.1.4 焊接规范参数的选择
一、焊接电流的选择
1．在保证母材焊透又不致烧穿的原则下，应根据母材厚度，接头形式焊接位置及焊丝直径正确选用焊接电流。
2．焊接电流是确定熔深的主要因素。随着电流的增加，熔深和 熔敷度都要增加，熔宽也略有增加。
3．送丝速度越快，焊接电流越大，基本上是正比关系。 4．焊接电流过大时，会造成熔池过大，焊缝成形恶化。 5．各种直径的焊丝常用的焊接电流范围见表1-1。
表1-1 焊接电流选择
焊丝直径(mm) 0.6 0.8 50~120 1 70~180 1.2 1.6 焊接电流（A） 49~90
二、 焊接电压的选择
90~350 150~500 为获得良好的工艺性能，应选择最佳的电弧电压，该值是一个很窄的电压区间，一般仅为1~2V左右。最佳的电弧电压与电流的大小，位置等因素有关。可参见表1-2。
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表1-2 不同焊接时电弧电压的选择
焊接电流 （A） 75~120 130~170 180~210 220~260 平焊 18~22 20~26 22~28 25~36
1．随电弧电压的增加，熔宽明显增加，而余高和熔深略有减少，焊缝机械性能有所降低。
2．电弧电压过高，会产生焊缝气孔和增加飞溅。电弧电压过低，焊丝将插入熔池，电弧不稳，影响焊缝形成[8]。
三、焊接速度的选择
1．焊接速度过高，会破坏气体保护效果，焊缝成形不良，焊缝冷却过快，导致降低焊缝塑性，韧性。焊接速度过低易使焊缝烧穿，形成粗大焊缝组织。
2．半自动焊接时，焊接速度一般不超过30米/时。
四、气体流量的选择
1．气体流量直接影响气体保护效果。气体流量过小时，焊缝易产生气孔等缺陷。气体流量过大时，不仅浪费气体，而且焊缝由于氧化性增强而形成氧化皮，降低焊缝质量[9]。
2．气体流量应根据焊接电流，焊接速度，焊丝伸出长度，喷嘴直径，焊接位置等因素考虑。当焊接电流越大，焊接速度越快，焊丝伸出长度较长，喷嘴直径增大，室外焊接及仰焊位置时，应采用较大的气体流量。
3．当焊丝直径小于或等于1.2mm时，气体流量一般为6~15升/分；焊丝直径大于1.2mm时，气体流量应取15~25升/分[10]。
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电弧电压（V） 立焊 仰焊 18~22 18~24 18~26 /
1.1.5 熔滴过渡
[12]
熔滴是指在电弧焊时，从焊丝端头形成的，并向熔池过渡的滴状液态金属。
熔滴过渡是电弧焊时，焊丝端头形成的熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程。熔滴过渡形式有很多种：按短路与否，分为短路过渡和自由过渡；按熔滴的尺寸大小，分为大滴过渡和射流过渡等。
CO2电弧焊的熔滴过渡很复杂，根据焊丝直径、焊接电流、电弧电压（电弧长度）及电源特点等焊接条件的不同，可以出现多种复杂的过渡，比如大滴状过渡、短路过渡、排斥过渡、颗粒状过渡、潜弧喷射过渡等，但并不是哪种过渡形式都可以用于焊接生产。 1. 短路过渡
实现熔滴短路过渡的基本条件是采取较细的焊丝（Φ0.8-1.6mm），以较小的电流在低的电弧电压下进行焊接。
如图1.2所示，在电弧引燃的初期，焊丝受到电弧的加热而逐渐熔化，端部形成熔滴并逐渐长大（图中1、2），此时电弧向未熔化的焊丝中传递的热量在逐渐减小，焊丝熔化速度下降，而焊丝仍然以一定的速度送进，在熔滴积聚到某一尺寸时，由于过分靠近熔池而发生短路（图中3），这时电弧熄灭，电压急剧下降。熔滴短路在焊丝端头与熔池间形成短路液柱，短路电流开始增大，但由于焊机回路中串联有电感，短路电流是逐渐增加。在熔池金属表面张力和液柱中电流形成的电磁收缩力的作用下，使液柱靠近焊丝端头的部位迅速产生“颈缩”，称作“颈缩小桥”（图中4）。当短路电流增加到一定数值时，在熔池金属和焊丝端部表面张力的拉伸配合下，“小桥”迅速断开，此时作用电压很快恢复到电源空载电压，并且由于断开的空间仍然具有较高的温度，电弧又重新引燃（相当于接触引弧），而后电流逐渐降低（向稳定值靠近），又重新开始上述过程。
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图1.2 熔滴短路过渡过程
短路过渡焊接中，燃弧和短路反复而规则地进行着，每次短路后熔滴向熔池过渡一次，即使在小电流区也能实现平稳的过渡。 短路过渡的工艺特点如下：
1）短路过渡过程中燃弧与短路始终交替更换着。短路结束时，总伴随着轻轻的爆破声和少量的金属飞溅。燃弧时弧长较短，而短路时在焊丝与熔池间总是由液态金属连接着。
2）短路过渡过程十分稳定。其原因是焊丝直径小，相对电流密度高，因此电弧燃烧稳定。另一方面，电弧电压低，以短路形式过渡，短路频率较高，φ0.8mm的细焊丝为130Hz左右，而φ1.6mm较粗的焊丝为50Hz左右。所以每短路一次过渡的金属量很少，有利于过渡过程稳定。
3）由于使用的焊丝直径小，电流密度高，所以电弧的能量集中，加热面积小，熔池也小，热影响区窄，所以工作变形小，特别适合于焊接薄板。
4）适应于全位置焊。
5）短路过渡时负载变化较大，所以对电源动特性有很高的要求，以便获得飞溅小和成形好的稳定焊接过程。
2 颗粒过渡
CO2电弧焊，对于某一直径的焊丝，在电流增大到一定数值并配以适当的电弧电压，熔滴一较小的尺寸自由飞落进入熔池，把这种现象称作C02电弧焊颗粒过渡。
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颗粒过渡的特点是电流大，而电弧电压要根据焊丝直径选择。这样可以把颗粒过渡分为中丝细颗粒过渡和粗丝潜弧喷射过渡两种形式。
1.1.6 电弧力
电弧对于焊接而言，不仅仅是一个加热源，同时也是一个力源。电弧力与焊接中表现出的熔池形态、熔深尺寸、熔滴过渡、焊缝成形等都有密切的关系，同时也是形成不规则焊缝、产生成形缺陷、造成焊接飞溅的直接原因。由于焊接采用了较大电流，电弧力的表现是很突出的。
1. 电弧静压力（电磁收缩力）
由电工学知道，在两根相互平行导体中，通过同方向的电流时，导体间产生相互吸引的力，若电流方向相反，则产生排斥力。这个力的形成是由于一个导体中的电流在另一个导体的周围空间形成磁场，磁场间相互作用，使导体受到电磁力。因电流方向上的差异，电磁力表现为相互吸引或相互排斥[11]。
当电流在一个导体中流过时，整个电流可看作由许多平行的电流线组成，这些电流线间将产生相互吸引力，使导体截面有收缩效应，如图1.3所示。对于固态导体，此收缩力不能改变导体外形，但对于液态或气态导体，其将产生截面收缩，如图1.4所示，这种现象称作电磁收缩效应，所产生的力称作电磁收缩力或电磁力，这种情况在CO2电弧焊熔滴短路过渡时表现最为突出。
图1.3 导体内的电磁力 图1.4 液态导体中电磁力的收缩效应
2..电弧动压力（等离子流力）
8
焊接电弧呈非等截面的近锥体，电磁收缩力在其内部各处分布不均匀，不同截面上存在压力梯度，靠近电极处的压力大，靠近工件处压力小，形成电弧静压力。电弧中的压力差使较小截面处（如图1.5中A点处）的高温粒子（中性粒子为主）向工件方向（如图1.5中B点处）流动，并有更小截面处的气体粒子补充道该截面上来，以及保护气氛不断进入电弧空间，从而形成连续不断的气流，称作等离子气流。由于等离子流力是高温粒子高速流动形成的，所以也称作电弧动压力。 电弧等离子气流在各种电弧焊方法中都有不同程度的表现，气流强度与电流值大小、电弧长度、电弧形态、电极状态有密切关系。
图1.5 电弧等离子气流的产生 3.斑点力
电极上形成斑点时，由于斑点上导电和导热的特点，在斑点上将产生斑点力，一般有如下几种表现形式。 （1）带电粒子对电极的冲击力
阳极受到电子的冲击，阴极受到正离子的冲击。由于正离子的质量远远大于电子的质量，同时一般情况下阴极区压降大于阳极区压降，所以这种斑点力在阴极上表现较大，在阳极上表现较小。
（2）电磁收缩力
当电极上形成熔滴并出现斑点时，焊丝、熔滴及电弧中电流线的分布如图1.6所示，熔滴和电弧空间的电流线都在斑点处集中，由于电磁力合力的方向是由小截面指向大截面，所以在斑点处产生向上的电磁收
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缩力，阻碍熔滴下落。通常阴极斑点比阳极斑点的收缩程度大，所以阴极斑点力也大于阳极斑点力。
图1.6 斑点的电磁收缩力 图1.7 熔滴短路产生的爆破力
4.爆破力
爆破力存在于短路电弧焊接，当熔滴与熔池发生短路时，电弧瞬间熄灭，因短路时电流很大（短路电流有一个上升的过程），短路液柱中电流密度很高，在金属液柱中产生很大的电磁收缩力，使液柱中部变细，产生颈缩，电阻热使金属液柱小桥温度急剧升高，使液柱汽化爆断，此爆破力可能使液柱金属形成飞溅。液柱爆断后电弧重新引燃，电弧空间的气体突然受高温加热而膨胀，局部压力骤然升高，对熔池和焊丝端头的液态金属形成较大的冲击力，严重时会造成飞溅。这一现象如图1.7所示。该爆破力主要存在于本组实验中的CO2气体保护焊焊接过程中，是造成短路过渡的主要原因。
5.熔滴冲击力
熔化极富氩保护射流过渡焊接时，焊丝前端熔化金属形成连续细滴沿焊丝轴线方向射向熔池，每个熔滴的重量只有数毫克，在等离子气流驱动下，以很高的加速度（可达重力加速度的50倍以上）冲向熔池，到达熔池时其速度可达每秒几百米。这些细滴带有很大的动能。该熔滴冲击力主要存在于本组实验的熔化极氩弧焊中，是造成射流过渡的主要原因。
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1.1.7 飞溅产生的原因
1．由冶金反应引起的飞溅[14]
这种飞溅主要是CO气体造成的，由于CO2气体具有强烈的氧化 性,焊接时熔滴和熔池中的碳元素被氧化生成CO气体，在电弧高温作用下，其体积急剧膨胀，逐渐增大的CO气体压力最终突破液态熔滴和熔池表面的约束，形成爆破，从而产生大量的细颗粒飞溅。
2．极点压力引起的飞溅
这种飞溅主要取决于电弧的极性，采用正接焊接时，正离子飞向 焊丝末端，机械冲击力大，造成大颗粒飞溅。
3．熔滴短路时引起的飞溅
发生短路时，焊丝与熔池间形成液体小桥，由于短路电流的强烈 加热及电磁收缩力作用，使小桥爆断而产生细颗粒飞溅。
4．非轴向熔滴过渡造成的飞溅
这种飞溅是在大滴过渡焊接时由于电弧的排斥力所引起的，熔滴形成大颗粒飞溅。
5．焊接工艺参数选配不当引起的飞溅
这种飞溅是由于焊接电流、电弧电压、电感值等参数选配不当而引起的。
1.1.8 减少飞溅的方法
1．选配合理的焊接工艺参数
（1）选取适当的电弧电压在合适的电弧电压下施焊，飞溅量可 减到最小。例如，当使用Ф1.2mm焊丝焊接时，若焊接电流为220A，焊接速度为30cm/min，电弧电压调到27~28V时，可使飞溅量减少。
（2）选择合适的焊接电流在合适的焊接电流下施焊，飞溅最小。 当使用Ф1.2mm焊丝焊接时，焊接速度为30cm/min，焊接电流小于280A时，随着焊接电流的增大，飞溅量也增加；但当焊接电流超过280A时，在一定范围内，随着焊接电流的增加飞溅量反而减少，在焊接电流250~280A区间内，熔滴以滴状过渡而产生大颗粒飞溅。
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（3）选择合适的焊接速度，随着焊接速度加快，飞溅量也增加。 （4）选择合适的焊丝干伸长度当焊丝干伸长度过长时，焊丝容 易产生过热而成段熔断。合适的焊丝干伸长度应为焊丝直径的10~12倍。
（5）选择合适的焊接回路电感值采用合适的焊接回路电感数值， 可以调节短路电流增长速度，从而减少短路飞溅。
（6）掌握合适的焊枪角度由于焊枪角度后倾或前倾都会使飞溅 增多，所以焊枪角度应选择适宜。
2．适当控制操作条件及调整焊接设备
（1）清理焊接部位。施焊前，应将焊接部位及其周围的铁锈、 污物等清理干净，以减少飞溅。
（2）焊丝进给必须保持稳定。焊丝最好使用成盘的焊丝，送丝 软管可能呈直线状态；用干燥的压缩空气将软管内的灰尘、脏物等吹除；将粘附在送丝轮沟槽内的脏物清除干净；经常检查导电嘴前端是否粘附飞溅物；检查导电嘴磨损情况，若磨损严重则应及时更换。
（3）保证焊机输入接线及焊接地线连接良好。
（4）焊接电缆的长度必须合适，焊接电缆过长，会使飞溅量增 加。
（5）电源极性采用直流反接，反极性时飞溅量小，电弧稳定。 （6）尽可能避免在焊接过程中产生磁偏吹。
（7）CO2气体应有足够的纯度，焊接用CO2的纯度不应低于99.5%。 新灌的CO2气瓶内含有水分，直接用于焊接时不但易形成气孔，而且 易形成飞溅，所以气瓶内的水分应除去。先将新灌气瓶倒立静置1~2h，然后打开阀门把沉积在下部的自由状态的水排出，放水结束后，再将气瓶放正，在使用前仍须先放气2~3min，放掉气瓶上面部分可能含水的气体。
3．采用CO2+Ar混合气体保护焊利用CO2+30%Ar作保护气体，熔 滴呈细粒过渡，电弧燃烧稳定，飞溅量较少，焊缝外形美观，焊波细匀。
4．在焊缝附近涂上适当滑石粉或石灰水涂层为防止少量的飞溅 不沾上工件，还可在焊缝附近涂上适当滑石粉或石灰水涂层，能有效地防止飞溅沾上工件。
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1.1.9 CO2焊的应用
主要用于焊接低碳钢及低合金钢等黑色金属。还可用于耐磨零件的堆焊。铸钢件的焊补以及电铆焊等方面。目前已在汽车制造、机车和车辆制造，化工机械、农业机械、矿山机械等部门得到广泛应用。
1.2 Ar气熔化极保护焊
1.2.1 Ar气熔化极保护焊原理[4]
如图1.8所示，熔化极氩弧焊在焊接原理上与CO2电弧焊相近，也是采用熔化极焊丝作为电弧的一极，从焊枪喷
嘴中流出的气体对焊接区及电弧进行 图1.8熔化极氩弧焊原理 保护，焊丝熔化金属从焊丝端部脱落过渡到熔池，与母材熔化金属共同
形成焊缝。
熔化极氩弧焊与CO2电弧焊的差别主要表现在焊接采用惰性气体进行保护，其中以使用氩气的情况居多，也可以采用氩气与氦气的混合气进行保护。
1.2.2 Ar气熔化极保护焊特点
与其他焊接方法相比，熔化极氩弧焊具有如下方面特点： （1）与焊条电弧焊、CO2电弧焊、埋弧焊相比，熔化极氩弧焊可以焊接几乎所有的金属。既可以焊接碳钢、合金钢、不锈钢，还可以焊接铝及铝合金，铜及铜合金，钛合金等容易被氧化的非铁金属。这一点与TIG焊、等离子弧焊一致。
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（2）与CO2电弧焊相比，熔化极氩弧焊电弧状态稳定，熔滴过渡平稳，几乎不产生飞溅，熔透也较深。
（3）熔化极氩弧焊直流反接焊接铝及铝合金，对母材表面的氧化膜有良好的阴极雾化清理作用。
（4）由于惰性气体本质上不与熔化金属产生冶金反应，如果保护条件稳妥，可以防止周围空气的混入，避免氧化和氮化。因此，在电极焊丝中不需要加入特殊的脱氧剂，使用与母材同等成分的焊丝即可进行焊接[15]。
熔化极氩弧焊也有如下几点不足：
（1）由于使用氩气保护，焊接成本比CO2电弧焊高，焊接生产率也低于CO2焊。
（2）焊接准备工作要求严格，包括对焊接材料的清理和焊接区的清理等。
（3）厚板焊接中的封底焊焊缝成形不如TIG焊质量好。
1.2.3 Ar气熔化极保护焊的焊接技术[3]
（1）焊前准备：检查设备、水、气、电路是否正常，各项参数是否调试妥当，为确保质量，对焊件及焊丝必须清理干净，用汽油、丙酮等有机溶剂清洗焊件与焊丝表面的油污、氧化皮、水分和灰尘等，采用机械清理和化学清理进行氧化膜的清除。
（2）引弧：引弧前应提前5-10s 送气。多采用高频振荡引弧（或脉冲引弧）和接触引弧，最好是采用非接触引弧。
（3）焊接：为了得到良好的气体保护效果，在不妨碍视线的情况下,应缩短喷嘴到焊件的距离，采用短弧焊接，一般弧长4-7mm。焊枪与焊件角度的选择也应以获得好的保护效果，便于填充焊丝为准。焊接时，为了加强气体保护效果、提高焊缝质量，可采用如下措施：加挡板、扩大正面保护区、反面保护等。
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（4）收弧：焊缝在收弧处要求不存在明显的下凹以及产生气孔与裂纹等缺陷。在收弧处应添加填充焊丝多使焊坑填满，这对于焊接热裂纹倾向较大的材料时尤为重要。
1.2.4熔滴过渡
MIG焊熔滴过渡形态可以分为短路过渡、喷射过渡、亚射流过渡、脉冲过渡等，分别依据材质、焊件尺寸、焊接姿势而使用。
1. 短路过渡
MIG焊熔滴短路过渡过程与CO2电弧焊熔滴短路过渡时相同的，也是使用较细的焊丝在低电压、小电流下产生的一种可以利用的熔滴过渡方式，区别在于MIG焊熔滴短路过渡在更低的电压下进行，并且过渡过程稳定，飞溅少，适合进行薄板高速焊接或空间位置焊缝的焊接[17]。
2. 喷射过渡
MIG焊熔滴喷射过渡主要用于中等厚度和大厚度板水平对接和水平角接。MIG电弧能够产生熔滴喷射过渡的原因是电弧形态比较扩展。 熔滴以小于焊丝直径的尺寸进行的过渡统称为喷射过渡。然而通过对过渡形态的细致观察，发现因焊丝材质的不同其熔滴过渡形态仍有差异，由此把MIG焊熔滴喷射过渡分为射滴过渡和射流过渡两种[5]。
(1) 射滴过渡
射滴过渡是指熔滴直径达到与焊丝直径相近时，电弧力使之强制脱离焊丝端头，并快速通过电弧空间，向熔池过渡的形式。 射滴过渡的主要特点为：
1）熔滴温度比大滴过渡和射流过渡时低。 2）因为熔滴温度低，所以焊丝的熔化系数较高。 3）焊接烟尘小。 4）焊接飞溅少。 5）焊缝成形好。
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可以看出，射滴过渡是一种非常理想的熔滴过渡形式，应该加以利用。但是射滴过渡的电流区间过窄，电流大小又难以调节，所以连续电流的射滴过渡形式难以应用。
(2) 射流过渡
射流过渡指的是熔滴呈细小颗粒，沿焊丝的铅笔尖状的端头以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式[16]。 射流过渡的主要特点如下：
1）射流过渡的电弧形态如图1.9所示。通过目视观察，可以看到电弧分为两部分，外层为暗区呈钟罩形，内层为烁亮区呈锥形，焊丝端头呈铅笔尖状。
图1.9 射流过渡的电弧形态及受力特点
2）射流过渡时熔滴过渡情况如图1.10所示。当电流大于265A以后，熔滴尺寸突然变得很小，熔滴尺寸仅为焊丝直径的30%～60%。而熔滴过渡频率却高达200个/s以上。
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3）射流过渡焊接时，焊接过程比较平稳，无短路现象，飞溅极少，电弧声平稳、安静[6]。
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图1.10 MIG焊射流过渡与电流的关系
1.2.5 Ar气熔化极保护焊的应用
可用于所有钢材、有死金属及合金的焊接，特别适合于化学性质活泼的金属及其合金。常用于不锈钢、高温合金、铝、镁、钛及其合金以及难熔的活泼金属和异种金属的焊接。
1.3 本课题研究的内容及目的 1.3.1 本课题研究的内容
本课题是以低碳钢为实验材料，采用堆焊的方法。通过采用不同的保护气体确定了保护气体成分对药芯焊丝气保焊的工艺性能、力学性能等的影响。具体的实验内容包括： 1. 使用氩气保护气体进行焊接
该实验主要包括焊接实验，腐蚀试件以及硬度实验。在焊接过程中观察熔滴过渡形式，有无飞溅。其中的焊接实验的目的是为了获得堆焊成功的试件，腐蚀是为了观察焊缝的成形，硬度实验则是为了获得堆焊工艺下的力学性能。
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2. 使用二氧化碳保护气体进行焊接
该实验主要包括焊接实验，腐蚀试件以及硬度实验。在焊接过程中观察熔滴过渡形式，有无飞溅。其中的焊接实验的目的是为了获得堆焊成功的试件，腐蚀是为了观察焊缝的成形，硬度实验则是为了获得堆焊工艺下的力学性能。
3. 对获得的实验数据进行处理
通过分析处理数据获得各种焊接参数与焊缝成形，熔滴过渡形式，熔池形态等之间的关系。
1.3.2 本课题研究目的：
通过对熔化极气体保护焊工艺参数，即焊接电流、焊接速度、热输入以及保护气体类型等对低碳钢堆焊焊缝成形及力学性能的影响。完成低碳钢堆焊工艺的合理焊接参数的确定。通过结合试验过程中观察到的表象及获得的实验数据对比分析出影响这两种气保护焊方法的工艺，焊缝成形以及力学性能的因素，并对这些影响因素作出准确的描述。
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第二章 焊接材料与设备
2.1 试样准备
2.1.1 材料
本次实验所采用的试板尺寸为100*20*5，材料是Q235钢，Q代表的是这种材质的屈服极限，后面的235，就是指这种材质的屈服值，在235MPa左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa例如Q235
表示屈服应力（σs)为235 MPa的碳素结构钢。
由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。
焊丝选用直径为1.2mm的药芯焊丝。焊丝牌号为YJ707，焊丝的主要成分有C、Mn、Si、S、P、Ni和Mo等。药芯焊丝是很有发展前途的新型焊接材料,近年来国产药芯焊丝的品种和用量与日俱增。与实心焊丝相比药芯焊丝有如下特点。
1）对各种钢材的焊接，适应性强 调整焊剂的成分和比例极为方便和容易，可以提供所要求的焊缝化学成分。
2）工艺性能好，烛缝成形美观 采用气渣联合保护，获得良好成形。加入稳弧剂使电弧稳定，熔滴过渡均匀。
3）熔敷速度快，生产效率高 在相同焊接电流下药芯焊丝的电流密度大，熔化速度快，其熔敷率约为85%-90%,生产率比焊条电弧焊高约3-5倍。
4）可用较大焊接电流进行全位置焊接。 5）焊丝制造过程复杂。
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6）焊接时，送丝较实心焊丝困难。
7）焊丝外表容易锈蚀，粉剂易吸潮，因此对药芯焊丝保存一管理的要求更为严格。
2.1.2 气体
电弧焊中的保护气有几方面作用：一是向电弧空间提供气体介质，二是起到保护作用，包括保护电弧、保护电极、保护被焊件（焊接区整体）。避免上述部分受到大气侵蚀。
纯CO2是一种比空气重的气体。它有高的导热性，产生的电弧较宽，焊缝也较宽。CO2有较强的氧化性，它焊接时产生的飞溅较大，而且焊接质量也不是很理想。
Ar气也是一种比空气重的气体。它用于焊接可以有效地保护熔滴和焊接熔池，在Ar气中电弧燃烧非常稳定，进行熔化极焊接时焊丝金属容易呈轴向射流过渡，飞溅极小。
2.2 焊接设备的选择
本实验使用的焊接设备是奥地利弗尼斯（Fronius）公司生产的数字化焊机（TPS4000）。如图所示2.1该焊机可实现多种焊接方法。焊机的控制中心数字信号处理器DSP可实时检测焊接过程，并依据内置的专家系统程序对焊机的时序、电流、电压等参数进行优化输出。该焊机在控制方法、硬件实现以及工艺制定方面具有典型的研究意义。通过提取专家系统参数，采集实验过程中电流、电压波形，分析不同工艺参数规范下焊接参数对焊接过程和焊缝成形的影响，有助于在应用过程中选择合适的焊接规范和焊机开发。
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图2.1 TPS4000数字化焊机 图2.2 行走台车
本实验为半自动焊接，因此需要有行走小车配合使用（如图2.2所示），行走台车是搭载焊枪、焊丝送进装置、一部分控制装置的自动行走台车，通常是在沿着焊接线铺设的导轨上移动。
对形状复杂的焊接接头，可以采用能够对焊接线进行检测的自动跟踪机构（自动跟踪），或者采用沿着事先设定的焊接线进行焊接的自动移动装置，以及采用机器人等。除此之外，针对各种坡口形状进行电弧摆动焊接时，需要采用焊枪的摆动装置。
2.3 方法
实验采用堆焊方法进行焊接。是在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能的金属层的一种工艺方法。本实验采用堆焊方式即减小了实验的难度，又把坡口形式、接头形式等因素对焊缝性能的影响减到最小。控制了实验中的变量，有利于只从焊接规范参数、熔滴过渡形式等方面对比CO2和Ar气熔化极保护焊的不同。
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第三章 CO2气熔化极保护焊
3.1 焊接实际
1.观察焊丝盘上焊丝，如不符合需要更换，注意送丝轮的匹配； 2.将地线接在底板上，接通电源；
3.点击主操作面板上的送气，送丝按钮，确保焊机正常工作； 4.将焊枪放置在行走台车上，调节好干伸长及小车速度； 5.对试板上的油污，杂质进行清理，保证焊件表面的整洁； 6. 实验操作，并记录实验数据；
7.焊后室温冷却后敲掉药皮，观察焊缝形状； 8.整理实验设备，打扫卫生。
3.2 焊接参数
结合查出的焊接规范参数在试板上进行堆焊操作，获得了多组实验数据，本次试验的焊接参数如表3-1 表3-1 试验参数
试样 1 2 3 4 5
焊接电流 A 109-132 128-145 139-161 143-167 156-180 焊接电压V 20.5 21 21.5 22 22.5 送丝速度焊接速度气体流量余高
mm/s mm/s L/min mm 3.9 4.5 4.9 5.2 5.5 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 15 15 15 15 15 1.3 1.5 1.6 2 2.2
3.3 焊缝成形
根据上面多组不同的焊接规范参数得到了多组焊接试样。对这些试样的焊缝成形进行描述如表3-2所示
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表3-2 焊缝成形
焊缝成形 熔深 熔宽 表面成形良1 1 5 好，有较小飞溅，熔宽较小。 有飞溅，出现焊瘤 2 1.1 5.2 原因：试件表面清理不够干净 试件 成形描述 有较小飞溅，3 1.3 6 焊缝表面成形良好 有飞溅，有气4 1.6 6.5 孔，焊缝成形较好 有较小飞溅，5 1.8 7 焊缝表面成形良好 23
3.4 熔滴过渡
焊接过程中观察到焊丝端部的熔滴逐渐长大到一定程度，并且随着焊丝的送进，端部的长大的熔滴与熔池接触形成短路，电弧瞬间全部熄灭。同时也会听到“噗噗”的爆破声，接着电弧重新引燃又接着重复上述的过程。
根据实验所选择的焊接参数以及焊接过程中观察到的现象，判断熔滴过渡形式为短路过渡。
3.5 熔池形状
焊缝的熔透形状主要是指焊缝的横截面形状, 一般分为弧形熔深、扁平形熔深和指状熔深。具有弧形熔深的焊缝的较能有效地改善机械性能, 减少焊接过程中所产生的焊接缺陷, 获得良好的焊接接头质量。用CO2作保护气体，可以看到很明显的碗状熔深。如图3.3所示
图3.3 CO2作保护气体时的碗状熔深
3.6 力学性能
硬度实际上反映了金属材料的综合力学性能。它不仅从金属表面层的一个局部反映了材料的强度（抵抗局部变形，特别是塑性变形的能量），同时也反映了材料的塑性（压痕的大小或深浅）。硬度试验和拉伸试验都是在静试验力作用下测定材料力学性能的方法，本实验以硬度实验为代表来分析堆焊焊缝的力学性能。
本次试验采用如图3.4所示的洛氏硬度计测量堆焊焊缝的硬度
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图3.4 洛氏硬度计
所做硬度实验的示意图如图3.5所示，分别在图中三个位置加载，在指针稳定后卸载，然后读数。
图3.5 硬度实验示意图 试验结果如表3-3所示
表3-3 硬度值
位置 1 2 3 硬度/HRC 84.3 82.4 80.6
求其平均值得硬度为HB=(84.3+82.4+80.6)/3=82.4HRC
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方差为δ=1/3(84.3-82.4)2+(82.4-82.4)2+(90.6-82.4)2=2.28 标准差σ=δ =1.51
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第四章 Ar气熔化极保护焊
4.1 焊接实际
由于焊接实际操作同3.1，因而在此处不在赘述。
4.2 焊接参数
结合查出的焊接规范参数在试板上进行堆焊操作，获得了多组实验数据。本次实验的焊接参数如表4-1所示
表4-1 Ar气熔化极保护焊的焊接参数
试样 1 2 3 4 焊接电流 焊接电A 189-200 245-255 255-265 270-285 压V 24.3 24.9 25.9 26.4 送丝速度焊接速度气体流量余高
mm/s mm/s L/min mm 7.2 10.9 11.6 12.8 6.7 6.7 6.7 6.7 12 12 15 15 2.7 2.9 3 3.3
4.3 焊缝成形
根据上面多组不同的焊接规范参数得到了多组焊接试样。对这些试样的焊缝成形进行描述如表4-2所示
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表4-2 焊缝成型
焊缝成形 试样 熔深熔宽mm mm 成形描述 1 0.4 0.8 无飞溅，焊缝成形良好 有较小飞溅，焊缝表面有气痕 2 1 1 原因：气体逸出后被滞留在熔渣下 方 3 1.8 1.1 无飞溅，焊缝成形良好 无飞溅，表面有气痕 4 2 1.3 原因：气体逸出后被滞留在熔渣下 方
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4.3 熔滴过渡
在实验过程中观察到焊丝端部液体金属以直径细小的熔滴从焊丝尖端一个接一个向熔池过渡，速度很快，并发出滋滋的声音。
根据实验过程中观察到的现象和实验数据知道，熔滴过渡形式为射流过渡。
4.4 熔池形状
射流过渡的熔池形状呈指状熔深，如图4.1所示。这时熔池在强烈的等离子流作用下（其速度高达几百米/秒），同时熔滴脱离焊丝时的加速度也很大（高达几十吉到几百吉米/秒）。由于等离子流和熔滴都是沿焊丝轴线方向冲向熔池，于是在熔池中心形成了犹如指状的熔深。
图4.1 射流过渡下的指状熔深
4.5 力学性能
所做硬度实验的示意图如图4.2所示，分别在图中三个位置加载，在指针稳定后卸载，然后读数。
图4.2 硬度实验示意图
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试验结果如表4-3所示
表4-3 硬度值
试样 1 2 3 硬度/HRC 61.4 64.6 60.5
求其平均值得硬度为HB=（61.4+64.6+60.5）/3=62.2HRC
方差为δ=1/3(61.4-62.2)2+(64.6-62.2)2+(60.5-62.2)2=1.02 标准差σ=δ =1
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第五章 Ar气和CO2气熔化极保护焊工艺对比
5.1 熔池形状的影响因素
5.1.1 焊接规范参数
5.1.1.1 焊接电流
电弧焊焊接电压和焊接速度不变时，随着焊接电流的增大，熔深呈线性增大，而熔宽略有增大。因为电流增大后，工件上的电弧力和热输入均增大，热源位置下移，熔深增大。焊接电流增大后，一方面电弧截面略有增加，成为导致熔宽增加的因素；另一方面是电弧电压不变时，弧长略有缩短，电弧挺度增加，电弧潜入焊件的深度增大，使电弧斑点扫动范围受到限制，成为导致熔宽减小的因素。综合以上因素，熔池宽度值只是略有增大。图5.1为CO2气保焊焊接电流对熔池形状的影响，图
5.2为Ar气熔化极保护焊焊接电流对熔池形状的影响。
2.21.82.01.81.61.61.4深熔深熔1.41.21.00.80.61.21.00.40.2180120130140150160170180200220240260280电流电流
图5.1 CO2电弧焊焊接电流 图5.2 Ar气体保护焊焊接电流
与熔深的关系 与熔深的关系
随着电流的增加，作用在CO2焊情况下将阻碍熔滴过渡，恶化了焊缝成形，并产生大量飞溅；而在Ar气熔化极保护焊情况下则是促进熔滴过
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渡，当电流达到图中的值时，就形成了射流过渡，电弧稳定，焊缝成形良好，飞溅极少。
5.1.1.2 焊接电压
电流主要影响熔池的熔深，而电压主要影响熔宽。当其他条件不变的情况下，随着焊接电压的增大，熔宽也随之增大，这是因为电弧电压增大后，电弧功率加大，热输入增大，弧长拉长，分布半径增大，是熔深和熔宽均增加。图5.3和图5.4分别为CO2气保焊和Ar气熔化极保护焊下焊接电压对于熔宽的影响。
7.01.31.26.51.1宽6.0宽熔熔1.05.50.95.00.820.521.021.522.022.524.024.525.025.526.026.5电压电压
图5.3 CO2电弧焊焊接电压 图5.4 Ar气体保护焊焊接电压
与熔宽的关系 与熔宽的关系
5.1.2 深宽比
深宽比说明了焊接时能量的集中程度。深宽比大说明热输入小，能量集中程度不够。由此可以看出热输入跟焊缝的深宽比有很重要的关系。同时，能量的大小对于电弧形态也有影响，能量集中，电弧呈现束状穿透能力很强。
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5.1.2.1 热输入
图5.5和图5.6分别为CO2气保焊和Ar气熔化极保护焊下热输入对于深宽比的影响。
CO2气保焊的焊接线能量的计算结果为w1=2.98kJ/cm w2=3.35kJ/cm w3=3.85kJ/cm w4=4.17kJ/cm w5=4.65kJ/cm
Ar气熔化极保护焊下热输入的计算结果为w1=6.96kJ/cm w2=9.4kJ/cm w3=10.05kJ/cm w4=11kJ/cm
2.20.262.01.81.60.241.4宽比宽比深0.250.231.21.00.8深0.220.210.60.202.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.80.47891011线能量线能量w (kJ/cm)
图5.5 CO2电弧焊线能量 图5.6 Ar气体保护焊线能量
与深宽比的关系 与深宽比的关系
CO2的短路过渡形式使得只有在燃弧的时候，电弧的热量才能传输给焊丝伸出的部分，这种周期性的短路过程降低了电弧对母材的热输入，使CO2气熔化极保护焊的深宽比相对Ar气熔化极保护焊来说要小的多，焊缝成形没有Ar保护焊好。
5.1.2.2 电弧形态
用Ar或富Ar气体作保护气体时，这时电弧电场强度较低，有利于电弧扩张，以产生跳弧现象，使得电弧成为锥状、焊丝端头成为铅笔尖
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状，而形成射流过渡特点。在Ar+CO2混合气体保护中，当CO2含量较少时，尽管电场强度增加，跳弧电流也增大，但仍可保持射流过渡状态。
而由CO2或CO2含量较高的混合气体保护时，由于CO2的分解，电弧被冷却，使得电弧电场强度E提高，则电弧难以扩张，也就是电弧被压缩，电弧集中地作用在熔池的底部的局部表面上，对熔滴产生排斥作用。
5.1.2.3 焊缝成形系数
CO2气熔化极保护的焊缝成形系数的计算结果为Φ1=5 Φ2=4.73 Φ3=4.62 Φ4=4.06 Φ5=3.89
Ar气熔化极保护焊下焊缝成形系数的计算结果为Φ1=2 Φ2=1 Φ3=0.6 Φ4=0.5
焊接热输入对于焊缝成形系数的影响如图5.9和图5.10所示
2.25.02.01.8数系形缝成焊4.8数1.61.41.21.00.80.60.4形缝成焊系4.64.44.24.03.82.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.87891011热输入热输入w (kJ/cm)
图5.9 CO2电弧焊热输入 图5.10 Ar气体保护焊热输入 与焊缝成形系数的关系 与焊缝成形系数的关系
由图可以看出，随着焊接热输入的增加，焊缝成形减小。这是因为电流增加时熔深逐渐增大，而熔宽随着电压的增加而加大，但是熔宽增加的速度比熔深增加的速度要小很多，这就导致了焊缝成形系数的减小。焊缝成形系数小，表明焊缝深而窄，保证了焊缝的充分熔透。与CO2电
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弧焊相比，Ar气体保护焊的焊缝成形系数更小，这不仅是因为Ar气体保护焊形成了指状的熔深，导致了中心区的深度很大使得焊缝成形系数减小，同时过低的成形系数也导致了硬度较小，力学性能下降。
5.1.3 熔滴过渡形式
熔化极氩弧焊的过渡形式是射流过渡，此时焊丝前端被削成铅笔状，熔滴从前端流出，以很细小的颗粒进行过渡。此时强大的等离子流力和高速熔滴的冲击力在熔池中部产生很大的挖掘作用，将熔池中部的液体金属排向两边和后侧，使得电弧直接加热熔池底部的金属。于是在熔池中部形成了指状的熔池凹陷，通常称为指状熔深。当向保护气体中通入CO2等气体时可改变这种指状熔深。
焊丝的熔化速度由来自电弧的热输入量及焊丝的电阻产热所决定，大致与电弧电流成比例，能很好的表征出焊接的能量。通过作出CO2气体保护焊和Ar气保护焊的电流与熔化速度的关系（如图5.7,5.8所示）能够很清晰的看出这两者在焊接过程中能量的大小以及对于熔池的影响。
5.65.4 (mm/s)度速化熔135.25.0度12114.84.64.44.24.03.8120130140150160170180化速109熔87180200220240260280电流电流 (A)
熔化速度的关系 与熔化速度的关系
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图5.7 CO2电弧焊焊接电流与 图5.8 Ar气体保护焊焊接电流
由图可知，CO2电弧焊下的焊丝熔化速度要比纯Ar保护气体焊接时的焊丝熔化速度要慢。左图是凸曲线，右图是凹曲线，前者的斜率逐渐减小，后者的斜率逐渐增大。这说明CO2电弧焊下的比熔化量比纯Ar保护气体焊接时的比熔化量要小。
5.2 飞溅对比
CO2气体保护焊有很明显的飞溅，而Ar气体保护焊则飞溅很少，几乎没有。
5.2.1 CO2电弧焊产生飞溅的原因及危害
1.在冶金反应方面,熔滴和熔池内的碳在高温下被氧化生成CO气体,随温度升高，如果液体金属内部的CO外逸受阻,气体急剧膨胀会引起大量的细颗粒金属飞溅。而Ar气是惰性气体，它不会与其他元素发生反应，因而在焊接过程中会很平稳。
2.在熔滴过渡方面，由于CO2气体保护焊采用的是短路过渡，在短路过渡的初期，由于电磁收缩力的阻碍作用，同时由于短路时瞬间增大的电流使得熔滴在力和热的作用下飞溅出去；在短路过渡末期，颈缩小桥的爆断也会产生飞溅，这也是在焊接过程中听到“噗噗”声的原因。与CO2气保焊不同，Ar气体保护焊采用的是射流过渡，几乎无飞溅。
金属飞溅不仅会降低焊丝的熔敷系数,增加焊接成本,而且会使飞溅金属粘着导电嘴端面和喷嘴内壁,引起送丝不畅,使电弧燃烧不稳定, 降低气体保护作用,并使劳动条件恶化,必要时需停止焊接进行喷嘴清理工作。我们在焊接的过程中就曾以为焊丝与导电嘴熔在一起而不得不停下实验对导电嘴进行打磨处理，这极大的降低了实验的效率。
5.2.2 减少飞溅的方法
通过对比CO2电弧焊和Ar气体保护焊，发现Ar气体保护焊在焊接过程中几乎没有飞溅，因此往CO2气体中通入Ar气体是一个可行的减小飞溅的措施。
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在CO2气体中加入Ar气后,可改变纯CO2气体的物理和化学性质。随着Ar气比例的增大,可细化熔滴,促进弧根的扩展,使飞溅逐渐减少,同时加入的Ar也可改善焊缝的性能。
并且通过对比同组学生使用实芯焊丝进行焊接时的现象，使用药芯焊丝也能够很好的减少飞溅。这是因为药芯焊丝采用气-渣联合保护，同时药芯成分中含有稳弧剂，使得电弧稳定，熔滴过渡平稳，有效地减小飞溅。
5.3 力学性能对比
5.3.1 硬度
纯CO2作保护气时比纯Ar作保护气时得到的堆焊焊缝的硬度要高。具体表现为纯CO2作保护气时焊缝的硬度为82.4HRC，而Ar作保护气时焊缝的硬度为62.2HRC。造成这种硬度差异的原因是药芯焊丝成分与不同保护气体的氧化还原反应。CO2是氧化性气体，它在高温下会分解成CO和O2，这种氧化性气氛会与焊丝中的合金元素发生氧化还原反应，使得焊缝中C含量增加。而Ar是单原子的惰性气体，在高温下既不分解也不与合金元素发生氧化还原反应。因为C元素含量的增加使得焊缝的硬度上升，所以纯CO2作保护气时比纯Ar作保护气时得到的堆焊焊缝的硬度要高。
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第六章 结论
本文对Ar气和CO2气药芯焊丝熔化极保护焊的焊接工艺进行了对比研究，得出以下结论：
1.对低碳钢板进行Ar气熔化极保护焊焊接的最佳参数为：焊接电流=255-265A，焊接电压=25.9V，焊接速度=6.7mm/s，气体流=12L/min；而进行CO2气熔化极保护焊焊接的最佳参数为：焊接电流=139-161A，焊接电压=21.5V，焊接速度=8.33mm/s，气体流=12L/min。
2.用CO2作为保护气体进行焊接时的熔滴为短路过渡且有飞溅，这不仅因为短路过渡时小桥的爆断同时CO2气体下的氧化还原反应生成的FeO也会造成飞溅，此时的焊接线能量为3.85kJ/cm。使用Ar作为保护气体进行焊接，熔滴在电弧力和表面张力作用下形成射流过渡，没有飞溅，此时的焊接线能量为10.05kJ/cm。
3.用CO2作为保护气体时熔池的形状为碗状，此时熔深较浅；而用Ar作保护气体时的熔池形状为指状，焊缝表面成形良好，鱼鳞纹细腻。此时熔深较深，导致了CO2气熔化极保护焊的深宽比比Ar气熔化极保护焊的要小。
4.用CO2作为保护气体时，焊缝的硬度比母材硬度高66.7%，用Ar作保护气体时，焊缝的硬度比母材硬度高55.8%。
基于以上四点结论，提出了采用Ar+CO2混合气体进行保护焊接的建议。混合气体保护可以使焊缝表面成形良好，熔滴过渡平稳，有效减小飞溅以及降低焊缝与母材的硬度梯度。
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致谢
本论文是在朱军教授的大力支持与悉心指导下完成的。在本文的撰写过程中，从论文的选题、构思、修改直至最后的定稿，朱老师都倾注了大量的心血。每次见导师的时候，朱军深入浅出的讲解都使我混沌的思路豁然开朗。同时，朱老师渊博的知识、严谨的治学态度，深厚的学术功底，丰富的实践知识和对相关学科领域发展方向的把握都使我受益匪浅。
感谢材料学院实验室赵志国老师、赵利群老师在实验过程中提供的无私帮助和指导。
感谢同组耿青春、龚海磊、冯军军、黄震同学给予我的无私帮助和支持。感谢焊接082的同学在共处的四年内，给我学习上的帮助和生活中所带来的快乐。感谢所有关心、支持、帮助过我的老师、同学和朋友。
最后，我要感谢我的父母和家人，正是由于他们在我求学过程中给予我的无私支持，才使我能够顺利完成学业。
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