CO2焊焊接参数及对焊接质量的影响.doc
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毕业设计
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CO2焊焊接参数及对焊接质量的影响
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二零一二年四月
摘要
二氧化碳气体保护焊是焊接方法中的一种，是以二氧化碳气为保护气体，进行焊接的方法。
在应用方面操作简单，适合自动焊和全方位焊接。
在焊接时不能有风，适合室内作业。
由于二氧化碳气体的热物理性能的特殊影响,使用常规焊接电源时,焊丝端头熔化金属不可能形成平衡的轴向自由过渡,通常需要采用短路和熔滴缩颈爆断、因此,与MIG焊自由过渡相比,飞溅较多.但如采用优质焊机,参数选择合适,可以得到很稳定的焊接过程,使飞溅降低到最小的程度.由于所用保护气体价格低廉,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。
本文主要是介绍二氧化碳气体保护焊的发展及前景。
分析二氧化碳焊的特点及在薄板厚板、工程机械、供水管道当中的应用。
介绍了二氧化碳焊焊接工艺参数对成形质量的影响及二氧化碳中飞溅问题的分析与处理。
通过实验研究得出实验前所设计工艺参数中最为合理的应用参数。
【关键词】：
二氧化碳气体保护焊焊接参数缺陷成形质量
目录
第1章绪论…....................................................1
1.1焊接发展概况................................................1
1.2焊接方法分类及特点..........................................2
1.3本课题研究的内容及意义......................................4
第2章二氧化碳焊...............................................6
2.1CO2焊原理特点及应用.........................................6
2.1.1CO2焊基本原理.............................................6
2.1.2CO2焊基本特点.............................................6
2.1.3CO2焊的一些应用...........................................7
2.2CO2焊设备...................................................7
2.3CO2焊的焊接材料............................................9
2.3.1CO2保护气体..............................................9
2.3.2CO2焊焊丝.................................................9
2.4CO2焊缺陷及处理措施.........................................10
2.4.1合金元素的氧化...........................................10
2.4.2CO2焊气孔................................................10
2.4.3CO2焊飞溅及处理措施......................................11
第3章二氧化碳焊实验设计.....................................13
3.1实验材料...................................................13
3.1.120R钢板成分及性能.......................................13
3.1.2H08Mn2SiA焊丝.................................................14
3.1.3焊缝分布................................................15
3.2CO2焊设备及工艺............................................15
3.3实验工艺参数...............................................16
第4章实验及数据.............................................18
4.1焊接试样..................................................18
4.1.1焊前准备.................................................18
4.1.2焊接过程...............................................18
4.1.3焊后处理...............................................19
4.2外观无损检测.............................................20
4.3形貌观察.................................................22
4.4硬度.....................................................25
第5章数据整理及分析.......................................26
5.1数据整理.................................................26
5.1.1焊接电流对焊缝质量影响.................................26
5.1.2电弧电压对焊缝质量影响.................................27
5.1.3接头性能分析...........................................27
5.2工艺参数对比及分析.......................................28
结论.............................................................30
参考文献........................................................31
致谢.............................................................32
第1章绪论
焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。
焊接是金属加工的主要方法之一，虽然应用时间不长，但发展非常迅速，目前在机械制造、工程机械、供水管道、薄板、石油化工、冶金、电子、航空航天等行业中获得了广泛的应用，已成为大型金属结构制造中必不可少的加工手段。
1.1焊接发展概况
焊接是一种古老而又年轻的加工方法，远在我国古代就有使用锻焊和钎焊的实例。
根据文献记载，春秋战国时期，我们的祖先已经懂得以黄泥作助熔剂，用加热锻打的方法把两块金属连接在一起。
到公元7世纪唐代时，已用锡焊和银焊来焊接了，这比欧洲国家要早10个世纪。
古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊、钎焊和铆焊的水平上，使用的热源都是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以制作装饰品、简单的工具、生活器具和武器。
19世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源；1885～1887年,俄国的别纳尔多斯发明碳极电弧焊钳；1900年又出现了铝热焊。
20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段，电弧焊从20年代起成为一种重要的焊接方法。
也成为现代焊接工艺的发展开端。
在此期间，美国的诺布尔利用电弧电压控制焊条送给速度，制成自动电弧焊机，从而成为焊接机械化、自动化的开端。
1930年美国的罗宾诺夫发明使用焊丝和焊剂的埋弧焊，焊接机械化得到进一步发展。
40年代，为适应铝、镁合金和合金钢焊接的需要，钨极和熔化极惰性气体保护焊相继问世。
然而，目前工业生产中广泛应用的焊接方法却是19世纪末和20世纪初现代科学技术发展的产物。
随着冶金学、金属学、以及电工学的发展，逐步奠定了焊接工艺及设备的理论基础；而冶金工业、电力工业和电子工业的进步，则为焊接技术的长远发展提供了有利的物质和技术条件。
在1885年，发现了气体放电的电弧，在1930年发现了涂料焊条电弧焊的方法，并在此基础上发明了埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊以及CO2气体保护焊等自动或半自动焊接方法。
电阻焊则是在1886年发明的此后逐渐完善为电阻点焊、缝焊和对焊方法，它几乎与电弧焊同时推向工业应用，逐步取代铆接，成为工业中广泛应用的两种主要焊接方法。
到目前为止，又相继发明了电子束缚、激光焊等20多种基本方法和成百种派生方法，并且仍处于继续发展中[1]。
1.2焊接方法分类及特点
金属的焊接,按其工艺过程的特点分有熔焊,压焊和钎焊三大类.每大类又可按不同的方法细分为若干小类，如图1.1所示：
图1.1焊接方法分类
熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。
熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。
熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。
熔焊可分为以下基本方法：
电弧焊（以气体导电时产生的电弧热为热源，以电极是否熔化为特征分为熔化极电弧焊和非熔化极电弧焊两大类）、气焊（以乙炔或其他可燃性气体在氧气中燃烧的火焰为热源）、电渣焊（以熔渣导电时产生的电阻热为热源）、电子束焊（以高速运动的电子流撞击工件表面所产生的热为热源）、激光焊（以激光束照射到工件表面所产生的热为热源）等若干种。
在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。
大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。
为了提高焊接质量，人们研究出了各种保护方法。
例如，气体保护电弧焊就是用氩、二氧化碳等气体隔绝大气，以保护焊接时的电弧和熔池率；又如钢材焊接时，在焊条药皮中加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧，就可以保护焊条中有益元素锰、硅等免于氧化而进入熔池，冷却后获得优质焊缝。
压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。
常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。
按所施加焊接能量的不同，压焊的基本方法可分为：
电阻焊（包括点焊、缝焊、凸焊、对焊）、摩擦焊、超声波焊、冷压焊、爆炸焊和锻焊等。
各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。
多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程，因而没有象熔焊那样的有益合金元素烧损，和有害元素侵入焊缝的问题，从而简化了焊接过程，也改善了焊接安全卫生条件。
同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。
许多难以用熔化焊焊接的材料，往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。
钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。
钎焊按钎料的熔点可分为软钎焊（熔点450℃以下）和硬钎焊（熔点450℃以上）两种
焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝。
焊缝的两侧在焊接时会受到焊接热作用，而发生组织和性能变化，这一区域被称为热影响区。
焊接时因工件材料焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化焊接性。
这就需要调整焊接条件，焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。
另外，焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。
重要产品焊后都需要消除焊接应力，矫正焊接变形。
现代焊接技术已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。
被焊接体在空间的相互位置称为焊接接头，接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。
接头的基本形式有对接、搭接、丁字接（正交接）和角接等。
对接接头焊缝的横截面形状，决定于被焊接体在焊接前的厚度和两接边的坡口形式。
焊接较厚的钢板时，为了焊透而在接边处开出各种形状的坡口，以便较容易地送入焊条或焊丝。
坡口形式有单面施焊的坡口和两面施焊的坡口。
选择坡口形式时，除保证焊透外还应考虑施焊方便，填充金属量少，焊接变形小和坡口加工费用低等因素。
厚度不同的两块钢板对接时，为避免截面急剧变化引起严重的应力集中，常把较厚的板边逐渐削薄，达到两接边处等厚。
对接接头的静强度和疲劳强度比其他接头高。
在交变、冲击载荷下或在低温高压容器中工作的联接，常优先采用对接接头的焊接。
搭接接头的焊前准备工作简单，装配方便，焊接变形和残余应力较小，因而在工地安装接头和不重要的结构上时常采用。
一般来说，搭接接头不适于在交变载荷、腐蚀介质、高温或低温等条件下工作。
采用丁字接头和角接头通常是由于结构上的需要。
丁字接头上未焊透的角焊缝工作特点与搭接接头的角焊缝相似。
当焊缝与外力方向垂直时便成为正面角焊缝，这时焊缝表面形状会引起不同程度的应力集中；焊透的角焊缝受力情况与对接接头相似。
角接头承载能力低，一般不单独使用，只有在焊透时，或在内外均有角焊缝时才有所改善，多用于封闭形结构的拐角处。
焊接产品比铆接件、铸件和锻件重量轻，对于交通运输工具来说可以减轻自重，节约能量。
焊接的密封性好，适于制造各类容器。
发展联合加工工艺，使焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。
采用焊接工艺能有效利用材料，焊接结构可以在不同部位采用不同性能的材料，充分发挥各种材料的特长，达到经济、优质。
焊接已成为现代工业中一种不可缺少，而且日益重要的加工工艺方法。
在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。
焊接结构的重量约占钢材产量的45%，铝和铝合金焊接结构的比重也不断增加。
未来的焊接工艺，一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。
另一方面要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件[2]。
1.3本课题研究的内容及意义
焊接技术在当今时代发展已经比较成熟了，现在被广泛应用于石油化工、航空航天、工程机械、供水管道等行业当中。
在焊接当中焊接的方法分为很多种我们最为常见的就是手工焊条电弧焊，如图1.2所示手工焊条电弧焊设备原理图。
从图中我们可以看到手工电弧焊的具体设施及所需焊接材料。
图中装置包括焊机、焊钳、焊条、工件、电缆等。
当然实际操作当中还有许多防护设备和焊后处理设备例如：
面罩、手套、敲渣锤、钢丝刷等。
这种的应用占了焊接领域的主导地位，在我国许多工业企业当中我们都能看到这样一台装置，由此可体现手工电弧焊的重要地位。
图1.2手工电弧焊示意图
焊条电弧焊的发展已经发展的比较成熟了，在二氧化碳方面现阶段运用范围还是比较广泛的。
二氧化碳焊成型质量相对于埋弧焊、焊条电弧焊来讲还是有所差距的，这主要体现在焊接参数及焊接材料方等方面。
这也是本文研究的重点和二氧化碳焊进一步发展的方向。
本文主要研究二氧化碳焊焊接参数对焊接成形质量的影响。
本课题研究当中存在许多步骤实验设计、实验、实验数据整理及分析。
实验设计主要包括以下步骤：
1）焊接材料的必备：
焊丝、试板、二氧化碳气体等。
2）焊接参数的设计：
焊接电流、焊接电压、焊接速度、气体流量等。
3）焊接人员的确定。
4）焊缝的分布。
通过以上的实验设计就可以进入下一步的实验了，实验主要分为焊接试件的制作、焊缝形貌观察、无损外观检测、打硬度等。
其中焊缝形貌观察实验的进行要经过以下步骤的铺垫：
1）试样的制备:
利用线切割或锯床切割试件取试样。
2）磨金相：
利用金相预磨机对所取试样进行打磨。
3）腐蚀试样：
利用盐酸进行腐蚀。
4）观察：
利用肉眼或光学显微镜观察试样的焊缝及热影响区。
5）测量：
利用直尺或游标卡尺测量热影响区的宽度。
通过实验的设计和研究希望做出一定的成绩，使得二氧化碳焊的应用得到更好的推广和应用。
从所设计的实验焊接参数当中选择一组更为合理和适应实际焊接操作的二氧化碳焊焊接参数。
获得更好的焊缝成形质量提到焊接生产率节约生产工时。
第2章二氧化碳焊
二氧化碳焊是利用二氧化碳气体作为保护气体的熔化极气体保护焊。
二氧化碳焊是目前焊接钢铁材料的重要焊接方法之一，在许多金属结构的焊接当中二氧化碳焊已逐步取代焊条电弧焊和埋弧焊。
现阶段二氧化碳焊主要涉及到航空、汽车、工程机械、供水管道、石油化工、造船、等工业领域，创造了良好的社会及经济效益。
2.1CO2焊原理、特点及应用
2.1.1二氧化碳焊工作原理
二氧化碳气体保护电弧焊是使用焊丝来代替焊条，经送丝轮盘通过送丝软管送到焊枪，经导电嘴导电，在二氧化碳气体氛围中，与母材接触产生电弧靠电弧产生热量进行焊接。
二氧化碳气体在工作时通过焊枪喷嘴，沿焊丝周围喷射出来，在电弧周围造成局部的气体保护层使熔滴和熔池与空气机械的隔离开来，从而保护焊接过程稳定持续进行。
通过以上操作过程获得优质的焊缝[3]。
2.1.2CO2焊基本特点
在二氧化碳应用方面经焊接实际操作对比发现二氧化碳焊存在以下特点，其优点如下：
1）焊接成本低。
其成本只有埋弧焊和手工电弧焊的40～50%。
2）生产效率高。
其生产率是手工电弧焊的1～4倍。
3）操作简便。
明弧，对工件厚度不限，可进行全位置焊接而且可以向下焊接。
4）焊缝抗裂性能高。
焊缝低氢且含氮量也较少。
5）焊后变形较小。
角变形为千分之五，不平度只有千分之三。
6）焊接飞溅小。
当采用超低碳合金焊丝或药芯焊丝，或在CO2中加入Ar，都可以降低焊接飞溅。
在焊接操作方面二氧化碳焊与其它焊接方法一样难免存在着一些不足之处，其缺点如下：
1）飞溅率较大，并且焊缝表面成性较差。
特别当焊接工艺参数匹配不当时，更为严重。
2）电弧气氛有很强的氧化性，不能焊接易氧化的金属材料。
3）抗侧向风能力较弱，室外作业需要有防风措施。
4）焊接弧光较强，特别是大电流焊接时，要注意对操作人员防弧光辐射保护[4]。
2.1.3CO2焊的一些应用
CO2焊主要运用于焊接低合金钢和低碳钢等钢铁材料。
对于不锈钢，由于焊缝金属有增碳的现象，影响抗晶间腐蚀性能，所以只能用于对焊缝性能要求不高的不锈钢工件。
还可应用于耐磨零件的堆焊、铸钢件的焊补以及电铆焊等方面的焊接。
以下是一些在生产和生活方面的二氧化碳焊应用。
在薄板方面的焊接霍晓敏和唐清山等做出了研究，他们利用6mm以下的钢板作为试样焊接材料。
主要研究6mm以下的钢板通过利用二氧化碳的焊接方法焊接成品的质量及相应的参数选择。
在实验中发现焊缝气孔缺陷较多焊缝未焊透焊接变形大等质量缺陷。
通过研究得出在一定的应用领域解决了薄板焊接问题的方法,特别是半自动化焊接方面,为CO2气体保护焊推广和应用起到积极作用。
条件允许下,可以采用80%CO2和20%Ar的混合气体,焊接成形更好[5]。
在工程机械当中焊缝的形式主要有对接接头、角接接头、T形接头及搭接接头，其中绝大部分是T形接头。
甘辉、杨坤玉在对接接头和T形接头角焊缝方面利用不同的焊接方法分别做出试验并做了相应的力学性能试验。
试验表明从对接接头焊缝力学性能试验可知，3种焊接方法的焊接接头外观检查符合要求，RT检验均高于E级合格，焊接接头的抗拉强度以富Ar保焊最高，CO2气保焊次之，焊条电弧焊最低，这是因为富Ar保焊氧化性较少，合金元素烧损较少所致，但它们均高于母材规定的最小值。
按规定的弯曲角，每个试件面弯、背弯各2个，弯曲试验合格。
这说明3种焊接方法及焊接工艺的焊接接头力学性能试验合格。
但富Ar保焊、CO2气保焊坡口角度较少，钝边较大，比焊条电弧焊生产率高，节省材料，成本低，焊接变形少。
这是因为气体保护焊焊丝较细，电流密度大，熔深大，电弧穿透力强，易焊透所致[6]。
在供水管道方面浙江宁波自来水公司柯鼎华做出了相应的研究，他用埋弧焊和二氧化碳焊分别对两种直径相同的供水钢管进行焊接并做出比较。
由试验得出了二氧化碳保护焊和埋弧焊如果完全按照操作规范作业,在质量上都能满足市场要求;二氧化碳保护焊比埋弧焊在操作的时间上有相当大的优势,根据他们得出的数据,二氧化碳保护焊比埋弧焊节约了一半以上的时间[7]。
2.2CO2焊设备
二氧化碳电弧焊所用的设备有半自动二氧化碳焊设备和自动二氧化碳焊设备两类.在实际生产中,半自动二氧化碳焊设备使用较多.。
半自动CO2焊设备由焊接电源、送丝机构、焊枪、供气系统、冷却水循环装置及控制系统等几部分组成，如图2.1所示。
自动CO2电弧焊设备还要有小车及行走机构。
图2.1半自动CO2焊设备
1.焊接电源
二氧化碳气保护焊的焊接电源有平特性电源、下降特性电源和电源动特性。
二氧化碳电弧焊都采用直流电源且反极性连接。
根据不同直径焊丝二氧化碳焊的工艺特点，一般细焊丝采用等速送丝式焊机，配合平特性电源。
粗焊丝采用变速送丝式焊机，配合下降特性电源。
2.送丝系统
送丝系统分等速送丝式和变速送丝式，主要由送丝机构、调速器、送丝软管等组成。
.通常焊丝直径大于和等于3mm时采用变速送丝方式,焊丝直径小于和等于2.4mm时采用等速送丝式。
3.焊枪
焊枪分为半自动焊枪和自动焊枪。
半自动焊枪一般按焊丝给送的方式不同分为推丝式和
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