实验一 CO 2气体保护焊短路过渡电弧的稳定性 一、实验目的 （一）了解细丝CO2气体保护焊时熔滴短路过渡的特点。 （二）了解影响熔滴短路过渡时电弧稳定性的因素，并掌握规范参数影响电弧稳定性的规律。（三）了解CO2气体保护焊机的结构，步步掌握CO2焊机的使用方法。（四）选择CO2气体保护焊焊接材料及工艺参数，了解工艺参数对焊缝成形及尺寸的影响。二、实验装置及实验材料 （一）CO2气体保护焊机（NBC250型） 1台 （二）CO2气体 1瓶 （三）预热干燥器 1个 （四）减压表 1个（五）光线记录示波器（SC-16型） 1台（六）短路频率计 1台(七)低碳钢板25060mm，厚度 23 mm 12块(八)焊丝 H08Mn2SiA，0.81.2mm(九)砂纸三、实验原理细丝 CO2气体保护焊时，熔滴呈短路过渡。焊接过程中，焊丝末端的熔滴长大到一定的大小，和熔池表面接触，造成焊接回路短路，电弧熄灭。随后由于电磁挤压力和表面张力的作用，焊丝末端和熔池中间的“液桥”形成细颈，进而熔滴完全落入熔池，焊丝末端出现间隙，电弧又被重新引燃（图1）。图1 熔滴过渡的过程图2 熔滴过渡过程中，焊接电流与电弧电压的变化在细丝CO2气体保护焊时，焊接回路里串联可调电感。如果把焊接回路看成是纯电感电路，则熔滴短路过渡所引起的焊接电流值和电弧电压值的变化见图2。图上的不同曲线表示不同的熔滴过渡阶段的焊接电流值与电弧电压值的变化：ah线代表“液桥”形成细颈的阶段；be线代表“液桥”断裂的瞬时；cde曲线代表电弧燃烧和熔滴长大的阶段；e和f点代表熔滴接触熔池、造成焊接回路短路的瞬时。细丝CO2气体保护焊时，焊丝匀速给送，电弧的静特性曲线是上升曲线。为了使电弧稳定燃烧，焊接电源应具有平直的外特性曲线。但是，如果焊接电源仅仅具有平直的外特性曲线是不够的，要保持熔滴正常过渡，减少金属飞溅，使焊接电源的动特性能够适应熔滴短路过渡的特点，焊接电源必需给焊接回路提供一定大小的电感。图3表示电源电压为U0时焊接回路的等效电路图。电弧-焊接电源系统的工作状态如图4所示。U0R为电源电压为U0时的外特性曲线。在“液桥”形成细颈的过程中，电弧电压与焊接电流分别由Ua、ia增大到Ub及ib。“液桥”断裂的瞬时，ib还来不及发生变化，但电弧电压由 Ub急剧增高到Uc。电弧在弧长为L0时的静特性曲线为L0线，电弧工作点c是ib垂直线和L0线的交点。“液桥”断裂后，由于表面张力的作用，液态金属分别向焊丝和熔池收缩，弧长由L0急剧增长为L2，工作点c相应地移到c点，焊接电流则由ic减小到ic。但在此期间，由于焊丝的继续送进，弧长由L2缩短成L1，进而缩短成L0，然后在e处发生焊接回路的短路。图3 焊接回路的等效电路图图4 电弧-焊接电源系统的工作状态图从以上分析可知，工作点 c、c、d及 e处的电弧电压UH均高于电源电压U0，并且焊接电流在继续减小。电源电压U0和电弧电压UH的差值等于焊接回路的自感电势，即UH - U0 = - L di/dt若考虑熔滴过渡的一个周期，自感电势之和为零，所以电弧电压的平均值或平均弧压UHP，等于电源电压，即 UHPU0相当于UHP的电弧长度为L。于是，静特性曲线L和电源外特性曲线交于P点。综上所述，可知细丝CO2气体保护焊时，调节平均弧压UHP主要靠调节电源电压U0来实现，而调节焊接电流主要靠调节送丝速度来实现。细丝CO2气体保护焊时，焊接过程的稳定性受到许多因素的影响。熔滴短路过渡焊接时，应当特别重视对于焊接电源动特性的要求。衡量电源动特性的主要参数有焊接回路短路瞬间的电流增长速度di/dt，短路电源的峰值Imax和“液桥”断裂后焊接电压的恢复速度dU/dt。di/dt的值过小使“液桥”不能迅速断裂，连续送进的焊丝会插入熔池，焊丝外伸部分长时间内保持很大的电流密度，焊丝便会红热软化而成段爆断，di/dt的值过小使短路电流增长太猛，熔滴和熔池金属会便发生强烈的飞溅。短路电流的峰值Imax应足够大，这样才有利于“液桥”迅速断裂及随后的电弧再燃。焊接电压的恢复速度dU/dt应能保证在“液桥”断裂后，焊接电压恢复到 25V的时间不超过 0.05s。实践证明，在熔滴短路过渡焊接时，平特性的焊接电源能获得较大的电流增长速度di/dt及短路电流峰值Imax。选用恰当的焊接规范参数和参数匹配，也是保证焊接过程稳定的重要因素。图5 实验装置的接线图焊接过程中熔滴的过渡情况，除掉凭借感性经验作粗略的判断以外，精确的直接观测是用高速摄影拍下焊接区的动态。其它如利用示波器显示电弧电压和焊接电流的变化特征，利用频率计记录熔滴过渡的频率等，也可以作为间接的判断。四、实验步骤及方法(一）了解细丝 CO2气体保护焊设备的结构，掌握焊机启动，停止焊接，调选焊接电流、电弧电压、送丝速度、焊车行走速度、保护气流量及电感值等的操作方法。（二）掌握示波器及频率计的使用方法。（三）按照图5接线。（四）根据板厚和焊丝直径，查阅有关资料和参考表1所列数据，初步确定规范参数。启动焊机，在平板敷焊。根据试焊结果调变规范参数，反复焊接几次，直到获得较稳定的电弧和较好的焊缝成形。这时的规范参数可作为较佳规范参数记录下来。表1 CO2气体保护焊的参考规范焊丝直径(mm)电弧电压(V)焊接电流(A)焊接速度(m/h)气体流量(L/h)电感值(mH)0.8181910011025303004000.080.161.2192011012025305006000.10.18焊接时应注意电弧是否稳定燃烧，有无大的溅珠及有无大的溅珠爆破声响等。（五）记录焊接过程中的焊接电流变化及电弧电压变化的波形。(六）以较佳的规范参数作为标准，在其它规范参数保持不变的条件下，每次只调变一个规范参数进行焊接：焊接电流调变成两个不同的偏大值及两个不同的偏小值；电弧电压调变成两个不同的偏高值及两个不同的偏低值；电感调变成两个不同的偏大值及两个不同的偏小值。重复步骤（四）的观察内容和步骤（五）的记录内容。五、实验结果的整理与分析（一）整理实验结果，记录在如表2形式的记录表内。表2 实验记录表试件序号空载电压(V)电弧电压(V)送丝速度(m/h)焊接电流(A)电感值(mH)焊接速度(m/h)短路频率(次/s)现象特征（二）根据示波器所记录的焊接电流及电弧电压波形图，结合熔滴的过渡过程，说明焊接电流及电弧电压发生变化的原因。选取典型的波形图，算出短路电流峰值IM、引燃电压UR、燃弧时间tR、短路时间tD及短路频率 f的值。（三）分别画出电弧电压、焊接电流、电感值等各主要参数与短路过渡频率的关系曲线。分析各曲线形式对于焊接过程稳定性的关系。（四）对实验中观察到的现象分析和讨论。六、思考题（一）如果细丝CO2气体保护焊所用的焊丝直径不同，焊丝直径的差异怎样在主要规范参数的选择上反映出来，为什么？（二）为什么CO2气体保护焊产生较大的飞溅？举出几条减少飞溅的措施，并简要地说明理由。（三）CO2气体保护焊短路过渡焊接时，焊缝外形有什么特点。怎样改善焊缝外形。七、附录无源截波式短路频率计短路频率计是一种计数仪器。无源截波式短路频率计的电路较为简单，不需要额外的外电源，测量精度高，并能适应在较大数量范围内变化的讯号。无源截波式短路频率计的电气原理图见图5。它的工作原理如下：短路过渡的电弧电压作为该频率计的输入电压U入，通过稳压措施被转变成近似矩形波，然后用RC微分电路把近似矩形波转变成尖脉冲。只要回路中的R和C已定，则矩形波上幅值、下幅值以及平均电量为稳定的情况下，电容的充放电电流就一定 在R2上获得的尖脉冲电压 U出也保持一定。每次脉冲的电量一定，如果 U入的频率变化，因 T=1f，i= qT=fq同频率成正比关系，表头的指示值也同频率成正比。图6 无源截波式短路频率计的电气原理图电弧电压的上幅值和下幅值随焊接状态不同而变化。为保证仪器能精确测量，必须采取措施，使电压的上、下幅值稳定。本电路采取截波方式，用限流电阻R1和稳压管WY1稳定上幅值；电容器C1和稳压管WY2稳定下幅值。电容器C2、电阻R2、电位器 W1和微安表组成微分电路。二极管D2给C2提供放电回路。C3为滤波电容。测量短路过渡的频率时，取电弧电压作为输入电压U入，微安表的读数乘以一定系数即为短路频率值。实验二 氩弧焊工艺参数及对焊缝成形的影响一、 实验目的1. 详细了解TIG焊设备的组成及其操作过程；2. 了解铝合金焊接时电弧的阴极雾化作用；3. 了解工艺参数对焊缝成形的影响；4. 初步掌握钨极氩弧焊施焊的基本技能。二、实验设备及材料图1 钨极惰性气体保护焊示意图 1一喷嘴; 2一钨极; 3一电弧; 4一焊缝;5一焊件; 6一熔池; 7一填充焊丝; 8一氨气(一) 钨极氩弧焊机(WSE-200逆变交直流氩弧焊机)(二) 氩气(三) 减压表(四) 电焊面罩(五) 砂纸(六) 铝板(七) 不锈钢板三、实验原理TIG焊是在惰性气体的保护下，利用钨极和工件之间产生的焊接电弧熔化母材及焊丝的一种焊接方法。焊接时，惰性气体从焊枪的喷嘴中喷出，把电弧周围一定范围的空气排出焊接区，从而为形成优质焊接接头提供了保障，见图1。焊接时，保护气体可采用氩气、氦气或氩+氦混合气体，特殊场合也采用氩气+氢气或氦气+氢气混合气体。焊丝根据焊件设计要求，可以填加或不填加。如果填加焊丝，一般从电弧的前端加入或者直接预置在接头的间隙中。TIG焊电弧燃烧过程中，由于电极不熔化，易维持恒定的电弧长度,焊接过程稳定；氩气、氦气的热导率小，又不与液态金属反应或溶解在液态金属中，故不会造成焊缝中合金元素的烧损；同时，填充焊丝不通过电弧区，不会引起很大的飞溅。所以，整个焊接过程十分稳定，易获得良好的焊接接头质量。TIG焊有直流、交流、脉冲等不同焊接方法，直流钨极氩弧焊没有极性变化，但电极接正还是接负，对电弧的性质及对母材的熔化有很多的影响。 1） 直流反极性焊接 钨电极接在直流电源的正端时称作直流反极性(DCRP)焊接。反极性焊接时，钨极是电弧的阳极，受到大量的电子撞击，电极产热量大而被过热熔化，即使是粗径电极电流也只能在100A以下。此时，由于钨极不具有发射电子的作用，所以可以使用纯钨极。但是反极性接法时，电弧具有对母材表面的氧化膜进行清理的现象(清理作用)。电极接正时，母材是阴极，从其表面发射出电子。电子容