熔化极气体保护电弧焊

焊接方法与设备使用焊接教研室

王立跃

2009.2国家重点培育院校焊接技术及自动化专业精品课程任务4

熔化极气体保护电弧焊

方法与设备使用二氧化碳气体保护电弧焊重点：①CO2电弧的行为②焊接材料③实芯焊丝短路过渡CO2焊④药芯焊丝CO2焊难点：①对CO2焊特点的把握②药芯焊丝CO2焊学习方法建议：①必须充分理解和掌握CO2电弧的行为并与其它焊接方法对比，这是能够准确把握CO2焊的前提和关键;②药芯焊丝CO2焊是CO2焊发展的重要方向之一，近年来增长很快，应给予比课本上所表现出来的分量大得多的关注和重视;③可通过练习制订相应的焊接工艺等实践环节来培养和提高工艺能力和经验。第一节CO2焊的特点及应用一、CO2焊的实质为何要用CO2作为焊接保护气？

①焊条药皮造气剂的造气结果就是CO2／工业生产中产生大量廉价的CO2。②与焊条电弧焊相比，熔化极气体保护焊效率高。焊接过程动画定义：二氧化碳气体保护焊是利用CO2作为焊接保护气的一种熔化极、气体保护的电弧焊方法。按照GB/T5185-1985《金属焊接及钎接方法在图样上的表示方法》以及ISO的相关规定，二氧化碳气体保护焊属于MAG（熔化极活性气体保护焊）的一种，所以它的代号也是135。二、CO2焊的特点1、优点：⑴焊接生产率高：比SMAW高2～4倍⑵焊接成本低：是SMAW或SAW的40～50%⑶焊接变形小：尤适于薄板焊接⑷焊接质量高：对铁锈不敏感，焊缝含氢量低⑸适用范围广：全位置焊接能力好，打底/填充/盖面、厚/薄板均宜⑹操作简便：比SMAW容易操作、适于自动焊（robot）⑺绿色环保：CO2来自可再生资源CO2焊的熔敷速度2、“缺点”：⑴飞溅较大；（这一缺陷目前已经解决）⑵焊接设备较“复杂”；（用今天的眼光看，已不复杂）⑶抗风能力差；（所有气体保护焊的共同缺憾，但药芯焊丝CO2焊无此问题）⑷不能焊接有色金属。三、CO2焊的应用材料：黑色金属——低碳钢、合金结构钢厚度：厚薄均可，尤薄板有优势位置：全位置结构：车辆、船舶、机械、容器等。第二节CO2焊设备以半自动CO2焊设备为例一、CO2焊设备的组成和作用组成：焊接电源送丝机构焊枪供气系统控制系统有的还有循环水冷系统。（一）焊接电源：直流电源1、平特性电源——用于细丝（短路过渡）焊接，配用等速送丝系统；2、下降特性电源——用于粗丝焊接，配用变速送丝系统；3、对动特性的要求细丝短路过渡焊机对动特性有特别的要求，即对短路电流上升速度、短路电流峰值、电弧电压恢复速度三个指标有一定的要求，目的是保证短路过渡过程可靠的同时又控制飞溅。老式焊机通常通过改变接入回路电感来调节。CO2焊机的型号编制请参见GB/T10249-1998《电焊机型号编制方法》，如NBC-250等。（二）送丝系统送丝方式的变化主要在于细丝/平特性（等速送丝）焊机上，以适应不同场合的要求。1、送丝方式⑴推丝式——焊枪简单、轻巧，以鹅颈式焊枪多见，实际应用较多；送丝距离有限（通常≤5M），送细丝效果欠佳。CO2焊机及其推丝式送丝机、枪用于推丝式送丝的鹅颈式焊枪推丝式送丝机⑵拉丝式——焊枪复杂、较重，以手枪式焊枪多见，薄板结构使用较多；适于送细丝/远距离送丝。CO2焊机及其拉丝式焊枪拉丝式焊枪（其小型送丝机构做在焊枪内）焊丝盘送丝电机送丝机构还有一种“线式送丝”：多级串联的行星式送丝即为线式送丝，可远距离稳定地送细的软焊丝。（如0.8mm的铝焊丝）推拉式送丝焊枪（手工焊接用）⑶推拉丝式——焊枪结构复杂，适用于远距离送（细、软）丝，多用于机器人焊接和铝的熔化极气体保护焊。点击看推拉式送丝点击看线式送丝2、送丝机构（送丝机）由送丝电机、减速装置、送丝滚轮和压紧机构等组成；CO2焊专用焊机的送丝机采用单主动送丝即可。单主动式送丝机构双主动式送丝机构压紧轮主动轮送丝机多为独立式，也有与电源做为一体者。有专业厂家专门生产配套的送丝机，接口兼容或以德国宾采尔（BINZEL）焊枪为标准。电源、送丝机分体之CO2焊机电源、送丝机一体之CO2焊机注意：两机使用的都是鹅颈式焊枪（推丝枪）（三）焊枪⑴半自动焊枪推丝式焊枪拉丝式焊枪以上为常见的通用焊枪，用量很大，有专业厂家配套生产，以德国宾采尔（BINZEL）焊枪为事实上的行业标准。推拉式焊枪送不同材质的焊丝，要用不同的送丝套管（如送钢焊丝用钢质套管即可，而送铝焊丝通常要用特氟隆套管）。⑵自动焊枪多见于专用焊机上。把半自动焊枪夹于焊接小车上进行自动焊，现在生产中应用十分广泛。⑶易损件①喷嘴形式——圆柱形（常用）圆锥形（用于深坡口或窄间隙内）材料——铜镀铬（多见）陶瓷（易碎，少用）②导电嘴——纯铜或铜合金做以上易损件是事实上的“标准件”，使用时应注意：①不同品牌的焊枪，其易损件的尺寸不同，往往无法替代；②有专业厂家专门生产焊枪易损件，同一种易损件可能有不同品牌的选择（其寿命、价格不一）；③喷嘴端部与导电嘴端部的距离会影响焊丝伸出长度，从而影响到电弧的稳定性和焊接质量——此点初学者往往容易忽略。（四）供气系统由气瓶、预热器、减压／流量计、气管和电磁气阀组成，必要时可加装干燥器。通常将预热器、减压器、流量计做为一体，叫CO2减压流量计（通常属于焊机的标准随机配备）。名牌产品如美国捷锐（）。不同气体的减压流量计按规定不能互换使用。流量计气压表减压及预热装置开关CO2减压流量计二、典型CO2焊设备（CO2焊专用焊机）1、北京“时代”

逆变焊机，节能节材；可靠性尚可，价格相对便宜，售后服务较好。2、唐山“松下”晶闸管焊机，但精细表现出色且可靠性极高；售后服务较好，价格较贵但性价比高，3、美国林肯普通CO2焊机总体性能不错，但无价格优势。值得推荐者为其STT（表面张力过渡）CO2焊机：飞溅极小、成形极佳，但价格极贵。除以上之外，通用CO2焊机国内的品牌多如牛毛，但普遍市场占有率低。除价格较低外，其它方面往往乏善可陈。欧洲国家一般不做CO2焊专用焊机，而是MIG/MAG（CO2）一体，所以其送丝机通常为双主动送丝。如果焊机标可MIG/MAG/CO2焊，但却是单主动送丝，其效果有限（目前国产焊机这种情况比较多见）。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作为焊接保护气体，CO2表现出很强的氧化性CO2→CO+O

结果：①合金元素烧损；②可能造成气孔、飞溅和夹渣。解决之道：冶金脱氧对脱氧剂的要求（能脱氧但不能带来如夹渣、气孔等副作用）Mn-Si联合脱氧CO2焊专用焊丝H08Mn2Si&H08Mn2SiA(GB8110-87)脱氧剩下的Mn、Si用于补充碳和合金元素的损失二、关于CO2焊的气孔问题正常焊接条件下，CO2焊并不容易产生气孔。相反，由于CO2气氛的氧化性，其抗氢气孔能力较强。三、CO2焊的飞溅及防止1、飞溅产生的原因与CO2电弧的行为有关（点击了解关于CO2电弧的行为）具体包括以下几个方面：⑴气体爆破引起（通过脱氧可以改善）

⑵电弧斑点压力引起（通过采用直流反接可以改善）⑶焊接参数不当引起（采用合理的参数可以改善）⑷短路过渡引起这是CO2焊产生飞溅的主要原因。过去的焊机采用改变回路接入电感来调节，效果非常有限。美国林肯公司建立在逆变焊机基础上的表面张力过渡（STT）专利技术使这一问题基本得以解决。

CO2焊熔滴过渡的最新成果：STT（SurfaceTensionTransfer表面张力过渡）（美国林肯公司专利／已有商品焊机）能在微秒级内产生过渡和改变电流

专门针对半自动焊接（焊接速度、送丝速度和伸出长度都在变化）而设计电源可以适应不同的保护气体，包括100％CO2、CO2与Ar甚至He的混合气体主要优点：①显著地减少飞溅②易于焊接（伸出长度变化时电弧仍保持稳定、允许更大的焊枪角度变化）③更低的电弧辐射和更少的焊接烟尘、降低薄板焊接时的热输入

上图为无STT和有STT在立焊和平焊时的焊接飞溅对比下图为无STT和有STT焊接时焊缝的外观对比

基本电流(T0～T1)：短路前的电流，稳定在50-100A之间；

成滴时间(T1～T2)：在刚短路时，弧压感测器给出“电弧短路”的信号，基本电流在约0.75毫秒内迅速降低至10A；

“掐断”阶段(T2～T3)：紧接着成滴时间阶段，以双波上升的形式对短路的焊丝施加一大电流，通过产生的电磁收缩力加速熔化金属向熔池过渡。注意：在此阶段，焊丝与工件之间电压不为零，这是由于铁在1550℃的熔点时的高电阻率导致的；

（短路）电压上升速度计算(T2～T3)：这一计算包含在掐断阶段内。当计算结果表明达到特定的电压上升速度时，意味着熔滴分离即将发生，电流在若干个微妙内降低到50A（注意这一事件在熔滴分离前发生，T4表明熔滴分离已发生，但电流较低）；

冲击电弧阶段(T5～T6)：这一事件紧接着焊丝从熔池分离之后，它是焊丝快速“回熔”的大电流阶段（在这一阶段焊丝熔化末端的几何形状很不规则）

燃弧阶段(T6～T7)：这一阶段是电流从等离子流冲击降低到基本电流的周期。

1、气体的性质

无色、无味比空气重0.5倍升华／凝华压缩才能液化高温下会分解准钢瓶装（40L/25kg），允许使用的最高环境温度≤40℃；压力表指示乃瓶内CO2饱和蒸气压（与液态多少无关）

指针下降即应换气！使用气瓶时应遵守有关的安全规程。

四、CO2焊的气体及焊丝（一）CO2气体主要杂质：水(减压器中预热装置乃防止水分冻结堵塞管路)

去除水分的办法（P100）：①倒置排水②正置后使用前再预排气③使用干燥器（现已少见）④瓶内气压低至1MPa即停止使用

焊接用CO2应符合HG/T2537-1993《焊接用二氧化碳》的要求，其纯度标准为合格品≥99.5％、一等品≥99.7％、优等品≥99.9％（V/V）。

其它指标请参见《机械工程标准汇编焊接卷》（二）焊丝

1、对焊丝的要求（略）2、焊丝牌号和化学成分根据最新国家标准，焊丝用型号表示，已不再用牌号表示！⑴实芯焊丝(solidwire)

GB/T8110-1987《二氧化碳气体保护焊用钢焊丝》采用的是牌号表示法，如H08Mn2SiA。GB/T8110-1995《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》采用的是型号表示法，如ER50-6。焊丝的直径系列有（0.5）、（0.6）、0.8、1.0、1.2、（1.4）、1.6、2.0、2.5、（3.0）、3.2mm，表面通常镀铜以防生锈（最新的技术使焊丝已取消镀铜，改为涂层，效果更好，如锦泰焊丝）。

2、药芯焊丝(flux-coredwire)

GB/T10045-1988《碳钢药芯焊丝》采用型号表示法，如EF035042GB/T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》采用型号表示法，如E601T1-B3

注意：同是药芯焊丝，碳钢药芯焊丝和低合金钢药芯焊丝型号表示的规则不同。实芯焊丝的国内品牌较多，药芯焊丝的国内品牌不多。无论是实芯焊丝或药芯焊丝，目前进口的质量比较好，品种比较齐全，尤其是药芯焊丝。国内品牌中综合性能好、质量比较过硬的是锦泰系列焊丝。

药芯焊丝的焊接近年发展很快，应密切关注。有关焊丝标准的详细内容，请参见《机械工程标准汇编焊接卷》。补充：焊丝的选用实芯焊丝的选用比较简单，其选用原则与埋弧焊的相似，对于结构钢，主要按等强原则选用，必要时考虑化学成分。对于药芯焊丝，情况比较复杂，将在“药芯焊丝CO2焊焊”一节中再具体讨论。第四节CO2焊工艺短路过渡工艺细滴过渡工艺一、（细丝）短路过渡CO2焊工艺1、特点细丝、低电压、小电流、熔滴细小、过渡频率高、电弧稳定、飞溅小、成型美观、适用于薄板（生产率高、变形小、易操作、对焊工技术要求不高）、全位置焊接。2、焊接工艺参数的选择焊丝直径Φ、电弧电压U、焊接电流I、（焊接速度v）、气体流量L/min、（焊丝伸出长度）l电感电源极性等

（1）Φ

Φ=0.6~1.6，Φ增大，飞溅增大，Vm随I增大而增大，同I，Φ越小，Vm越大，细焊丝用大I，要用大的Vf，导致熔池翻腾，成形恶化，所以一定Φ的最大I受限制。(2)I一般小于200A，取决于Vf，大致成正比，还与L、Φ有关。（3）U17~25V，因为短路过渡在较低电压下才能实现，所以如U过大（大于29V），无论其它参数如何选，都不能得到稳定的短路过渡过程。I小于200A，U变化窄（2~3V）U=0.04I+（16±2）U与I、Φ有关，要协调匹配。（4）V对成形、接头性能、气孔等有影响，I、U一定V增大，S、c、h均下降。

过快—咬边驼峰焊缝

过慢—焊道变宽满溢

半自动V=30~60cm/min（5）保护气流量不好，就会有气孔，成形变坏，与焊接电流有关，200A以下薄板10-15L/min，200A以上厚板15-25L/min。影响因素：气流量不足、喷嘴高度过大、其上有飞溅、强风。强风最显著，保护气被吹散，熔池、电弧、焊丝端头暴露空气中，破坏保护效果。风速>2m/s气孔明显增加，＜1.5m/s无影响。（6）焊丝伸出长度

Φ小，L对Vm影响很大，I一定，L增加导致Vm，Φ越小电阻率越大，影响越大。太大，电弧不稳，难操作，飞溅大，成形恶化，易产生气孔；太小，喷嘴易堵塞，防碍观察电弧，影响焊工操作。一般伸出长度为焊丝直径的10倍！（7）电感值串接作用：①控制电流增长速度：过小，大颗粒飞溅，焊丝成段爆断，熄弧；过大，小颗粒飞溅。0~0.2mH。②调节电弧燃烧时间，控制母材熔深：长电缆盘绕，相当于串入附加电感，焊接正常后不易变动。另外串电抗器，起滤波使整流后电压和电流波形脉动小一些。（8）电源极性DCRP：电弧稳，飞溅小，成形好，S（H）大，生产率高；DCSP：同I，Vm大大提高，为反接的1.6倍，S（H）浅，c（h）大，飞溅大，用于堆焊，铸铁焊补（提高熔敷速度）。二、（粗丝）细滴过渡CO2焊工艺1、粗丝（＞1.6mm）CO2焊工艺特点

大规范：大电流、高电压、大气体流量，电弧持续，不发生短路熄弧，熔滴以细滴形式过渡，电弧穿透力强，S（H）大，用于中等厚板、大厚板焊接。更适合于平位置的填充、盖面焊，飞溅较大，建议在CO2中加入少量Ar。2、焊接工艺参数（1）U与IU：34~45VI：由Φ选择，不同Φ，I下限不同，查表4-5，要与U匹配。I增大，电弧对熔池的冲刷力加大，恶化成形，只有相应增大U，才能减若冲刷作用。（2）V较高，常用速度为40~60m/h。（3）气体保护流量较大，比短路过渡的提高1~2倍，常为25-50L/min。混合过渡：短路过渡为主伴随部分细滴过渡，U、I比短路过渡大，比细滴过渡小，在短路过渡基础上，焊接生产率和熔透能力均提高，但熔滴过渡频率低，尺寸大，飞溅较严重，一般不采用。三、CO2焊的操作技术1、焊前准备（1）坡口形状表4-6短路过渡焊：薄板、中厚板I形；细滴过渡焊：中厚板、厚板，开较小坡口，为了熔透，焊缝的形状和熔合比。角度过小，易形成指状熔深，易出现气孔裂纹，尤其厚板，拘束应力大，倾向强。（2）坡口加工方法与清理方法：机加工、气割、碳弧气刨，精度要求比SMAW高；清理：坡口周围10~20mm范围内油、锈、氧化皮等清理干净，可用O2-C2H2烘烤。（3）定位焊保证坡口尺寸，防止焊接变形薄板：长度3~10mm，间距30~50mm中厚板：长度15~50mm，间距100~150mm2、引弧与收弧（1）引弧划擦引弧，倒退引弧。（2）收弧I比SMAW大，弧坑大，减小方法：①用带电流衰减装置的焊机；②如无，在弧坑未凝固时进行几次连续焊；③使用工艺板。（3）焊道的接头方法直线焊，弧坑前10~20mm处引弧，快速移到弧坑中心，图4-18。3、平焊的焊接技术（1）单面焊双面技术：①悬空焊接无垫板，对焊工技术要求较高，对坡口精度、装配质量、焊前参数要求严，坡口间隙的影响大，小：焊丝对准熔池前部，增大穿透能力；大：焊丝指向熔池中心，适当摆动，以防烧穿。间隙：0.2~1.4mm，直线式，小幅摆动；1.2~2.0mm，月芽形，小幅摆动，焊缝中心快移动，两侧片刻停留更大，横向摆动基础上增加前后摆动，避免电弧对准间隙，以防烧穿。表4-7，4-8。表4-10（典型对接焊缝的参数）②加垫板的焊接焊接参数要求不严，使用纯Cu板（水冷）。表4-9（2）对接焊缝的焊接技术：薄板：短路过渡中厚板：细滴过渡坡口形状：I、Y、单边V、U、X，常用钝边较大、坡口角度较小，可达45°左右。坡口内焊接，角度小时，易引起未焊透，在焊根部焊道应采用右焊法，直线式移动；角度大时，应采用左焊法，小幅度摆动。第五节药芯焊丝CO2焊

药芯焊丝CO2焊，就是用药芯焊丝为电极、用CO2作为外加保护气的熔化极电弧焊。药芯焊丝——把焊药（或金属粉）包在钢带中做成的焊丝（焊条是把焊药包覆在焊芯的外面）。药芯焊丝分自保护用（烟尘大、机械性能较低）、埋弧焊用（多用于高合金钢及堆焊）和气保护用（使用广泛）；按保护气成分，又可分为CO2焊用（用量最大，用于焊结构钢）以及MIG、MAG、TIG焊用（即使被焊金属相同，不同的保护气体其药芯焊丝原则上也不能相互代用）。按药粉类型分：有渣型——焊后有较多的熔渣，但易于调整焊缝化学成分：酸性（焊接工艺性能较好、焊缝含氢量达碱性焊条水准）（如金红石型和药芯焊丝CO2焊用的钛型）碱性（焊缝含氢量超低，但工艺性能稍差）（如药芯焊丝自保护焊多用的高氟弱碱渣系）无渣型——金属粉芯型：焊后熔渣较少（多层焊层间可不清渣），焊接效率更高，但有些性能不如熔渣型。多用于埋弧焊、自动焊或机器人焊接以及高速CO2焊）。

按截面形状分：O形（<2.0mm/有缝或无缝）（无缝者可镀铜）复杂截面形

直径：从0.8mm到6.0mm,用的最多的是1.0mm。3.0mm以上的粗丝多用于堆焊。焊药或金属粉药芯焊丝的各种截面形状药芯焊丝的型号我国已进入国家标准的药芯焊丝计有：⑴碳钢药芯焊丝：GB/T10045-2001《碳钢药芯焊丝》，如E501T-1ML等。⑵低合金钢药芯焊丝：GB/T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》，如E601T1-B3等。⑶不锈钢药芯焊丝：GB/T17853-1999《不锈钢药芯焊丝》，如E308MoT1-3等。注：以上焊丝并非都用于CO2焊，有的型号是自保护焊丝，有的可用于埋弧焊。

114—药芯焊丝电弧焊（药芯焊丝自保护电弧焊Self-shieldedtubular-coredarcwelding）136—非惰性气体药芯焊丝电弧焊（活性气体保护电弧焊Tubularcoredmetalarcweldingwithactivegasshield;fluxcoredarcwelding/USA）FCAW主要用于焊接碳钢、不锈钢、低合金钢和高合金钢。☆有关药芯焊丝焊接的概况

几个概念：flux-coredelectrode（管状焊条）flux-coredwire（药芯焊丝）corewire（焊芯）flux-coredsolderwire（药芯钎料丝）fluxcoredarcwelding(FCAW)（药芯焊丝电弧焊）GB/T5185-1985《金属焊接与钎接方法在图样上的表示代号》规定：其优点：1、高熔敷率；2、可全位置焊；3、焊缝平滑；4、药芯成分可以调整以适应不同的需要；5、用便宜气体（如100%CO2）仍获好的焊接效果；6、能耗低、综合成本低。

低碳钢焊丝在不同电流下的熔敷速度（kg/h）注：rutileCE----金红石焊条SW----实芯焊丝其缺点：1、焊丝制造复杂/价贵；2、焊丝易受潮，保管复杂。

同样直径的焊丝，由于药芯焊丝的导电截面比实芯焊丝的小，所以它的熔敷效率比实芯焊丝的还要高。另外，由于有焊药，可通过调整焊药的成分，使药芯焊丝焊接的适应性、灵活性更好。

由于药芯焊丝有其无法替代的独特优点，近年发展迅速，在各种大型工程特别是合金钢焊接结构野外施工，如西气东输中得到广泛应用。

几种焊接方法的成本比较

近年来，我国药芯焊丝的消耗量增长很快，国产药芯焊丝的品牌也很多，但以“大路货”较多，较有名的有：锦泰（广泰、天泰、瑞泰）、三英、大西洋、瑞达、金太阳、金桥、大桥、铁锚等，但每年还要进口大量药芯焊丝，主要是一些高档次、专用的焊丝，主要有神钢（日本）、现代（韩国）、林肯（美国）等。药芯焊丝焊接对焊接设备的要求对电源的要求使用实芯焊丝的设备完全可以使用药芯焊丝，但最好同时具备以下功能：1、极性转换：不同渣系要用不同的极性，而自保护焊多用直流正接，需要转换极性；2、电源外特性微调：以适应不同的焊药成分的要求；3、电弧挺度调节：以调节熔滴过渡形态（CO2焊也可得到喷射过渡），减少飞溅、改善全位置焊性能。对送丝的要求加粉系数较小的药芯焊丝可用实芯焊丝送丝机；加粉系数较大的药芯焊丝，应用药芯焊丝专用送丝机（双主动送丝／送丝轮开Ｖ形