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CO2气体保护焊技术一、CO2气保焊概述CO2气体保护焊是上世纪五十年代发展起来的一种技术。自问世以来，CO2气体保护焊焊接技术在国内外焊接领域发展很快，在实际生产中的应用也越来越广泛，并兼有手工电弧焊和埋弧焊的许多优点。目前在建筑钢结构行业的应用也非常广泛，如用CO2气体保护焊焊接箱型钢、焊接H型钢等。实践证明CO2气体保护焊是一种比较先进的、效率较高的焊接方法。1、CO2气保焊的特点CO2气体保护焊是熔化极气体保护焊的一种，全称为“CO2气体保护电弧焊”。它是采用CO2气体作为保护介质，焊接时，CO2从焊枪喷嘴中喷出，把电弧及熔池与空气机械的隔离开来，避免空气对熔化金属的有害作用，保证焊缝的化学成分及机械性能。与其他焊接方法相比，CO2气体保护焊具有以下优点：①成本低：CO2气体价廉，而且电能消耗小，故使得焊接成本低于其他焊接方法，约相当于埋弧焊和手工电弧焊的40%左右。②生产效率高：CO2气体保护焊电弧热量集中，穿透能力强，所以熔深大，这样就减少了焊接层数，加之焊后不用清渣，角立焊时可以从上向下焊，因此提高了生产率。③质量好：由于焊缝含H量少，抗裂性能好。④变形小：电弧加热集中，焊接速度快，工件受热面积小，同时由于CO2气流有较强的冷却作用，所以，焊缝的热影响区和焊件的变形小，比较适合薄板的焊接。⑤抗锈能力强：CO2气体保护焊接时，采用高硅高锰型焊丝，由于焊丝含有较多的Si、Mn脱氧元素，它具有较强的还原和抗锈能力。⑥操作简便：因为CO2气体保护焊是明弧，焊接时可以观察到电弧和熔池的情况，故操作较容易掌握，不易焊偏，更有利于实现机械化和自动化焊接。除上述优点外，CO2气体保护焊也存在一些不足之处：a、飞溅较大，并且焊缝表面成型较差，这是主要缺点；b、弧光较强，特别是大电流焊接时，电弧的光热辐射均较强；c、很难用交流电进行焊接，焊接设备比较复杂；d、不能在有风的地方进行焊接，不能焊接容易氧化的有色金属；e、焊接时，CO2气体在高温下分解出的CO对人体有害，严重时，可使人头晕。所以要严格控制气体流量。2、CO2气保焊的分类①按焊丝直径分a、细丝CO2气体保护焊（￠≤1.2mm）；b、粗丝CO2气体保护焊（￠≥1.6mm）；②按操作方法分a、CO2气体保护半自动焊；b、CO2气体保护自动焊；③按特殊应用和工艺分a、CO2电弧点焊；b、CO2气电立焊；c、CO2气体保护窄间隙焊接法；d、CO2气体与焊渣联合保护；CO2气体＋管状焊丝CO2气体＋涂药焊丝CO2气体＋实芯焊丝带磁性焊剂e、CO2气体＋其他气体保护焊混合气体焊接法，如：CO2+O2及CO2＋Ar双层气流保护焊接法f、CO2气体保护堆焊等3、CO2气保焊的应用由于CO2气体保护焊本身所具有的特点，故应用范围较广，它也可以焊接多种材料。除焊接常用的低碳钢外，也可以焊接低合金钢、低合金高强度钢，不锈钢、耐热钢等。不仅能焊接薄板，也可以焊接中、厚板，同时可进行全位置焊接。除了适用于焊接结构制造外，还适用于修理，如堆焊磨损的零件以及焊补铸铁等。CO2气体保护焊焊接的材料厚度范围较大，最薄可焊到0.8mm，最厚的可焊到300mm左右。细丝CO2气体保护焊适宜焊接0.8—4mm的薄板，粗丝和药芯焊丝适宜焊接中厚板；而窄间隙焊接法在焊接板厚大于50mm的焊件时，其优越性极为突出。CO2气体保护半自动焊操作灵活方便，多用于焊接短焊缝及曲线焊缝，在采用熔滴短路过渡时，可进行全位置焊接。对于长且直的焊缝则多采用CO2气体保护自动焊。CO2气体保护焊主要用于水平位置的焊接，在特殊装备情况下，也可进行立焊和横焊。CO2气体保护半自动和自动焊还可用于耐磨零件的堆焊。CO2气体保护焊也可用于水下焊接。二、CO2气保焊的焊接过程1、冶金特点CO2气体保护焊时，利用CO2气体作为保护介质，虽然CO2气体能有效地防止有害气体对焊接区域的侵入，但是CO2气体本身是活泼气体，具有较强的氧化性。①合金元素的烧损：常温下，CO2气体在化学性能上显中性，但在高温时分解成CO和O。其反应式为：CO2←→CO+O其分解度随着温度的提高而加大。分解后的O和CO2气体同时对熔化金属中的铁、硅及锰等元素起氧化作用，反应式为：Fe+O←→FeOFe+CO2←→FeO+COSi+2CO2←→SiO2+2COMn+CO2←→MnO+CO氧化作用的结果必然导致合金元素的烧损，为了防止生成大量的FeO，保证焊后焊缝的机械性能及防止其他缺陷的产生，必须采取相应的冶金措施，通常多采用有较高Mn、Si含量的合金钢焊丝来弥补。Mn、Si较Fe对氧有较高的亲和力，它们不仅优先于Fe被CO2和O氧化，减少了Fe被过多地氧化，同时，在熔池开始凝固时，Mn、Si对被氧化生成FeO起着还原剂的作用，其反应式为：2FeO＋Si←→2Fe+SiO2FeO+Mn←→Fe＋MnO在焊接过程中，MnO、SiO2组成的熔渣浮在液态金属表面，焊缝冷却后变成薄薄的一层渣，覆盖在焊缝表面。如果焊丝中的Mn、Si含量不足，则脱氧作用差，FeO将和金属中的C发生作用，生成CO和Fe，其反应式为：FeO+C←→Fe+COCO在熔池凝固时如果来不及排出，就会产生气孔。引起气孔的另一个原因是氢气和氮气。CO2气保焊时，氢气来自工件表面上的油污和铁锈，以及CO2气体中所含的水份。氢气孔是自由状态下的氢气在电弧中被电离后融入熔池，当熔池结晶时氢来不及排出而残留在焊缝金属中形成的。在高温液态金属中氢的溶解度比室温高几百倍，所以氢气孔极易形成。故要求在焊前对工件及焊丝表面作适当清理，对CO2气体要求提纯。氮气来自空气及CO2气杂质中，当CO2气流保护效果不佳或CO2气体纯度较低而且含有一定量的空气，空气中的氮大量溶入熔池金属。在熔池凝固时又来不及排出，便形成氮气孔。所以在焊接中必须保证气体流量稳定。当焊丝中的Mn、Si含量充足时，Mn、Si在完成脱氧任务之余，剩余量便作为合金元素留在焊缝中，起着提高焊缝机械性能的作用。2、熔滴过渡熔滴过渡有三种形式，即短路过渡、大颗粒过渡和喷射过渡。（略）3、焊接的飞溅问题在CO2气保焊中，CO2与熔滴中的C作用生成CO，使熔滴爆炸，形成飞溅。飞溅不仅影响焊件表面光洁，而且容易造成喷嘴堵塞，使气体保护效果变差。如果飞溅物粘在导电嘴上，将使焊丝不能均匀送进，严重时造成停丝。因此，必须对飞溅进行控制。产生飞溅的原因如下：①由冶金反应引起的飞溅这种飞溅主要是由于CO2气体在高温下分解时引起的膨胀，高温时熔滴和熔池中的C被氧化生成CO气体所引起的。另外，若熔滴或熔池中产生的气泡或气体从熔滴内流出时的猛烈膨胀等也可引起飞溅。②极点压力引起的飞溅③工艺因素引起的飞溅消除或减少飞溅的措施：a、采取必要的冶金措施：如采用含碳量低的焊丝；采用CO2+Ar的混合气体保护焊接；采用管状焊丝进行气--渣联合保护；b、正选确择焊接工艺参数和焊接极性。三、CO2气体保护焊焊接材料1、CO2气体纯净的CO2气体是无色，无味，无嗅的气体，它的比重是空气的1.5倍，为1.97686克/升。焊接用的CO2气体是专业生产厂生产的，它以液态装瓶供应，瓶子染成黑色，并且用黄字写上“CO2”字样。通常容量为40公升的标准钢瓶，可以装入25公斤液态CO2（按液体重量计算），这一点不同于氧气（按大气压或体积计算）。由于CO2从液态变为气态的沸点低（-78℃），所以在常温下钢瓶内的液态CO2就能气化成气体，供焊接使用。在0℃和一个大气压力下，1公斤液态CO2可以气化成509升的气态CO2，这样一个标准钢瓶中所盛的液态CO2就可以气化成12725升的CO2气体。满瓶压力约为50—70公斤力/厘米2。瓶内压力随着外界温度升高时而增大，所以CO2气瓶不准靠近热源或置于烈日下曝晒，以防发生爆炸事故。CO2气体中水气的含量与瓶中的压力有关，压力与水气成反比例，如图所示。CO2瓶内水气含量与压力的关系1—气瓶未经放水，气体未经干燥2—气瓶经过放水，气体经过干燥当气瓶压力低于10公斤/厘米2时，CO2气体中的含水量大大增加。瓶中CO2气体的贮量不能用压力表来估计，因为瓶中有液态CO2时，压力只代表在当时温度下的饱和气压，贮量为25公斤和10公斤时，压力表上的读数是一样的，温度变低，饱和气压也变低，但是不等于贮量减少，只有当瓶内都是CO2气体时，压力大小才反映气体贮量多少，这时压力随CO2的消耗而下降。在焊接时，由于瓶内液体不断蒸发，使气瓶内温度下降，此时压力表的读数是代表实际温度下的压力，气体消耗越快，液态CO2蒸发越快，温度降的越低。因此同样的贮量，消耗速度不同压力也就不同。如图所示。钢瓶内CO2压力与数量关系a—瓶内温度等于20℃b—气体周期性消耗1400~1500升/小时c—气体连续消耗1200~1500升/小时为保证焊接质量，一般规定CO2气体的纯度为99.5%以上，含水量，含氮量均不得超过0.10%。如果纯度不够，可采取下列措施：①将气瓶倒置1—2小时，待水沉积于瓶口部，打开瓶阀。放出自由状态的水。②使用前，先将瓶内杂气放掉，一般放2—3分钟即可。③在气路中串联干燥器，以进一步减少CO2气体中的水份。④气瓶进行水压试验后，务必要将瓶内的水份全部倒出，经烘干或用热空气吹洗后再使用。2、焊丝从CO2气体保护焊的冶金特点中可以看出，为了保证焊缝具有较高的机械性能和消除气孔的产生，必须采用含有足够脱氧元素的高硅、高锰型合金焊丝。CO2焊使用的焊丝主要有：H08MnSiA、H08Mn2SiA、H04Mn2SiTiA，H08Cr3Mn2MOA，H10MnSiMo和H14CrMoVA等。见下表，其中H08MnSiA焊丝一般用于低碳钢的焊接。H08Mn2SiA和H04Mn2SiTiA焊丝具有较多的脱氧元素和一定含量的合金元素，一般用于低合金钢和低合金高强度钢的焊接，尤其焊丝H04Mn2SiTiA比H08Mn2SiA性能优越：飞溅少，焊缝机械性能高以及抗气孔性能好。H08Cr3Mn2MOA焊丝，一般用于贝氏体钢的焊接。H04CrMoVA焊丝，它不仅有很强的还原能力，而且含有大量的合金元素，所以被用来焊接机械性能要求很高的焊缝。二氧化碳气体保护焊常用焊丝的化学成份焊丝牌号合金元素（%）用途碳硅锰铬镍钼硫磷CSiMnCrNiMoSP不大于H10MnSi≤0.140.60-0.900.8-1.1≤0.20≤0.30—0.0300.040焊接低碳钢和低合金钢H08MnSi≤0.100.70-1.01.0-1.3≤0.20≤0.30—0.0300.040焊接低碳钢和低合金钢H08MnSiA≤0.100.60-0.851.4-1.7≤0.20≤0.25—0.0300.035焊接低碳钢和低合金钢H08Mn2SiA≤0.100.70-0.951.8-2.1≤0.20≤0.25—0.0300.035焊接低合金钢和低合金高强度钢H04Mn2SiTiA≤0.040.70-1.101.8-2.2——0.2-0.40.0250.025焊接低合金钢和低合金高强度钢H10MnSiMo≤0.140.70-1.100.9-1.2≤0.20≤0.300.15-0.250.0300.040焊接低合金高强度钢H08Cr3Mn2MoA≤0.100.30-0.502.0-2.52.5-3.0—0.35-0.500.0300.030焊接贝氏体钢HOCr18Ni9≤0.060.50-1.01.0-2.018-208.0-10—0.0200.030焊接1Cr18Ni9Ti薄板H1Cr18Ni9≤0.140.50-1.01.0-2.018-208.0-10—0.0200.030焊接1Cr18Ni9Ti薄板H1Cr18Ni9Nb≤0.090.30-0.801.0-2.018-209.0-11Nb=1.2-1.50.0200.030焊接1Cr18Ni9Ti薄板对各种金属材料，应根据焊件的设计强度和节约的原则，选择不同化学成份的焊丝，以满足焊接工艺和焊缝机械性能的要求。焊丝表面的清理及挺直程度，对焊接过程的稳定性和焊接质量有很大的影响。若采用未清理的焊丝焊接，会