二氧化碳气体保护电弧焊.doc

项目五 二氧化碳气体保护电弧焊
教学目标：了解二氧化碳气体保护焊的基本原理、工艺特点及应用范围；
能合理选用焊丝和控制冶金过程；
能合理制定焊接工艺；
掌握典型焊接接头半自动二氧化碳气体保护电弧焊操作技术；
了解二氧化碳气体保护电弧焊的新技术。
教学活动设计：1在实训室中进行讲练结合的现场教学；
2．利用多媒体课件、仿真等辅助教学；
教学重点：条电弧焊的原理、工艺特点
制定焊条电弧焊工艺；
掌握焊条电弧焊操作技术
教学难点：对工艺制定及操作的掌握

学习单元一 认知CO2气体保护焊
一、CO2焊的实质
CO2气体保护电弧焊是利用CO2作为保护气体的熔化极电弧焊方法。这种方法以CO2气体作为保护介质，使电弧及熔池与周围空气隔离，防止空气中氧、氮、氢对熔滴和熔池金属的有害作用，从而获得优良的机械保护性能。
二、CO2焊的特点
1．优点
1）焊接生产率高。由于焊接电流密度较大，电弧热量利用率较高，以及焊后不需清渣，因此提高了生产率。CO2焊的生产率比普通的焊条电弧焊高2~4倍。
2）焊接成本低。CO2气体来源广，价格便宜，而且电能消耗少，故使焊接成本降低。通常CO2焊的成本只有埋弧焊或焊条电弧焊的40％~50％。
3）焊接变形小。由于电弧加热集中，焊件受热面积小，同时CO2气流有较强的冷却作用，所以焊接变形小，特别适宜于薄板焊接。
4）焊接品质较高。对铁锈敏感性小，焊缝含氢量少，抗裂性能好。
5）适用范围广。可实现全位置焊接，并且对于薄板、中厚板甚至厚板都能焊接。
6）操作简便。焊后不需清渣，且是明弧，便于监控，有利于实现机械化和自动化焊接。
2．缺点
1）飞溅率较大，并且焊缝表面成形较差。金属飞溅是CO2焊中较为突出的问题，这是主要缺点。
2）很难用交流电源进行焊接，焊接设备比较复杂。
3）抗风能力差，给室外作业带来一定困难。
4）不能焊接容易氧化的有色金属。
CO2焊的缺点可以通过提高技术水准和改进焊接材料、焊接设备加以解决，而其优点却是其他焊接方法所不能比的。因此，可以认为CO2焊是一种高效率、低成本的节能焊接方法。
三、CO2焊的应用
CO2焊主要用于焊接低碳钢及低合金钢等黑色金属。对于不锈钢，由于焊缝金属有增碳现象，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焊件。此外，CO2焊还可用于耐磨零件的堆焊、铸钢件的焊补以及电铆焊等方面。目前CO2焊已在汽车制造、机车和车辆制造、化工机械、农业机械、矿山机械等部门得到了广泛的应用。

学习单元二 CO2焊的冶金特性和焊接材料
一、合金元素的氧化与脱氧
1．合金元素的氧化
CO2及其在高温分解出的氧，都具有很强的氧化性。随着温度的提高，氧化性增强。氧化反应的程度取决于合金元素在焊接区的浓度和它们对氧的亲和力。熔滴和熔池金属中Fe的浓度最大，Fe的氧化比较激烈。Si、Mn、C的浓度虽然较低，但它们与氧的亲和力比Fe大，所以也很激烈。
2．氧化反应的结果
反应生成的CO气体有两种情况：其一是在高温时反应生成的CO气体，由于CO气体体积急剧膨胀，在逸出液态金属过程中，往往会引起熔池或熔滴的爆破，发生金属的溅损与飞溅。其二是在低温时反应生成的CO气体，由于液态金属呈现较大的粘度和较强的表面张力，产生的CO无法逸出，最终留在焊缝中形成气孔。
合金元素烧损、气孔和飞溅是CO2焊中三个主要的问题。它们都与CO2电弧的氧化性有关，因此必须在冶金上采取脱氧措施予以解决。但应指出，气孔、飞溅除和CO2气体的氧化性有关外，还和其它因素有关，这些问题以后还要讨论。
3．CO2焊的脱氧
加入到焊丝中的Si和Mn，在焊接过程中一部分直接被氧化和蒸发，一部分耗于FeO的脱氧，剩余的部分则残剩留在焊缝中，起焊缝金属合金化作用，所以焊丝中加入的Si和Mn，需要有足够的数量。但是焊丝中Si、Mn的含量过多也不行。Si含量过高会降低焊缝的抗热裂纹能力；Mn含量过高会使焊缝金属的冲击值下降。
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值下降。
根据试验，焊接低碳钢和低合金钢用的焊丝，一般w（Si）为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%。焊丝中w (Mn)一般为1％~2％左右。
二、CO2焊的气孔及防止
CO2焊时，由于熔池表面没有熔渣覆盖，CO2气流又有冷却作用，因而熔池凝固比较快。如果焊接材料或焊接工艺处理不当，可能会出现CO气孔、氮气孔和氩气孔。
1．CO气孔
在焊接熔池开始结晶或结晶过程中，熔池中的C与FeO反应生成的CO气体来不及逸出，而形成 CO气孔。这类气孔通常出现在焊缝的根部或近表面的部位，且多呈针尖状。
2．氮气孔
在电弧高温下，熔池金属对N2有很大的溶解度。但当熔池温度下降时，N2在液态金属中的溶解度便迅速减小，就会析出大量N2，若未能逸出熔池，便生成N2气孔。N2气孔常出现在焊缝近表面的部位，呈蜂窝状分布，严重时还会以细小气孔的形式广泛分布在焊缝金属之中。这种细小气孔往往在金相检验中才能被发现，或者在水压试验时被扩大成渗透性缺陷而表露出来。
3．氢气孔
氢气孔产生的主要原因是，熔池在高温时溶入了大量氢气，在结晶过程中又不能充分排出，留在焊缝金属中成为气孔。
三、CO2焊的飞溅及防止
1．飞溅产生的原因
飞溅是CO2焊最主要的缺点，严重时甚至要影响焊接过程的正常进行。产生飞溅的主要原因如下：
1）气体爆炸引起的飞溅。
2）由电弧斑点压力而引起的飞溅。
3）短路过渡时由于液态小桥爆断引起的飞溅。
4）当焊接参数选择不当时，也会引起飞溅。
2．减少金属飞溅的措施
（1）正确选择焊接参数
1）焊接电流与电弧电压。
2）焊丝伸出长度。
3）焊枪角度。
四、CO2焊的气体及焊丝
（一）CO2气体
1．CO2气体的性质
CO2气体是无色又无味和无毒气体。在常温下它的密度为1.98kg/m3，约为空气的1．５倍。在常温时很稳定，但在高温时发生分解，至5000K时几乎能全部分解。
气瓶的压力与环境温度有关，当温度为0~20℃时，瓶中压力为4.5~6.8×106Pa (40~60大气压），当环境温度在30℃以上时，瓶中压力急剧增加，可达7.4×106 Pa（73大气压）以上。所以气瓶不得放在火炉、暖气等热源附近，也不得放在烈日下爆晒，以防发生爆炸。
2．提高CO2气体纯度的措施
（1）洗瓶后应该用热空气吹干 因为洗瓶后在钢瓶中往往残留较多的自由状态水。
（2）倒置排水 液态的CO2可溶解质量分数约0.05%的水分，另外还有一部分自由态的水分沉积于钢瓶的底部。焊接使用前首先应去掉自由态水分。可将CO2钢瓶倒立静置1~2h，以便使瓶中自由状态的水沉积到瓶口部位，然后打开阀门放水2~3次，每次放水间隔30min，放水结束后，把钢瓶恢复放正。
（3）正置放气 放水处理后，将气瓶正置2h，打开阀门放气2~3min，放掉一些气瓶上部的气体，因这部分气体通常含有较多的空气和水分，同时带走瓶阀中的空气。
（4）使用干燥器 可在焊接供气的气路中串接过滤式干燥器。用以干燥含水较多的CO2气体。
（5）使用时注意瓶中的压力 在
（二）焊丝
CO2焊焊丝既是填充金属又是电极，所以焊丝既要保证一定的化学成分和力学性能，又要保证具有良好的导电性和工艺性能。
1．对焊丝的要求
（1）脱氧剂
（2）C、S、P 焊丝的含碳量要低
（3）镀铜 为防锈及提高导电性，焊丝表面最好镀铜

学习单元三 CO2焊工艺
在CO2焊中，为了获得稳定的焊接过程，熔滴过渡通常有两种形式，即短路过渡和细滴过渡。短路过渡焊接在我国应用最为广泛。
一、短路过渡CO2焊工艺
1．短路过渡焊接的特点
短路过渡时，采用细焊丝、低电压和小电流。熔滴细小而过渡频率高，电弧非常稳定，飞溅小，焊缝成形美观。主要用于焊接薄板及全位置焊接。焊接薄板时，生产率高、变形小，焊接操作容易掌握，对焊工技术水准要求不高。因而短路过渡的CO2焊易于在生产中得到推广应用。
2．焊接工艺参数的选择
主要的焊接工艺参数有：焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、保护气体流量、焊丝伸出长度及电感值等。
（1）焊丝直径 短路过渡焊接采用细焊丝，常用焊丝直径为0.6~1.6mm，随着焊丝直径的增大，飞溅颗粒相应增大。
（2）焊接电流 焊接电流是重要的焊接参数，是决定焊缝厚度的主要因素。电流大小主要决定于送丝速度，
（3）电弧电压 短路过渡的电弧电压一般在17~25V之间。因为短路过渡只有在较低的弧长情况下才能实现，所以电弧电压是一个非常关键的焊接参数，如果电弧电压选得过高（如大于29V)，则无论其它参数如何选择，都不能得到稳定的短路过渡过程。
短路过渡时焊接电流均在200A以下，这时电弧电压均在较窄的范围（2~3V）内变动。电弧电压与焊接电流的关系可用下式来计算。
U = 0.04I＋(16士2)
(4）焊接速度 焊接速度对焊缝成形、接头的力学性能及气孔等缺陷的产生都有影响。在焊接电流和电弧电压一定的情况下，焊接速度加快时，焊缝厚度（S）、宽度（c）和余高(h)均减小，如图3-6所示。
（5）保护气体流量 气体保护焊时，保护效果不好将发生气孔，甚至使焊缝成形变坏。
（6）焊丝伸出长度 短路过渡焊接时采用的焊丝都比较细，因此焊丝伸出长度对焊丝熔化速度的影响很大。
此外，伸出长度太大，电弧不稳，难以操作，同时飞溅较大，焊缝成形恶化，甚至破坏保护而产生气孔。相反，焊丝伸出长度过小时，会缩短喷嘴与焊件间的距离，飞溅金属容易堵塞喷嘴。同时，还妨碍观察电弧，影响焊工操作。
二、细滴过渡CO2焊工艺特点
1．特点
细滴过渡CO2焊的特点是电弧电压比较高，焊接电流比较大。此时电弧是持续的，不发生短路熄弧的现象。焊丝的熔化金属以细滴形式进行过渡，所以电弧穿透力强，母材熔深大。适合于进行中等厚度及大厚度焊件的焊接。
2．焊接参数选择
（1）电弧电压与焊接电流 为了实现滴状过渡，电弧电压必须选取在34~45V范围内。焊接电流则根据焊丝直径来选择。对应于不同的焊丝直径，实现细滴过渡的焊接电流下限是不同的。
（2）焊接速度 细滴过渡CO2焊的焊接速度较高。与同样直径焊丝的埋弧焊相比，焊接速度高0.5~1.0倍。常用的焊速为40~60m/h。
（3）保护气体流量 应选用较大的气体流量来保证焊接区的保护效果。保护气流量通常比短路过渡的CO2焊提高1~2倍。常用的气流量范围为25~50L/min。.
三、CO2焊的焊接技术
1．焊前准备
CO2焊时，为了获得最好的焊接结果，除选择好焊接设备和焊接工艺参数外，还应做好焊前准备工作。
（1）坡口形状 CO2焊时推荐使用的坡口形式见表3-6。细焊丝短路过渡的CO2焊主要焊接薄板或中厚板。一般开Ｉ形坡口；粗焊丝细滴过渡的CO2焊主要焊接中厚板及厚板，可以开较小的坡口。开坡口不仅为了熔透，而且要考虑到焊缝成形的形状及熔合比。
（2）坡口加工方法与清理 加工坡口的方法主要有机械加工、气割和碳弧气刨等。
（3）定位焊 定位焊是为了保证坡口尺寸，防止由于焊接所引起的变形。通常CO2焊与焊条电弧焊相比要求更坚固的定位焊缝。定位焊缝本身易生成气孔和夹渣，它们是随后进行CO2焊时产生气孔和夹渣的主要原因。所以必须认真地焊接定位焊缝。
焊接薄板时定位焊缝应该细而短，长度为3~l0mm，间距为30~50mm。它可以防止变形及焊道不规整。焊接中厚板时定位焊缝间距较大，达100~150mm，为增加定位焊的强度，应增大定位焊缝长度，一般为15~50mm。若为熔透焊缝时，点固处难以实现反面成形，应从反面进行点固。
2．引弧与收弧
（1）引弧工艺 半自动CO2焊时，喷嘴与焊件间的距离不好控制。当焊丝以一定速度冲向焊件表面时，往往把焊枪顶起，结果使焊枪远离焊件，从而破坏了正常保护。所以，焊工应该注意保持焊枪到焊件的距离。
半自动CO2焊时习惯的引弧方式是焊丝端头与焊接处划擦的过程中按焊枪按钮，通常称为“划擦引弧”。
（2）收弧方法 焊道收尾处往往出现凹陷，它被称为弧坑。CO2焊比一般焊条电弧焊用的焊接电流大，所以弧坑也大。弧坑处易产生火口裂纹及缩孔等缺陷。为此，应设法减小弧坑尺寸。目前主要应用的方法如下：
1）采用带有电流衰减装置的焊机时，
2）没有电流衰减装置时，
3）使用工艺板，也就是把弧坑引到工艺板上，焊完之后去掉它。
3．平焊的焊接技术
（1）单面焊双面成形技术 从正面焊接，同时获得背面成形的焊道称为单面焊双面成形，常用于焊接薄板及厚板的打底焊道。
1）悬空焊接。无垫板的单面焊双面成形焊接时对焊工的技术水准要求较高，对坡口精度、装配质量和焊接参数也提出了严格要求。
坡口间隙对单面焊双面成形的影响很大。
2）加垫板的焊接。加垫板的单面焊双面成形比悬空焊接容易控制，而且对焊接参数的要求也不十分严格。垫板材料通常为纯铜板。为防止铜垫板与焊件焊到一起，最好采用水冷铜垫板。加垫板时单面焊双面成形的典型焊接参数见表3-9。
（2）对接焊缝的焊接技术 薄板对接焊一般都采用短路过渡，中厚板大都采用细滴过渡。坡口形状可采用I形、Y形、单边V形、U形和X形等。通常CO2焊时的钝边较大而坡口角度较小，最小可达45°左右。
在坡口内焊接时，如果坡口角度较小，熔化金属容易流到电弧前面去，而引起未焊透，所以在焊接根部焊道时，应该采用右焊法和直线式移动。当坡口角度较大时，应采用左焊法和小幅摆动焊接根部焊道。
平焊对接焊缝的典型焊接参数见表3-10。
学习单元四 CO2焊的其他方法
一、药芯焊丝CO2焊
药芯焊丝是将含有稳弧剂、造渣剂和合金粉等成分的粉末裹在金属外皮里面而构成的。药芯焊丝CO2焊的基本原理与普通CO2焊相同。焊接时，在电弧作用下熔化的药芯焊丝、母材金属和保护气体相互之间发生冶金作用，同时形成一层较薄的液态熔渣包覆熔滴并覆盖熔池，对熔化金属形成了又一层的保护。实质上这种焊接方法是一种气一渣联合保护的方法。
1．药芯焊丝CO2焊的特点
（1）优点
1）焊接生产率高。约为焊条电弧焊的3~5倍，为实芯焊丝CO2焊的1.5~2倍。
2）飞溅少，焊缝成形美观。采用气一渣联合保护，焊接工艺性能好，飞溅率为实芯焊丝的1/3左右，且飞溅颗粒细，容易清除。焊缝因有熔渣覆盖成形美观。
3）焊接适应性强。调整药芯成分，就可焊接不同钢种。不仅可以焊接各种结构钢，也可以焊接不锈钢等特殊材料。
4）抗气孔能力强。由于焊接熔池受到CO2气体和熔渣两方面的保护，所以抗气孔能力比实芯焊丝CO2焊强。
（2）缺点
1）焊丝制造比较复杂，成本高。
2）焊丝外表容易锈蚀，药粉容易吸潮，使用前需经250~300℃的烘干。
3）送丝困难，对送丝机构要求高。药芯焊丝与实芯焊丝相比，其刚性较差，焊丝体较软。送丝滚轮的压力不能太大，太大会使焊丝变形。通常需要用两对主动送丝滚轮，甚至用三对送丝滚轮的送丝机构。
二、CO2点焊
CO2点焊是在CO2气体保护下，利用焊丝和焊件间燃烧的高温电弧热量，将搭接接头上板的整个厚度和下板的局部厚度熔化，形成铆钉状的焊点，从而把两块钢板连接起来。也称为CO2电铆焊，见图3-12。
1．CO2点焊的特点
CO2点焊适用于薄板框架结构的焊接。在汽车制造、农业机械、化工机械等部门中有着广泛的应用。它与电阻点焊相比有以下优点：
1）不需要特殊的加压装置，焊接设备简单，电源功率较小，又是一种单面点焊的焊接方法，因此不受焊接场所的限制，使用方便、灵活。
2）对焊件表面质量要求不高。
3）对上下板之间的装配精度要求不严格。
4）不受焊点距离和板厚的限制，适用性强。
5）焊接品质好，焊点强度比电阻点焊高。
2．CO2点焊接头形式
在进行水平位置CO2点焊时，如果上下板厚度均在lmm以下，为提高抗剪强度，防止烧穿，点焊时应加垫板。若上板很厚（大于6mm），熔透上板所需的电流又不足时，可先将上板开一个锥孔，然后再施焊（即“塞焊”）。仰面位置CO2点焊时，为防止熔池金属下落，在焊接参数上应尽量采用大电流、低电压、短时间及大的气体流量。对于垂直位置CO2点焊，其焊接时间比仰焊时要更短。
三、CO2气电立焊
气电立焊是厚板立焊时，在接头两侧使用成形器具（固定式或移动式冷却块）保持熔池形状，强制焊缝成形的一种电弧焊，通常加CO2气体保护熔池。其优点是可不开坡口焊接厚板，生产率高，成本低。