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CO2氣體保護焊完全知識
CO2氣保護焊接
一、基本原理
CO2氣體保護焊是以可熔化的金屬焊絲作電極，并有CO2氣體作保護的電弧焊。是焊接黑色金屬的重要焊接方法之一。
CO2焊接工藝的由來
CO2焊接工藝的最初構(gòu)想源于20世紀20年代，然而由于焊縫氣孔問題沒有解決，而使得CO2焊無法使用。直到50年代初，焊接冶金技術(shù)的發(fā)展解決了CO2焊接的冶金問題，研制出Si-Mn系列焊絲，才使得CO2焊接工藝獲得了實用價值。在這之后，根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的性能，相繼出現(xiàn)了不同組元成分的焊絲，滿足了CO2焊接多樣化的需求。
CO2焊接工藝的實用化為社會帶來了巨大的財富，一方面是因為CO2氣體價格低廉，易于獲得，另一方面是由于CO2焊接的金屬熔敷效率高，以半自動CO2焊接為例，其效率為手工電弧焊的3～5倍。但是由于CO2焊接熔滴過渡多為短路過渡，對CO2焊接工藝穩(wěn)定性提出了更高的要求，另外CO2焊接的飛濺大，成為從20世紀50年代開始至今制約CO2焊接工藝推廣的主要技術(shù)問題之一。
二、工藝特點
1.CO2焊穿透能力強，焊接電流密度大（100-300A/m2），變形小，生產(chǎn)效率比焊條電弧焊高1-3倍
2.CO2氣體便宜，焊前對工件的清理可以從簡，其焊接成本只有焊條電弧焊的40%-50%
3.焊縫抗銹能力強，含氫量低，冷裂紋傾向小。
4.焊接過程中金屬飛濺較多，特別是當工藝參數(shù)調(diào)節(jié)不匹配時，尤為嚴重。
5.不能焊接易氧化的金屬材料，抗風能力差，野外作業(yè)時或漏天作業(yè)時，需要有防風措施。
6.焊接弧光強，注意弧光輻射。
三、冶金特點
CO2焊焊接過程在冶金方面主要表現(xiàn)在：
1.CO2氣體是一種氧化性氣體，在高溫下分解，具有強烈的氧化作用，把合金元素燒損或造成氣孔和飛濺等。解決CO2氧化性的措施是脫氧，具體做法是在焊絲中加入一定量脫氧劑。實踐表明采用Si-Mn脫氧效果最好，所以目前廣泛采用H08Mn2SiA/H10Mn2Si等焊絲。
2 CO2氣體保護焊的冶金特性
2.1 合金元素的氧化
CO2 → CO + 1/2 O2
O2→2O
CO2氣體在高溫時有強烈的氧化性，要氧化金屬，燒損合金元素
Fe + O →FeO Si + 2O → SiO2 Mn + O → MnO
FeO + C → Fe + CO
CO在電弧高溫下急劇膨脹，使熔滴爆破而引起金屬飛濺。
合金元素燒損、CO氣孔、飛濺是CO2氣保焊中三大主要問題，其都和CO2氣體的氧化性有關(guān)。
2.2 脫氧及焊縫金屬的合金化
FeO { 產(chǎn)生CO→氣孔和飛濺
焊縫[O]↑→焊縫力學性能↓
脫氧和滲合金：在焊絲中加入一定量的脫氧劑（如Al、Ti、Si、Mn等），常采用Si、Mn聯(lián)合脫氧。
2FeO + Si → 2Fe + SiO2Mn + FeO → Fe + MnO
Si和Mn一部分用于脫氧，另一部分充當合金元素，完成滲合金。
現(xiàn)在，焊接低碳鋼時常采用H08MnSiA焊絲，焊接低合金鋼時常采用H08Mn2SiA焊絲。
2.3 氣孔
（1）一氧化碳氣孔：
FeO + C → Fe + CO
焊絲中加入足夠的脫氧劑和限制焊絲的含碳量，就可有效地防止CO氣孔產(chǎn)生。
（2）氫氣孔
氫主要來源于焊絲、工件表現(xiàn)的油污及鐵銹，以及CO2氣體中所含的水分。CO2氣體的氧化性可約制氫的危害-------- H2 + CO2 → H2O + CO
CO2氣保焊對鐵銹和水分的敏感性沒有埋弧焊和氬弧焊高，除非在鋼板表面已銹蝕一層黃銹外，焊前一般不必除銹， 但焊絲表面的油污必須用汽油等溶劑擦干凈。
（3）氮氣孔
N2的來源：①空氣侵入焊接區(qū)；②CO2氣體不純（可能性不大）
焊縫中產(chǎn)生N氣孔的主要原因是由于保護氣層遭破壞，大量空氣侵入焊接區(qū)所致。造成保護氣層失效的因素有：過小的CO2氣流量；噴嘴被飛濺物部分堵塞；噴嘴與工件的距離過大；焊接場地有側(cè)向風等。保證氣層穩(wěn)定、可靠是防止焊縫中N氣孔的關(guān)鍵。
2.4 熔滴過渡方式：
CO2氣保焊中，為獲得穩(wěn)定的焊接過程，正常采用短路過渡和細顆粒過渡兩種過渡形式。
短路過渡的特點：電弧穩(wěn)定，飛濺較小，熔滴過渡頻率高，焊縫成形較好；適合于焊接薄板及進行全位置焊接；短路過渡焊接主要采用細焊絲，一般為φ0.6～1.4mm。
細顆粒過渡特點：電弧穿透力強，母材熔深大，適合于焊接中等厚度及大厚度工件，主要采用較粗的焊絲，一般為φ1.6和φ2.0mm焊絲。
CO2氣保焊一般都采用直流反接，因反接時飛濺小，電弧穩(wěn)定，成形較好，而且焊縫金屬含氫量低，熔深大。
四、焊接材料
1.保護氣體CO2
用于焊接的CO2氣體，其純度要求≥99.5%，通常CO2是以液態(tài)裝入鋼瓶中，容量為40L的標準鋼瓶可灌入25Kg的液態(tài)CO2， 25Kg的液態(tài)CO2約占鋼瓶容積的80%，其余20%左右的空間充滿氣化的CO2。氣瓶壓力表上所指的壓力就是這部分飽和壓力。該壓力大小與環(huán)境溫度有關(guān)，所以正確估算瓶內(nèi)CO2氣體儲量是采用稱鋼瓶質(zhì)量的方法。（備注：1Kg的液態(tài)CO2可汽化509LCO2氣體）
CO2氣瓶外表漆黑色并寫有黃色字樣
市售CO2氣體含水量較高，焊接時候容易產(chǎn)生氣孔等缺陷，在現(xiàn)場減少水分的措施為：
1)將氣瓶倒立靜置1-2小時，然后開啟閥門，把沉積在瓶口部的水排出，可放2-3次，每次間隔30分鐘，放后將氣瓶放正。
2)倒置放水后的氣瓶，使用前先打開閥門放掉瓶上面純度較低的氣體，然后在套上輸氣管。
3)在氣路中設(shè)置高壓干燥器和低壓干燥器，另外在氣路中設(shè)置氣體預熱裝置，防止CO2氣中水分在減壓器內(nèi)結(jié)冰而堵塞氣路。
2.焊接材料（焊絲）
1.）焊絲要有足夠的脫氧元素
2.）含碳量Wc≤0.11%，可減少飛濺和氣孔。
3.）要有足夠的力學性能和抗裂性能。
焊絲直徑及其允差（GB/T8110-1995）
焊絲直徑mm 允許偏差
φ0.5；φ0.6 +0.01，-0.03
φ0.8，φ1.0
φ1.2，φ1.6， +0.01，-0.04
φ3.0；φ3.2 +0.01，-0.07
五．焊接設(shè)備（略）
六．焊接工藝
序號 型號 牌號 規(guī)格 適用范圍
1 ER49-1 H08Mn2SiA φ1.2 Q235.20#.20g.2OR、16MnR間焊接
2 ER50-6 / φ1.2 Q345.16MnR等間焊接
3 ER49-1 H08Mn2SiA φ1.2 Q235.20#.20g.2OR Q345.16MnR間焊接
對接平焊(I型坡口)
板厚mm 焊絲直徑 焊接電流A 焊接電壓V 焊接速度Cm/min 焊絲干伸長mm 氣流量L/min 層數(shù)
6 φ1.2 120-140 20-22 50-60 10-12 10-15 2
8 φ1.2 130-150 21-23 45-50 10-12 10-15 2
10 φ1.2 200-250 24-26 45-50 10-12 10-15 3
14 φ1.2 280-320 28-34 35-45 10-12 12-18 5
20 φ1.2 360-400 34-38 35-40 10-12 15-20 7
角焊板厚mm 焊絲直徑 焊接電流A 焊接電壓V 焊接速度Cm/min 焊絲干伸長mm 氣流量L/min 層數(shù)
6 φ1.2 150-180 22-25 50-60 10-12 10-15 1
10 φ1.2 200-250 24-26 45-50 10-12 10-15 2
14 φ1.2 280-320 28-32 35-45 10-12 12-18 2
20 φ1.2 360-400 34-38 35-40 10-12 15-20 3
備注:對接間隙為1-1.5毫米
七．CO2焊常見缺陷及其產(chǎn)生原因
缺陷名稱 產(chǎn)生原因
氣孔 1.CO2氣體不純或供氣不足
2.焊接時候卷入空氣
3.預熱器不起作用
4.焊接區(qū)域風大，氣體保護不好
5.噴嘴被飛濺物堵塞，不通暢。噴嘴與工件距離過大
6.焊件表面油污、銹蝕處理不徹底
7.電弧過長，電弧電壓過高
8.焊絲中Si-Mn含量不足
咬邊 1. 電弧過長，電弧電壓過高
2.焊接速度過快、焊接電流過大
3.焊工擺動不當
焊縫成型不良 1..工藝參數(shù)不合適
2.焊絲矯正機構(gòu)調(diào)節(jié)不當
3.送絲輪中心偏移
4.導電嘴松動。
電弧不穩(wěn) 1.外界網(wǎng)絡(luò)電壓影響
2.焊接參數(shù)調(diào)節(jié)不當
3.導電嘴松動。
4.送絲機構(gòu)、導電嘴堵塞等。
飛濺 1..焊接電參數(shù)調(diào)節(jié)不匹配
2. 氣流量過大
3.工件表面過于粗糙
4.焊絲伸出長度過長
未焊透 1.焊接電流太小，送絲不當
2.焊接速度過快或過慢
3.坡口角度太小，間隙過小
4.焊絲位置不當，對中性差
5.焊工技能水平
八．CO2焊接的發(fā)展方向
通常低碳鋼CO2焊的主要問題是焊接飛濺的與焊縫成形。這些問題的解決思路前面已經(jīng)進行了描述。但是，為了CO2焊接工藝的進一步推廣，還應擴大其應用領(lǐng)域。如：高效CO2焊全位置焊、電弧點焊和自動化焊等。這些實際焊接生產(chǎn)的需求已經(jīng)成為CO2焊接的發(fā)展方向。
1 高效CO2焊接?
現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)對焊接生產(chǎn)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焊接主要是針對傳統(tǒng)CO2焊接速度為0.3～0.5m/min的低焊速提出來的。目前解決這個問題的措施有雙絲CO2焊和藥芯焊絲CO2焊。雙絲CO2焊因一把焊槍中通過兩根焊絲，使得焊槍重量過大，所以難以采取通常的半自動焊法，而只能采用自動焊接，從而限制了該法的應用。另外，藥芯焊絲CO2焊的應用范圍遠遠不及實心焊絲。實際上實心單絲CO2焊絲是CO2焊最普及的方法，如何解決它的高速焊工藝是大家都關(guān)心的。單絲高速CO2焊工藝最主要的問題是產(chǎn)生咬邊和駝峰焊邊。這些問題都與熔池行為有關(guān)，也就是應從焊接工藝角度解決熔池的穩(wěn)定問題。通過對焊接電弧現(xiàn)象的控制，現(xiàn)在高速CO2焊焊接速度已經(jīng)達到2m/min，甚至3m/min。高速CO2焊主要用于較薄的工件，如集裝箱的焊接等。
高效MAG焊主要用于增加熔敷速度，有利于焊接厚板。通常CO2焊的送絲速度為2～16m/min，對?1.2mm焊絲，最大焊接電流只能達到350A左右。若采用富Ar混合氣體保護焊(CO2+Ar)，在高速送絲時必將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流過渡而引起很大的飛濺損失。為此，由加拿大的Canada Weld Process公司于1980年研究成功了一種高性能的MAG焊法，通常稱為T.I.M.E焊(Transferred Ionised Molten Energy)。T.I.M.E氣體是一種四氣氣體(0.5%O2，8%CO2，26.5%He,65%Ar)。由于其中加入了He氣，它約束了旋轉(zhuǎn)射流過渡的橫向旋轉(zhuǎn)飛濺，而成為繞焊絲軸線的錐狀旋轉(zhuǎn)射流。這是一種較穩(wěn)定的熔滴過渡形式，可以得到良好的焊縫熔深。T.I.M.E焊可以達到50m/min的送絲速度，其熔敷率達到450g/min。該法已在歐洲和日本推廣應用。但是，由于我國是貧He的國家，因其價格昂貴，T.I.M.E焊難以在我國推廣。為此北京工業(yè)大學在尋找無He的高效MAG焊焊接方法，并已成功地實現(xiàn)了35m/min的送絲速度。
2 全位置CO2焊
全位置CO2焊已在管道安裝、鋼結(jié)構(gòu)及造船等焊接生產(chǎn)中得到應用。全位置CO2焊的關(guān)鍵是能保持住熔池中的鐵水不流淌。為此，熔池的尺寸不能太大，也就是要采用小熔池，依靠表面張力保持熔池中的鐵水。小熔池就要求小焊接電流，而小時接厚壁工件時，常常會產(chǎn)生未熔合或夾渣。為了解決小熔池與熔透的矛盾，這時常常采用調(diào)節(jié)短路過渡CO2焊的燃弧-短路能量分配比及合理的焊絲擺動方式。全位置CO2焊時采用的焊絲直徑小于?1.2mm，焊接電流約為120～150A。
3 CO2自動焊接
自動焊由于其優(yōu)質(zhì)、高效的特點在工業(yè)發(fā)達國家應用已經(jīng)相當普遍，以焊接機器人為例，日本焊接機人與焊工的比例為1：2。自動化焊接優(yōu)點有：
(1)工藝過程穩(wěn)定。由于采用機械裝置，消除了許多人為因素對焊接工藝的過程的干擾，如手的抖動而引起的干伸長的變化等等。自動化CO2焊接焊出來的焊道美觀，質(zhì)量容易保證。
(2)工藝再現(xiàn)性好，有利于大批量重復進行焊接生產(chǎn)。
(3)生產(chǎn)效率高。CO2自動焊接較CO2半自動焊接的生產(chǎn)效率有進一步的提高，同時機械裝置可以不知疲倦地連續(xù)工作。
(4)更有利于保護焊接操作人員的身體健康。
CO2自動焊接對焊接電源提出了一些特殊的要求，如：提高引弧成功率和焊接結(jié)束時的去球問題等。同時，CO2自動焊接技術(shù)并非簡單的機器人與焊接電源的結(jié)合，其涉及的技術(shù)更為龐雜。如：機器人的軌跡控制、姿態(tài)控制以及傳感技術(shù)、焊縫跟蹤、熔透控制等等。一套性能優(yōu)異的CO2自動焊接設(shè)備正是這些技術(shù)的完美結(jié)合。目前，我國的自動化CO2焊接技術(shù)的應用水平尚有待進一步提高。自動化CO2焊接技術(shù)代表著CO2焊接工藝的未來。
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