焊接工艺系列培训之CO2焊接

第三章 CO2气体保护焊第二节 CO2气体保护焊CO2气体保护焊实质上也是熔化极气体保护焊的一种，即：MAG (Metal Active Gas)一、CO2保护焊的发展过程上节我们介绍了：光焊条焊接是在空气包围下进行，因此在焊缝中渗入了大量的氧、氮和氢，并且烧损了大部分合金元素,严重影响了焊缝质量.焊缝的机械性能下降.为了提高焊缝质量，我们必须防止或消除空气的有害作用，归结起来，和空气的有害作用进行斗争主要是通过一下两个途径：“防”和“治”“防”就是使焊接区域和空气隔绝，从而保护熔池及熔滴使之不被空气侵入。保护的方法主要有三种，渣保护、气保护、气渣联合保护。气渣联合保护手工焊；渣保护埋弧焊、电渣焊；气保护氩弧焊、CO2气体保护焊；“治”就是把已经进入到熔滴及熔灺中的氧及氮等有害元素再拉出来（对熔滴及熔灺进行脱氧及脱氮）。渣保护-埋弧焊又是在一层较厚的颗粒状焊剂下焊接，由于重力的影响，很难在空间位置焊接。因而如何能进行空间位置自动焊和半自动焊？气体保护焊-可以在任何空间位置喷出气体,给空间位置的自动和半自动焊带来希望.采用什么样的气体来隔绝空气的侵入?人们想到了氩气,氩弧焊主要应用于易氧化金属(铝、镁及其合金、不锈钢等)，氩气成本高，用于普遍应用的低碳钢及低合金钢焊接在经济上是不合算的。要寻求价廉易得的气体用做保护的气体必须满足下列要求：1、 无毒, 如CO有毒不能用；2、 价廉易得，如氩、氦价格高；3、 不能给焊接质量带来危害或危害可以消除；人们想到用N2、H2、O2，上节我们知道了它们对焊缝质量的影响，焊缝中是不允许它们存在的，但迄今为止，人们对脱N2，脱H2的控制能力还是有限的。故用它们做保护性气体焊接低碳钢及低合金钢是有困难的。1926年，有人利用过CO2焊接过低碳钢，焊缝出现气孔严重，焊缝很脆否定CO2可以做为保护气体。二次大战前，高强度低合金钢应用日益广泛（坦克、装甲车），为解决这类钢的焊接，发展了碱性低氢型焊条，这类焊条药皮含有大量的碳酸钙。CaCO3CaO+CO2CO2作为保护性气体，有效地防止了空气进入电弧空间，另CO2是一种氧化性气体，它会氧化金属，带来危害。19511952年，科学家们又受到炼钢中脱氧的理论及实践的启发，又重新利用CO2作为保护气体，进行低碳钢及低合金钢半自动焊及自动焊的研究，试验结果证明，采用一定量的脱氧元素的焊丝（含一定量的Si、Mn），可以清除气孔并获得优质的焊缝金属。1953年CO2保护焊研究成功报告问世。开始研究和应用CO2保护焊时，是因沿袭软管半自动埋弧焊习惯，采用直径为1.62.mm的焊丝，这时必须使焊接电流大于300安培以上，熔滴成喷射过渡，焊接飞溅才得到一些改善，焊缝成形好，但在空间位置用这样大的电流焊接，熔池体积太大，熔池金属向下滴落或向下流动，焊接操作困难，焊缝成形不良，只能进行平焊，不能进行空间位置的焊接。要推广CO2保护焊，必须解决第二个问题是使其能适应于各种能量的焊接及减少飞溅，为解决这一工艺问题，科学家对焊接电弧进行了深入的研究,即“熔滴过渡”的规律。1957年提出了“短路过渡”焊接法，设计了动特性好的电源，采用较细的焊丝直径（0.81.6mm），配合使用较低的焊接电压及较小的焊接电流，可以很好地进行空间位置的焊接并使飞溅很小。二、CO2焊接原理受碱性焊条里CaCO3(造渣剂和造气剂)受热分解的启示。CaCO3CaO+CO2科学家想到用CO2气体做为保护性气体半自动C02焊的设备系统如图2-1所示,图2-1 CO2半自动焊设备示意图1-电源 2-送丝机 3-焊枪 4-气瓶 5-预热器 6-高压干燥器7-减压器 8-低压干燥器 9-流量计 10-软管 11-焊丝盒电缆焊枪焊接电源送丝机构图2-2 CO2半自动化焊机C02焊的焊接过程如图2-3所示。焊接时使用成盘的焊丝，焊丝经软管和焊枪的导电嘴送出。电源的两输出端分别接在焊枪和焊件上。焊丝与焊件接触后产生电弧，在电弧高温作用下金属局部熔化进入熔池中去。同时，气瓶中送出的C02气体以一定的压力和流量从焊枪的喷嘴中喷出，形成一股保护气流，使熔池和电弧区与空气隔离。随着焊枪的移动，熔池金属凝固后形成焊缝。C02焊接的所用的焊丝直径，可分为细丝C02焊（焊丝的直径1.2毫米），及粗丝C02焊（焊丝直径1.6毫米）。按操作方法可分为CO2半自动焊和C02自动焊。他们的共同点是送丝和送气都是自动的,区别是：C02半自动焊是用手工操作完成焊接热源的移动，C02自动焊是由相应的自动化装置来完成的(如机器人、自动角焊机等). 图2-3 CO2保护焊过程示意图三、冶金特点1、CO2的氧化性 CO2CO+Oa、与CO2作用Fe+CO2=FeO+COSi+CO2=SiO+COMn+CO2=MnO+COb、 与高温分解的氧原子作用Fe+O=FeOSi+O=SiO2Mn+O=MnO结论:CO2和O2使Fe和其它元素氧化烧损.CO不熔于金属，熔滴中CO在电弧高温下急剧膨胀，使熔滴爆破而引起金属飞溅。在熔池中的CO若逸不出来，便成为焊缝中的气孔。c、氧化的结果：有用的合金元素被烧损，造成了焊缝金属力学能降低，产生气孔和金属飞溅。c、 解决的措施：脱氧在焊丝中加入一定量的脱氧剂，（它们是与氧亲和力比Fe大的金元素，如AI、Ti、Si、Mn等），实践证明采用Si-Mn联合脱氧的效果最好，可以焊出高质量的焊缝来。2FeO+Si=2Fe+ SiO2FeO+ Mn =Fe+ MnO所以只要在焊丝中有足够的脱氧元素Si和Mn，以及限制焊丝中的C的含量就可以有效的防止C0气孔。，目前国内外广泛采用H08Mn2Si焊丝,Si、Mn即是脱氧剂也是合金剂.H08Mn2SiA 、H08Mn2Si的焊丝成份见表2-1，Q345钢与H08Mn2Si焊丝焊接化学成分对比和机械性能对比见表2-2和表2-3表2-1 焊丝化学成分CMnSiSPH08Mn2SiA0.10%1.82.1%0.650.95%0.03%0.03%H08Mn2Si0.10%1.72.1%0.650.95%0.035%0.035%表2-2 H08Mn2SiA焊丝与Q345钢焊接后化学对比C（%）Si（%）Mn（%）S（%）P（%）备注Q3450.120.20.20.61.21.60.050.05H08Mn2SiA焊丝0.140.51.4母材Q345=14H08Mn2SiA焊丝0.110.661.36母材Q345=14表2-3 Q345钢机械性能板厚s(kg/cm2)b(kg/cm2)5(%)室温-40冷弯180(kgm/ cm2)1635522163d=2不裂172533501963d=3不裂263631481963d=3不裂表2-5 Q345+H08Mn2SiA焊丝接头机械性能材料名称焊缝拉伸接头拉伸ak kgm/cm2冷弯sb5sb母材Q345+H08Mn2SiA39.854.724.261.535.257.27.81802、气孔在熔池金属内部存在有溶解不了的或过饱和的气体，当这些气体来不及从熔池中逸出时，便随着熔池的凝固，而留在焊缝内便形成气孔。可能产生的气孔主要有三种：CO、N、H。CO气孔的产生主要原因是：焊丝中所含的脱氧合金元素不够，使熔池中熔入较多的FeO（按与氧的亲合力来排为：Si、Mn、C），钢中又含有C，它和C发生强烈的还原反应: FeO+C=Fe+CO生成了CO气体，来不及逸出，从而形成气孔.只要焊丝中含有足够量的合金元素Si和Mn,并限制焊丝中的碳量,就可以有效地防止CO气孔.产生N气孔的原因：主要是保护不好，空气进入电弧电弧造成的。如CO2气流量过小或过大，焊丝伸出长度过长、喷嘴阻塞、导电嘴与喷嘴不同心、喷嘴气筛阻塞、外部气流量过大、室外焊接、电弧电压过高等。产生H气孔的原因：产生H气孔的原因是在高温时熔入了大量的H，在结晶的过程中不能充分排出，而留在焊缝金属中。H主要来自焊丝、工件表面的油污和铁锈以及CO2气体中的水分，前者易清除和防止，而后者往往是产生H2气孔的主要原因。因此对CO2气体进行提纯和干燥是必要的。3)、飞溅问题飞溅的危害：a、 增加焊丝及电能的消耗；b、 降低焊接生产率和增加焊接成本；c、 飞溅粘到导电嘴和喷嘴内壁上，会造成送丝和送气不畅而影响电弧的稳定和降低保护作用；d、 恶化焊缝成形；e、 粘到焊缝表面上又增加焊后清理工序；引起飞溅的原因：a 焊接过程中熔滴和熔池中的碳被氧化生成CO气体，随温度升高，CO气体膨胀引起爆破，产生细颗粒飞溅。b、作用在焊丝末端电极斑点上的压力过大，当用正接长弧焊时，焊丝为阴极，受到来阳极的正离子的冲击，阴极斑点上的压力较大，焊丝末端易形成粗大熔滴和被顶偏而产生非轴向过渡，从而出现大颗粒飞溅。c、在短路过渡时由于焊接电源的动特性选择与调节不当而引起金属飞溅，减小短路电流上长速度或减少短路峰值电流都可以减少飞溅。一般是在焊接回路内串入较大的不饱和直流电感即可减少飞溅。d、由于焊接工艺参数选择不当而引起。主要是电弧电压升高，电弧变长，易引起焊丝末端熔滴长大，产生无规则的晃动，而出现飞溅。减少飞溅的措施：a选用合适的焊丝材料或保护气体。例如选用含碳量低的焊丝，减少焊接过程中产生CO气体，长弧焊时，加入Ar的混合气体保护，使熔滴变细，甚至得到射流过渡，改善过渡特性。b在短路过渡时，合理选择焊接电源，并匹配合适的可调电感，以便当采用不同直径的焊丝，能得到合适的短路电流增长速度。c采用直流反接进行焊接。d采用不同熔滴过渡形式焊接时，要合理地选择焊接工艺参数，以获得最小的飞溅。四、 焊接材料1） 保护气体CO2用于焊接的CO2气体其纯度要求99.5%,含水量0.05%。CO2气无色无毒，易溶于水，密度为空气的1.5倍,沸点为-78。受压后变成无色的液体，当温度低于11时，比水重；当高于11时，比水轻。在0和一个大气压下，一公斤CO2液体可蒸发509升CO2气体。供焊接用的CO2气体，通常是以液态装于钢瓶中，钢瓶容量40升，可装入25kg的液态CO2。CO2气瓶外表涂黑色并写有黄色的“CO2”字样。25kg液态CO2约占钢瓶容积的80%，其余20%的空间充满气态的CO2。气瓶压力表上所指压力值，即是这部份气体的饱和压力，该压力大小与环境温度有关，室温为20时，气体的饱和压力约为：5.72Mpa.(注意该压力不反映液态CO2的贮量,只有当瓶内液态CO2全部气化后,瓶内气体的压力才会随着CO2气体的消耗而逐渐下降。这时的压力表的读数才反映瓶内气体的储量)。故正确估算瓶子内CO2的储量是用称钢瓶质量的办法。一瓶装25kg液化CO2气,若焊接时的流量为20L/min,则可连续使10小时左右.汽车行业CO2焊接暂载率（负责持续率）为10%30%左右（计算焊装车间CO2汇流排钢瓶数量用到）。焊装车间CO2汇流排钢瓶数量的计算当市售CO2气体含水量较高时，在现场减少水份的措施是：a、将新灌气瓶倒立静置12h,然后开启阀门，把沉积在瓶口部的水排出，可放水23次，放水时间为1分钟左右，每次间隔30min，放后将瓶正回来。b、倒置放水后的气瓶，使用前先打开阀门放掉瓶内上部纯度低的气体。c、在气路中设置高压干燥器和低压干燥器，进一步减少CO2气体中的水份。（干燥剂为：硅胶或脱水硫酸铜）。 d、使用瓶装CO2时，注意设置气体预热装置（瓶中高压气体经减压而体积膨胀时，要吸收大量的热，而使气体温度降到零度以下，会引起CO2气中的水份在减压器内结冰而堵塞气路，因此在未减压之前须经过预热）。见图2-4 CO2汇流排预热装置。预热装置图2-4 CO2汇流排预热装置图2-5 为一般焊装车间用的CO2汇流排装置。图2-5 CO2汇流排装置2）、焊丝焊丝的作用:一方面作为电弧的一个极,另一方面向熔池提供熔化金属.CO2焊用的焊丝对化学成分有特殊要求：1） 焊丝内必须必须含有足够数量的脱氧元素，以减少焊缝金属中的含氧量和防止产生气孔。2） 焊丝的含碳量要低，通常要求w(C)0.11%,以减少气孔和飞溅；3） 要保证焊缝具有满意的力学性能和抗裂性能。此外，若要求得到更为致密焊缝金属，则焊丝应含有固氮元素如A1，Ti等。目前国内常用C02焊丝的直径为0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、2.4mm。近年又发展直径为34mm的粗焊丝。焊丝应保证有均匀外径，其公差为+0-0.025，还应具有一定的硬度和刚度，一方面以防止焊丝被送丝滚轮压扁或压出深痕，另一方面，焊丝从导电嘴送出后要有一定的挺直度。因此，无论是何种送丝方式，都要求焊丝以冷拔状态供给，不能使用退火焊丝。为了防锈焊丝表面要镀铜。 五、 CO2焊接工艺参数 CO2焊的工艺参数与MIG焊基本相同，只是用短路过渡时，在直流焊接回路中多了短路电流峰值Imax和短路电流增长速度di/dt两个动态参数。而这两个参数可通过调节附加在直流回路上的电感来实现。CO2气体保护焊的熔滴过渡CO2是一种熔化极焊接方法，焊丝除了作为电极外，其端部还不断受热熔化，形成熔滴，并陆续脱离焊丝过渡到熔池中去。熔化极气电焊的熔滴过渡形式，同其它熔焊一样，大致分为三种，即短路过渡，粗滴过渡和喷射过渡，如图2-6所示。熔点过渡的特点和形式，取决于焊接工艺参数及有关条件。CO2保护焊的熔滴过渡，也同样存在三种形式。但是由于CO2气体的特点，在熔滴过渡方面有一些特别性，并直接影响到焊接过程的稳定性、飞溅程度和焊接的质量。因此，必须认识和掌握CO2保护焊过渡的规律，才能提出对焊接设备及焊接工艺参数的要求。现将CO2焊接的熔滴过渡形式分述如下：短路过渡短路过渡是在采用细丝，小电流，低电弧电压焊接时出现的。因为电弧很短，焊丝末端的熔滴还未形成大滴时，即与熔池接触而短路，使电弧熄灭。在短路电流产生的电磁收缩力及熔池表面张力的共同作用下，熔滴迅速脱离焊丝末端过渡到熔池中去，以后电弧又重新引燃。这样周期性的短路一燃弧交替过程，就称为短路过渡过程。短路过渡时，焊接电弧和电弧电压，是按一定的规律变化的，这个变化，从一般的电流表和电压表是观察不出来的。如果用示波器来进行观察过渡过程中电流电压的变化，就可以看的比较清楚。图2-6示出了短路过渡过程中，焊接电流和电弧电压的变化波形以及相应的熔滴过渡情况。 图2-6 各种熔滴过渡示意图a短路过渡 b颗粒过渡（半短路过渡） c射流过渡2、工艺规范在CO2焊中，短路过渡焊接应用最广泛，主要在焊接薄板及全位置焊接时用。焊接的工艺参数有电弧电压、焊接电流、焊接回路电感、焊接速度、气体流量和焊丝伸出长度等。(1) 电弧电压及焊接电流对一定焊丝直径及焊接电流（即送丝速度），必须匹配合适的电弧电压，才能获得稳定的飞溅最小的短路过渡过程。现在各种CO2电源均设置了一元化调节装置，只要调整了焊接电流与之相应的焊接电压就得到自动调节。这种方法叫一元化调节。图1-6给出了四种直径焊丝适用的电弧电压和焊接电流范围。焊接电流/A图2-8短路过渡焊接时适用的电流和电压范围（2）焊接回路的电感 短路过渡焊接要求焊接回路中有合适的电感量，用以调节短路电流增长速度di/dt使焊接过程的飞溅最小。通常细丝CO2焊，焊丝熔化速度快，熔滴过渡周期短，需要较大的di/dt。反之，粗丝要求di/dt小些。表2-4给出了不同直径焊丝的焊接回路电感参考值。此外，通过调节电感，还可以调节电弧燃烧时间，进而控制母材的熔深。增大电感则过渡频率降低，燃弧时间增加，熔深将增大。表2-4 CO2焊短路过渡焊接回路电感参考值焊丝直径/mm焊接电流/A电弧电压/V电感/Mh0.8100180.010.081.2130190.020.201.6150200.300.70（3） 伸出长度焊丝伸出长度，即导电嘴末端至工件距离。焊丝伸出长度增加，焊丝上的电阻热增大，焊丝熔化加快。但电弧电压下降，焊接电流减小，熔深亦减小（电弧热量减少）。短路过渡焊接所用的焊丝较细，若焊丝伸出过长，该段焊丝的电阻热大，易引起成段熔断，且喷嘴至工件距离增大，气体保护效果差，飞溅严重，焊接过程不稳定，熔深浅和气孔增多；若伸出过小，熔深深，则喷嘴至工件距离减小，喷嘴挡住视线，看不见坡口和熔池状态，飞溅的金属易引起喷嘴堵塞，从而增加导电嘴和喷嘴的消耗，但熔深深。故一般焊丝伸出长度，约在1020mm范围内，一般取1012倍的焊丝直径,最好不要超过15mm.（4）气体流量 细丝（1.2mm）短路过渡焊接时的气体流量一般为515L/min，焊丝（1.6mm）焊接时气体流量一般在1020 L/min，如果焊接电流较大，焊接速度较快