MAG/MIG焊接优化技巧

5.3.3.1 低碳钢与低合金钢的MAG焊

1.概述

CO₂焊因其氧化性太强，不论是冶金焊接性还是工艺焊接性都不甚理想，所以CO₂焊主要用于焊接低碳钢及强度在500MPa以下的低合金钢。而以纯Ar保护的MIG焊法，在焊接低碳钢、低合金钢及不锈钢等金属及合金时，因为阴极有自动寻找氧化膜的特点，这时因阴极斑点漂移而引起电弧不稳，最终引起焊道边缘不整齐，甚至得到蛇形焊道。在工业生产中常用活性气体保护焊接工艺，即MAG焊接工艺。其常用的气体比例为Ar80%+CO₂20%。

图5.3-14 高速焊时良好焊缝的形成区间

a）大电流 b）小电流

注：SS41钢相当于我国的Q235B。

图5.3-15 高速焊接时产生的咬边与驼峰焊道形貌

表5.3-5 CO₂焊的坡口形式

2.MAG焊保护气体成分对焊接工艺的影响

（1）电弧稳定性和引弧性 首先，关于电弧的引弧性，电离势低的气体容易电离，产生电弧与维持电弧容易。与He基气体相比，Ar基气体引弧容易，如果再添加CO₂和O₂，则引弧性更好。但是添加CO₂达到更高的比例时，引弧后的熔滴过渡形态可能决定了电弧引弧性的好坏。

其次，关于电弧稳定性，虽然要考虑到上述电离势的影响，但是它基本上是由电弧阴极斑点的稳定性来决定。当气体具有氧化性，在熔池表面形成稳定的氧化物就成为电弧稳定性的条件。因此保护气体中加O₂能提高电弧稳定性。

（2）焊缝成形和飞溅 保护气体的选择对焊缝成形十分重要，表5.3-6是各种保护气体对钢焊缝成形和飞溅的影响。采用纯Ar不仅焊缝呈指状熔深，极易产生裂纹，而且流动性差，不利于焊缝表面弯曲的形成；Ar+CO₂混合气体使焊缝具有较小的焊缝成形系数，良好的表面成形，较小的飞溅，这些特性都非常适合窄间隙焊接，而加入O₂会使飞溅增加，所以一般钢材料熔化极窄间隙焊接保护气多为Ar+CO₂。

表5.3-6 保护气体对钢焊缝成形和飞溅的影响

（3）气孔问题 MAG焊时，保护气体屏蔽大气而保护高温金属，保护不良将引起气孔和凹坑。各种气体耐气孔性的结果如图5.3-16所示。在Ar+CO₂混合气中，CO₂为2%（体积分数）时可见到明显气孔，CO₂为10%（体积分数）时可以大幅减少气孔。再添加CO₂，则气孔比例缓慢减少。当使用纯CO₂时，可认为几乎不存在气孔。

（4）焊缝金属的力学性能 一般铁系焊缝金属的力学性能取决于碳含量及O、N等成分的影响。各种保护气体对力学性能的影响以金属的韧性最为突出。保护气体对焊缝金属韧性的影响如图5.3-17所示。

图5.3-16 保护气体对生成气孔数的影响

注：实心焊丝φ1.2mm，300A，喷嘴高度30mm，V形坡口，加垫板。

图5.3-17 保护气体对焊缝金属韧性的影响

a）Ar+CO₂ b）Ar+O₂

注：试验温度-20℃，300A，0.4m/min。

3.熔滴过渡

实际生产中，MAG焊可以使用不同配比的Ar+CO₂混合气体，但常用的是Ar80%+CO₂20%（体积分数）混合气体。当使用该混合气体时，根据焊接参数的不同，可用的熔滴过渡的主要形式有4种，如图5.3-18所示，它们是短路过渡、射流过渡、脉冲射流过渡和大电流射流过渡（细丝时为旋转射流过渡）。

（1）短路过渡与射流过渡 MAG焊在小电流、低电压情况下为短路过渡，短路过渡过程十分稳定，MAG焊的电压范围比CO₂焊的低，如图5.3-19所示。图5.3-20所示为不同情况下MAG焊飞溅率的比较。表5.3-7为MAG焊的焊缝成形。

图5.3-18 MAG焊钢时熔滴过渡形式

图5.3-19 不同保护气体时的合适电弧电压

图5.3-20 MAG焊飞溅率的比较

a）焊接电流对飞溅的影响 b）Ar+CO₂和Ar+O₂对飞溅的影响

为了保持稳定的喷射过渡，实际焊接电流应比临界电流大30～50A。另一方面，喷射过渡的上限电流不得超过旋转喷射临界值。这样，喷射过渡电流只能在一定电流范围内选用，见表5.3-8。

（2）脉冲MAG焊射流过渡 脉冲MAG焊经常选用Ar+O₂和Ar+CO₂混合气体，应用最多的是Ar+CO₂20%～50%（体积分数）和Ar+O₂5%（体积分数）保护气。焊接参数列于表5.3-9和表5.3-10，该法不但可用于平焊、仰焊、立焊，还可用于全位置焊，能够焊接各种厚度的钢材，焊缝成形良好，焊接过程稳定。

（3）大电流MAG焊接碳钢及低合金钢 大电流MAG焊与普通射流过渡一样，也是采用Ar+CO₂混合气体作为保护气。CO₂气体含量对焊接性的影响如图5.3-21所示。

钢焊丝的电弧固有调节作用不强，所以送丝方式只能采用弧压反馈方式，同时与恒流电源配合。因为熔池较大，所以应采用大直径焊丝双层气体保护焊。为提高焊接效率和质量，常常采用双丝大电流MAG焊，典型焊接参数见表5.3-11。

5.3.3.2 不锈钢的MAG焊

对于不锈钢的焊接，MAG焊是一种高效率的焊接方法，不锈钢MAG焊的熔滴过渡与焊接参数的关系如图5.3-22所示。

1.MAG短路过渡焊接

短路过渡焊时，都使用细焊丝和小电流。焊丝直径为φ0.6～φ1.2mm，保护气体为[Ar+O₂1%～5%（体积分数）]或[Ar+CO₂5%～25%（体积分数）]的混合气体。典型参数示于表5.3-12，主要用于板厚3mm以下的薄板焊接。

2.MAG射流过渡焊接

气体流量根据电流的大小选择。短路过渡时选用10L/min左右，射流过渡时应选用18L/min以上。表5.3-13为不锈钢MAG焊射流过渡的典型焊接参数。

3.脉冲MAG焊

脉冲MAG焊的飞溅很小，焊接过程稳定，焊缝成形良好。典型焊接参数见表5.3-14。

4.大电流MAG焊

不锈钢的大电流MAG焊常使用较粗的焊丝，其直径为2.4mm和3.2mm。其合适的电流范围如图5.3-23所示。大电流MAG焊的保护气体一般选用Ar+O₂（1%～2%）（体积分数）或Ar+He（25%～50%）（体积分数）。典型的焊接参数见表5.3-15。

表5.3-7 MAG焊与CO₂焊的焊缝成形

表5.3-8 喷射过渡的电流范围

表5.3-9 脉冲MAG焊碳钢的典型参数（对接）

（续）

表5.3-10 脉冲MAG焊碳钢的典型参数（角接）

图5.3-21 保护气体成分对焊接性的影响

表5.3-11 双丝大电流MAG单面焊的焊接参数

图5.3-22 不锈钢MAG焊的焊接参数与熔滴过渡的关系

表5.3-12 不锈钢MAG焊短路过渡的焊接参数

t—每米焊缝所需的时间。

表5.3-13 不锈钢MAG焊射流过渡的焊接参数

（续）

表5.3-14 不锈钢脉冲MAG焊的典型焊接参数

图5.3-23 不锈钢大电流MAG焊的焊接电流与送丝速度的关系

I_c—临界电流

表5.3-15 不锈钢MAG焊的焊接参数

5.3.3.3 MIG焊接工艺

熔化极惰性气体保护焊（MIG焊），依靠惰性气体的隔离作用，屏蔽空气的有害影响。与焊条电弧焊和CO₂焊相比，没有冶金反应的精炼作用，因而对焊件、焊丝、设备、焊工以及周围环境提出了更高的要求。

1.铝及铝合金的MIG焊

（1）概述 铝及铝合金的导热性好，应选用大功率的集中热源。氢在铝和铁中的溶解度与温度的关系如图5.3-24所示。

图5.3-24 氢在铝和铁中的溶解度与温度的关系

MIG焊的熔滴过渡形式和焊接方法主要有：短路过渡电弧、脉冲喷射过渡电弧、连续喷射过渡电弧和大电流MIG焊电弧四种，如图5.3-25所示。(www.xing528.com)

图5.3-25 铝合金MIG焊的熔滴过渡形式

（2）短路过渡焊接 对板厚为1～2mm的薄板的对接焊缝、搭接角焊缝、端部接头的全位置焊接所采用的焊接参数见表5.3-16。

（3）脉冲MIG焊接 逆变式脉冲MIG焊机继承了大功率晶体管式脉冲MIG焊机的控制方式。脉冲MIG焊机的控制原理都遵循一个脉冲过渡一个熔滴的原则。它是通过Iⁿ_pT_p=C（I_p——脉冲峰值电流；T_p——脉冲时间；n——1，2，3…自然数；C——常数）关系式确定的单元控制法来实现的，如图5.3-26所示。

脉冲射流过渡通常是指直流脉冲射流过渡，一个脉冲过渡一个熔滴。这种方法适合射流过渡临界电流以下的小电流，如图5.3-27所示。铝合金脉冲MIG焊的典型焊接参数见表5.3-17。

图5.3-26 铝合金脉冲MIG焊的焊接参数与熔滴过渡的关系

图5.3-27 铝合金脉冲MIG焊的焊接参数

（4）铝及铝合金喷射过渡焊接MIG焊时，熔滴过渡与焊接电流有密切关系。通常将熔滴过渡发生突然变化的电流称为临界电流。临界电流除与焊丝成分有关外，还与焊丝直径有关，如图5.3-28所示。铝合金喷射过渡焊接的典型参数示于图5.3-29。

铝合金的熔滴过渡形式不但与焊接电流有关，而且还与电弧电压有关，如图5.3-30所示。

（5）铝合金大电流MIG焊 为了提高生产率，厚大焊件常常希望用最少的层数焊接起来，所以要求用大电流、高能率焊接法。但是一般MIG焊时，电流超过300A将引起电弧和焊接熔池不稳定，产生“起皱”现象，如图5.3-31所示。

表5.3-16 铝合金MIG焊短路过渡焊接参数

注：F—平焊。

表5.3-17 铝合金脉冲MIG焊的焊接参数（氩气保护）

注：F—平焊H—横焊V—立焊O—仰焊。

图5.3-28 铝及铝合金焊丝的熔化速度与临界电流

图5.3-29 喷射过渡焊接参数范围

注：20～100mm厚的铝合金板的参数和20mm板厚相同。

图5.3-30 MIG焊时电流和电压的关系

图5.3-31 起皱焊缝的形貌（φ0.4mm铝合金焊丝，800A，30cm/min氩弧焊）

为了扩大使用电流范围，应使用大电流MIG焊法，其熔滴过渡形式如图5.3-25所示。焊丝直径为φ3.2～φ5.6mm，起皱临界电流达500～1000A。随着焊丝直径的增加，起皱临界电流值也提高，于是可以焊接更厚的铝合金构件。

大电流MIG焊时电流、焊丝直径与熔深的关系如图5.3-32所示。随着焊接电流的增加，熔深形状由一般喷射过渡的指状熔深改变为有利的盆地状熔深。典型焊接参数见表5.3-18和图5.3-33。可焊厚度大大提高，例如用φ5.6mm的铝焊丝、选用（Ar+He）混合气体保护，起皱临界电流可提高到1000A，这时进行双面单层焊时的最大厚度可达75mm，其焊缝断面形貌如图5.3-34所示。

图5.3-32 大电流MIG焊时电流、焊丝直径与熔深的关系

表5.3-18 大电流MIG焊时的焊接参数

①Ar+He：内侧喷嘴Ar50%+He50%（体积分数）；外侧喷嘴Ar100%（体积分数），焊件上倾5°。

图5.3-33 对接接头大电流MIG焊的焊接参数范围

图5.3-34 大电流MIG焊焊缝断面形貌

2.铜及铜合金的MIG焊

铜的导热性很高，其热导率是钢的7～11倍，为此焊接纯铜时一般都需要预热，预热温度如图5.3-35所示。采用Ar+He50%（体积分数）混合气体大电流MIG焊时，焊接电流范围如图5.3-36所示。铜MIG焊的喷射过渡焊接参数见表5.3-19。铜的大电流MIG焊时焊丝熔化特点如图5.3-37所示。

图5.3-35 铜MIG焊预热温度与板厚的关系

图5.3-36 大电流MIG焊各种直径焊丝的合适电流范围

表5.3-19 铜的MIG焊喷射过渡焊接参数

（续）

图5.3-37 铜的大电流MIG焊时焊丝熔化特点

3.双脉冲MIG焊

（1）双脉冲MIG焊原理 双脉冲MIG焊的基本原理是在高频脉冲的基础上调制一个低频脉冲（0.5～5Hz），如图5.3-38和图5.3-39所示。高频脉冲以一脉一滴或一脉多滴过渡为原则，控制焊丝的熔化速度。低频脉冲控制热输入并搅拌熔池。

根据焊接过程中送丝速度控制方式分为等速送丝双脉冲MIG焊和变速送丝双脉冲MIG焊。目前，双脉冲MIG焊主要以变速控制为主。

（2）双脉冲MIG焊特点 图5.3-40所示为焊接速度为40cm/min、平均焊接电流为90A、平均电弧电压为19V时，焊缝外观随低频调制频率的变化情况，在该焊接条件下，低频调制频率低于1Hz时焊缝表面波纹间隔过大，高于8Hz时波纹间隔过小，在2～4Hz内焊缝外观最漂亮。

（3）脉冲焊接参数对焊接过程稳定性的影响 目前双脉冲焊接参数一般采用一元化调节，所有参数都系统协同产生，可以满足一般生产要求。电弧弧长的设定是影响铝合金双脉冲MIG焊的重要因素，如果焊接电缆较长时，需要对弧长进行修改正。当电弧处于强脉冲电流波形期间时，弧长较长；处于弱脉冲电流波形期间时，弧长较短。弱脉冲期间的弧长设置太短时，容易产生短路，造成过程不稳。一般弱脉冲期间的弧长修正应该略大于强脉冲期间的电流修正。由图5.3-41、图5.3-42可以看出，当参数设置合理时，铝合金双脉冲MIG焊接时的焊接电流、电弧电压波形整齐，无短路现象。从图5.3-43可以看出，焊接过程稳定时，焊缝成形良好，鱼鳞纹明显。

图5.3-38 变速送丝脉冲MIG焊波形示意图

图5.3-39 等速送丝双脉冲MIG焊波形示意图

图5.3-40 相同焊速不同调制频率时的双脉冲MIG焊焊缝表面

a）2Hz b）3Hz c）4.5Hz d）5.6Hz

图5.3-41 脉冲MIG焊电弧电压波形

图5.3-42 脉冲MIG焊焊接电流波形

图5.3-43 脉冲MIG焊焊缝成形

（4）可变双脉冲MIG焊工艺 当弱脉冲在每个周期中所占的比例从0%递增到80%时，每个周期中通过降低脉冲平均电流来减少热输入，可以基本补偿母材在每个周期中增强的热积累效应，从而得到熔宽均匀的焊缝。焊缝形貌如图5.3-44所示。

图5.3-44 双脉冲MIG焊焊缝形貌

（5）铝合金双脉冲MIG焊 在一般的脉冲MIG焊中，脉冲频率范围是50～300Hz，以一个脉冲过渡一个熔滴的原则控制焊丝熔化。对于铝合金而言，一个脉冲一个熔滴的脉冲参数范围较宽，这个特点使0.5～30Hz范围的低频调制型脉冲焊法成为可能。低频调制脉冲的占空比一般固定为50%。强弱脉冲中的每个高频脉冲单元都能实现一个脉冲过渡一个熔滴，如图5.3-45所示。

图5.3-45 双脉冲MIG焊波形示意图

4.交流MIG焊

（1）交流脉冲MIG焊的工艺特点 焊丝熔化系数大，焊丝熔化速度与EN极性比率（焊丝为负极的时间和总周期的比例）的关系如图5.3-46所示。

（2）EN极性比率对熔深的影响 在送丝速度和焊接速度一定时，随着EN极性比率的增加，熔深明显变浅，如图5.3-47a所示。直流脉冲MIG焊的对比试验结果如图5.3-47b所示。调整送丝速度可得到与图5.3-47a同样的焊接电流。

图5.3-46 焊丝熔化速度与EN极性比率的关系

图5.3-47 熔深与EN极性比率和焊接电流的关系

a）交流脉冲MIG焊 b）直流脉冲MIG焊

注：焊接速度60cm/min，送丝速度600cm/min。

交流脉冲MIG焊接熔深浅，可有效解决薄板焊接时的烧穿问题。可焊铝合金板厚最薄为0.5mm，此时的焊接速度为100cm/min。

（3）可焊接大间隙接头 从图5.3-47a还可看出，EN极性比率可以控制焊道形状。EN比率增加，熔池温度降低，焊道余高增大。焊道余高越大，对接头间隙变化的适应能力也就越强。图5.3-48比较了直流脉冲MIG焊接和EN极性比率为20%的交流脉冲MIG焊的接头间隙。在单位焊道长度的熔敷金属量一定时，熔深与焊接速度的关系如图5.3-49所示。