浅谈CO2气体保护焊的焊接工艺

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概    述
        二氧化碳气体保护焊（简称“CO2气保焊”）是以CO2气体为保护气体来进行焊接的一种方法（有时采用CO2+Ar的混合气体称为“混合气体保护焊”）。在应用方面操作简单，适合自动焊和全方位焊接，但焊接时抗风能力差，所以适合室内作业。

        由于CO2气体价格低廉，采用短路过渡时焊缝成形良好，加上使用含脱氧剂的焊丝即可获得无内部缺陷的高质量焊接接头，因此这种焊接方法目前已成为黑色金属材料最重要焊接方法之一，并广泛应用于各大中小企业。
   
1    发展过程
        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氧化严重，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渐被人们认识和重视。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。因此，到20世纪50年代。人们又重新研究CO2气体保护焊，并逐步应用于焊接生产。
  
2    分类
        CO2气体保护焊按操作方法，可分为自动焊及半自动焊两种。对于较长的直线焊缝和规则的曲线焊缝，可采用自动焊；对于不规则的或较短的焊缝，则采用半自动焊，目前鄂分公司焊装车间生产上应用最多的是半自动焊。

        CO2气体保护焊按照焊丝直径可分为细丝焊和粗丝焊两种。细丝焊直径Ф＜1.6mm，焊接工艺比较成熟，适宜于薄板焊接；鄂分公司焊装现场采用的是直径Ф0.8~1.0mm的焊丝，焊接过程较稳定。粗丝焊的直径一般Ф≥1.6mm，适用于中厚板的焊接。
  
3    优缺点
3.1    优点
3.1.1    焊接生产率高：由于焊接电流密度较大，电弧热量利用率较高，以及焊后不需清渣，因此提高了生产率，CO2焊的生产率比普通的焊条电弧焊高2~4倍。
3.1.2    焊接成本低：CO2气体来源广，价格便宜，而且电能消耗少，焊接成本较低，是埋弧焊或电弧焊的40%~50%。
3.1.3    焊接变形小：由于电弧加热集中，焊件受热面积小，同时CO2气流有较强的冷却性，因此焊接变形小，特别适合用于薄板焊接。
3.1.4    焊接质量较高：对铁锈敏感性小，焊缝含氢量少，抗裂性能好。
3.1.5    适用范围广：可实现全方位焊接，并且对于薄板、中厚板甚至厚板都能焊接。
3.1.6    操作简便：焊后不需清渣，而且焊缝明显，便于监控，有利于实现机械化和自动化焊接。
3.2    缺点
3.2.1    金属飞溅是CO2气体保护焊中较为突出的问题，CO2焊接时飞溅较大，焊缝表面成形较差，这成了CO2焊主要的缺点。
3.2.2    很难用交流电源进行焊接，因此焊接设备比较复杂。
3.2.3    抗风能力差，给室外作业带来一定困难。
3.2.4    不能焊接易氧化的有色金属。
  
4    工艺参数
        对于CO2气体保护焊而言，主要存在三种熔滴过渡的形式，即短路过渡、滴状过渡、射滴过渡。本文以短路过渡为例介绍CO2气体保护焊的焊接工艺参数。

        短路过渡是在细焊丝、低电压和小电流情况下发生的。短路过渡焊接时，主要的焊接工艺参数有电弧电压、焊接电流、焊接速度，气体流量及纯度，焊丝伸出长度等。

4.1    电弧电压及焊接电流
        电弧电压是短路过渡时的关键参数，短路过渡的特点是采用低电压。适宜的电弧电压和良好的焊接电流相匹配，可以获得飞溅小、焊缝成形良好的稳定焊接过程。

       直径Ф1.2mm的焊丝一般参数为电压19V，电流120~135A；鄂分公司焊装现场采用的焊丝直径为Ф0.8mm，电弧电压为16~24V，电流为70~ 110A ，90~170A不等。

4.2    焊接速度
        随着焊接速度的增加，焊缝熔宽、熔深余高均减小。焊速过高，容易产生咬边和未焊透等缺陷，同时气体保护效果变差，易产生气孔。焊接速度过低，易产生烧穿、组织粗大等缺陷，并且变形增大，生产效率降低。因此，应根据生产实践对焊接速度进行正确的选择。通常半自动焊的速度≤0.5m/min，自动焊速度≤1.5m/min。

4.3    气体的流量及纯度
        气体流量过小时，保护气体的纯度不足，焊缝易产生气孔等缺陷；气体流量过大时，不仅浪费气体，而且氧化性增强，焊缝表面上会形成一层暗灰色的氧化皮，使焊缝质量下降。当焊接电流大或焊接速度过快，焊丝伸出长度较长以及在室外焊接时，为保证焊接质量应增大气体流量。通常细丝焊接时，气体流量在15 ~25L/min之间，并且CO2气体的纯度≥99.5%。鄂分公司焊装车间采取的气体流量控制在12~18L/min, 相比于理论值要小，因此焊缝易产生气孔的缺陷。同时，当气瓶内的压力低于1MPa，就应停止使用，因为当气瓶内压力降低时，溶于液态CO2 中的水分汽化含量也会随之增大，并且混入CO2 气体中的水蒸气就会增多，导致产生气孔缺陷。

4.4    焊丝伸出长度
        由于短路过渡均采用细焊丝，所以焊丝伸出长度对电阻热影响很大。焊丝伸出长度变长，焊丝上的电阻热增加，焊丝熔化加快，生产率提高。但如果伸出长度过长时，焊丝容易发生过热而成段熔掉，飞溅严重。据调查，焊丝伸出长度从20mm增加到30mm，飞溅量增加约5%， 焊接过程不稳定，同时伸出长度增大后，喷嘴与焊件间的距离亦增大，因此气体保护效果变差。如果焊丝伸出长度过短，势必缩短喷嘴与焊件间的距离，飞溅金属物易堵塞喷嘴。合适的焊丝伸出长度应为焊丝直径的10~12倍，细丝焊时以8~15mm为宜。以鄂分公司焊装车间，直径为0.8mm的焊丝为例，伸出长度在8~10mm 为宜，现场统计焊装车间的焊丝伸出长度在6~ 12mm，易堵塞喷嘴。
  
5    常见的CO2焊接缺陷及预防
5.1    气孔
        在进行CO2气体保护焊时，如果使用化学成份不合要求的焊丝、纯度不够的CO2气体及不正确的焊接工艺，那么CO2气流在冷却的过程中，熔池凝固较快，很容易在焊缝中产生气孔。具体产生气孔的原因有以下四方面：
        （1）焊丝脱氧元素不足，以致大量的FeO 不能还原而溶于熔池的金属，在焊缝凝固时FeO 与碳结合产生CO气孔；

        （2）没有形成良好的CO2保护层，CO2保护层若没有使电弧区和熔池与空气隔绝，则焊接熔池溶解大量的氮气，在焊缝金属结晶温度下降时就易产生气孔，而过小的CO2气体流量，与不合理的喷嘴结构，以及喷嘴结构被堵住，焊丝伸出过长都可能破坏CO2保护作用，而产生气孔；

        （3）CO2的纯度不够，气体内含有水汽，是产生气孔的主要原因。一般焊接用的CO2气体其纯度在99.5%以上；

        （4）焊件表面不清洁，有铁锈、油污、水分。
        预防措施：1）彻底清除焊件上的油、锈、水；2）更换纯度较高的气体；3）清除附着喷嘴内壁的飞溅物；4）检查气路有无堵塞，或者弯折；5）选择合适的电压；6）采取挡风措施。

5.2    飞溅
        产生原因：1）短路过渡时，如果短路电流增长速度过高，这时，电流峰值和大的电流脉冲使短路突然中断，那么在熔池内引起巨大的扰动与飞溅；2）电弧电压过高；3）焊丝含碳量过高；4）导电嘴磨损严重，焊丝表面不干净。
        预防措施：1）选择合适的焊接电流、电弧电压；2）优质的焊丝；3）更换导电嘴。

5.3    裂纹
        CO2气体保护焊焊缝裂纹是焊接的危险缺陷之一，若在焊接过程中出现裂纹，将会产生很大的麻烦，因此控制好焊缝裂纹是生产过程中不可少的环节。
        产生原因：1）焊件或焊丝中的P、S含量过高，Mn含量低；2）焊件表面清理得不干净；3） 焊接参数不当；4）焊接结构刚度过大。
        预防措施：1）严格控制焊接及焊丝的P、S 含量；2）清理焊件表面；3）选择合适的焊接参数。

5.4    咬边
        所谓咬边，就是沿着焊趾的母材部位上被电弧烧熔而形成的凹槽。
        产生原因：1）焊接参数选择不当；2）焊速太慢；3）员工技能不足，操作不熟练。
        预防措施：1）选择合理的焊接参数；2）提高员工操作技能的熟练度。
  
6    结束语
        焊接参数的选择直接影响着焊接质量，焊接缺陷的产生也较复杂，现场产生的焊接缺陷往往是多种原因导致，因此要想提高焊接工艺仍需各方人员进行综合控制，对焊接缺陷进行一个系统的分析并制定合理的预防措施，才能最大程度的保证焊缝质量，只有这样才能制造出符合设计要求的、合格的产品。