CO2气体保护焊及其工艺问题浅谈详解.docx
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CO2气体保护焊及其工艺问题浅谈详解
CO2气体保护焊及其工艺问题浅谈
山东聚力焊接材料有限公司 李明超
［摘要］ CO2气体保护焊是目前工业生产上应用十分广泛的一种焊接方法，具有成本低、焊后变形小、抗锈能力强、焊缝的抗裂性高和操作简单、生产率高等多项优点。
但是，这种焊接方法最难克服的缺点就是焊接时飞溅比较大、容易受到气流的干扰产生气孔。
本文介绍了其产生飞溅和气孔的机理与防护措施。
［关键词］CO2气体保护焊；飞溅；气孔
以CO2作保护气体，依靠焊丝与焊件之间的电弧来熔化金属的气体保护焊的方法称CO2焊。
这种焊接法采用焊丝自动送丝，敷化金属量大、生产效率高、质量稳定。
因此，在国内外获得广泛应用，与其它电弧焊相比有以下特点：
1、生产效率高：
CO2电弧焊穿透力强、熔深大，而且焊丝熔化率高，所以熔敷速度快，生产效率可比手工电弧焊高3倍。
2、焊接成本低：
CO2焊的成本只有埋弧焊与手工电弧焊成本的40%~50%。
3、消耗能量低：
CO2电弧焊和药皮焊条手工焊相比3mm厚钢板对接焊缝，每米焊缝的用电降低30%，25mm钢板对接焊缝时用电降低60%。
4、适用范围宽：
不论何种位置都可以进行焊接，薄板可焊到1mm，最厚几乎不受限制（采用多层焊），而且焊接速度快、变形小。
5、抗锈能力强：
焊缝含氢量低、抗裂性能强。
6、焊后不需清渣，引弧操作便于监视和控制，有利于实现焊接过程的机械化和自动化。
我国在CO2焊接设备、焊接材料、焊接工艺方面已取得了很大的成就。
CO2电弧焊接在我国的造船、机车、汽车制造、石油化工、工程机械、农业机械中获得广泛应用。
CO2焊接工艺的实用化为社会带来了巨大的财富，一方面是因为CO2气体价格低廉，易于获得；另一方面是由于CO2焊接的金属熔敷效率高，以半自动CO2焊接为例，其效率为手工电弧焊的3~5倍。
但是由于CO2焊接熔滴过渡多为短路过渡，对CO2焊接工艺稳定性提出了更高的要求，另外CO2焊接的飞溅大和气孔生成多，成为从20世纪50年代开始至今制约CO2焊接工艺推广的主要技术问题之一。
1 CO2气体保护焊飞溅产生的机理
在CO2焊中，大部分焊丝熔化金属可过渡到熔池，有一部分焊丝熔化金属飞向熔池之外，飞到熔池之外的金属称为飞溅。
特别是粗焊丝CO2气体保护焊大参数焊接时，飞溅更为严重，飞溅率可达20%以上，这时就不可能进行正常焊接工作了。
1.1 熔滴过渡飞溅
由于焊接参数的不同，CO2焊具有不同的熔滴过渡形式，从而导致不同性质的飞溅。
其中，可分为熔滴自由过渡时的飞溅和短路过渡时的飞溅。
1.1.1 熔滴自由过渡时的飞溅
熔滴自由过渡时的飞溅主要形式在CO2气氛下，熔滴在斑点压力的作用下上挠，易形成大滴状飞溅。
这种情况经常发生在较大电流焊接时，如用直径1.6mm焊丝、电流为300~350A，当电弧电压较高时就会产生。
如果再增加电流，将产生细颗粒过渡，这时飞溅减小，主要产生在熔滴与焊丝之间的缩颈处，该处的电流密度较大使金属过热而爆断，形成颗粒细小的飞溅。
在细颗粒过渡焊接过程中，可能由熔滴或熔池内抛出小滴的飞溅。
这是由于焊丝或工件清理不当或焊丝含碳量较高，在熔化金属内部大量生成CO2等气体，这些气体聚积到一定体积,压力增加而从液体金属中析出，造成小滴飞溅。
大滴过渡时，如果熔滴在焊丝端头停留时间较长，加热温度很高，熔滴内部发生强烈的冶金反应或蒸发，同时猛烈地析出气体，使熔滴爆炸而生成飞溅。
另外，在大滴状过渡时，偶尔还能出现飞溅，因为熔滴从焊丝脱落进入电弧中，在熔滴上出现串联电弧，在电弧力的作用下，熔滴有时落入熔池，也可能被抛出熔池而形成飞溅。
1.1.2 熔滴短路过渡时的飞溅
短路过渡时的飞溅形式很多。
飞溅总是发生在短路小桥破断的瞬时。
飞溅的大小决定于焊接条件，它常常在很大范围内改变。
产生飞溅的原因目前有两种看法，一种看法认为飞溅是由于短路小桥电爆炸的结果。
当熔滴与熔池接触时，熔滴成为焊丝与熔池的连接桥梁，所以称为液体小桥，并通过该小桥使电路短路。
短路之后电流逐渐增加，小桥处的液体金属在电磁收缩力的作用下急剧收缩，形成很细的缩颈。
随着电流的增加和缩颈的减小，小桥处的电流密度很快增加,对小桥急剧加热，造成过剩能量的积聚，最后导致小桥发生气化爆炸，同时引起金属飞溅。
另一种看法认为短路飞溅是因为小桥爆断后，重新引燃电弧时，由于CO2气体被加热引起气体分解和体积膨胀，而产生强烈的气动冲击作用，该力作用在熔池和焊丝端头的熔滴上，它们在气动冲击作用下被抛出而产生飞溅。
试验表明，前一种看法比较正确。
飞溅多少与电爆炸能量有关，此能量主要是在小桥完全破坏之前的100~150μs时间内积聚起来的，主要是由这时的短路电流（即短路峰值电流）和小桥直径所决定。
1.2 熔池飞溅
焊接熔池中产生的飞溅是由于熔滴进入熔池时或者是由熔池喷出气体气泡时产生的表面张力而导致的，这时一般以微细颗粒居多。
CO2气体保护焊时，焊接飞溅主要是由于CO2气体在高温分解CO2时所引起的，以及熔滴和熔池中的碳被氧化高温化学反应所引起的。
当焊接回路电感值调节不当，致使电源的动特性不合适，或造成短路电流增长速度过快或过慢，也会导致产生飞溅。
此外，焊接电流、电压和极性等规范参数选择不当，也会对飞溅有直接影响。
2 CO2气体保护焊飞溅的危害与防止
CO2气体保护焊最显著的缺点是飞溅大，正常飞溅率一般为5%~10%，当飞溅率达到20%以上时就不能进行正常焊接了。
CO2气体保护焊飞溅的危害表现在：
降低焊接熔敷效率，降低焊接生产率；飞溅物易粘附在焊件和喷嘴上，影响焊接质量，使焊接劳动条件变差及清理工时增加；焊接熔池不稳定，导致焊缝外形较为粗糙等缺陷。
防飞溅的措施有以下几点。
2.1 工艺及设备方面
2.1.1 CO2气体保护焊采用正极性时由于电弧受阳极斑点压力影响，飞溅剧增且颗粒大，因此一般采用直流反极性接法。
2.1.2 选择合适的焊接电流区域
在CO2电弧气氛中，对于每种直径焊丝的飞溅率和焊接电流之间都存在着一定的规律：
在小电流区（短路过渡区）飞溅率较小，进入大电流区（细颗粒过渡区）飞溅率也较小，而中间区飞溅率最大。
所以在选择焊接电流时，应尽可能避开飞溅率高的电流区域。
2.1.3 焊枪垂直焊接时飞溅量最少，倾斜角度越大，飞溅就越多。
通过实践证明，焊枪前倾或后倾最好不超过20°，最大不能超过25°。
2.1.4 焊丝伸出长度应尽可能缩短。
2.1.5 在焊接回路中串联大的电感
采用中等电流规范CO2气体保护焊时，因弧长较短，同时熔滴和熔池都在不停地运动，熔滴与熔池极易发生短路过程，所以CO2气体保护焊除大滴状排斥过渡外，还有一部分熔滴是短路过渡，在焊接回路中串联大一些的电感，使短路电流上升速度慢一些，这样可以适当地减少飞溅。
2.2 材料方面
2.2.1 颗粒过渡焊接时在气体中加入Ar
CO2气体在电弧温度区间热导率较高，加上分解吸热，消耗电弧大量热能，从而引起弧柱及电弧斑点强烈收缩，即使增大电流，弧柱和斑点直径也很难扩展。
也就是说，斑点压力阻止了熔滴的过渡，导致CO2焊产生较大的飞溅。
在气体中加入Ar后，改变了纯CO2气体的物理性质和化学性质，随着Ar比例增大，飞溅率将逐渐减少。
所以在CO2气体中加入Ar是减少焊接飞溅产生的有效途径。
2.2.2 药芯焊丝CO2焊接
药芯焊丝CO2焊接由于采用了药芯焊丝，其焊接的工艺特点与实芯焊丝CO2焊接相比有很大不同，其金属熔滴的过渡形式也有所变化。
首先，药芯焊丝的有效导电截面面积与实芯焊丝相比降低很多，在同样的焊接电流下电流密度很大，因此焊丝的熔化速度有所提高。
其次，药芯焊丝焊接时电弧沿着导电的金属壳燃烧，熔化的液态金属滴沿着药芯及其熔渣向熔池过渡（也可以称为渣壁过渡），避免了与熔池的短路。
但是当压低电弧电压时，药芯焊丝CO2焊接也发生短路过渡,产生较大的飞溅。
实际上药芯焊丝CO2焊接的电弧电压通常较高，这时电弧燃烧仍很稳定，并可以避免短路的发生。
第三，药芯焊丝CO2焊接时药芯中造气剂产生大量的保护气体，为焊接工艺过程提供了更强的保护效果。
药芯焊丝与实芯焊丝比较有许多优点：
①飞溅小；②成形好；③效率高；④抗风能力强，更适合于野外焊接生产。
但是药芯焊丝CO2焊接目前还有两个问题有待解决，一个是药芯焊丝的制造问题。
药芯焊丝的制造工艺相对复杂,尤其是药芯的成分很难保证均匀一致,在实际的焊接生产中造成焊缝成分的波动，影响了焊接过程的稳定性和焊缝机械性能的一致性。
目前日本的药芯焊丝质量较好，而国产的药芯焊丝质量则还有待提高，这已经成为药丝焊丝CO2焊接推广普及的主要障碍。
另一个问题是目前国内CO2焊机对药芯焊丝CO2焊接的适应能力不强，还有大量工作要做。
3 气孔的形成与危害
CO2电弧焊时，由于熔池表面没有熔渣覆盖，CO2气流又有较强的冷却作用，因而熔池金属凝固比较快，但其中气体来不及逸出时，就容易在焊缝中产生气孔。
可能产生的气孔主要有一氧化碳气孔、氢气孔和氮气孔。
3.1 一氧化碳气孔
产生CO气孔的原因，主要是熔池中的FeO和C发生如下的还原反应：
FeO+C=Fe+CO
该反应在熔池处于结晶温度时，进行得比较剧烈，由于这时熔池已开始凝固，CO气体不易逸出，于是在焊缝中形成CO气孔。
如果焊丝中含有足够的脱氧元素Si和Mn，以及限制焊丝中的含碳量，就可以抑制上述的还原反应，有效地防止CO气孔的产生。
所以CO2电弧焊中，只要焊丝选择适当，产生CO气孔的可能性是很小的。
3.2 氢气孔
如果熔池在高温时溶入了大量氢气，在结晶过程中又不能充分排出，则留在焊缝金属中形成气孔。
电弧区的氢主要来自焊丝、工件表面的油污及铁锈以及CO2气体中所含的水分。
油污为碳氢化合物，铁锈中含有结晶水,它们在电弧高温下都能分解出氢气。
减少熔池中氢的溶解量，不仅可防止氢气孔，而且可提高焊缝金属的塑性。
所以，一方面，焊前要适当清除工件和焊丝表面的油污及铁锈；另一方面,应尽可能使用含水分低的CO2气体。
CO2气体中的水分常常是引起氢气孔的主要原因。
另外，氢是以离子形态溶解于熔池的。
直流反极性时，熔池为负极，它发射大量电子，使熔池表面的氢离子又复合为原子，因而减少了进入熔池的氢离子的数量。
所以直流反极性时，焊缝中含氢量为正极性时的1/3~1/5，产生氢气孔的倾向也比正极性时小。
3.3 氮气孔
氮气的来源：
一是空气侵入焊接区；二是CO2气体不纯。
CO2气体不纯引起氮气孔的可能性不大，焊缝中产生氮气孔的主要原因是保护气层遭到破坏，大量空气侵入焊接区所致。
造成保护气层失效的因素有：
过小的CO2气体流量；喷嘴被飞溅物部分堵塞；喷嘴与工件的距离过大，以及焊接场地有侧向风等。
因此，适当增加CO2保护气体流量，保证气路畅通和气层的稳定、可靠，是防止焊缝中氮气孔的关键。
另外，工艺因素对气孔的产生也有影响。
电弧电压越高，空气侵入的可能性越大，就越可能产生气孔。
焊接速度主要影响熔池的结晶速度。
焊接速度慢，熔池结晶也慢，气体容易逸出；焊接速度快，熔池结晶快，则气体不易排出，易产生气孔。
总之，在CO2气体保护焊使用过程中应尽量减小气孔生成的因素，最大程度上防止气孔生成，对提高产品质量有深远意义。
4 CO2焊接的发展方向
通常，低碳钢CO2焊的主要问题是焊接飞溅与气孔。
这些问题的解决思路前面已经进行了描述。
但是，为了CO2焊接工艺的进一步推广，还应扩大其应用领域，如高效CO2焊全位置焊、电弧点焊和自动化焊等。
这些实际焊接生产的需求已经成为CO2焊接的发展方向。
4.1 高效CO2焊接
现代化的工业生产对焊接生产提出了高效率的要求，目前主要有高速CO2焊接和高效MAG焊。
高速CO2焊接主要是针对传统CO2焊接速度为0.3～0.5m/min的低焊速提出来的。
目前，解决这个问题的措施有双丝CO2焊和药芯焊丝CO2焊。
双丝CO2焊因一把焊枪中通过两根焊丝，使得焊枪重量过大,所以难以采取通常的半自动焊法，而只能采用自动焊接，从而限制了该法的应用。
另外，药芯焊丝CO2焊的应用范围远远不及实芯焊丝。
实际上，实芯单丝CO2焊接是CO2焊最普及的方法，如何解决它的高速焊工艺是大家都关心的。
单丝高速CO2焊工艺最主要的问题是产生咬边和驼峰焊边。
这些问题都与熔池行为有关，也就是应从焊接工艺角度解决熔池的稳定问题。
通过对焊接电弧现象的控制，现在高速CO2焊焊接速度已经达到2m/min，甚至3m/min。
高速CO2焊主要用于较薄的工件,如集装箱的焊接等。
4.2 全位置CO2焊
全位置CO2焊已在管道安装、钢结构及造船等焊接生产中得到应用。
全位置CO2焊的关键是能保持住熔池中的铁水不流淌。
为此，熔池的尺寸不能太大，也就是要采用小熔池，依靠表面张力保持熔池中的铁水。
小熔池就要求小焊接电流，而小电流焊接厚壁工件时，常常会产生未熔合或夹渣。
为了解决小熔池与熔透的矛盾，这时常常采用调节短路过渡CO2焊的燃弧-短路能量分配比及合理的焊丝摆动方式。
全位置CO2焊时采用的焊丝直径小于Φ1.2mm，焊接电流为120~150A。
4.3 CO2自动焊接
自动焊由于其优质、高效的特点在工业发达国家应用已经相当普遍，以焊接机器人为例，日本焊接机器人与焊工的比例为1：
2。
自动化焊接优点有：
4.3.1 工艺过程稳定。
由于采用机械装置，消除了许多人为因素对焊接工艺过程的干扰，如手的抖动而引起的干伸长的变化等。
自动化CO2焊接焊出来的焊道美观，质量容易保证。
4.3.2 工艺再现性好，有利于大批量重复进行焊接生产。
4.3.3 生产效率高。
CO2自动焊接较CO2半自动焊接的生产效率有进一步的提高，同时机械装置可以不知疲倦地连续工作。
4.3.4 更有利于保护焊接操作人员的身体健康。
CO2自动焊接对焊接电源提出了一些特殊的要求，如：
提高引弧成功率和焊接结束时的去小球问题等。
同时,CO2自动焊接技术并非简单的机器人与焊接电源的结合，其涉及的技术更为庞杂，如机器人的轨迹控制、姿态控制以及传感技术、焊缝跟踪、熔透控制等。
一套性能优异的CO2自动焊接设备正是这些技术的完美结合。
目前,我国的自动化CO2焊接技术的应用水平尚有待进一步提高。
自动化CO2焊接技术代表着CO2焊接工艺的未来。
5 结束语
CO2焊接工艺经过50多年的发展已经基本成熟。
其一，CO2焊接工艺理论已经基本成熟，为CO2焊接工艺过程的控制提供了强有力的指导；其二，现代弧焊电源技术的发展，尤其是弧焊逆变电源的兴起（逆变电源一般的工作频率20~100kHz，动态响应时间10~50μs），为实施灵活多样的控制策略提供了广阔的空间。
只有将完善的CO2焊接工艺理论与现代弧焊电源技术有机地结合起来，才能够获得高品质的CO2焊接设备。
只有设备完善了，CO2焊接工艺过程才有可能稳定。
药芯焊丝是进一步推广CO2焊接的必要条件，我国药芯焊丝的生产能力较强，但质量不高，应尽快提高药芯焊丝的质量。
另外，各种焊接新技术的开发也是我们目前面对的重要课题。
本文摘自：
《现代焊接》杂志2010年第四期
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