第四章 二氧化碳气体保护焊

第四章二氧化碳气体保护电弧焊一、基本要求1、了解二氧化碳气体保护焊的特点及应用2、掌握二氧化碳气体保护焊的熔滴过渡特点3掌握二氧化碳气体焊主要工艺的特点及工艺参数的选择原则4、掌握二氧化碳气体焊的冶金特点5、掌握气孔、飞溅产生的原因及其防止措施二、重点1、短路过渡对电源动特性的要求2、二氧化碳气体保护焊向熔滴中施加合金元素的方式。3、气孔、飞溅产生的原因及其防止措施早在20世纪30年代就有人提出用CO2及水蒸气作为保护气体，但试验结果发现焊缝金属严重氧化，气孔很多，焊接质量得不到保证。因此氩气、氦气等惰性气体保护焊首先应用于焊接生产，解决了当时航空工业中有色金属的焊接问题，气体保护焊的优越性也逐步被人们认识和重视。但是氩气、氦气为稀有气体，价格较贵，应用上受到一定的限制。为此，到20世纪50年代。人们又重新研究CO2气体保护焊，并逐步应用焊接生产。CO2焊的历史

1.CO2焊的特点及应用1.1CO2焊的实质定义：是利用CO2作为保护气体的熔化极电弧焊方法。产热保护1.CO2焊的特点及应用1.CO2焊的特点及应用为何要用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。1.CO2焊的特点及应用1.2CO2焊的分类：按焊丝粗细分类：细丝CO2焊ds≤1.6mmVf=C自身调节粗丝CO2焊ds>1.6mmVf≠C自动调节按焊丝类型分：实芯焊丝CO2焊药芯焊丝CO2焊按自动化程度分：半自动CO2焊适用于焊缝不够规则的场合自动CO2焊适用于焊缝长而且规则的场合焊接生产率高：二氧化碳气体保护焊的电弧集中，熔透能力强，熔敷速度快，且焊后无需进行清渣处理，因此生产效率高；半自动二氧化碳焊的效率比手工电弧焊高1

2倍，自动二氧化碳焊比手工电弧焊高2

5倍。焊接成本低：CO2气体来源广，价格便宜，而且电能消耗少，故使焊接成本降低。通常CO2焊的成本只有焊条电弧焊的40％—50％。1.3CO2焊的特点1.3.1优点焊接变形小：由于电弧加热集中，焊件受热面积小，同时CO2气流有较强的冷却作用，所以焊接变形小，特别适宜于薄板焊接。焊接质量较高：二氧化碳气体保护焊抗锈能力强，对油污不敏感，焊缝含氢量低，抗裂性能好

。适用范围广：可实现全位置焊接，并且对于薄板、中厚板甚至厚板都能焊接。操作简便：焊后不需清渣，且是明弧，便于监控，有利于实现机械化和自动化焊接。1.3CO2焊的特点1)飞溅率较大，并且焊缝表面成形较差。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。（目前来看，设备已不算复杂）3）抗风能力差，给室外作业带来一定困难。（所有气保焊都有的问题）4）不能焊接容易氧化的有色金属。5）劳动条件较差，二氧化碳焊弧光强度及紫外线强度分别为手工电弧焊的2

3倍和20

40倍，而且操作环境中CO2的含量较大，对工人的健康不利。1.3.2缺点1.3CO2焊的特点1.4CO2焊的应用适用材料适于低碳钢、低合金钢等黑色金属耐磨件堆焊、铸铁补焊及电铆焊不适用材料：不锈钢、易氧化的有色金属适用领域：汽车制造、机车车辆制造、化工机械、农业机械、矿山机械飞机制造一、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。以半自动CO2焊设备为例2.CO2焊设备直流电源:一般采用直流电源且反接极性。1、平特性电源——用于细丝（短路过渡）焊接，配用等速送丝系统；燃烧稳定焊接参数易调节避免回烧2、下降特性电源——用于粗丝焊接，配用变速送丝系统；（一）焊接电源：3、对动特性的要求（一）焊接电源：粗丝细滴过渡时电流变化比较小，对焊接电源动特性要求不高细丝短路过渡时，焊接电流不断变化，要求外特性品质比较高短路电流增长速度合适的峰值电流电弧电压恢复速度国产GMAW焊机型号按GB/T10249-1988规则命名.第一字位：“N”表示MIG/MAG焊机第二字位:Z-自动;B-半自动;D-点焊;U-堆焊第三字位:无-氩气及混合气体保护焊;M-氩气及混合气体保护焊（脉冲）;C-二氧化碳气体焊第四字位:系列序号；第五字位:额定焊接电流，单位A。熔化极气体保护焊焊机型号解读：CO2焊机型号（二）送丝系统变速送丝：Φ≥3.0mm等速送丝：Φ≤2.4mm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。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，一般焊丝直径0.8-2.0mm。1、送丝方式推丝式送丝示意图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；适用于直径≤0.8mm的细丝/远距离送丝。1、送丝方式焊丝盘送丝电机送丝机构拉丝式送丝示意图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。1、送丝方式推拉式送丝焊枪（手工焊接用）

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）点击看推拉式送丝点击看线式送丝由送丝电机、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2、送丝机构（送丝机）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）2、送丝机构（送丝机）（三）焊枪

1.对焊枪的要求：⑴送丝均匀、导电可靠和气体保护良好。⑵结构简单、经久耐用和维修简便。⑶使用性能良好。2.焊枪的类型:

推丝式焊枪常用的形式有两种：一种是鹅颈式焊枪，另一种是手枪式焊枪。这些焊枪的主要特点是结构简单、操作灵活，但焊丝经过软管产生的阻力较大，故所用的焊丝不宜过细，多用于直径1mm以上焊丝的焊接。焊枪的冷却方法一般采用自冷式，水冷式焊枪不常用。典型的鹅颈式气冷焊枪:手枪式（水冷）焊枪典型的手枪式（水冷）焊枪:由气瓶（铝白色）、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，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。（四）供气系统二、典型CO2焊设备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。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。第三节CO2焊冶金特性和焊接 材料一、合金元素的氧化和脱氧CO2O+CO吸热反应氧化作用温度高氧化性强合金元素浓度合金元素与氧的亲和力电弧高温区一、合金元素的氧化和脱氧低温区-熔池后部一、合金元素的氧化和脱氧氧化反应的结果Fe、Si、Mn、C、Al、Ti、Ni烧损反应产物：FeO熔渣及进一步与熔池中的合金元素反应SiO2和MnO形成熔渣CO飞溅（温度高）气孔（温度低）合金元素烧损、气孔、和飞溅是CO2焊中三个主要问题。一、合金元素的氧化和脱氧一、合金元素的氧化和脱氧合金过渡系数：接材料中的合金元素过渡到焊缝金属中的数量与其原始含量的百分比。原理，利用脱氧剂使FeO还原，氧化产物作为熔渣排出，剩余的合金元素强化焊缝。对脱氧剂的要求：（1）脱氧能力强；（2）起合金化作用；（3）其生成物不应引起其它不良的后果在兼顾经济性的前提下采用还原性强的元素（Al、Ti、Si、Mn）这四种元素单独脱氧的效果不好。一、合金元素的氧化和脱氧Si-Mn联合脱氧，可以焊出高质量的焊缝。目前国内外广泛应用的H08Mn2SiA焊丝，就是采用Si、Mn联合脱氧的。注意问题：含量适当过低——达不到脱氧的目的过高——Si-焊缝热裂倾向大；Mn-焊缝冲击值下降比例合适:Mn/Si=1.5~3一、合金元素的氧化和脱氧一、合金元素的氧化和脱氧二、CO2焊气孔及防止原因：没有熔渣覆盖并且CO2气流的冷却作用类别：

CO、N2、H21.CO气孔：机理：CO来不及逸出形态：针尖状位置：焊缝根部或者近表面原因：脱氧剂不足、碳含量偏高防止：增加脱氧剂、减少碳含量、加大热输入二、CO2焊气孔及防止2.氮气孔：机理：溶解度变化形态：蜂窝状位置：焊缝近表面原因：保护气层破坏保护气不纯流量小喷嘴堵塞或者位置不合适侧向风二、CO2焊气孔及防止防止：提高纯度调好流量检查气路防风措施固氮元素TiAl3.氢气孔：机理：离子态的H进入熔池，溶解度变化形态：圆球形位置：焊缝中原因：油污和铁锈，气体中的水分防止：清除油污和铁锈，排出气体中的水分二、CO2焊气孔及防止三、CO2焊飞溅及防止产生原因：气体爆炸斑点压力（气体分解收缩电弧）小桥爆断焊接参数选择不当三、CO2焊飞溅及防止三、CO2焊飞溅及防止减少飞溅的措施正确选择焊接参数细丝过渡的时候在气体中加入氩气限制金属小桥爆断能量选用低飞溅率焊丝三、CO2焊飞溅及防止焊接电流与电压焊丝伸出长度尽可能缩短焊丝伸出长度越长焊枪角度前后倾角不超过20°正确选择焊接参数成本问题性能问题细丝过渡的时候在气体中加入氩气原理：设法实现短路液桥的金属过渡趋于稳定防止方法：回路中串接附加电感直径细、过渡频率高-要求大电流增长速度-小电感（设备简单，控制精度一般）电流切换电流波形控制法(STT法)、CMT(coolmetaltransfer)限制金属小桥爆断能量超低碳焊丝药芯焊丝活化处理焊丝（CS2CO3、K2CO3

）被动-----涂层材料选用低飞溅率焊丝

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）CO2焊熔滴过渡的最新成果

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CO2焊熔滴过渡的最新成果

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无色、无味、无毒密度为空气的1.5倍高温分解状态：三态四、CO2焊的气体及焊丝1.CO2气体：液态CO2高于-11℃时比水轻

常温下气罐中CO2在水的上部气瓶中80%液态CO2，其余20%为气态CO2一瓶液态CO2可以气化成为12725LCO2气体安全问题：温度对压力的影响四、CO2焊的气体及焊丝提高CO2纯度的措施：倒置放水：倒置1-2小时，开阀门2-3次，每次放水间隔30分钟正置放气：正置2小时，开阀门2-3分钟使用干燥器注意气瓶压力：存在液态CO2气瓶压力不变，当只有气态CO2时，随着使用压力将持续下降，并且水分含量将提高，低于10个大气压就不能使用了。四、CO2焊的气体及焊丝四、CO2焊的气体及焊丝作用：导电、合金化四、CO2焊的气体及焊丝要求合适的Si、Mn含量及比例控制C、S、P的含量镀铜：防锈、导电四、CO2焊的气体及焊丝牌号：H08Mn2SiH08Mn2SiA四、CO2焊的气体及焊丝四、CO2焊的气体及焊丝第四节CO2焊接工艺电弧非常稳定，飞溅小焊缝成形美观生产率高、变形小焊接操作容易掌握主要用于焊接薄板及全位置焊接形成条件：细焊丝、低电压和小电流。

一、短路过渡CO2焊工艺1．短路过渡焊接的特点

主要的焊接工艺参数有：焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、气体流量、焊丝伸出长度等。（l）焊丝直径短路过渡焊接采用细焊丝，常用焊丝直径为0.8～1.6mm，随着焊丝直径的增大，飞溅颗粒相应增大。因此各种直径焊丝的最大电流要有一定的限制。