二氧化碳气体保护焊

第四章二氧化碳气体保护电弧焊本章重点：①CO2电弧的行为②焊接材料③实芯焊丝短路过渡CO2焊④药芯焊丝CO2焊本章难点：①对CO2焊特点的把握；②药芯焊丝CO2焊学习方法建议：①必须充分理解和掌握CO2电弧的行为并与其它焊接方法对比，这是能够准确把握CO2焊的前提和关键；②药芯焊丝CO2焊是CO2焊发展的重要方向之一，近年来增长很快，应给予比课本上所表现出来的分量大得多的关注和重视。③可通过练习制订相应的焊接工艺等实践环节来培养和提高工艺能力和经验。第一节CO2焊的特点及应用一、CO2焊的实质定义：二氧化碳气体保护焊是利用CO2作为焊接保护气的一种熔化极、气体保护的电弧焊方法。按照GB/T5185-1985《金属焊接及钎接方法在图样上的表示方法》以及ISO的相关规定，二氧化碳气体保护焊属于MAG（熔化极活性气体保护焊）的一种，所以它的代号也是135。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。焊接过程动画二、CO2焊的特点1、优点：⑴焊接生产率高：比MMA高2～4倍⑵焊接成本低：是MMA或SAW的40～50%⑶焊接变形小：尤适于薄板焊接⑷焊接质量高：对铁锈不敏感，焊缝含氢量低⑸适用范围广：全位置焊接能力好，打底/填充/盖面、厚/薄板均宜⑹操作简便：比MMA容易操作、适于自动焊（robot）⑺绿色环保：CO2来自可再生资源2、“缺点”：⑴飞溅较大；（这一缺陷目前已经解决）⑵焊接设备较“复杂”；（用今天的眼光看，已不复杂）⑶抗风能力差；（所有气体保护焊的共同缺憾，但药芯焊丝CO2焊无此问题）⑷不能焊接有色金属。CO2焊的熔敷速度三、CO2焊的应用材料：黑色金属——低碳钢、合金结构钢厚度：厚薄均可，尤薄板有优势位置：全位置结构：车辆、船舶、机械、容器等。第二节CO2焊设备以半自动CO2焊设备为例一、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。（一）焊接电源：直流电源1、平特性电源——用于细丝（短路过渡）焊接，配用等速送丝系统；2、下降特性电源——用于粗丝焊接，配用变速送丝系统；3、对动特性的要求细丝短路过渡焊机对动特性有特别的要求，即对短路电流上升速度、短路电流峰值、电弧电压恢复速度三个指标有一定的要求，目的是保证短路过渡过程可靠的同时又控制飞溅。老式焊机通常通过改变接入回路电感来调节。CO2焊机的型号编制请参见GB/T10249-1998《电焊机型号编制方法》，如NBC-250等。（二）送丝系统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。用于推丝式送丝的鹅颈式焊枪1、送丝方式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。推丝式送丝机CO2焊机及其推丝式送丝机、枪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；适于送细丝/远距离送丝。CO2焊机及其拉丝式焊枪拉丝式焊枪（其小型送丝机构做在焊枪内）焊丝盘送丝电机送丝机构还有一种“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）推拉式送丝焊枪（手工焊接用）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。点击看推拉式送丝点击看线式送丝2、送丝机构（送丝机）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）（三）焊枪⑴半自动焊枪推丝式焊枪拉丝式焊枪以上为常见的通用焊枪，用量很大，有专业厂家配套生产，以德国宾采尔（BINZEL）焊枪为事实上的行业标准。推拉式焊枪送不同材质的焊丝，要用不同的送丝套管（如送钢焊丝用钢质套管即可，而送铝焊丝通常要用特氟隆套管）。⑵自动焊枪多见于专用焊机上。把半自动焊枪夹于焊接小车上进行自动焊，现在生产中应用十分广泛。⑶易损件①喷嘴形式——圆柱形（常用）圆锥形（用于深坡口或窄间隙内）材料——铜镀铬（多见）陶瓷（易碎，少用）②导电嘴——纯铜或铜合金做以上易损件是事实上的“标准件”，使用时应注意：①不同品牌的焊枪，其易损件的尺寸不同，往往无法替代；②有专业厂家专门生产焊枪易损件，同一种易损件可能有不同品牌的选择（其寿命、价格不一）；③喷嘴端部与导电嘴端部的距离会影响焊丝伸出长度，从而影响到电弧的稳定性和焊接质量——此点初学者往往容易忽略。（四）供气系统由气瓶（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（通常属于焊机的标准随机配备）。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。流量计气压表减压及预热装置开关CO2减压流量计二、典型CO2焊设备（CO2焊专用焊机）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。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。值得推介者为其STT（表面张力过渡）CO2焊机：飞溅极小、成形极佳，但价格极贵。除以上之外，通用CO2焊机国内的品牌多如牛毛，但普遍市场占有率低。除价格较低外，其它方面往往乏善可陈。欧洲国家一般不做CO2焊专用焊机，而是MIG/MAG（CO2）一体，所以其送丝机通常为双主动送丝。如果焊机标可MIG/MAG/CO2焊，但却是单主动送丝，其效果有限（目前国产焊机这种情况比较多见）。第三节CO2焊的冶金特性和焊接材料一、合金元素的氧化与脱氧作为焊接保护气体，CO2表现出很强的氧化性CO2→CO+O++M=MO+CO↑M=MO结果：①合金元素烧损；②可能造成气孔、飞溅和夹渣。解决之道：冶金脱氧对脱氧剂的要求（能脱氧但不能带来如夹渣、气孔等副作用）Mn-Si联合脱氧CO2焊专用焊丝H08Mn2Si&H08Mn2SiA(GB8110-87)脱氧剩下的Mn、Si用于补充碳和合金元素的损失二、关于CO2焊的气孔问题正常焊接条件下，CO2焊并不容易产生气孔。相反，由于CO2气氛的氧化性，其抗氢气孔能力较强。三、CO2焊的飞溅及防止1、飞溅产生的原因与CO2电弧的行为有关（点击了解关于CO2电弧的行为）具体包括以下几个方面：⑴气体爆破引起（通过脱氧可以改善）⑵电弧斑点压力引起（通过采用直流反接可以改善）⑶焊接参数不当引起（采用合理的参数可以改善）⑷短路过渡引起这是CO2焊产生飞溅的主要原因。过去的焊机采用改变回路接入电感来调节，效果非常有限。美国林肯公司建立在逆变焊机基础上的表面张力过渡（STT）专利技术使这一问题基本得以解决。•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•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：STT（SurfaceTensionTransfer表面张力过渡）（美国林肯公司专利／已有商品焊机）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基本电流(T0～T1)：短路前的电流，稳定在50-100A之间；成滴时间(T1～T2)：在刚短路时，弧压感测器给出“电弧短路”的信号，基本电流在约0.75毫秒内迅速降低至10A；“掐断”阶段(T2～T3)：紧接着成滴时间阶段，以双波上升的形式对短路的焊丝施加一大电流，通过产生的电磁收缩力加速熔化金属向熔池过渡。注意：在此阶段，焊丝与工件之间的电压不为零，这是由于铁在1550℃的熔点时的高电阻率导致的；（短路）电压上升速度计算(T2～T3)：这一计算包含在掐断阶段内。当计算结果表明达到特定的电压上升速度时，意味着熔滴分离即将发生，电流在若干个微妙内降低到50A（注意这一事件在熔滴分离前发生，T4表明熔滴分离已发生，但电流较低）；冲击电弧阶段(T5～T6)：这一事件紧接着焊丝从熔池分离之后，它是焊丝快速“回熔”的大电流阶段（在这一阶段焊丝熔化末端的几何形状很不规则）燃弧阶段(T6～T7)：这一阶段是电流从等离子流冲击降低到基本电流的周期。有关介绍STT的原版英文文献，请参看网络课程的相关内容。1、气体的性质无色、无味比空气重0.5倍升华／凝华压缩才能液化高温下会分解铝白色标准钢瓶装（40L/25kg），允许使用的最高环境温度≤40℃；压力表指示乃瓶内CO2饱和蒸气压（与液态多少无关）指针下降即应换气！使用气瓶时应遵守有关的安全规程。主要杂质：水(减压器中预热装置乃防止水分冻结堵塞管路)去除水分的办法（P100）：①倒置排水②正置后使用前再预排气③使用干燥器（现已少见）④瓶内气压低至1MPa即停止使用焊接用CO2应符合HG/T2537-1993《焊接用二氧化碳》的要求，其纯度标准为合格品≥99.5％、一等品≥99.7％、优等品≥99.9％（V/V）。其它指标请参见《机械工程标准汇编焊接卷》四、CO2焊的气体及焊丝（一）CO2气体（二）焊丝1、对焊丝的要求（略）2、焊丝牌号和化学成分根据最新的国家标准，焊丝用型号表示，已不再用牌号表示！⑴实芯焊丝(solidwire)GB/T8110-1987《二氧化碳气体保护焊用钢焊丝》采用的是牌号表示法，如H08Mn2SiA。GB/T8110-1995《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》采用的是型号表示法，如ER50-6。焊丝的直径系列有（0.5）、（0.6）、0.8、1.0、1.2、（1.4）、1.6、2.0、2.5、（3.0）、3.2mm，表面通常镀铜以防生锈（最新的技术使焊丝已取消镀铜，改为涂层，效果更好，如锦泰焊丝）。2、药芯焊丝(flux-coredwire)GB/T10045-1988《碳钢药芯焊丝》采用型号表示法，如EF035042GB/T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》采用型号表示法，如E601T1-B3注意：同是药芯焊丝，碳钢药芯焊丝和低合金钢药芯焊丝型号表示的规则不同。实芯焊丝的国内品牌较多，药芯焊丝的国内品牌不多。无论是实芯焊丝或药芯焊丝，目前进口的质量比较好，品种比较齐全，尤其是药芯焊丝。国内品牌中综合性能好、质量比较过硬的是锦泰系列焊丝。药芯焊丝的焊接近年发展很快，应密切关注。有关焊丝标准的详细内容，请参见《机械工程标准汇编焊接卷》。补充：焊丝的选用实芯焊丝的选用比较简单，其选用原则与埋弧焊的相似，对于结构钢，主要按等强原则选用，必要时考虑化学成分。对于药芯焊丝，情况比较复杂，将在“药芯焊丝CO2焊焊”一节中再具体讨论。第四节CO2焊工艺★CO2气体保护焊一般多用于碳钢、普低钢的焊接，用药芯焊丝也可以焊一些高合金钢。CO2气体保护焊工艺的一般原则坡口的选择：可参照GB/T985-1988《气焊、焊条电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》选择。CO2电弧的穿透能力较强，与MMA相比，可坡口角度稍小、钝边稍大。CO2焊的焊丝较细，所以间隙应小些（尤自动焊）。焊前清理：CO2的氧化性强，所以抗锈能力强。除非要求特别严格，否则坡口上的少量黄锈如不作清理，一般不会引起气孔，也不会导致焊缝严重增氢。但为保险起见，仍然要求焊前对焊件进行严格清理。平焊一般多采用左焊法、立焊可采用下向焊：成形较好，但熔深较浅。一、（细丝）短路过渡CO2焊工艺★实际生产中应用最多的是细丝（≤1.6mm）/短路过渡CO2焊，其工艺要点工艺参数：焊接电流I、焊接