CO2气体保护焊

CO₂气体保护焊

CO₂气体保护焊原理、设备及材料

一、气体保护电弧焊概述

气体保护电弧焊（简称气体保护焊）是用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊方法。

1.气体保护焊的原理

气体保护焊直接依靠从喷嘴中连续送出的气流，在电弧周围形成局部的气体保护层，使电极端部、熔滴和熔他金属处于保护气罩内，使其与空气隔绝，从而保证焊接过程的稳定，获得质量优良的焊缝。

2.保护气体的种类及用途

气体保护焊时。保护气体在焊接区形成保护层，同时电弧又在气体中放电，因此保护气体的性质与焊接质品有着密切的关系。保护气体分为惰性气体、还原性气体、氧化性气体和混合气体。

（1）惰性气体 有氩气和氦气，其中以氩气使用最为普遍。目前，氩弧焊已从焊接化学性质较活泼的金属发展到焊接常用金属（如低碳钢）。氦气由于价格昂贵，而且气体消耗量大，常与氩气混合使用，较少单独使用。

（2）还原性气体 有氮气和氢气。氮气虽然是焊接中的有害气体，但它不溶于铜，对于铜它实际上就是"惰性气体"，所以可专用于铜及铜合金的焊接。氢气主要用于氢原子焊，但目前应用较少。另外，氮气、氢气也常和其他气体混合使用。

（3）氧化性气体 有二氧化碳。由于这种气体来源丰富，成本低，因此应用较广。目前，二氧化碳气体主要应用于碳素钢及低合金钢的焊接。

（4）混合气体 这是指在一种保护气体中加入一定比例的另一种气体，可以提高申弧稳定性和改善焊接效果。因此，现在采用混合气体保护的方法很普遍。

常用保护气体的选择见表5—1。

3.气体保护焊的分类

按所用电极材料的不同，气体保护焊可分为不熔化极气体保护焊和熔化极气体保护焊，如图5—1所示。按焊接保护气体的种类不同，气体保护焊可分为氩弧焊、CO2气体保护焊等。按操作方式的不同，气体保护焊又可分为手工、半自动和自动气体保护焊。

二、CO₂气体保护焊

CO₂气体保护焊是用CO₂作为保护气体，依靠焊丝与焊件之间产生的电弧来熔化金属的气体保护焊方法，简称CO₂焊。

1.CO₂气体保护焊的过程

CO₂气体保护焊的过程如图5—2 所示。焊接电源的2个输出端分别接在焊枪与焊件上。盘状焊丝由送丝机构带动，经软管与导电嘴不断向电弧区域送给，同时CO₂气体以一定的压力和流量送入焊枪，"通过喷嘴后形成一股保护气流，使熔池和电弧与空气隔绝。随着焊枪的移动，熔池金属冷却凝固形成焊缝。

2.CO₂气体保护焊的分类

CO₂气体保护焊有多种分类方法。按照焊丝直径、操作方法、特殊应用和新工艺的不同，CO₂气体保护焊的分类见表5—2。目前，较常用的CO₂气体保护焊的分类是按焊丝形状（实芯、药芯）和气体保护形式划分的。

（1）实芯焊丝CO₂气体保护焊CO₂气体保护焊通常按采用的焊丝直径来分类。当焊丝直径小于或等于φ1.2 mm，称为细丝CO₂气体保护焊，主要采用短路过渡形式焊接薄板材料。它较多应用于焊接厚度小于3 mm 的低碳钢和低合金钢结构的零部件。

焊丝直径为φ1.6～φ5 mm 时，称为粗丝CO₂气体保护焊，一般采用大电流和较高的电弧电压来焊接中厚板。实芯焊丝CO₂气体保护焊示意如图5—2 所示。

为了适应现代工业应用的需要，CO₂气体保护焊技术迅速发展，在生产中除了常规的CO₂气体保护焊方法外，还派生出一些改进的方法，如CO₂电弧点焊、CO₂气体保护立焊、CO₂保护窄间隙焊、CO₂加其他气体（如CO₂+ O₂、CO₂+Ar）的保护焊，以及CO₂气体与焊渣联合保护焊等。

（2）药芯焊丝CO₂气体保护焊 药芯焊丝CO₂气体保护焊是CO2气体—焊剂联合保护的焊接方法。焊接时焊丝的药芯（受热）熔化，从而在焊缝表面上覆盖一层薄薄的熔渣，如图5—3所示。药芯焊丝CO₂气体保护焊，兼有CO₂气体保护焊和焊条电弧焊的某些特点。

由于焊丝截面形状不同，药芯焊丝的电弧稳定性和熔化过渡特征与实芯焊丝相比有差异。由于药芯不导电，焊接过程中容易产生电弧沿焊丝截面旋转的现象，致使焊丝末端熔化不均匀、电弧稳定性稍差。采用折叠截面的药芯焊丝时，焊接电流分布较均匀，电弧燃烧稳定，焊丝熔化均匀，冶金反应完全，容易保证获得优质的焊缝。

药芯焊丝CO₂气体保护焊常用直流反极性和长弧焊规范（长弧焊规范是指大电流和与之匹配的高电弧电压的焊接参数）。例如，焊接电流一般使用范围为250～750 A，电弧电压24~26 V，焊接速度通常大于30 m/h。由于药芯焊丝一般用较大的电流进行焊接，获得的焊缝熔深较大，常用于焊接中厚板。

（3）富氩气体保护焊 富氩气体保护焊是CO₂加氩气（Ar）的保护焊。通常混合比为80% 以上氩气+20%以下CO₂气体。其特点∶

1）焊接成本低 其综合成本大概是焊条电弧焊的1/2。

2）生产效率高 可以使用较大的电流密度（200 A/mm²左右），比焊条电弧焊（10～20 A/mm²左右）高得多，所以其熔深比焊条电弧焊高2.2~3.8 倍。因此，其焊接 10 mm以下厚度的钢板可以不开坡口;焊接厚板时可以减少坡口，加大钝边。它同时具有焊丝熔化快、不用清理熔渣等特点，效率比焊条电弧焊提高 2.5～4 倍。

3）焊后变形小 因气体保护焊的电弧热量集中，加热面积小，混合气体（Ar +CO₂）气流有冷却作用，因此焊件焊后变形小，薄板的焊后变形改善更为明显。

4）抗锈能力强 和埋弧自动焊相比，富氩气体保护具有较高的抗锈能力，所以焊前对焊件表面的清洁工作要求不高，可以节省生产中大量的辅助时间。由于CO₂气体本身具有较强的氧化性，因此在焊接过程中会引起合金元素烧损，产生气孔和引起较强的飞溅，而富氩焊接可以克服纯CO₂气体保护焊的缺点，使飞溅得到有效控制，可以节省清渣费用，减少清渣剂的使用，并且可以降低电耗。

3.CO₂气体保护焊的特点

（1）优点

1）生产效率高CO₂气体保护焊的焊接电流密度大，焊丝的熔敷速度高，母材的熔深较大，对于10 mm 以下的钢板不开坡口可一次焊透，产生熔渣极少;焊接过程不必像焊条电弧焊那样停弧换焊条，节省了清渣时间和一些填充金属（不必丢掉焊条头），生产效率比焊条电弧焊提高1～4倍。

2）抗锈能力强 由于CO₂气体在焊接过程中分解，氧化性较强。对焊件上的铁锈敏感性小，故对焊前清理的要求不高。

3）焊接变形小 由于电弧热量集中、CO₂气体有冷却作用、受热面积小，所以焊后焊件变形小。薄板的焊后变形改善更为明显。

4）冷裂倾向小CO₂气体保护焊焊缝的扩散氢含量少，抗裂性能好，在焊接低合金高强度钢时，出现冷裂的倾向小。

5）采用明弧焊 熔池可见性好，观察和控制熔接过程较为方便。

6）适用范围广CO₂气体保护焊可进行各种位置的焊接。不仅适用于薄板焊接，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）主要缺点 使用大电流焊接时，飞溅较多;很难用交流电源焊接或在有风的地方施焊;不能焊接容易氧化的有色金属材料。

4.CO₂气体保护焊的冶金特点

在常温下，CO₂气体化学性能呈中性。在电弧高温下，CO₂气体被分解而呈很强的氧化性，使合金元素氧化烧损，成为产生气孔和飞溅的根源。

（1）合金元素的氧化CO₂在电弧高温作用下会发生分解，即∶

其中，CO2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。其化学反应如下∶

Fe+0= FeO 

 Si +20=SiO₂ 

 Mn +O= M_nO 

C＋0=CO↑

以上的氧化反应既发生于熔滴过渡过程中，也发生在熔池内，使铁、锰、硅氧化分别生成FeO、MnO 和SiO₂等熔渣，浮出表面，造成了合金元素大量氧化烧损，焊缝金属力学性能降低。此外，如果溶入金属的FeO 与C元素作用所产生的CO2气体来不及逸出，就会在焊缝中形成气孔;如果CO2气体在熔滴和熔池金属中发生爆破，将产生大量的飞溅。这些问题都与电弧气氛的氧化性有关，因此必须采取有效的脱氧措施。

（2）脱氧措施 常用的脱氧措施是增加焊丝中脱氧元素含量。常用的脱氧元素是锰、硅、铝、钛等。这些元素与氧的结合能力比铁强，可降低液态金属内FeO的浓度，抑制碳及合金元素的氧化。

焊接低碳钢及低合金钢时，主要采用锰、硅联合脱氧的措施，如常用的H08Mn2SiA焊丝就是采用锰、硅联合脱氧。HO4Mn2SiTiA 和HO4Mn2SiAlTiA 焊丝则是采用多种脱氧剂进行联合脱氧。

5.CO₂气体保护焊的熔滴过渡

CO₂气体保护焊是熔化极电弧焊，熔滴过渡的形式与选择的焊接工艺参数和相关工艺因素有关。应根据焊接构件的实际情况，确定粗丝、细丝CO₂气体保护焊的焊接方式，选择合适的焊接工艺参数。以获得所希望的熔滴过渡形式，从而保证焊接过程的稳定性，减少飞溅。CO₂气体保护焊熔滴过渡形式主要有短路过渡和颗粒状过渡。

（1）短路过渡CO₂气体保护焊在采用细焊丝、小电流和低电弧电压焊接时，熔滴呈短路过渡。短路过渡时，弧长很短，焊丝端部熔化形成的熔滴与熔池表面接触而短路，此时熔滴上的作用力使熔滴金属很快地脱离焊丝端部过渡到熔池，随后电弧又重新引燃。这样周期性的短路—燃弧交替进行。通常把每一次短路和燃弧的时间称为一个周期（T）。每秒内的周期数称为短路频率，如图5—4 所示。

CO₂气体保护焊的短路频率可达每秒几十次到百余次。由于短路频率高，所以焊接过程稳定，飞溅小，焊缝成形好。另外，由于焊接电流小，而且电弧是断续燃烧，所以电弧热量低，适合于焊接薄板及全位置焊接。

（2）颗粒状过渡CO₂气体保护焊在采用粗焊丝、大电流和高电弧电压焊接时，熔滴呈颗粒状过渡。当颗粒尺寸较大时，飞溅较大，电弧不稳定，焊缝成形恶化。因此，常用的是细颗粒状过渡。焊接电流增大（电弧电压也相应增大）时，颗粒状过渡的熔滴体积减小，颗粒细化，而且熔滴过渡频率增加，如图5—5 所示。

三、CO₂气体保护焊的设备

常用的 CO₂气体保护半自动焊设备如图5—6 所示，主要由焊接电源、焊枪及送丝机构、CO₂供气装置、控制系统等组成。

1.焊接电源

由于CO2气体保护焊使用交流电源焊接时电弧不稳定，飞溅严重，因此其只能使用直流电源。要求焊接电源具有平硬的外特性。这是因为CO₂气体保护焊的电流密度大，加之CO₂气体对电弧有较强的冷却作用，所以电弧静特性曲线是上升的。在等速送丝的条件下，平硬特性电源的电弧自动调节灵敏度较高。从图5—7 中可以看出当电弧长度变化相同时，3 种不同的外特性曲线引起的焊接电流变化状况为ΔI_c>Δl_b>Δl_a。

2.送丝机构及焊枪

（1）送丝机构CO₂气体保护半自动焊机为等速送丝焊接设备，其送丝方式有推丝式、拉丝式、推拉式3 种，如图5—8 所示。

1）推丝式焊枪与送丝机构是分开的，焊丝经一段软管送到焊枪中。这种焊枪结构简单、轻便，但焊丝通过软管时受到的阻力大，因而软管长度受到限制，通常只能在距送丝机2～4 m 的范围内使用。目前，CO₂气体保护半自动焊多采用推丝式送丝。

2）拉丝式 送丝机构与焊枪合为一体，设有软管，送丝阻力小，送丝较稳定，但焊枪结构复杂，质量增加，焊工劳动强度大，只适用于细焊丝（直径φ0.5～φ0.8 mm）送丝

3）推拉式这种结构是以上2 种送丝方式的组合。送丝时以推为主，由于焊枪上装有拉丝轮，可将焊丝拉直。以减小焊丝在软管内的摩擦阻力。推拉式可使软管加长至60m，增加了操作的灵活性。

（2）焊枪 按送丝方式不同，焊枪可分为推丝式焊枪和拉丝式焊枪。按结构不同，焊枪可分为鹅颈式焊枪和手枪式焊枪。焊枪上的喷嘴和导电嘴是焊枪的主要零件，直接影响焊接工艺性能。

1）喷嘴 一般为圆柱形。内孔直径为φ12～φ25 mm。为了防止飞溅物的黏附并易于清除，焊前最好在喷嘴的内、外表面上喷一层防飞溅喷剂或刷硅油。

2）导电嘴 常用紫铜、铬青铜或磷青铜制造。通常导电嘴的孔径比焊丝直径大0.2 mm左右。如果孔径太小，送丝阻力大;如果孔径太大，则送出的焊丝摆动厉害，致使焊缝宽窄不一，严重时使焊丝与导电嘴间起弧造成黏结或烧损。

3.CO₂供气系统

CO₂供气系统由气瓶、预热器、减压器、流量计和气阀组成。气瓶内的液态CO₂向外释放、汽化时要吸热，吸热反应可能导致瓶阀和减压器冻结，因此在CO₂气体减压之前须经36 V 低压交流供电的预热器（功率75～100 W）加热，以保证保护气体的畅通，并通过流量计来调节和测量CO₂气体的流量，以形成良好的保护气流。操作时按动开关，电磁气阀启动，来控制CO₂气体的接通与关闭。现在生产的减压流量调节器是将预热器、减压器和流量计合装为一体，使用起来很方便。

4.控制系统

CO₂气体保护焊控制系统的作用是对供气、送丝和供电等系统实现控制。自动焊时，还可控制焊接小车或焊件运转等。CO₂气体保护半自动焊机的控制过程如图5—9所示。

生产中使用的一元化调节工艺参数系统，焊接电源用1个旋钮调节焊接电流，控制系统会自动使电弧电压与焊接电流处于最佳匹配状态，使用时特别便利。

目前，我国定型生产的NBC系列CO₂气体保护半自动焊机有NBC—160 型、NBCl—250型、NBC1—300 型、NBC1—500 型。

5.CO₂气体保护焊机的使用和维护及故障排除CO₂气体保护焊机的使用和维护过程中应注意以下各项∶

（1）初次使用焊机前，必须熟读说明书，了解并掌握焊机使用性能后，才可进行操作。

（2）焊机应在室温不超过40℃，湿度不大于85%，无有害气体和易燃、易爆气体的环境下工作。CO₂气瓶不得靠近热源或在太阳光下直接照射。

（3）焊机必须可靠接地，地线截面必须大于12 mm²。

（4）凡需水冷却的焊接电源和焊枪，必须有可靠的冷却水循环。如果使用循环水箱，冬季应注意防冻。

（5）焊枪不准放在焊机、焊件或地面上，应安全、可靠地放在专用支架上。

（6）定期检查送丝机构齿轮箱的润滑情况，应及时添加或更换润滑油。

（7）送丝滚轮的Ⅴ形或U形槽若磨损严重，应及时更换新件。使用时。压丝轮的松紧调节以焊丝输出稳定、可靠为宜，避免过紧或过松。

（8）经常检查导电嘴的磨损情况，严重时应及时更换

（9）定期检查并清洗送丝软管及弹簧管，防止因送丝阻为过大而出现焊丝送给不均匀等故障。

（10）工作结束后或临时离开工作现场时，必须切断电源。关闭水源和气源。CO₂气体保护焊机常见故障及排除方法见表5—3。

四、CO₂气体保护焊的焊接材料

CO₂气体保护焊所用的焊接材料有CO₂气体和焊丝。

1.CO₂气体

焊接用的CO₂气体是将钢瓶装的液态CO₂经汽化后变成气态CO₂供焊接使用。容量为40 L的钢瓶，可装25 kg 的液态CO₂，满瓶压力为5~7 MPa。钢瓶中液态和气态CO₂分别约占钢瓶容积的80%和20%。钢瓶压力表指示的压力值是其中气体部分的饱和压力。它的值与环境温度有关，一般随温度升高而升高。因此，CO₂钢瓶不允许靠近热源或置于烈日下暴晒，以防爆炸。

液态CO₂在大气压力下的沸点为-78℃，所以常温下容易汽化。1kg液态CO₂可汽化成 509 L气态的CO₂（0℃、0.1 MPa 时）。液态CO₂在温度高于-11℃时比水轻，可溶解0.05% （质量）的水。钢瓶内CO₂气体中含水量与瓶内的压力有关，压力越低，水汽越多。当压力降低到0.98 MPa 时，CO₂气体中含水量迅速增加，不能继续使用。

焊接用CO₂气体的纯度应大于99.5%，其含水量不超过0.05%。如果纯度不够，可采取以下措施∶

（1）将CO₂钢瓶倒置1~2 h，使水分下沉，每隔30 min 左右放水一次，放2～3 次，然后将钢瓶放正。

（2）更换新气时，先放气2~3 min，以排出混入瓶内的空气和水分。

当在通风不良或狭窄空间的焊接场所进行CO₂气体保护焊时，必须加强通风措施，以免因现场CO₂浓度超过国家规定的允许浓度（30 mg/m²），而影响焊工身体健康。

2.焊丝

为了保证焊缝金属有良好的力学性能，并防止焊缝产生气孔，CO₂焊所用的焊丝必须比母材含有更多的Mn 和Si 等脱氧元素。此外，为减少飞溅、焊丝含碳量必须限制在0.10%以下。CO₂焊常用的焊丝有实芯焊丝和药芯焊丝2种。

（1）实芯焊丝型号及规格 《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》（GB/T 8110— 2008）规定，焊丝型号中"ER"表示焊丝;ER后面的2位数字表示熔敷金属抗拉强度最低值;短线"—"后面的字母或数字表示焊丝化学成分分类代号，如果还附加其他化学成分时，直接用元素符号表示，并以短线"—"与前面数字分开。实芯焊丝型号示例如图5—10所示。 

（2）药芯焊丝型号和牌号

1）药芯焊丝型号 药芯焊丝由金属外皮和芯部药粉2 部分构成。《碳钢药芯焊丝》（GB/T10045—2001）中规定，碳钢药芯焊丝型号是根据熔敷金属力学性能、焊接位置及焊丝类别特点（包括保护类型、电流类型、渣系特点）进行划分的。

药芯焊丝型号表示方法为E×××T—×ML。字母"E"表示焊丝。字母"E"后面的前2个符号用数字表示，为熔敷金属抗拉强度的最低值。字母"E"后面的第三个符号用数字表示，代表推荐的焊接位置，"0"表示平焊和横焊位置，"1"表示全位置。字母"r"表示药芯焊丝。短线"—"后面的第一位符号用数字表示，代表焊丝类别特点。短线后面第二位用字母表示，字母"M"表示保护气体为氩气含量为75%～80%的Ar＋CO₂的混合气体;当无字母"M"时。表示保护气体为二氧化碳或自保护类型。短线后面第三位用字母表示，字母"L"表示焊丝熔敷金属的冲击性能在-40℃时，其V形缺口冲击功不小于27J;无字母"工"时。表示焊丝熔敷金属的冲击性能符合一般要求。药芯焊丝型号示例如图5—11所示。

2）药芯焊丝牌号 药芯焊丝牌号以字母"Y"表示药芯焊丝。字母"Y"后面的第一位字母表示用途或钢种类别，"J"代表结构钢，"R"代表合金耐热钢，"D"代表堆焊"G"代表不锈钢，"A"代表奥氏体不锈钢。后面的第一、第二数字表示熔敷金属抗拉强度的最低值，单位MPa。第三位数字表示药芯类型及电源种类（与电焊条相同）。第四位数字（位于短线后） 代表保护形式。1 代表气体保护，2 代表自保护，3 代表气体保护与自保护两用，4 代表其他保护形式。药芯焊丝牌号示例如图5—12 所示。

药芯焊丝是将含有脱氧剂、稳弧剂和其他成分的粉末放在钢带上经包卷后拉拔而成。与实芯焊丝相比，药芯焊丝较软且刚性差，因而对送丝机构要求较高。药芯焊丝截面形状有O形、梅花形、E 形、T形、中间填丝形，如图5—13 所示。药粉的成分与焊条的药皮类似。目前，国产的CO2气体保护焊药芯焊丝多为钛型药粉焊丝，按照其直径划分规格，有φ1.2、φ2.0、φ2.4、φ2.8、φ3.2mm 等几种。