焊接方法与设备使用

书名：焊接方法与设备使用ISBN：978-7-111-40549-8作者：邱葭菲出版社：机械工业出版社本书配有电子课件模块二二氧化碳气体保护电弧焊一、二氧化碳气体保护焊原理及特点1．CO2气体保护焊原理CO2气体保护焊是利用CO2作为保护气体的一种熔化极气体保护电弧焊方法，简称CO2焊。图3-3CO2气体保护焊焊接过程示意图1—熔池2—焊件3—CO2气体3—喷嘴5—焊丝6—焊接设备7—焊丝盘8—送丝机构9—软管10—焊枪11—导电觜12—电弧13—焊缝2．CO2气体保护焊的分类CO2焊按所用的焊丝直径不同，可为细丝CO2气体保护焊（焊丝直径为≤1.2mm）及粗丝CO2气体保护焊(焊丝直径为≥1.6mm)。由于细丝CO2焊工艺比较成熟，因此应用最广。CO2焊按操作方式又可分为CO2半自动焊和CO2自动焊，其主要区别在于：CO2半自动焊用手工操作焊枪完成电弧热源移动，而送丝、送气等同CO2自动焊一样，由相应的机械装置来完成。CO2半自动焊的机动性较大，适用不规则或较短的焊缝；CO2自动焊主要用于较长的直线焊缝和环形焊缝等。3.CO2气体保护焊的特点（1）CO2焊优点1）焊接成本低仅为埋弧焊及焊条电弧焊的30%～50%。2）生产率高生产率比焊条电弧焊高1～4倍。3）焊接质量高焊缝含氢量低，抗裂性能好。4）焊接变形和焊接应力小焊接应力和变形小，特别宜于薄板焊接。5）操作性能好明弧焊，可以看清电弧和熔池情况，便于掌握与调整，也有利于实现焊接过程的机械化和自动化。6）适用范围广不仅适用焊接薄板，还常用于中、厚板的焊接，而且也用于磨损零件的修补堆焊。（2）CO2焊的缺点：1）焊缝表面成形较差，飞溅较多。2）不能焊接容易氧化的有色金属材料。3）难用交流电源焊接及在有风的地方施焊。4）弧光较强，所产生的弧光强度及紫外线强度分别是焊条电弧焊的2～3倍和20～40倍，应特别重视对操作者的劳动保护。CO2焊是一种值得推广应用的高效焊接方法。二、CO2焊的冶金特性1.合金元素的氧化与脱氧（1）合金元素氧化CO2在电弧高温作用下，易分解为一氧化碳和氧，使电弧气氛具有很强的氧化。其中CO在焊接条件下不溶于金属，也不与金属发生反应，而原子状态的氧使铁及合金元素迅速氧化。结果使铁、锰、硅等焊缝有用的合金元素大量氧化烧损，降低力学性能。同时溶入金属的FeO与C元素作用产生的CO气体，一方面使熔滴和熔池金属发生爆破，产生大量的飞溅；另一方面结晶时来不逸出，导致焊缝产生气孔。（2）脱氧CO2焊通常的脱氧方法是采用具有足够脱氧元素的焊丝。常用的脱氧元素是锰、硅、铝、钛等。对于低碳钢及低合金钢的焊接，主要采用锰、硅联合脱氧的方法。2.CO2焊的气孔问题：（1）一氧化碳气孔当焊丝中脱氧元素不足，使大量的FeO不能还原而溶于金属中，在熔池结晶时发生下列反应，生成CO气孔。FeO+C→Fe+CO↑焊丝中含有足够的脱氧元素Mn和Si，并严格限制焊丝中的含C量，就可以减小产生CO气孔的可能性。CO2焊，产生CO气孔的可能性不大。（2）氢气孔氢的来源主要是焊丝、焊件表面的铁锈、水分和油污及CO2气体中的水分。由于CO2焊的保护气体氧化性很强，所以CO2焊时形成氢气孔的可能性较小。（3）氮气孔CO2焊最常发生的是氮气孔，而氮主要来自于空气。所以必须加强CO2气流的保护效果，这是防止CO2焊的焊缝中产生气孔的重要途径。3．CO2焊的熔滴过渡CO2焊熔滴过渡有两种形式：短路过渡和滴状过渡。（1）短路过渡CO2焊在采用细焊丝、小电流和低电弧电压焊接时，可获得短路过渡。短路过渡，过渡频率高，电弧非常稳定，飞溅小，焊缝成形良好，同时焊接电流较小，焊接热输入低，故适宜于薄板及全位置焊缝的焊接（2）滴状过渡CO2焊采用粗焊丝、较大电流和较高电压时，会出现滴状过渡。滴状过渡有两种形式：一是大颗粒过渡，电流电压比短路过渡稍高，电流一般在400A以下。熔滴较大且不规则，过渡频率较低，易形成偏离焊丝轴线方向的非轴向过渡，电弧不稳定，飞溅很大，成形差，在实际生产中不宜采用。二是细滴过渡，这时焊接电流、电弧电压进一步增大，焊接电流在400A以上。虽然仍为非轴向过渡，但飞贱相对较少，电弧较稳定，焊缝成形较好，故在生产中应用较广泛。粗丝CO2焊滴状过渡，多用于中、厚板的焊接。4．CO2焊的飞溅（1）CO2焊飞溅的有害影响1）CO2时，飞溅大，降低焊丝的熔敷系数，增加焊丝及电能的消耗，降低焊接生产率和增加焊接成本。2）飞溅金属粘着到导电嘴端面和喷嘴内壁上，会使送丝不畅而影响电弧稳定性，或者降低保护气的保护作用。焊后清理，增加了焊接的辅助工时。3）焊接过程中飞溅出的金属，还容易烧坏焊工的工作服，甚至烫伤皮肤，恶化劳动条件。（2）CO2焊产生飞溅的原因及防止飞溅的措施1）由冶金反应引起的飞溅主要由CO气体造成。采用含有锰硅脱氧元素的焊丝，降低焊丝中的含碳量，可减少这种飞溅。2）由极点压力产生的飞溅直流反接可减少极点压力产生的飞溅。3）熔滴短路时引起的飞溅短路过渡过程中，当焊接电源的动特性不好时，则更显得严重。减少这种飞溅的方法，主要是通过调节焊接回路中的电感来调节短路电流增长速度。4）非轴向颗粒过渡造成的飞溅这种飞溅是在颗粒过渡时由于电弧的斥力作用而产生的。5）焊接工艺参数选择不当引起的飞溅必须正确地选择CO2焊的焊接工艺参数，才会减少产生这种飞溅的可能性。小提示CO2焊焊接前使用飞溅防粘剂（如型号为S-1，呈水质溶液）涂抹在接缝两测100～150mm范围内；或使用喷嘴防堵剂（如型号为P-3，呈膏状）涂在喷嘴内壁和导电嘴端面，可消除飞溅带来的不利影响。三、二氧化碳焊的焊接材料CO2焊所用的焊接材料是CO2气体和焊丝1.CO2气体焊接用的CO2一般是将其压缩成液体贮存于钢瓶内。CO2气瓶的容量为40L，可装25Kg的液态CO2，占容积的80%，满瓶压力约为5～7Mpa，气瓶外表涂铝白色，并标有黑色“液化二氧化碳”的字样。当压力降低到0.98MPa时，CO2气体中含水量大为增加，不能继续使用。焊接用CO2气体的纯度应大于99.5%，含水量不超过0.05%。生产中提高CO2气体纯度的措施有：1）倒置排水将CO2气瓶倒置1～2h，使水分下沉，然后打开阀门放水2～3次，每次放水间隔30min。2）正置放气更换新气前，先将CO2气瓶正立放置2h，打开阀门放气2～3min，以排出混入瓶内的空气和水分。3）使用干燥剂在CO2气路中放掉气瓶上部的气体，因为，串接几个过滤式干燥器，用以干燥含水较多的CO2气体。2．焊丝（1）对焊丝的要求1）焊丝必须比母材含有较多的Mn和Si等脱氧元素。2）焊丝含C量在0.10%以下，并控制S、P含量。3）焊丝表面镀铜，镀铜可防止生锈，有利于保存，并可改善焊丝的导电性及送丝的稳定性。（2）焊丝型号及性能GB/T8110－2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》规定了碳钢、低合金钢气体保护电弧焊所用实芯焊丝和填充丝的化学成分和力学性能，适用于熔化极气体保护电弧焊（MIG焊、MAG焊及CO2焊）、TIG焊及等离子弧焊。GB/T8110－2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》规定：焊丝型号由三部分组成。ER表示焊丝。ER后面的两位数字表示熔敷金属的最低抗拉强度。短线“-”后面的字母或数字表示焊丝化学成分代号，碳钢焊丝用一位数字表示，有1、2、3、4、6、7共6个型号；锰钼钢焊丝用字母D表示，它们后面数字表示同一合金系统的不同编号。如还附加其它化学成份时，直接用元素符号表示，并以短线“-”与前面数字分开。型号最后加字母L表示含碳量低的焊丝（wc≤0.05％）。•目前在我国，CO2焊已得到广泛应用，主要用于碳钢、低合金钢的焊接，最常用的焊丝是ER49-1和ER50-6。ER49-1对应的牌号为H08Mn2SiA、ER50-6对应的牌号为H11Mn2SiA。ER50-6焊丝应用更广。•四、二氧化碳焊设备•CO2气体保护焊设备有半自动焊设备和自动焊设备，其中CO2半自动焊在生产中应用较广。CO2自动焊与CO2半自动焊相比仅多了焊车行走机构。•1．CO2半自动焊焊机组成•CO2半自动焊设备，主要由焊接电源、焊枪及送丝系统、CO2供气系统、控制系统等部分组成。（1）焊接电源直流电源，通常选用平外特性的弧焊整流器。有些情况下，也可采用下降率不大（4V/100A左右）的缓降外特性电源。常用的弧焊整流器有抽头式硅弧焊整流器、晶闸管弧焊整流器及逆变弧焊整流器。图3-8焊接电源外特性与电弧自身调节作用的关系1—平硬特性曲线2—缓降特性曲线3—陡降特性曲线（2）送丝系统及焊枪1）送丝系统送丝系统由送丝机（包括电动机、减速器、校直轮和送丝轮）、送丝软管、焊丝盘等组成。送丝方式主要有拉丝式、推丝式和推拉式三种。如图3—9。①拉丝式焊丝盘、送丝机构与焊枪连接在一起。适用细焊丝（直径为0.5mm～0.8mm）,操作的活动范围较大。②推丝式焊丝盘、送丝机构与焊枪分离。通常推丝式所用的焊丝直径宜在0.8mm以上,其焊枪的操作范围在2m～4m以内。目前CO2半自动焊多采用推丝式焊枪。③推拉式具有前两种送丝方式的优点，焊丝送给时以推丝为主，而焊枪内的送丝机构，起着将焊丝拉直的作用。但焊枪及送丝机构较为复杂。图3—9CO2半自动焊送丝方式a）推丝式b）拉丝式c）推拉式2）焊枪焊枪的作用是导电、导丝、导气。焊枪常需冷却，冷却方式有空气冷却和用内循环水冷却两种。焊枪按送丝方式可分为推丝式焊枪和拉丝式焊枪；按结构可分为鹅颈式焊枪和手枪式焊枪。鹅颈式气冷焊枪应用最广。图3—12CO2焊供气系统示意图1-气源2-预热器3-高压干燥器3-气体减压阀5-气体流量计6-低压压干燥器7-气阀（3）CO2焊供气系统CO2焊的供气系统是由气源（气瓶）、预热器、减压器、流量计和气阀组成，如气体不纯，还需串接高压和低压干燥器。图3—13CO2半自动焊的控制程序图（4）控制系统CO2焊控制系统的作用是对供气、送丝和供电系统实现控制。五、二氧化碳焊工艺CO2焊的主要工艺参数有焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝伸出长度、气体流量、电源极性、回路电感、装配间隙与坡口尺寸、喷嘴至焊件的距离等。1.焊丝直径焊丝直径应根据焊件厚度、焊接空间位置及生产率的要求来选择。当焊接薄板或中厚板的立、横、仰焊时，多采用直径1.6mm以下的焊丝；在平焊位置焊接中厚板时,可以采用直径1.2mm以上的焊丝。2．焊接电流焊接电流的大小应根据焊件厚度、焊丝直径、焊接位置及熔滴过渡形式来确定。焊接电流越大，焊缝厚度、焊缝宽度及余高都相应增加。通常直径0.8mm～1.6mm的焊丝，在短路过渡时,焊接电流在50A～230A内选择。细滴过渡时，焊接电流在250A～500A之间。3.电弧电压短路过渡时，电弧电压在16～24V范围内。细滴过渡焊接时，直径为1.2～3.0mm的焊丝，电弧电压可在25～36V范围内选择。4.焊接速度焊速增加，焊缝宽度与焊缝厚度减小。焊速过快，保护效果变差，可能出现气孔，而且还易产生咬边及未熔合等缺陷；但焊速成过慢，则焊接生产率降低，焊接变形增大。一般CO2半自动焊时的焊接速度在15m/h～40m/h。小提示生产中，常用经验公式来确定电弧电压值：当焊接电流在≤300A时，电弧电压（V）=0.04×焊接电流（A）+16±1.5；当焊接电流＞300A以上时，电弧电压（V）=0.04×焊接电流（A）+20±2.0。5.焊丝伸出长度焊丝伸出长度取决于焊丝直径，一般约等于焊丝直径的10倍，且不超过15mm。6.CO2气体流量CO2气体流量应根据焊接电流、焊接速度、焊丝伸出长度及喷嘴直径等选择。细丝CO2焊气体流量约为8L/min～15L/min；粗丝CO2气体流量约在15L/min～25L/min。7．电源极性与回路电感直流反接。焊接回路的电感值根据焊丝直径和电弧电压来选择，具体见表3—9。小提示在焊接生产中，有时焊接电缆较长，常常将一部分电缆盘绕起来，这相当于在焊接回路中串入了一个附加电感，由于回路电感值的改变，使飞溅等发生变化。因此焊接过程正常后，电缆盘绕的圈数就