二氧化碳气体保护焊气体.docx

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一、二氧化碳气体保护焊发展动态

二氧化碳气体保护焊是50年代发展起来的一种新的焊接技术。

半个世纪来，它已发展成为一种重要的熔焊方法。

广泛应用于汽车工业，工程机械制造业，造船业，机车制造业，电梯制造业，锅炉压力容器制造业，各种金属结构和金属加工机械的生产。

MIG气体保护焊焊接质量好，成本低，操作简便，取代大部分手工电弧焊和埋弧焊，已成定局。

二氧化碳气体保护焊装在机器手或机器人上很容易实现数控焊接，将成为二十一世纪初的主要焊接方法。

目前二氧化碳气体保护焊，使用的保护气体，分CO2和CO2+Ar两种。

使用的焊丝主要是锰硅合金焊丝，超低碳合金焊丝及药芯焊丝。

焊丝主要规格有：

0.50.80.91.01.21.62.02.53.04.0等。

二、二氧化碳气体保护焊特点

1．焊接成本低——其成本只有埋弧焊和手工电弧焊的40~50%。

2．生产效率高——其生产率是手工电弧焊的1~4倍。

3．操作简便——明弧，对工件厚度不限，可进行全位置焊接而且可以向下焊接。

4．焊缝抗裂性能高——焊缝低氢且含氮量也较少。

5．焊后变形较小——角变形为千分之五，不平度只有千分之三。

6．焊接飞溅小——当采用超低碳合金焊丝或药芯焊丝，或在CO2中加入Ar，都可以降低焊接飞溅。

三、二氧化碳气体保护焊焊接材料

（一）CO2气体

1．CO2气体的性质

纯CO2气体是无色，略带有酸味的气体。

密度为本1.97kg/m3，比空气重。

在常温下把CO2气体加压至5~7Mpa时变为液体。

常温下液态CO2比较轻。

在0℃，0.1Mpa时，1kg的液态CO2可产生509L的CO2气体。

2．瓶装CO2气体

采用40L标准钢瓶，可灌入25kg液态的CO2，约占钢瓶的80%，基余20%的空间充满了CO2气体。

在0℃时保饱各气压为3.63Mpa；20℃时保饱各气压为5.72Mpa；30℃时保饱各气压为7.48Mpa，因此，CO2气瓶要防止烈日暴晒或靠近热源，以免发生爆炸。

3．CO2气体纯度对焊接质量的影响

CO2气体纯度对焊缝金属的致密性和塑性有很大影响。

CO2气体中的主要杂质是H2O和N2，其中H2O的危害较大，易产生H气孔，甚至产生冷裂缝。

焊接用CO2气体纯度不应低于99.8%（体积法），其含水量小于0.005%（重量法）。

4．混合气体

一般混合气体是在Ar气（无色、无味、密度为1.78kg/m3）中加入20%左右的CO2气体制成，主要用来焊接重要的低合金钢强度钢。

（二）焊丝

1．实心焊丝

为了防止气孔，减少飞溅和保证焊缝具有一定的力学性能，要求焊丝中含有足够的合金元素，一般采用限制含碳量（0.1%以下），硅锰联合脱氧。

焊丝直径常用的有：

φ0.8mmφ0.9mmφ1.0mmφ1.2mmφ1.6mm，焊丝直径允许偏差+0.01，-0.04。

以下介绍几种常用的焊丝。

①用于焊接低碳钢低合金钢的焊丝有：

H08MnSiA，H08MnSi，H10MnSi。

②用于焊接低合金钢强度钢的焊丝有：

H08Mn2SiA，H10MnSiMo，H10Mn2SiMoA。

③用于焊接贝氏体钢的焊丝有：

H08Cr3Mn2MoA。

④用于焊接抗微气孔焊缝低飞溅的焊丝有：

H0Cr18Ni9，H1Cr18Ni9，H1Cr18Ni9Ti。

⑤用于焊接不锈钢薄板的焊丝有：

H0Cr18Ni9，H1Cr18Ni9，H1Cr18Ni9Ti，H1Cr18Ni9Nb。

2．药芯焊丝

药芯焊丝用薄钢带卷成圆形管，其中填入一家成分的药粉，以拉制而成的焊丝。

采用药芯焊丝焊接，形成气渣联合保护，焊缝成形好，焊接飞溅小。

常用的药芯焊丝有：

YJ502，YJ507，YJ507CuCr，YJ607，YJ707。

四、二氧化碳气体保护焊的保护效果

（一）二氧化碳气体保护焊的保护效果

CO2气体保焊是利用CO2气体作为保护气体的一种电弧焊。

CO2气体本身是一种活性气体，它的保护作用主要是使焊接区与空气隔离，防止空气中的氮气对熔池金属的有害作用，因为一旦焊缝金属被氮化和氧化，设法脱氧是很容易实现的，而要脱氮就很困难。

CO2气保焊在CO2保护下能很好地排除氮气。

在电弧的高温作用下（5000K以上），CO2气体全部分解成CO+O，可使保护气体增加一倍。

同时由于分解吸热的作用，使电弧因受到冷却的作用而产生收缩，弧柱面积缩小，所以保护效果非常好。

（二）二氧化碳气体保护焊的冶金特点

CO2气保焊时，合金元素的烧损，焊缝中的气孔和焊接时的飞溅，这三方面是CO2气保焊的主要问题，而这些问题都与电弧气氛的氧化性有关。

因为只有当电弧温度在5000K以上时，CO2气体才能完全分解，但在一般的CO2气保焊电弧气氛中，往往只有40~60%左右的CO2气体完全分解，所以在电弧气氛中同时存在CO2、CO和O气氛对熔池金属有严重的氧化作用。

1．合金元素的氧化问题

（1）合金元素的氧化

CO2气体和O对金属的氧化作用，主要有以下几种形式：

Fe+CO2=FeO+CO

Si+2CO2=SiO2+2CO

Mn+CO2=MnO+CO

Fe+O=FeO

Si+2O=SiO2

Mn+O=MnO

这些氧化反应既发生在熔滴中，也发生于深池中。

氧化反应的程度取决于合金元素的浓度和对氧的亲和力的大小，由于铁的浓度最大，固铁的氧化最强烈，Si、Mn、C的浓度虽然较低但与氧的亲和力比铁大，所以大部分数量被氧化。

以上氧化反应的产物SiO2TMnO结合成为熔点较低的硅酸盐熔渣，浮于熔池上面，使熔池金属受到良好的保护。

反应生成的CO气体，从熔池中逸到气相中，不会引起焊缝气孔，只是使焊缝中的Si、Mn元素烧损。

在CO2气保焊中，与氧亲和力较弱的元素Ni、Cr、Mo其过渡系数最高，烧损最少。

与氧亲和力较大的元素Si和Mn，其过渡系数较低，因为它们当中有相当数量用于脱氧。

而与氧的亲和力最大的元素Al、Ti、Nb的过渡系数更低，烧损比Si、Mn还要多。

反应生成的FeO将继续与C作用产生CO气体，如果此时气体不能析出熔池，则在焊缝中生成CO气孔。

反应生成的CO气体在电弧高温下急剧膨胀，使熔滴爆破而引起金属飞溅，因此必须采取措施，尽量减少铁的氧化。

（2）脱氧措施

由上述合金元素的氧化情况可知，Si、Mn元素的氧化结果能生成硅酸盐熔渣，因此在CO2气保焊中的脱氧措施主要是在焊丝或药芯的药中加Si、Mn作为脱氧剂。

有时加入一些Al、Ti，但是Al加入太多会降低金属的抗热裂纹能力，而Ti极易氧化，不能单独作为脱氧剂。

利用Si、Mn联合脱氧时，对Si、Mn的含量有一家的比例要求。

Si过高也会降低抗热裂纹能力，Mn过高会使焊缝金属的抗冲击值下降，一般控制焊丝含Si量为1%左右，含Mn量为1~2%左右。

2．气孔问题

（1）CO气孔

CO2气保焊时，由于熔池受到CO2气流的冷却，使熔池金属凝固较快，若冶金反应生成的CO气体是发生在熔池快凝固的时候，则很容易生成CO气孔，但是只要焊丝选择合理，产生CO气孔的可能性很小。

（2）N2气孔

当气体保护效果不好时，如气体流量太小；保护气不纯；喷嘴被堵塞；或室外焊接时遇风；使气体保护受到破坏，大量空气侵入熔池，将引起N2气孔。

（3）H2气孔

在CO2气保焊时产生H2气孔的机率不大，因为CO2气体本身具有一家的氧化性，可以制止氢的有害作用，所以CO2气保焊时对铁锈和水分没有埋弧焊和氩弧焊那样敏感，但是如果焊件表面的油污以及水分太多，则在电弧的高温作用下，将会分解出H2，当其量超不定期CO2气保焊时氧化性对氢的抑制作用时，将仍然产生H2气孔。

为了防止H2气孔的产生，焊丝和焊件表面必须去除油污、水分、铁锈，CO2气体要经过干燥，以减少氢的来源。

3．CO2气保焊的飞溅问题

（1）飞溅产生的原因

由于焊丝和工件中都含有碳，CO2气保焊电弧气氛氧化性强，熔滴中发生FeO+C=Fe+CO↑，熔滴爆炸，产生飞溅。

另一个原因是CO2气保焊细丝（Φ1.6mm以下）焊时，一般采用短路过渡焊接，当电弧短路期间，电弧空间逐渐冷却，当电弧再次引燃时，电流较大，电弧热量突然增大，较冷的气体瞬间产生体积膨胀而引起较大的冲动功，由此引起较大的飞溅。

另外当焊机的动特性不太好时，短路电流的增长速度太慢，使熔滴过渡频率降低，短路时间增长，焊丝伸出部分在电阻热的作用下，会发红软化，形成大颗粒成段断落，爆断，使电弧熄灭，造成焊接过程不稳。

短路电流增长太快时，一发生短路，熔滴立即爆炸，产生大量的飞溅，

（2）减少飞溅的措施

①采用活化处理过的焊丝可以细化金属熔滴减少飞溅，改善焊缝的成形。

所谓活化处理就是在焊丝表面涂一层薄的碱土金属或稀土金属的化合物来提高焊丝发射电子的能力，最常用的活化剂是铯（Cs）的盐类如CsCO3，如稍加一些K2CO3，Na2CO3，则效果更显著。

②限制焊丝中的含碳量在0.08~0.11%范围内，为此可选用超低碳焊丝，如HO4Mn2SiTiA。

③必要时选用药芯焊丝，使熔滴表面有熔渣覆盖，可减少飞溅，使焊缝盛开美观。

④在CO2气体中加入少量的Ar气，改善电弧的热特性和氧化性，减少飞溅。

⑤采用直流反接，使焊丝端部的极点压力较小。

⑥选择最佳的焊接规范，焊接电流、焊接电压不要过大或过小。

⑦选择最佳的电感值，CO2气体保护焊时电流的增长速度与电感有关，既：

di/dt=（U0-iR）/L

式中：

U0——电源的空载电压I——瞬间电流

R——焊接回路中的电阻L——焊接回路中的电感

由此可知电感越大，短路电流的增大速度di/dt越小。

当焊接回路中的电感值在0~0.2毫亨范围内变化时，对短路电流上升速度的影响特别显著。

一般在用细丝CO2气体保护焊时，由于细焊丝的熔化速度比较快，熔滴过渡的周期短，因此需要较快的电流增长速度，电感应该选小些。

相反，粗焊丝的熔化速度较慢，熔滴过渡的周期长，则要求电流增长速度慢些，所以应该选较大的电感值。

⑧在喷咀上涂一层硅油或防堵剂，可以有效的防止喷咀堵塞。

使用焊接飞溅清除剂，喷涂在工件上，可以阻止飞溅物与母材直接接触，飞溅物用钢丝刷轻轻一刷就能把飞溅物清除。

五、二氧化碳气体保护焊熔滴过渡形式

1．短路过渡

细丝CO2气体保护焊（Φ小于1.6mm）焊接过程中，因焊丝端部熔滴个非常大，与熔池接触发生短路，从而使熔滴过渡到熔池形成焊缝。

短路过渡是一个燃弧、短路（息弧）、燃弧的连续循环过程，焊接热源主要由电弧热和电阻热两部分组成。

短路过渡的频率由焊接电流、焊接电压控制，其特征是小电流、低电压、焊缝熔深大，焊接过程中飞溅较大。

短路过渡主要用于细丝CO2气体保护焊，薄板、中厚板的全位置焊接。

2．颗粒状过渡

粗丝CO2气体保护焊（Φ大于1.6mm）焊接过程中，焊丝端部熔滴个较小，一滴一滴，过渡到熔池不发生短路现象，电弧连续燃烧，焊接热源主要是电弧热。

其特征是大电流、高电压、焊接速度快。

颗粒状过渡，主要用于粗CO2气体保护焊，中厚板的水平位置焊接。

3．射流过渡

当粗丝CO2气体保护焊或采用混合气体保护细丝焊，焊接电流大到超过临界电流值，焊接时，焊丝端部呈针状，在电磁收缩力、电弧吹力等作用下，熔滴呈雾状喷入熔池，焊接过程中飞溅很小，焊缝熔深大，成形美观。

射流过渡主要用于中厚板，带衬板或带衬垫的水平位置焊接。

六、二氧化碳气体保护焊短路过渡时焊接规范参数的选择

（一）短路过渡时焊接规范参数

1．电源极性

应采用直流反接焊接，因为直流反接时熔深大，飞溅小，焊缝成形好，电弧稳定，且焊缝金属含氢量最低。

2．气体流量

气体流量直接影响焊接质量，气体流量太大或太小时，都会造成成形差，飞溅大，产生气孔。

一般经验公式是，数量为焊丝直径的十倍，既Φ1.2mm焊丝选择12升/分。

当采用大电流快速焊接，或室外焊接及仰焊时，应适当提高气体流量。

3．焊丝伸出长度

焊丝伸出长度与电流有关，电流越大，焊丝伸出长度太长时，焊丝的电阻热越大，焊丝