二氧化碳气体保护电弧焊.docx

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二氧化碳气体保护电弧焊

第四章二氧化碳气体保护电弧焊

一、教学目的：

掌握CO2焊的特点及适用范围

了解CO2焊设备

正确认识CO2焊的氧化及脱氧

掌握CO2焊气孔飞溅的产生原因及防止措施

掌握CO2焊气体及焊丝的选用

掌握CO2焊短路过渡细滴过渡的工艺特点

掌握CO2焊的操作技术

了解CO2焊的其他焊接方法

二、教学重点：

CO2焊的特点及其操作技术

CO2焊的氧化及脱氧

CO2焊气孔飞溅的产生原因及防止措施

CO2焊的熔滴过渡形式

CO2焊的操作技术

三、教学难点：

CO2焊的氧化及脱氧

CO2焊气体及焊丝的选用

CO2焊的操作技术

四、参考学时数：

4～6学时

五、主要教学内容：

第一节CO2焊的特点及应用

一、CO2焊的实质

CO2气体保护电弧焊是利用CO2作为保护气体的熔化极电弧焊方法。

这种方法以CO2气体作为保护介质，使电弧及熔池与周围空气隔离，防止空气中的氧、氮、氢对熔滴和熔池金属有害气体，从而获得优良的机械保护性能。

CO2焊接使用焊丝直径的不同，可分为CO2焊（焊丝直径小于等于1.6mm）和粗丝CO2焊（焊丝直径小于1.6mm）。

按操作的方式分类，有可以分为半自动CO2焊和自动CO2焊。

二、CO2焊的特点

1、优点

1）焊接生产率高

2）焊接成本低

3）焊接变形小

3）焊接质量较高

4）使用范围广

5）操作简便

2、缺点

1）飞溅率较大，并且焊接表面成形较差。

金属飞溅是CO2焊中较为突出的问题，这是主要缺点。

2）很难用交流电源进行焊接，焊接设备比较复杂。

3）抗风能力差，给室外作业带来一定的困难。

4）不能焊接容易氧化的有色金属。

三、CO2焊的应用

CO2焊主要用于焊接低碳钢及低合金钢等有色金属

第二节CO2焊设备

CO2焊所用的设备有半自动CO2焊设备和自动CO2焊设备两类。

一、CO2焊设备的组成和作用

半自动CO2焊设备由焊接电源、送丝机构、焊枪、供气系统、冷却水循环装置及控制系统等几部分组成。

（一）焊接电源

CO2焊一般采用直流电源且反极性连接。

细焊丝CO2焊的熔滴过滤一般为短路过度过程。

宜采用等速送丝式焊机配合平外特性电源。

采用平外特性电源优点如下：

（1）电弧燃烧稳定；

（2）焊接参数调节方便；

（3）可避免焊丝回烧。

粗丝CO2焊的熔滴过滤一般为细滴过滤过程。

宜采用变速送丝使焊机，配合下降的外特性电源。

（二）送丝系统

根据使用焊丝直径的不同，送丝系统可分为等速送丝式和变速送丝式，通常焊丝直径大于等于3mm时采用变速送丝方式，焊丝直径小于等于2.4mm时采用等速送丝式。

1、送丝方式

半自动气体保护焊机有推丝式，拉丝式，推拉丝式三种基本送丝方式。

2、送丝机构

3、调速器

4、送丝软管

（三）焊枪

1、焊枪的类型

（1）半自动焊枪

（2）自动焊枪

2、焊枪的喷嘴和导电嘴

喷嘴是焊枪上的重要零件，其作用是焊接区域输送保护气体，以防止焊丝端头，电弧和熔池与空气接触。

导电嘴孔径的大小对送丝速度和焊丝伸出长度有很大影响。

（四）供气系统

1、CO2钢瓶

2、预热器

3、干燥器

4、加压器和流量计

5、电磁气阀

第三节CO2焊的冶金特性和焊接材料

一、合金元素的氧化与脱氧

1、合金元素的氧化

CO2=CO+O

在电弧的高温区域，即电弧空间和接近电弧的焊接熔池中，将发生如下反应：

[Fe]+CO2=（FeO）+CO↑

[Fe]+O=（FeO）↓

[Si]+2O=（SiO2）↓

[Mn]+O=（MnO）↓

[C]+O=CO↑

在远离电弧的温度较低的熔池后不，合金元素将进一步氧化，其反应方程式如下：

2（Fe）+[si]=2[Fe]+（SiO2）↓

（FeO）+[Mn]=[Fe]+（MnO）↓

（FeO）+[C]=[Fe]+CO↑

从上述可见，CO2及其在高温分解出的氧，都具有很强的氧化性.

2、氧化反应的结果

上述氧化反应会使Fe,Si,Mn和C等合金元素烧损。

氧化反应中的反应生成物SiO2和MnO会结合成硅酸盐。

其密度较小，很容易浮出熔池形成熔渣。

FeO一部分成杂质浮于熔池表面；另一部分溶入液态金属中，并一步与熔池及熔滴中的金属元素发生反应。

反应生成的CO气体有两种情况：

其一是在高温时反应生成的CO气体，由于CO气体体积急剧膨胀，在溢出液态金属过程中，往往会引起熔池或熔滴的爆破，发生金属的溅损与飞溅。

其二是在低温反应生成的CO气体，由于液态金属呈现较大的动力粘度和较强的表面张力，产生的CO无法逸出，最终留在焊缝中形成气孔。

合金元素烧损、气孔和飞溅是CO2焊中三个主要的问题。

3、CO2焊的脱氧

在CO2电弧中，溶入液态金属中的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。

冶金上通常采取的措施是在焊丝中（或药芯焊丝的药粉中）加入足量的氧亲和力比Fe大的合金元素（脱氧剂），利用这些元素使FeO中的Fe还原，即使FeO脱氧。

脱氧剂在完成脱氧任务之后，所剩余的量便作为补充合金元素留在焊缝中，起着提高金属力学性能的作用。

实践证明，用Si、Mn联合脱氧时其效果最好。

目前，应用最广泛的H08Mn2SiA焊丝。

二、CO2焊的气孔及防止

1、CO气孔

在焊接熔池开始结晶或结晶过程中，熔池中的C和FeO反应生成的气体来不及逸出，而形成CO气孔。

这类气孔通常出现在焊缝的根部或近表面的部位，且多呈针尖状。

CO气孔产生的主要原因是焊丝中脱氧剂不足，并且含C量过多。

2、氮气孔

在电弧高温下，熔池金属对N2有很大的溶解度。

但当熔池温度下降时，N2在液态金属中的溶解度便迅速减小，就会析出大量N2，若未能逸出熔池，便生成N2气孔。

N2气孔常出现在焊缝近表面的部位，呈蜂窝状分布。

氮气孔产生的主要原因是保护气层遭到破坏使大量空气侵入焊接区域。

3、氢气孔

氢气孔产生的主要原因是，熔池在高温时溶入了大量空气，在结晶过程中又不能充分排出，留在焊缝金属中成为气孔。

氢的来源是焊件，焊丝表面的油污剂铁锈，以及CO2气体中所含的水分。

CO2气体具有氧化性，可以抑制氢气孔的产生，只要焊前对CO2气体进行干燥处理，去除水分，清除焊丝和焊件表面的杂质，产生的氢气孔可能性很小。

CO2焊的焊接缺陷及其防止方法见表4-1。

表4-1焊接缺陷的原因及其防止方法[9]

焊接缺陷

的种类

可能的原因

检查项及其防止办法

气孔

1、CO2气体流量不足

2、空气混入CO2中

3、保护气被风吹走

4、喷嘴被飞溅颗粒赌塞

5、气体纯度不符合要求

6、焊接处较脏

7、喷嘴与母材距离过大

8、焊丝弯曲

9、卷入空气

气体流量是否合适（15~25L/min）

气瓶中气压是否>1000kpa

气管有无泄漏处

气管接头是否牢固

风速大于2m/s处应采取防风措施

去除飞溅（利用飞溅防堵剂或机械清除）

使用合格的CO2气

不要粘附油、锈、水、脏物和油漆

通常为10~25mm，根据电流和喷咀直径进行调整

使电弧在喷咀中心燃烧，应将焊丝校直

在坡口内焊接时，由于焊枪倾斜，气体向一个方向流动，空气容易从相反方向卷入

环焊缝时气体向一个方向流动，容易卷入空气

焊枪应对准环缝的圆心

电弧不稳

1、导电嘴内孔尺寸不合适

2、导电嘴摩损

3、焊丝送进不稳

4、网路电压波动

5、导电嘴与母材间距过大

6、焊接电流过低

7、接地不牢

8、焊丝种类不合适

应使用与焊丝直径相应的导电嘴

导电嘴内孔可能变大，导电不良

焊丝是否太乱

焊丝盘旋转是否平稳

送丝轮尺寸是否合适

加压滚轮压紧力是否太小

导向管曲率可能太小，送丝不良

一次电压变化不要过大

该距离应为焊丝直径的10~15倍

使用与焊丝直径相适应的电流

应可靠连接（由于母材生锈，有油漆及油污使得接触不好）

按所需的熔滴过渡状态选用焊丝

焊丝与导电嘴粘连

1、导电嘴与母材间距太小

2、起弧方法不正确

3、导电嘴不合适

4、焊丝端头有熔球时起弧不好

该距离由焊丝直径决定

不得在焊丝与母材接触时引弧

（应在焊丝与母材保持一定距离时引弧）

按焊丝直径选择尺寸适合的导电嘴

剪断焊丝端头的熔球或采用带有去球功能的焊机

飞溅多

1、焊接规范不合适

2、输入电压不平衡

3、直流电感抽头不合适

4、磁偏吹

5、焊丝种类不合适

焊接规范是否合适，特别是电弧电压是否过高

一次侧有无断相（保险丝等）

大电流（200A以上）用线圈多的抽头，小电流用线圈少的抽头

改变一下地线位置

减少焊接区的空隙

设置工艺板

按所需的熔滴过渡状态选用焊丝

电弧周期性的变动

1、送丝不均匀

2、导电嘴不合适

3、一次输入电压变动大

焊丝盘是否圆滑旋转

送丝轮是否打滑

导向管的磨擦阻力可能太大

导电嘴尺寸是否合适

导电嘴摩损如何

导电嘴是否磨损

电源变压器容量够不够

附近有无过大负载（电阻点焊机等）

咬边

1、焊接规范不合适

2、焊枪操作不合理

电弧电压是否过高，焊速是否过快

焊接方向是否合适

焊枪角度是否正确

焊枪指向位置是否正确

改进焊枪摆动方法

焊瘤

1、焊接规范不合适

2、焊枪操作不合理

电弧电压是否过低、焊速是否过慢

焊丝干伸和是否过大

焊枪角度正确否

焊枪指向位置正确否

改进焊枪摆动方法

焊不透

1、焊接规范不合适

2、焊枪操作不合理

3、接头形状不良

是否电流太小、电压太高、焊速太低

焊丝干伸长是否太大

焊枪角度正确否（倾角是否过大）

焊枪指向位置正确否

坡口角度和根部间隙可能太小

接头形状应适合于所用的焊接方法

烧穿

1、焊接规范不合适

2、坡口不良

是否电流太大，电压太低

坡口角度是否太大

钝边是否太小，根部间隙是否太大

坡口是否均匀

夹渣

焊接规范不合适

正确选择焊接规范（适当增加电流、焊速）

摆动宽度是否太大

焊丝干伸长是否太大

三、CO2焊的飞溅及防止

1、飞溅产生的原因

飞溅是CO2焊最主要的缺点，严重时甚至要影响焊接过程的正常进行。

产生飞溅的主要原因如下：

1）气体爆炸引起的飞溅

2）由电弧斑点压力而引起的飞溅

3）短路过渡时由于液态小桥爆断引起的飞溅

4）当焊接参数选择不当时，也会引起飞溅

2、减少金属飞溅的措施

（1）正确选择焊接参数

1）焊接电流和电弧电压

2）焊丝伸出的长度。

一般焊丝身处长度越长，飞溅率越高

3）焊枪角度。

焊枪垂直时飞溅量最小，倾斜角度越大，飞溅越多，焊枪前倾或后倾最好不超过20°。

（2）细滴过渡时在CO2中加入Ar气

CO2气体的物理性质决定了电弧的斑点压力较大，这是CO2焊产生飞溅的最主要原因。

在CO2气体中加入Ar气后，改变了纯CO2气体的物理性质。

（3）短路过渡时限制金属液桥爆断能量

短路过渡CO2焊接时，短路电流的增长速率过快，使液桥金属迅速的加热，造成了热量的聚集，将导致金属液桥爆断而产生飞溅，目前具体的方法有如下几种：

1）在焊接回路中串接附加电感

2）电流切换发

3）电流波形控制法

（4）采用低飞溅率焊丝

1）超低碳焊丝

2）药芯焊丝

3）活化处理焊丝

四、CO2焊的气体及焊丝

（一）CO2气体

1、CO2气体的性质

CO2气体是无色，无味和无毒的气体。

由于CO2由液态变为气态的沸点很低，为－78.9，所以工业用CO2都是使用液态的，常温下它自己就气化。

2、提高CO2气体纯度的措施

目前许多厂家生产的CO2气体纯度不稳定，为确保CO2气体的纯度，可采取如下措施：

（1）洗瓶后应该用热空气吹干

（2）导置排水

（3）正置放气

（4）使用干燥器

（5）使用时注意瓶中的压力

（二）焊丝

CO2焊焊丝既是填充金属有是电极，所以焊丝既要保证一定的化学成分和力学性能，有要保证具有良好的导电性和工艺性能。

1、对焊丝的要求

（1）脱氧剂

焊丝必须含有一定数量的脱氧剂，以防止产生气孔，减小飞溅并提高焊缝金属的力学性能。

（2）C、S、P

焊丝的含碳量要低，要求ω（C）<0.11%，这对于避免气孔及减小飞溅是很重要的，对于一般焊丝要求硫及磷含量ω（S,P）≤0.04%；

（3）镀铜

为防锈及提高导电性，焊丝表面最好镀铜。

目前我国CO2焊用的主要焊丝品种是H08Mn2Si类型，这类焊丝采取Si,Mn联合脱氧，具有很好的抗气孔能力。

Si和Mn元素也起合金化的作用，使焊缝金属具有较高的力学性能。

第四节CO2焊工艺

在CO2焊中，为了获得稳定的焊接过程，熔滴过渡通常有两种形式，即短路过渡和细滴过渡。

短路过渡焊接在我国应用最为广泛。

一、短路过渡CO2焊工艺

1、短路过渡焊接的特点

短路过渡时，采用细焊丝，低电压和小电流。

2、焊接工艺参数额选择

（1）焊丝直径

短路过渡焊接采用细焊丝，通常焊丝直径为0.6到1.6mm。

（2）焊接电流

电流大小决定于送丝速度随着送丝速度的增加，焊接电流也增加，大致成正比关系。

（3）电弧电压

短路过渡的电弧电压一般在17到25v之间。

电弧电压的选择与焊丝直径及焊接电流有关它们之间存在着协调匹配关系。

（4）焊接速度

焊接速度快时，会在焊趾部出现绞肉，甚至出现驼峰焊道。

相反，速度慢时，焊道变宽在焊趾部会出现满溢。

（5）保护气体流量

保护气体流量与焊接电流有关。

影响气体保护效果的主要因素是保护气体流量不足，喷嘴高度过大，喷嘴上附着大量飞溅物和强风。

（6）焊丝伸出长度

在焊接电流相同时，随着伸出长度增加，焊丝熔化速度也增加。

适宜的焊丝伸出长度与焊丝直径有关，焊丝伸出长度大约等于直径的10倍左右。

（7）电感值

短路过渡焊接时，串接电感的作用主要有两方面：

1）调节短路电流增长速度di/dt。

2）调节电弧燃烧时间，控制母材熔深。

（8）电源极性

CO2焊一般都采用直流反极性。

这时电弧稳定，飞溅小，焊缝成形好，并且焊缝熔深大。

二、细滴过渡CO2焊工艺

1、特点

细滴过滤CO2焊的特点是电弧电压比较高，焊接电流比较大，电弧穿透力强，母材熔深大。

2、焊接参数的选择

（1）电弧电压与焊接电流

为了实现滴状过渡，电弧电压必须选取在34～45v范围内，焊接电流则根据焊丝直径来选择，在一定焊丝直径下，选用较大的焊接电流，就要匹配较高的电弧电压。

（2）焊接速度

细滴过滤CO2焊的焊接速度较高

（3）保护气体流量

保护气流量通常比短路过渡的CO2焊提高1～2倍。

三、CO2焊的焊接技术

1、焊前准备

（1）坡口形状

细焊丝短路过渡的CO2焊主要焊接薄板或中厚板。

一般开I形坡口；粗焊丝细滴过滤的CO2焊主要焊接中厚板及厚板，可以开较小的坡口。

（2）坡口加工方法与处理

加工坡口的方法主要是机械加工、气割和碳弧气刨等。

焊缝附近有污物时，会影响焊接质量。

焊前应将坡口周围10～20mm范围内的油污、油漆、铁锈、氧化皮及其他污物清除干净。

（3）定位焊

焊接薄板时定位焊逢应该细而短，长度为3～10mm，间距为30～50mm，焊接中薄板时定位焊缝间距较大，达100～150mm。

2、引弧与收弧

（1）引弧工艺

半自动CO2焊时习惯的引弧方式是焊丝端头与焊接处摩擦的过程中按焊枪按钮，通常称为划擦引弧。

（2）收弧方法

焊道收尾处往往出现凹陷，它被称为弧坑。

应设法减小弧坑尺寸，目前主要的方法如下：

1）采用带有电流衰减装置的焊机时，最好以短路过渡的方式处理弧坑。

2）没有电流衰减装置时，在弧坑未完全凝固的情况下，应在其上进行几次断续焊接。

3）使用工艺板，也就是把电弧坑引到工艺板上焊完之后去掉它。

（3）焊道的接头方法

直线焊接时，接头方法是在弧坑稍前处引弧，然后将电弧快速移到原焊道的弧坑中心，当熔化金属与原焊缝相连后，再返回向焊接方向移动。

3、平焊的焊接技术

（1）单面焊双面成形技术

从正面焊接，同时获得背面成形的焊道称为单面焊双面成形。

1）悬空焊接

2）加垫板的焊接

（2）对接焊缝的焊接技术

薄板对接焊一般都采用短路过渡；中厚板大都采用细滴过渡，坡口形状可采用I形，Y形，U形和X形。

第五节CO2焊的其他方法

一、药芯焊丝CO2焊

药芯焊丝是将含有稳弧剂，造渣剂和合金粉等成分的粉末裹在金属外皮里面而构成的。

1、药芯焊丝CO2焊的特点

（1）优点

1）焊接生产率高

2）飞溅少，焊缝成形美观

3）焊接适应性强

4）抗气孔能力强

（1）缺点

1）焊丝制造比较复杂，成本高

2）焊丝外表容易锈蚀，药粉容易吸潮，使用前需经250～300℃的烘干

3）送丝困难，对送丝机构要求高

二、CO2点焊

CO2点焊是在CO2气体保护下，利用焊丝和焊件间燃烧的高温电弧热量，将搭接接头上板的整个厚度和下板的局部厚度熔化，形成铆钉状的焊点，从而把两块钢板连接起来

1、CO2点焊的特点

CO2点焊适用于薄板框架结构的焊接，它与电阻点焊相比有以下优点：

1）不需要特殊的加压装置，焊接设备简单，使用方便，灵活；

2）对焊件表面质量要求不高；

3）对上下板之间的装配精度要求不严格；

4）不受焊点距离和板厚的限制，适用性强；

5）焊接质量好，焊点强度比电阻电焊高。

三、CO2气电立焊

气电立焊是厚板立焊时，在接头两侧使用成形器具保持熔池形状，强制焊缝成形的一种电弧焊，通常加CO2气体保护熔池。

其优点是可不开坡口焊接厚板，生产率高，成本低。