全球性的竞争不断加剧，迫使中小企业格外注重开始使用新的更具竞争力的先进技术。类似MAG焊和TIG焊的材料接合加工技术自然也包括在这种趋势内。这些工艺在质量和经济性方面都有各自的优缺点：
TIG焊的高质量是众所皆知的,但其生产效率低，而另一方面，MAG焊却有着高熔敷率,只是品质有限。
本文分析了MAG焊工艺的改进,指出随着该工艺焊接质量的提高,以MAG焊代替TIG焊以增进效率将会成为发展趋势。
1. 介绍
随着目前全球竞争的加剧，中小型企业特别需要通过采用新技术来提高自身的竞争力。类似电弧焊这样的材料连接加工技术自然也不例外，事实也正如此。在每天的生产实践中，不计其数的不同焊接工序和焊接工艺方法被广泛采用。其中也许最重要的就是气体保护熔化极焊MAG和钨极惰性气体保护焊TIG。这些焊接工序都有它们各自的长处以满足各项应用中对质量和经济性等不同方面的要求。然而，迫于激烈的竞争，用户必须越来越频繁地采用更优化的焊接工艺。有趣的是，相对应的，TIG焊和混合气保护熔化极焊有着截然不同的优缺点。即，词语“TIG焊接”不可避免地和“质量”相关联，而MAG焊接无可厚非地表示“经济”或“批量”。不巧的是，直到最近，一般都认为取其一必舍其另一。甚至今天，
仍然常听见这种老偏见说MAG主要是用于高熔敷率而TIG是唯一高质量的焊接工艺。不应该再这样了，下面就会给大家作出解释。
2. 总述
有2种办法使用户能从这种每天面对的二者只可取其一的状况中解脱出来：
（1）提高钨极惰性气体保护焊的效率—- 熔敷率和焊接速度;
（2）提高熔化极气体保护焊的质量，即把已知的缺陷（如飞溅 等）降低到极限，极小到可以忍受的程度，并扩大其应用范围尤其是更小的可焊厚度。
为了解释这二者技术的经济效率水平的差异，我们将必须进一步分析整个弧焊过程上最重要的元素可能是什么。
TIG的主要应用是焊薄板材，即使它是全球普遍的焊接方法，也还是以焊接薄板为主。可以看到电弧热能集中在很短的距离内;靠近阴极大约1～2mm。在这里，我们不作物理理论的探讨。这里只是说明这样的事实－焊工的操作非常关键－要焊得好就必须非常稳定的操作钨极。因为电极和工件之间只有很小的间隙可以把最大电弧能量输入到母材。不过，这点只能靠高度机械化或自动化来达到－从技术可行性来考虑只有在轨道自动焊厚壁环管焊这样的特殊情况下才可实现。然而这种情况不能被当作常见的情况考虑，因为还有更多条件苛刻的工况下需要焊接。在很多日常的焊接实践中工程师们还必须考虑到容许的制造公差，因此自动TIG焊是不现实的。另外TIG的效率无法通过机械化或自动化来提高，它优质的工艺质量与其无可置疑的低效率之间隔着条鸿沟，无法统一。尤其是在薄件焊接时，几乎没有其它选择来代替TIG焊，因为它对母材的热输入很集中，甚至是到薄件末端时。由于填充焊丝不必兼作电极的作用，所以不会引起电弧中断而产生爆破震荡。尤其在关键点焊接时－例如焊缝起点－它可以实现先输入热量至母材完全熔化再开始填加焊丝开始焊接。近10年来焊接件的厚度在不断减小。这主要是由于冶金技术的不断发展，既有新材料不断出现，又有旧材料的不断优化改善。想想如今的现实– 例如汽车工业中－既要增加厚度来提高强度又要减轻重量，通过机械／科技的进步发明出了复合材料，提高了材料的强度，从而解决了这一矛盾。有色金属也正在越来越广泛地被用于日常的制造与工业设计中。在很多技术领域，例如，铝和铝合金就已是越来越普遍地采用了。焊接技术必须全力发展以跟上这些技术的发展。与上面提到的相似，如今必须要提高这两种焊接工艺的经济来适应社会的发展—–例如对MAG焊而言－提高工业生产中的工艺质量比什么都重要。两种工艺的目标都是要扩大应用范围使新的优质的材料得到广泛充分的利用。如今现代的电子科技装置开始被引入最新型的焊接电源中，于是霎那间用户有了用MIG或MAG焊代替TIG焊的方法。这就是为什么从前只有TIG焊能采用的场合如今也出现了一些不同的气体保护焊工艺的原因。
MAG电弧整个弧柱区的能量密度均比TIG弧好，有利于增进对母材的热输入。当然在熔滴过渡过程中采用不同的保护气或不同的焊接材料等都会引起温度分布图中几何形状的不同和温度的不同。在作更深入的解释之前，应该要先介绍一下MAG焊接电源的设计原理。这可能有些离题，但能使人更好地理解现代化焊机的历史与功能。
3. 三种不同的MAG焊机设计原理
3.1 晶体管式焊接电源
这类MAG焊接电源，焊接电流和电压是由非闭环控制系统控制。该系统主要靠电阻器来调节，电压值不按实际焊接回路的电压差设定。而且，这类焊机内部发热量大，能量被损耗。经变压器后，电压立即被调整，然后经过晶体管调节器直接输出到电极。内部的发热能量损耗使其效率较低。与些同时，这类焊机通常又大又重，失去了灵活性，室内室外应用都不方便。这类焊机的特点是有效减小电流波动及使用脉冲弧性能很好。由于它有众多的缺点，这型焊机不再常用，从市场上逐渐消失了。
3.2 第二代晶闸管式电焊机
该型焊机具有大的50Hz变压器，次级接到整流器，电流调节部分为一定频率的晶闸管开关控（20kHz=20,000Hz）。根据脉冲宽度的不同（周期内持续导通的时间）来控制电弧能量。这型焊机的优点是受电源电压的波动影响小（电压峰值）。不过，这些焊机通常电效率低并且由于需要庞大的变压器而使其体积和重量都不小，这当然是其缺点。
3.3 晶闸管逆变电源（逆变器）
初级晶闸管开关电源也叫逆变器，是在变压器主电源一侧（初级）升高电压频率。采用的是新式的电子元件（MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管），很高的交换频率（例如100kHz=100,000Hz）得以实现。这大大地减小了变压器的体积，从而使整个焊机的体积和重量都大为减小。同时，基于这种原理的焊机具有极高的电效率和发展潜能等。可以在40％暂载率下提供500A焊接电流的焊机仅重38 kg。
高的逆变频率可使电流波动极小，可以提高电弧在小电流时的稳定性。这些焊机的一个缺点可能是会出现电磁波辐射（EMC）。不过，遵照CE标准，采用适当的过滤器后电磁辐射可以被降低到规定值以下。
3.4 全数字化焊机
迄今所有的焊机类型中，全数字化焊机是最先进、最新式的。该型焊机将传统逆变焊机的模拟控制（即影响焊机品质的主要部分）改为了数字化控制或“DSP”。通过这种方法来实现以软件形式为基础的特性来代替硬件形式的特性。这表示所有有关电弧的要求都可以用数字化的形式由焊机提供。可以在体积和重量方面比目前仍有少量使用的模拟控制设备进一步缩小，因为其功能可以用数字信号处理得到。
软件化的特点其优点之一就是任何程序的执行或修改可以立即实现，例如可以实现机动性很高的焊机软件升级。
所有这些情况得到的很多益处就是下面将要叙述的。这个进步是实现MAG焊替代TIG焊工艺的催化剂。
4. 过程准则
如同已经提过的那样，在认真考虑如何用MAG焊代替TIG焊时，必须要应用上那些新发展的技术。这其中最重要是如下几个：
4.1 低电流波动并且改进脉冲特性
这样，才能实现在MAG直流焊接过程中焊机能提供最为平顺的电弧特性。这种技术（低的电流波动和改进的脉冲特性）对于极小电流焊接或是脉冲弧焊极其重要。可以说，在基值电流仅有几安培时，具有干净持续的直流电流比具有高的电弧能量更重要。任何一点减弱都会使电弧不稳定及失去重引弧性。MOS管（金属氧化物半导体场效应晶体管）被用来产生逆变频率直接关系到极小电流焊接时的基值波纹。同时，由些产生的另一个好处是可以实现前面曾经提起的－即扩大了焊机的可用范围以致可以焊接更小的壁厚。同样采用脉冲弧焊也可做到这点－尽管这是焊机的另一附加功能。就象前面已经提过的，在不同的保护气氛下，不同成分的熔滴表现的特性会不同。因此在理论上，使用者必须根据每一种不同的焊接材料来设定不同的脉冲电流和基值电流等参数。不过，现在工业上应用的材料如此之多－譬如高合金钢又或是有色金属－这使得焊机的调节非常麻烦以致于几乎只能作为单一材料焊接的专机了！而同时，焊机作为一种通用设备又要能适应各种不同的焊接作业要求。因此，不怕经常焊接各种不同焊接材料也是很重要的。由于它们的成分如此复杂（象镍基合金和特殊不锈钢等），在这种时候－如果不预先准备—工房内的操作者将会绝望透顶，就因为调节是如此的劳神费时，还别提需要掌握多少有关电弧的基础知识。除了少数专家几乎没人能用这焊机了。为防出现这种情况，产生了预置参数的焊机，针对常用的材料，包括保护气体，相应焊接参数储存在焊机的程序里，使用者只须调出使用即可。针对大量不同焊材的背景参数，归纳出68个对电弧稳定性和熔滴过渡性能有影响的参数，令使用者可以选出一个合适的参数，在焊机的焊接范围内不论何时何地均可再次得到理想的焊接特性，并且可以实现一元化调节，譬如只须使用单一控制（单键操作）。如此一来，就有了一套对脉冲电弧和熔滴过渡参数进行优化设置的专家系统，对用户来说就非常简明快捷。而且，为使用户能根据填充材料和或保护气的不同调节出正确的焊接规范，该型焊机还可以进行重要规范的调整（象弧长和脉冲宽等参数）。通过这些方面的发展，焊机的性能大为提高，可以从根本上解决多数常见焊接作业中遇到的问题。
4.2 焊缝的开始和结束
从表1可见，MAG焊接的明显缺点体现在焊缝的某些关键点上。尤其是焊缝的开始和结束部位。因为MAG焊中焊丝兼作电弧电极，除非电弧可以自己引燃，否则无法实现滞后送丝。而对于导热率高的金属（譬如铝和铝合金），正是这个缺点使MAG焊不如TIG焊应用广泛。母材相对冷的时候，起弧时部分电弧能量散失了，会出现不规则的未熔合现象。作为对策，用户只能进行预热或选择氦保护气。而焊到焊缝的末端时，经常会出现热量过剩，通常是因为焊缝轴向受限制－即电弧移动到了工件的末端。热量过剩常会导致焊缝凹陷甚至“烧穿”。不过，焊机可以采用图8所示方法来排除这些缺陷，使MAG焊依然可行。
这种方式的目的是使焊接的开始与结束都能满足工件的需要。这种特殊四步方式可以按照预先设定的焊接参数来焊接。操作者通过按住焊枪开关来调出起弧电流焊接，即直到焊缝起始处的热输入量足够熔透母材（第一步）。当操作者松开焊枪开关（第二步），焊接电流在预设的时间内降到（“slope衰减”）到设定的焊接电流。到焊缝未端时，操作者再次按住焊枪开关（第三步）在预设的衰减时间内将电流降低到收弧电流大小。该电流将按操作者的意愿保持到完成填充弧坑收弧结束为止，不会产生缺陷（诸如收弧气孔等）。当操作者松开焊枪开关（第四步），电弧熄灭，开始滞后送气。因为焊机本身就内置了这种特殊四步的操作程序，可使操作者不必分三次调节焊接电流并分别完成。不过，市场上仍然有些焊机是需要操作者艰难地进行这些步骤的。当操作者设定特殊四步的操作方式后进行一元化调节时，起弧电流和收弧电流是会根据所设焊接电流自动调到合适大小的。研究实例清楚地表明这对于轻合金的短焊缝是一个显著的优点。当要以MAG焊代替TIG焊时这是一个不可或缺的进步。
4.3 焊丝的强制接触
这也是对MAG焊接质量极具影响的一点，即焊丝与喷嘴内导电嘴的接触。如果接触的多少不确定会对引弧过程造成不良影响，致使重复焊接的效果一致性不好（即产生引弧缺陷）。而且不仅是会对引弧质量造成极大的影响。大电流过渡时（脉冲焊时电流上升就会产生），还会在导电嘴内产生“二次电弧”，对燃弧过程和导电嘴的磨损都有很大影响，还会影响电弧的稳定。然而只要是通过焊丝导电就会无规律地产生一些随机的情况，燃弧的过程须可靠的方式来保障。图9和10表示了三种不同的接触方法。
实践结果表明特定的进入导电嘴方式强制接触效果很好。这种方法简单而高效。
焊丝按合适的螺旋角度进入导口或内管，可以确保与导电嘴的接触。结果是：
＊提高了引弧性能
＊减小了导电嘴的磨损
＊产生稳定的电弧
MAG焊接中引弧性能的优化对整个焊接的重复效果一致性起了积极的作用，这也是对广大致力于提高MAG焊质量的工作者们一个很好的回应。
4.4 熔滴分离脉冲
这也是对引弧直接有关的因素值得深入研究。为提高焊机的引弧特性－更重要的是重引弧特性－在此将熔滴分离脉冲作为研究对象。图11(图)显示的是焊丝端部的一个脉冲电流示意图。
传统的MAG焊机焊接结束后常会产生这样的缺陷：焊丝末端会形成一个影响再次引弧时性能的小球。左边是传统焊机的效果；右边是带有熔滴分离脉冲的全数字化焊机效果。
这是由物理和机械的原因造成的。以前的焊接操作结束后会在焊丝末端形成水滴状小球，由于小球表面积大，且基本是难导电的氧化膜，使得接触电阻加大，引弧电流被大为减弱，引弧会被延迟（这是物理因素）。引弧时只有当焊丝送进到靠近工件，焊丝的导电表面与工件表面接近它们之间才会燃起电弧（这是机械因素）。不幸的是，当电弧产生时常伴有以下现象：电弧一产生就会导通大量电流，焊丝端部爆断，产生严重的飞溅。这些飞溅通常比较热，一般要靠焊后处理设备才能除去。如此下来，MAG焊质量就会大受影响。为了改善这种情况－更为了良好的重引弧－就得采用新型的带有消除焊丝末端小球程序（一元化调节程序中的一项基本参数自动实现）的焊机。这个程序会发出一个特定大小的脉冲，将焊丝端部的小球干净彻底地削去。一般焊丝末端直径会与原来的焊丝直径相同，这样就不会增加重引弧的电阻了。由此可以得到平顺的引弧过程。
4.5 无飞溅起弧
以上所述都特别适用于铝和铝合金的焊接。在这种工作中，重引弧的延迟会引起导电嘴粘堵（特别是软的焊丝）及飞溅物污染。新型焊机进一步发展，综合了焊枪技术（推拉丝枪）后使得引弧和重引弧性能进一步优化。手工和自动焊均可实现。这就是铝合金MIG焊方面“无飞溅引弧”技术的应用成功。
这种方式下，焊机精确地控制送丝速度。当焊丝触及工件时仅出现极小的引弧电流。当焊机探测到该电流即刻将焊丝回抽。按照精确的时间周期燃起电弧，在第一个脉冲结束时，第一滴熔滴分离。可以清楚看到脉冲电弧在引导电弧引导下引燃的过程。
4.6 弧长控制
在MAG焊过程中，常常会要从以前的焊点上焊过去。这些焊点是用来定位的。虽然粗看上去这些焊点并不出奇，但近看一下会发现这需要焊机有很好地控制技术。因为在越过这些焊点焊接时会直接引起电弧长度的变化从而导致电弧特性的变化，所用的焊机必须有极好的应变性以使电流恒定保持预设值。
然而，如果是脉冲弧焊，就会打破“一个脉冲一滴熔滴过渡”的稳定的焊接节奏。一旦因电弧缩短而乱了节奏，将引起飞溅增加，焊后工作量增加，必然也会降低质量。必须根据测定的电流进行修正。焊接时焊机持续地对比电弧的参数（即电弧电压，被认为是与弧长成正比关系的）。过去的困难在于有限的条件不能单独选出电弧来测量它的实际值以进行精密控制。因此就在焊机输出电极间进行测量。然而，焊接回路电压的下降是电缆阻抗，导电嘴等多种因素引起的，这些都会引起很多测量错误。
此外，因为温度上升（焊机在使用时会逐渐升温）而引起的“温度漂移”也会造成误差。为了在这方面达到必要的性能和提高控制能力，全数字化焊机利用数字信号处理器（DSP）的高速计算和快速控制来进行这方面的工作。虽然还是在两电极间进行测量，处理器却可以从测量值中除去某些常量（环境参数），计算出控制弧长所需的变量。结果是可以得到很好地电弧稳定性，使跨越的过程中仍然保持“一个脉冲一个熔滴过渡”的协调。
5. 总述
新式MAG焊机内有更高频率的逆变器，理论上最高频率已经可以达到200kHz。实际使用中，已经实现100kHz。这可使得即使在很小电流焊接时也可达到空前的电弧稳定性。然而，在电弧移动的过程中会有大量的电弧参数需要正确调节。假如有某种材料要实现最佳过渡的话，可能要设定超过68个的不同特性参数。对焊机的设定就完全得靠精通该材料的专家，而不是工房里的操作者！无论如何，这点是绝对的，即焊接者应该开拓新技术带来的新用途而不是先成为理论的专家。这就是为什么要将各种焊接材料预储存到焊机里实现“协调特性”的原因。通过这种方法工人们能够作最少的调节即得到最佳的焊接效果。所有这些材料的最佳参数值需要一遍遍试焊才能得到，还包括晶相分析和工艺过程分析（高速摄影等）。这些要－且必须要－在不同的保护气及不同的焊丝直径条件下进行试验。这些最佳参数值通过这种方法取得后将它们存入EPROM，或（这是最先进的方式）做成软件形式。实践中可能有些材料成分有所不同或保护气成分略有差异，而储存的参数中没有，可以由使用者通过调整功能来调出较好的规范（即通过调与电弧长度近似正比的电弧电压，或改变脉冲宽度）。
用于高级材料焊接和高质量要求下，可采用由电子晶闸管导通角控制的MAG脉冲焊。以低电流时段的“基值电流”和高电流时段的“脉冲电流”双重电流实现。MAG脉冲焊是两种传统电弧的中间类型—-短路过渡电弧和喷射过渡电弧。虽然短路过渡电弧能量不强，但会在焊丝断开时发生爆发，产生飞溅，因此不适于在那些重要的要求小飞溅甚至无飞溅的场合使用。对于薄壁材料，以无飞溅闻名的喷射过渡电弧确因能量太高而不能适用。然而，通过晶体管开关调节不同的电流量，可以控制电弧能量实现无短路而理论上无飞溅的熔滴过渡。要达到令人满意的稳定的电弧就要“一个脉冲一滴熔滴过渡”的使熔滴从焊丝端部分离。早期所用的两种不同结构原理的焊机主要不同在于主变压器对交流电压的转变。使用现代的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET‘s），转化频率后使焊接电流残余波纹很小，使稳定平直的电弧成为可能，哪怕是很小的电流焊接。“每个脉冲一滴过渡”的条件使得即使干伸长变化很大（象焊过点定位焊点时）也能控制得很稳定。同时，单位长度的热输入量也能严格控制。作为机械化和自动化设备的配套件，高度的可重复达到的焊接质量和最低的产品成本也是其一大优势。所有这些均可令用户达到总体运行时间加长，生产周期缩短，从而提高本企业的竞争力。另一个重要的因素在于这种焊机容易与机器人组网，这在高度自动化的工业化大生产中变得非常关键。利用这种新型的焊机技术-全数字化技术-产品的实用性也可得到极大提高。别以为改变已有参数或创建新参数的方法只有另制一块新的电子存储芯片，或者由手工艰难地将参数一个个输入焊机。实际上只须很少的一点时间，使用者不必浪费太多时间便可迅速将焊机重设为新版本。所有影响电弧特性的控制程序也都是采用的数字化的形式。
现在焊缝质量的重复精度非常之高，即使长时间操作也不再会因常有“温度漂移”现象而被改变。所有这些新型的焊机技术完全可令MAG焊取代TIG焊应用于各种焊接场合。
6. 参考实例
6.1 中型容器结构和设备加工公司
主要加工范围：化学容器和设备
焊接方式：MAG焊；等离子焊；埋弧焊；TIG焊
材料：多为高合金钢
地点：Hersbruck靠近德国纽伦堡）
工人：32
应用: 全自动和手工MAGp 和 MAG 药芯焊丝焊高合金钢的化学设备和容器 。
自动设备:埋弧焊小车配旋转夹具引导MAG焊枪。
焊机: 全数字化逆变焊机40%负载持续率时为500 A直流。
参考文献:
[1] J. Wendelstorf @ tu-bs-de/ifs 1998
[2] J.Haidar; J.J.Lowke Welding Research Supplement“Predicted differences in droplet and arc behaviour in gas metal arc welding for CO2 and argon as shield gases” Australasian Welding Journal; Volume 43 – Second quarter 1998
[3] Ing. Mag. Heinz Hackl; Fronius house journal “Weld and vision” 1999
( 注：图表略 ）