第 六 章CO2 气 体 保 护 电 弧 焊Word文件下载.docx
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1）与手弧焊和埋弧焊相比，焊缝成形不够美观，焊接时飞溅较大；
同手弧焊相比，CO2焊接设备较为复杂，要求操作人员具有较高的维护设备的技术能力。
2）抗风能力差，给室外作业带来一定困难。
3）弧光较强，焊接时必须注意劳动保护。
上述缺点可以通过改进焊接设备和提高技术水平逐步加以解决，但其优点却为其他熔焊方法所不及，所以，CO2焊在当前被认为是一种高效率、低成本、节省能源的焊接方法，在一些发达国家中，CO2焊接应用已占整个焊接生产的60%以上。
CO2焊目前已广泛用于汽车、机车和车辆制造、造船、航空航天、石油化工机械、农机和动力机械等部门，主要用于焊接低碳钢和低合金高强钢，也可用于焊接耐热钢和不锈钢。
可焊工件厚度范围较宽，可从0.5mm到150mm。
此外，还可以进行CO2气体保护电弧堆焊、电弧点焊、窄间隙焊接等。
第二节CO2气体保护电弧焊的冶金特点
一、合金元素的氧化
采用CO2气体作为保护介质，虽然能够有效地防止空气侵入焊接区域，但在电弧高温作用下，CO2气体要按式（6-1）反应分解成CO和O2；
O2又进一步分解为氧原子：
O2
2O（6-2）
因此在电弧气氛中同时有CO2、CO、O2和原子态氧O存在。
在焊接条件下，CO气体不溶于金属，也不与之反应；
而CO2和O都具有强烈的氧化性。
CO2电弧可以从两个方面使Fe及其他合金元素氧化。
1.和CO2直接作用
CO2+Me
MeO+CO（6-3）
如：
CO2+Fe
FeO+CO
2CO2+Si
SiO2+2CO
CO2+Mn
MnO+CO
2.和CO2高温分解出的原子氧作用
MeO+CO（6-4）
Fe+O
FeO
Si+2O
SiO2
Mn+O
MnO
C+O
CO
上述氧化反应既发生在熔滴中，也发生在熔池中，以在电弧空间中过渡的熔滴和靠近电弧的熔池中最为剧烈，这是由于这些区域温度较高的缘故。
此外，氧化反应的程度还取决于合金元素在焊接区的浓度及它们和氧的亲和力。
在反应生成物（SiO2、MnO、CO、FeO等）中，SiO2和MnO以熔渣形式浮于熔池表面。
生成的CO气体，因具有表面性质（这时C的氧化反应是在液体金属的表面进行的）而逸出到气相中去，不会引起焊缝气孔，只是使C受到烧损。
FeO则按分配律：
一部分以熔渣形式浮出熔池表面；
另一部分则溶入液态金属中，并会进一步与熔池及熔滴中的合金元素发生反应使其氧化。
溶入熔池中的FeO与C作用，产生CO气体，如下式所示：
FeO+C
Fe+CO
（6-5）
产生的CO气体，在熔池凝固时若来不及析出，则会在焊缝中形成气孔。
溶入熔滴中的FeO与C作用产生的CO气体，在电弧高温作用下急剧膨胀，使熔滴爆破而产生金属飞溅。
由上述可知，合金元素的氧化烧损、CO气孔和金属飞溅的产生等的冶金特点，主要是由于CO2气体具有强烈的氧化性所致，因此必须从冶金上采取措施予以解决。
二、脱氧措施及焊缝金属的合金化
由前述可知，在CO2焊接过程中，溶入液态金属中的FeO是引起气孔、飞溅的主要因素。
同时，残留在焊缝金属中的FeO将使焊缝中的含氧量增加而降低其力学性能。
如果能使FeO脱氧并同时对烧损掉的合金元素给予补充，则由于CO2气体的氧化性带来的弊端便可基本上克服。
通常是在焊丝中（或药芯焊丝的药粉中）加入一定量的脱氧剂（和氧的亲和力比Fe大的合金元素），使FeO中的Fe还原。
此外，还应有剩余的脱氧剂作为合金元素留在焊缝中，提高焊缝的力学性能。
加入焊丝中的脱氧元素，其反应生成物不应是气体，以免造成气孔；
生成物密度要小、熔点要低，并以熔渣形式浮出熔池表面，以免造成焊缝夹渣缺陷。
可作CO2焊用的脱氧剂，主要有Al、Ti、Si、Mn等合金元素。
（1）AlAl是最强的脱氧剂之一。
因此它可以很容易地使FeO脱氧。
在2273K以下时，它对氧的亲和力比C还大，所以能有效地抑制CO气体的产生。
但是Al会降低焊缝金属的抗热裂缝的能力，因而焊丝中加入的不宜过多。
（2）TiTi也是强脱氧剂之一。
除脱氧外它还可以在钢中起到细化晶粒的作用。
另外，Ti能与氮形成非常牢固的钛的氮化物，且不溶于钢中，可以防止钢的时效。
在CO2电弧焊中常将Ti和Si、Mn结合起来使用。
（3）SiSi也具有较强的脱氧能力，而且价廉易得。
是CO2焊中主要的脱氧剂。
但单独用Si脱氧时，生成的SiO2熔点较高（1983K）颗粒又较小，不易浮出熔池，会在焊缝中形成夹渣。
（4）Mn单独用Mn脱氧时，其脱氧能力较小，并且生成物MnO密度较大（5.11g/cm3），不易浮出熔池表面。
Mn除可作脱氧剂外，还能与硫化合，提高焊缝金属的抗热裂缝能力。
可以看出。
上述四种合金元素中，单独用Al或Ti来脱氧，其效果不理想；
单独用Si或Mn脱氧，其效果也不佳。
实践表明，采用Si、Mn联合脱氧时能得到满意的结果，可以焊出高质量的焊缝。
目前国内外应用最广泛的H08Mn2SiA焊丝，就是采用Si、Mn联合脱氧的。
Si、Mn脱氧的反应方程式如下：
2FeO+Si
2Fe+SiO2
FeO+Mn
Fe+MnO
SiO2和MnO能结合成复合化合物MnO·
SiO2（硅酸盐），其熔点只有1543K，密度也较小（3.6g/cm3）且能凝聚成大块，易浮出熔池，凝固后成为渣壳覆盖在焊缝表面。
加入到焊丝中的Si和Mn，在焊接过程中一部分被直接氧化掉和蒸发掉，一部分耗于FeO的脱氧，其余部分则剩留在焊缝金属中充作合金元素，所以焊丝中加入的Si和Mn，需要有足够的数量。
但焊丝中Si、Mn的含量过多也不行。
含量过高会降低焊缝的抗热裂缝能力；
Mn含量过高会使焊缝金属的冲击韧度下降。
此外，Si和Mn之间的比例还必须适当。
否则不能很好地结合成硅酸盐浮出熔池，而会有一部分SiO2或者MnO夹杂物残留在焊缝中，使焊缝的塑性和冲击韧度下降。
根据试验，焊接低碳钢和低合金钢用的焊丝，一般含Si、1%左右。
经过在电弧中和熔池中烧损和脱氧后，还可在焊缝金属中剩下约0.4%～0.5%。
至于Mn，焊丝中的含量一般为1%～2%左右。
在CO2焊的冶金中，碳也是一个关键元素，它和氧的亲和力比Fe大。
为了防止气孔和减少飞溅以及降低焊缝产生裂缝的倾向，焊丝中的含碳量一般都限制在0.15%以下。
但碳是保证钢的机械强度的不可缺少的元素。
焊丝中的碳被限制在0.15%以下后，这就往往使焊缝的含碳量比母材的含碳量低，降低了焊缝的强度。
焊接低碳钢和一般低合金钢时，依靠脱氧后剩留在焊缝中的Si和Mn已可弥补碳的损失，而使焊缝的强度得到了保证。
但在焊接30CrMnSiA这类高强度钢时，母材含碳量高达0.3%左右，和焊丝中的含碳量相差悬殊，为了补偿焊缝金属由于含碳量大幅度下降，焊丝中除需要有足够的Si、Mn外，还要再适量添加Cr、Mo、V等强化元素。
三、气孔问题
CO2焊时，熔池表面只有很少量熔渣覆盖，CO2气流又有冷却作用，因而熔池凝固较快，增大了产生气孔的可能性。
CO2焊焊缝金属中的气孔通常由下述情况造成：
（一）一氧化碳气孔
多是由于焊丝的化学成分选择不当造成。
当焊丝金属中含脱氧元素不足时，焊接过程中就会有较多的Fe溶于熔池金属中，并与C发生下列反应：
这个反应在熔池处于结晶温度时进行得比较剧烈。
由于这时熔池已开始凝固，CO气体不易逸出，于是在焊缝中形成气孔。
如前所述，若焊丝中含有足够的脱氧元素Si和Mn，以及限制焊丝中的含碳量，就可以抑制上述的反应过程，有效地防止CO气孔的产生。
所以在CO2焊中只要焊丝选择适当，产生CO气孔的可能性是很小的。
CO气孔常出现在焊缝根部与表面，且多呈针尖状。
（二）氮气孔
氮气的来源：
一是由于保护效果不良，空气侵入焊接区；
二是CO2气体不纯。
根据近几年的一些研究试验表明：
由于CO2气体不纯而引起氮气孔的可能性不大，焊缝中的氮气孔主要是由于保护气层遭到破坏，大量空气侵入焊接区所致。
造成保护气层失效的因素有：
过小的CO2气体流量；
喷嘴被飞溅物部分堵塞；
喷嘴与工件的距离过大，以及焊接场地有侧向风等。
因此，避免产生氮气孔的主要措施是应增强气体的保护效果。
另外，选用含有固氮元素（如Ti和Al）的焊丝，也有助于防止产生氮气孔。
此外，电弧电压越高，空气侵入的可能越大。
电弧电压高达一定值后，焊缝中就出现气孔，见表6-1焊缝中含N2量增加，即使不出现气孔，也将显著降低焊缝金属的塑性。
（三）氢气孔
电弧区的氢主要来自焊丝、工件表面的油污及铁锈，以及CO2气体中所含的水分。
油污为碳氢化合物，铁锈中含有结晶水，它们在电弧高温下都能分解出H2气。
减少熔池中氢的溶解量，不仅可防止氢气孔，而且可提高焊缝金属的塑性。
所以焊前要适当清除工件和焊丝表面的油污及铁锈，另一方面应尽可能使用含水分低的CO2气体。
CO2气体中的水分常常是引起氢气孔的主要原因。
水分引起气孔的过程是：
进入焊接区的水分先分解为自由状态的氢，然后此自由状态的氢在电弧中被电离，以离子形态溶入熔池。
熔池结晶时，由于氢的溶解度陡然下降，析出的氢气如不能排出熔池，则留在焊缝金属中成为气孔。
水分分解及氢原子电离方程式如下：
H2O
H2+
O2
H2
2H
H
H++e（e-------代表一个电子）
当在焊接区有氧化性的CO2气体存在时，增加了氧的分压，使自由状态的氢被氧化成不溶于金属的水蒸气与羟基，从而减弱了氢气的有害作用。
氢被氧化的过程如下：
H2+CO2
CO+H2O
H+CO2
CO+OH
H+O
OH
CO2气体的氧化性对引起CO气孔和飞溅方面是不利的，但在约制氢的危害方面却又是有益的。
所以CO2电弧焊对铁锈和水分没有埋弧焊和氩弧焊那样敏感，见表6-2。
生产实践表明，除非在钢板表面已锈蚀有一层黄锈时，焊前一般不必除锈，但焊丝表面的油污，必须用汽油等溶剂揩擦掉。
这不仅是为了防止气孔，也可避免油污在送丝软管内造成堵塞，以及减少焊接中的烟雾等。
前面已谈到，氢是以离子形态溶于熔池的。
直流反接时，熔池为负极，它发射大量电子，使熔池表面的氢离子又复合为原子，因而减少了进入熔池的氢离子数量。
所以直流反接时，焊缝中含氢量为正接时的1/3～1/5，产生氢气孔的倾向也比缝中含氢量为正接时的小。
第三节CO2气体保护电弧焊焊接材料
一、CO2气体
（一）CO2气体的性质
CO2气体是一种无色、无味的气体。
在0℃和101.3kPa气压时，它的密度为1.9768g/cm3，为空气的1.5倍。
当它溶于水中时稍有酸味。
在常温下很稳定，但在高温下（5000K左右）几乎能全部分解。
CO2有三种状态：
固态、液态和气态。
气态CO2只有受到压缩才能变成液态。
当不加压力冷却时，CO2气体将直接变成固态（干冰）。
固态CO2在温度升高时能直接变成气体，而不需经过液态的转变。
固态CO2不适于在焊接中使用，因为空气里的水分不可避免地会冷凝在干冰的表面，使CO2气体中带有大量的水分。
液态CO2是无色液体，其密度随温度变化而变化。
当温度低-11℃时比水重，而当温度高于-11℃时则比水轻。
由于CO2由液态变为气态的沸点很低，为-78℃，所以工业用CO2都是使用液态的，常温下它就能自己气化。
在0℃和101.3kPa气压时，1kg液态CO2可以气化成509L的气态CO2。
使用液态CO2很经济、方便。
容量为40L的标准钢瓶可以灌入25kg的液态CO2。
25kg液态CO2约占钢瓶容积的80%，其余20%左右的空间则充满气化了的CO2。
气瓶压力表上所指示的压力值，就是这部分气体的饱和压力。
此压力大小和环境温度有关。
温度升高，饱和气压增高；
温度降低，饱和气压亦降低。
例如室温为20℃时，气体的饱和气压约57.2×
105Pa左右，已全部挥发成气体后，瓶内气体的压力才会随着见表6-3。
只有当气瓶内液态CO2已全部挥发成气体后，瓶内气体的压力才会随着CO2气体的消耗而逐渐下降。
液态CO2中约可溶解0.05%（按重量）的水，其余的水则成自由状态沉于瓶底。
这些水分在挥发（在使用过程中和CO2一起挥发）成水气后便混入CO2气体中一起进入焊接区。
此外，在生产液态CO2的过程中，如果设备有毛病，机器油可能溶解到液态CO2里面去。
CO2气瓶通常漆成黑色，并标有黄字字样。
（二）CO2气体纯度对焊缝质量的影响
CO2气体的纯度对焊缝金属的致密性有较大的影响。
对于焊接来说，CO2气体中的主要有害杂质是水分和氮气。
氮气一般含量较小，危害大的还是水分。
据文献介绍：
同样是大于99.5%纯度的CO2气体，用其中含水量小于0.005%和等于0.05%的两种CO2气体施焊后，前者焊缝的塑性比后者好，而且后者易于出现气孔。
随着CO2气体中水分的增加，即露点温度提高，焊缝中的含氢量亦增加，见图6-4。
在焊缝质量要求较高的情况下，必须注意有时CO2气体中水分的含量尽管没有高达使焊缝中出现气孔，但由于焊缝金属中含有相当多的氢，其塑性也显著下降。
对焊接用CO2气体纯度的要求，目前我国尚无国家标准。
国外多数国家规定，焊接用CO2的纯度不应低于99.5%，近几年有些国家提出了更高的标准，要求CO2的纯度大于99.8%，露点低于-40℃（注：
露点-40℃，即气体中的水分含量为质量的0.0066%）。
（三）CO2气体的提纯
酿造厂、化工厂生产的CO2气体含水分较高而且不稳定。
为了获得优质焊缝，应对这种瓶装CO2气体作一定的处理，以减少其中的水分和空气。
前面已讲过，液态CO2中可溶解约占质量0.05%的水分，另外还有一部分自由状态的水分沉于钢瓶的底部。
试验表明，在焊接现场采取以下措施，对减少气体中的水分可得到显著效果。
1）将新灌气瓶倒立静置1～2h然后打开阀门，把沉积在下部的自由状态的水排出。
根据瓶中含水量的不同，可放水2～3次，每隔30min左右放一次。
放水结束后，仍将气瓶放正。
2）经放水处理后的气瓶，在使用前先放气2～3min。
放掉气瓶上面部分的气体。
因为这部分气体通常含有较多的空气和水分。
而这些空气和水分主要是装瓶时混入瓶内的。
3）在气路系统中设置高压干燥器和低压干燥器（根据需要低压干燥器可增至2～3个）。
进一步减少CO2气体中的水分。
用硅胶或脱水硫酸铜作干燥剂，用过的干燥剂经烘干后可反复使用。
4）瓶中气压降到10个大气压时，不再使用。
在环境温度不变的情况下，只要瓶中存在着液态CO2，则液态CO2上方的气体压力就不会变化（指平衡状态下），CO2气体中的水分含量也是不变化的。
但当液态CO2挥发完了后，气体的压力将随着气体的消耗而下降。
气体压力越低，水气分解压越是相对地增大，水分挥发量越多，见图6-5。
当瓶内气体压力下降到10个大气压以下时，CO2气体中所含的水分将增加到3倍左右。
如再继续使用，焊缝中将产生气孔。
因此，在焊接对水分比较敏感的金属时，用到瓶内气压剩15个气压左右就不宜再用了。
二、焊丝
前已述及，在CO2电弧中进行低碳钢和低合金钢焊接时，为了防止气孔，减少飞溅，和保证焊缝具有较高的力学性能，必须采用含有Si、Mn等脱氧元素的焊丝。
表6-4为CO2焊常用焊丝的化学成分及用途。
其中H08Mn2SiA焊丝是目前CO2焊中应用最广泛的一种焊丝。
它有较好的工艺性能、力学性能以及抗热裂纹能力，适宜于焊接低碳钢和
s≤490N/mm2的低合金钢以及焊后热处理强度
b≤1176N/mm2的低合金高强度钢。
从近几年国内外焊丝发展情况看，很多新品种焊丝中进一步降低了含碳量（含碳量为0.03%～0.06%），而添加了钛、铝、锆等合金元素。
降低含碳量可减少飞溅，添加钛、铝、锆等合金元素，不仅可减少飞溅，还有利于提高抗气孔能力及焊缝力学性能。
据文献介绍，焊丝中加入适量Ti的可减少金属飞溅损失2%～6%，但Ti含量应低于0.2%，否则会降低焊缝金属的冲击韧度。
含铝焊丝在国外应用亦十分广泛（如H08MnSiAl，H08Mn2SiAl等焊丝），其含铝量大都在0.40%～0.8%。
焊丝表面的清洁程度，影响到焊缝金属中的含氢量，见表6-5从表中可以看出，加热过的焊丝（相对清洁度高）和未加热过的焊丝比较，焊缝金属中的含氢量显著不同。
焊接合金钢或大厚度低碳钢时，应采用机械、化学或加热办法消除掉焊丝上的水分和污染物。
焊缝中含氢量增加，将使焊缝金属的塑性下降。
我国CO2焊钢丝的标准中，除对CO2焊丝的种类、化学成分、熔敷金属的力学性能等有明确规定外，在焊丝表面质量、焊丝镀铜层附着力、焊丝挺直度，以及打盘与包装等方面也作了较为详细的规定。
CO2焊采用的焊丝，包括有实心焊丝、药芯焊丝及活化处理焊丝，药芯焊丝将在后面另作一节讨论。
活化处理焊丝简单介绍如下。
所谓活化处理，就是在焊丝表面涂一薄层碱金属、碱土金属或稀土金属的化合物，来提高焊丝发射电子的能力和降低弧柱的有效电离势，这样可细化金属熔滴，减少飞溅，改善焊缝成形。
最常用的活化剂是Cs的盐类，如Cs2CO3。
试验证明，若在Cs盐类中同时加上的K或Na的盐类（K2CO3，Na2CO3），则效果更显著。
试验结果表明：
只要铯（Cs）的含量为焊丝重量的0.0024%～0.0065%，即可大大降低金属熔滴从粗滴向细滴转变的临界电流。
图6-6为
1.6mm，不同涂料成分的焊丝对正极性焊接时临界电流的影响。
由图中可见，K2CO3/Na2CO3摩尔质量的比为0.4～0.5时最好。
在焊丝表面涂以极薄的活化涂料（1mg涂料在
1.1mm焊丝上可涂300mm长），对于焊丝的导电性没有影响，对焊缝性能也没有不良影响，但却使飞溅大大减少，焊缝成形有所改善。
活化剂除可涂在实芯焊丝表面外，也可包裹在焊丝内部类似药芯焊丝中的药芯那样。
目前有关活化焊丝试验研究工作正在深入，生产上应用还很少。
第四节CO2气体保护电弧焊设备
熔化极气体保护电弧焊设备可分为半自动焊和自动焊两种类型。
焊接设备主要由焊接电源、送丝系统、焊枪及行走系统（自动焊）、供气和冷却水系统、控制系统五个部分组成。
焊接电源提供焊接过程所需要的能量，维持焊接电弧的稳定燃烧。
送丝机构将焊丝送入焊枪，并通过与导电嘴接触而带电。
供气系统提供焊接时所需要的保护气体。
如果采用水冷焊枪，则还配有冷却水系统。
控制系统主要是控制和调整整个焊接程序：
开始和停止输送保护气体和冷却水，启动和停止焊接电源接触器，以及控制送丝速度和焊接小车行走方向、速度等。
下面分别做一介绍。
一、对电源特性的要求
（一）对电源外特性要
由于CO2电弧的静特性是上升的，所以平（恒压）和下降外特性电源都可以满足电源----电弧系统的稳定条件。
弧压反馈送丝焊机配用下降外特性电源；
等速送丝焊机则配用平或缓降外特性电源。
在生产中广泛采用平特性电源。
这是因为平特性电源配合等速送丝系统具有许多优点，可通过改变电源空载电压调节电弧电压，通过改变送丝速度来调节焊接电流，故调节焊接工艺参数比较方便。
使用平特性电源，当弧长变化时引起电流的变化较大，有较强的自调节作用同时短路电流较大，引弧比较容易。
实际上使用的平特性电源，其外特性并不都是真正平直的，而是带有一定的下倾，其下降率一般不大于5V/100A，但仍具有上述优点。
缓降外特性的下降率可允许到8V/100A左右。
若下降率太大，则稳态短路电流值较小，引弧性能变差。
（二）对电源动特性要求
CO2焊采用短路过渡形式进行焊接时，要求焊接电源具有良好的动态品质。
其含义包括两个方面：
1）是要有足够大的短路电流增长速度
、短路峰值电流
和焊接电压恢复速度
；
2）是当焊丝成分及焊丝直径不同时，短路电流增长速度
要能够进行调节。
目前各类平特性和缓降特性整流电源（硅整流电源、晶闸管整流电源及晶体管电源等），它们的动态品质指标都可满足要求，但在控制
的方式及效果上有所不同，这些内容将在《弧焊电源》教材中给予讨论。
（三）工艺性能要求
现代化的CO2焊机，除能满足对电源的静特性和动特性要求外，还应具有良好的综合工艺性能，其中包括起弧性能、收弧性能、减小飞溅和改善焊缝成形等工艺性能，后面将结合具体的焊机型号加以讨论。
二、供气系统
CO2焊的供气系统如图6-7所示。
和氩气保护电弧焊不同之处，是气路中一般要接入预热器和干燥器。
1.预热器 焊接过程中钢瓶内的液态CO2不断地气化成CO2气体，这气化过程要吸收大量的热能。
另外，钢瓶中的CO2气体是高压的，约为（50～65）×
105Pa，经减压表减压后，气体体积膨胀也会使气体温度下降。
为了防止CO2气体中的水分在钢瓶出口处及减压表中结冰，使气路堵塞，在减压之前要将
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