淺談CO2氣體保護焊的焊接工藝

淺談CO2氣體保護焊的焊接工藝

概    述
       二氧化碳氣體保護焊（簡稱“CO2氣保焊”）是以CO2氣體為保護氣體來進行焊接的一種方法（有時采用CO2+Ar的混合氣體稱為“混合氣體保護焊”）。在應用方面操作簡單，適合自動焊和全方位焊接，但焊接時抗風能力差，所以適合室內作業。

       由于CO2氣體價格低廉，采用短路過渡時焊縫成形良好，加上使用含脫氧劑的焊絲即可獲得無內部缺陷的高質量焊接接頭，因此這種焊接方法目前已成為黑色金屬材料最重要焊接方法之一，并廣泛應用于各大中小企業。
 
1    發展過程
       早在20世紀30年代就有人提出用CO2及水蒸氣作為保護氣體，但試驗結果發現焊縫金屬氧化嚴重，氣孔很多，焊接質量得不到保證。因此氬氣、氦氣等惰性氣體保護焊首先應用于焊接生產，解決了當時航空工業中有色金屬的焊接問題，氣體保護焊的優越性也逐漸被人們認識和重視。但是氬氣、氦氣為稀有氣體，價格較貴，應用上受到一定的限制。因此，到20世紀50年代。人們又重新研究CO2氣體保護焊，并逐步應用于焊接生產。
 
2    分類
       CO2氣體保護焊按操作方法，可分為自動焊及半自動焊兩種。對于較長的直線焊縫和規則的曲線焊縫，可采用自動焊；對于不規則的或較短的焊縫，則采用半自動焊，目前鄂分公司焊裝車間生產上應用最多的是半自動焊。

       CO2氣體保護焊按照焊絲直徑可分為細絲焊和粗絲焊兩種。細絲焊直徑Ф＜1.6mm，焊接工藝比較成熟，適宜于薄板焊接；鄂分公司焊裝現場采用的是直徑Ф0.8~1.0mm的焊絲，焊接過程較穩定。粗絲焊的直徑一般Ф≥1.6mm，適用于中厚板的焊接。
 
3    優缺點
3.1     優點
3.1.1     焊接生產率高：由于焊接電流密度較大，電弧熱量利用率較高，以及焊后不需清渣，因此提高了生產率，CO2焊的生產率比普通的焊條電弧焊高2~4倍。
3.1.2     焊接成本低：CO2氣體來源廣，價格便宜，而且電能消耗少，焊接成本較低，是埋弧焊或電弧焊的40%~50%。
3.1.3     焊接變形?。河捎陔娀〖訜峒?，焊件受熱面積小，同時CO2氣流有較強的冷卻性，因此焊接變形小，特別適合用于薄板焊接。
3.1.4     焊接質量較高：對鐵銹敏感性小，焊縫含氫量少，抗裂性能好。
3.1.5     適用范圍廣：可實現全方位焊接，并且對于薄板、中厚板甚至厚板都能焊接。
3.1.6     操作簡便：焊后不需清渣，而且焊縫明顯，便于監控，有利于實現機械化和自動化焊接。
3.2     缺點
3.2.1     金屬飛濺是CO2氣體保護焊中較為突出的問題，CO2焊接時飛濺較大，焊縫表面成形較差，這成了CO2焊主要的缺點。
3.2.2     很難用交流電源進行焊接，因此焊接設備比較復雜。
3.2.3     抗風能力差，給室外作業帶來一定困難。
3.2.4     不能焊接易氧化的有色金屬。
 
4    工藝參數
       對于CO2氣體保護焊而言，主要存在三種熔滴過渡的形式，即短路過渡、滴狀過渡、射滴過渡。本文以短路過渡為例介紹CO2氣體保護焊的焊接工藝參數。

       短路過渡是在細焊絲、低電壓和小電流情況下發生的。短路過渡焊接時，主要的焊接工藝參數有電弧電壓、焊接電流、焊接速度，氣體流量及純度，焊絲伸出長度等。

4.1     電弧電壓及焊接電流
       電弧電壓是短路過渡時的關鍵參數，短路過渡的特點是采用低電壓。適宜的電弧電壓和良好的焊接電流相匹配，可以獲得飛濺小、焊縫成形良好的穩定焊接過程。

      直徑Ф1.2mm的焊絲一般參數為電壓19V，電流120~135A；鄂分公司焊裝現場采用的焊絲直徑為Ф0.8mm，電弧電壓為16~24V，電流為70~ 110A ，90~170A不等。

4.2     焊接速度
       隨著焊接速度的增加，焊縫熔寬、熔深余高均減小。焊速過高，容易產生咬邊和未焊透等缺陷，同時氣體保護效果變差，易產生氣孔。焊接速度過低，易產生燒穿、組織粗大等缺陷，并且變形增大，生產效率降低。因此，應根據生產實踐對焊接速度進行正確的選擇。通常半自動焊的速度≤0.5m/min，自動焊速度≤1.5m/min。

4.3     氣體的流量及純度
       氣體流量過小時，保護氣體的純度不足，焊縫易產生氣孔等缺陷；氣體流量過大時，不僅浪費氣體，而且氧化性增強，焊縫表面上會形成一層暗灰色的氧化皮，使焊縫質量下降。當焊接電流大或焊接速度過快，焊絲伸出長度較長以及在室外焊接時，為保證焊接質量應增大氣體流量。通常細絲焊接時，氣體流量在15 ~25L/min之間，并且CO2氣體的純度≥99.5%。鄂分公司焊裝車間采取的氣體流量控制在12~18L/min, 相比于理論值要小，因此焊縫易產生氣孔的缺陷。同時，當氣瓶內的壓力低于1MPa，就應停止使用，因為當氣瓶內壓力降低時，溶于液態CO2 中的水分汽化含量也會隨之增大，并且混入CO2 氣體中的水蒸氣就會增多，導致產生氣孔缺陷。

4.4     焊絲伸出長度
       由于短路過渡均采用細焊絲，所以焊絲伸出長度對電阻熱影響很大。焊絲伸出長度變長，焊絲上的電阻熱增加，焊絲熔化加快，生產率提高。但如果伸出長度過長時，焊絲容易發生過熱而成段熔掉，飛濺嚴重。據調查，焊絲伸出長度從20mm增加到30mm，飛濺量增加約5%， 焊接過程不穩定，同時伸出長度增大后，噴嘴與焊件間的距離亦增大，因此氣體保護效果變差。如果焊絲伸出長度過短，勢必縮短噴嘴與焊件間的距離，飛濺金屬物易堵塞噴嘴。合適的焊絲伸出長度應為焊絲直徑的10~12倍，細絲焊時以8~15mm為宜。以鄂分公司焊裝車間，直徑為0.8mm的焊絲為例，伸出長度在8~10mm 為宜，現場統計焊裝車間的焊絲伸出長度在6~ 12mm，易堵塞噴嘴。
 
5    常見的CO2焊接缺陷及預防
5.1     氣孔
       在進行CO2氣體保護焊時，如果使用化學成份不合要求的焊絲、純度不夠的CO2氣體及不正確的焊接工藝，那么CO2氣流在冷卻的過程中，熔池凝固較快，很容易在焊縫中產生氣孔。具體產生氣孔的原因有以下四方面：
       （1）焊絲脫氧元素不足，以致大量的FeO 不能還原而溶于熔池的金屬，在焊縫凝固時FeO 與碳結合產生CO氣孔；

       （2）沒有形成良好的CO2保護層，CO2保護層若沒有使電弧區和熔池與空氣隔絕，則焊接熔池溶解大量的氮氣，在焊縫金屬結晶溫度下降時就易產生氣孔，而過小的CO2氣體流量，與不合理的噴嘴結構，以及噴嘴結構被堵住，焊絲伸出過長都可能破壞CO2保護作用，而產生氣孔；

       （3）CO2的純度不夠，氣體內含有水汽，是產生氣孔的主要原因。一般焊接用的CO2氣體其純度在99.5%以上；

       （4）焊件表面不清潔，有鐵銹、油污、水分。
       預防措施：1）徹底清除焊件上的油、銹、水；2）更換純度較高的氣體；3）清除附著噴嘴內壁的飛濺物；4）檢查氣路有無堵塞，或者彎折；5）選擇合適的電壓；6）采取擋風措施。

5.2     飛濺
       產生原因：1）短路過渡時，如果短路電流增長速度過高，這時，電流峰值和大的電流脈沖使短路突然中斷，那么在熔池內引起巨大的擾動與飛濺；2）電弧電壓過高；3）焊絲含碳量過高；4）導電嘴磨損嚴重，焊絲表面不干凈。
       預防措施：1）選擇合適的焊接電流、電弧電壓；2）優質的焊絲；3）更換導電嘴。

5.3     裂紋
       CO2氣體保護焊焊縫裂紋是焊接的危險缺陷之一，若在焊接過程中出現裂紋，將會產生很大的麻煩，因此控制好焊縫裂紋是生產過程中不可少的環節。
       產生原因：1）焊件或焊絲中的P、S含量過高，Mn含量低；2）焊件表面清理得不干凈；3） 焊接參數不當；4）焊接結構剛度過大。
       預防措施：1）嚴格控制焊接及焊絲的P、S 含量；2）清理焊件表面；3）選擇合適的焊接參數。

5.4     咬邊
       所謂咬邊，就是沿著焊趾的母材部位上被電弧燒熔而形成的凹槽。
       產生原因：1）焊接參數選擇不當；2）焊速太慢；3）員工技能不足，操作不熟練。
       預防措施：1）選擇合理的焊接參數；2）提高員工操作技能的熟練度。
 
6    結束語
       焊接參數的選擇直接影響著焊接質量，焊接缺陷的產生也較復雜，現場產生的焊接缺陷往往是多種原因導致，因此要想提高焊接工藝仍需各方人員進行綜合控制，對焊接缺陷進行一個系統的分析并制定合理的預防措施，才能較大程度的保證焊縫質量，只有這樣才能制造出符合設計要求的、合格的產品。