熔化极气体保护电弧用的焊丝直径

四、二氧化碳气体保护焊

二氧化碳(CO₂)气体保护焊是以二氧化碳作为保护气体，依靠焊丝与焊件之间产生的电弧来熔化焊丝和焊件金属的一种熔化极焊接方法。

图8－38　二氧化碳气体保护焊焊接装置

1．直流电焊机　2．控制箱　3．送丝机构　4．二氧化碳气瓶　5．干燥器　6．加温装置　7．流量计　8．焊枪　9．焊件

1．CO₂焊接过程

二氧化碳气体保护焊的焊接装置如图8－38所示。焊丝由送丝机构通过软管经导嘴送出，二氧化碳气体从喷嘴中以一定流量喷出，电弧引燃后，连续进给的焊丝末端、电弧及熔池被二氧化碳气流所保护，防止空气对熔化金属的有害作用，从而提高焊缝的质量。

二氧化碳气体保护焊的主要优点是成本低，容易观察焊缝成型，可以用于各种位置的焊接。其缺点是熔化金属飞溅严重，烟雾较大，焊缝成型差。

由于CO₂气体的热物理性能的特殊影响，使用常规电源时，焊丝端头熔化金属不可能形成平稳的轴向自由过渡，通常需要采用短路过渡形式。由于焊接过程不断发生熔滴短路和熔滴缩颈爆断，因此，与其他焊接方法比，飞溅较多。但是如果采用优质焊机，参数合适，可以得到稳定的焊接过程，使飞溅降低到最小的程度。CO₂气体保护焊所用的气体价格较低，采用短路过渡时焊缝成型良好，使用含有脱氧剂的焊丝可获得高质量的焊接接头，因此，该焊接方法被广泛应用。

2．CO₂气体保护电弧焊工艺

(1)保护气体。

CO₂气体是无色有酸味的气体，比空气重，常温下，CO₂气体加压至5～7MPa时变成液体，常温下的液态CO₂比水轻。

CO₂有三种状态:固态、液态和气态。不加压力直接冷却时，CO₂气体可直接由气态变成固态，称为干冰。温度升高时，干冰升华直接变成气体。干冰升华时产生的CO₂气体中含有大量的水分，不能用来焊接，为了保证焊接质量，使用时一般要对CO₂气体进行处理。储存和运输CO₂气体的装置主要是CO₂气瓶。规定CO₂气瓶主体喷成黑色，用黄漆标明“二氧化碳”字样。CO₂气体的纯度对焊接质量的影响很大，随着CO₂气体中水分的增加，焊缝金属中的扩散氢含量也增加，容易出现气孔，焊缝的塑性变差。我国规定焊接用CO₂气体的纯度不低于99.5%。

CO₂气体中水分的排除方法如下。

①当气瓶中的液态CO₂用完后，气体的压力将随着气体的消耗而下降，气体里的水分增加，当气瓶内气体压力降到1MPa时，应停止使用。

②使用前，将新灌的气瓶倒置1～2h后，打开阀门，排除沉积在下面的自由状态的水，每隔半小时放一次，需放2～3次。然后将气瓶正立，开始使用。

③更换新的气体时，先放气2～3min，以排除装瓶时混入的空气和水分。必要时可在气路中设置高压干燥器和低压干燥器。

(2)焊丝。

采用CO₂气体保护焊时，CO₂气体在电弧的高温区分解为一氧化碳并放出氧气，氧化作用较强，容易产生气孔、飞溅及合金元素的烧损。为了防止气孔、减少飞溅和保证焊缝的力学性能，要求焊丝中要有足够的合金元素。一般在CO₂气体保护焊的焊丝中，填加一定量的硅和锰联合脱氧，硅和锰的氧化物形成硅酸锰盐，它的密度小，容易从熔池中浮出，不会产生夹渣。

焊丝表面的清洁程度直接影响焊缝金属中的含氢量，因此，在焊接前应采取必要的措施，清除掉焊丝表面的水分和污物。

H08Mn2SiA焊丝目前在CO₂气体保护焊中应用比较广泛，具有较好的工艺性能、力学性能和抗裂纹能力，适于焊接低碳钢、屈服强度小于500MPa的低合金钢及部分低合金高强钢。

(3)CO₂气体保护焊的熔滴过渡。

CO₂气体保护焊时，焊丝的熔化和熔滴过渡是在CO₂气体中进行的，CO₂气体在电弧热的作用下将发生分解，该反应是吸热反应，它对电弧有较强的冷却作用，所以，对焊丝金属的过渡特点产生很大的影响。电弧燃烧的稳定性和焊缝成型的好坏取决于熔滴过渡的形式。根据焊丝直径和焊接电流的不同，熔滴过渡形式也不同。实际生产中常用的熔滴过渡形式有短路过渡、颗粒过渡两种形式，见图8－39。

①短路过渡。焊丝端部的熔滴与熔池短路接触，在温度和电磁力的作用下使熔滴爆断，直接向熔池过渡的形式称为短路过渡。短路过渡是由于电流较小，电弧电压很低，电弧长度小于熔滴直径而形成的。

图8－39　CO₂气体保护焊熔滴过渡形式

短路过渡时，熔滴越小，过渡越快，焊接过程越稳定。即当电弧电压合适时，短路频率越高，焊接过程越稳定。

②颗粒过渡。当焊接电流较大、电弧电压较高时，会发生颗粒过渡。影响颗粒过渡的主要因素是焊接电流，随着焊接电流的增加，熔滴体积渐减小，过渡频率增加。

当电弧电压较高、弧长较大而焊接电流较小时，焊丝端部形成的熔滴很不稳定地落入熔池中，这种过渡形式称大颗粒过渡。

大颗粒过渡时，焊接过程很不稳定，飞溅较多，焊缝成型不好，实际焊接时应尽量避免。

(4)CO₂气体保护焊焊接工艺参数。

正确选择焊接工艺参数，是保证焊接质量、提高生产效率的重要条件。CO₂气体保护焊的工艺参数主要包括焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝伸出长度、气体流量、电源极性等。

①CO₂气体保护焊焊丝直径的范围较窄，一般在0.4～1.6mm之间。φ1.0mm以下的焊丝使用的电流范围较窄，通常熔滴过渡以短路过渡为主，很少采用颗粒过渡;而较粗焊丝使用的电流范围较宽，φ1.2～1.6mm的焊丝可采用短路过渡和颗粒过渡;φ2.0mm以上的粗焊丝基本上为颗粒过渡。

焊丝直径主要根据工件的厚度、焊接位置以及效率等要求来选择。焊丝直径的选择见表8－31。

表8－31　焊丝直径的选择

焊丝直径对焊丝的熔化速度影响较大，当焊接电流一定时，焊丝越细，熔化速度越快，同时熔深也增加。

②焊接电流是重要的焊接工艺参数。焊接电流的大小主要取决于送丝速度，送丝速度增加，焊接电流也随之增加。此外，焊接电流的大小还与电源极性、焊丝伸出长度、气体成分及焊丝直径有关。

焊接电流对焊缝熔深的影响最大。当焊接电流在60～250A范围内，以短路过渡形式焊接时，焊接飞溅较小，焊缝熔深较浅，一般在1～2mm。当焊接电流达300A以上时，熔深开始明显增大，随着焊接电流的增加，熔深也增加。焊接电流主要根据工件厚度、焊丝直径及焊接位置来选择。每种焊丝直径都有一个合适的焊接电流范围，只有在这个范围内焊接过程才能够稳定地进行。焊丝直径与焊接电流的关系见表8－32。

表8－32　焊丝直径与焊接电流

③电弧电压是一个重要的焊接参数，它的大小直接影响焊接过程的稳定性、熔滴过渡特点、焊缝成型以及焊接飞溅和冶金反应等。短路过渡时弧长较短，并带有均匀密集的短路声。随着电弧电压增加，弧长也增加，这时，电弧的短路声不规则，同时飞溅明显增加。进一步增加电弧电压，一直可达到无短路过程。相反，随着电弧电压降低，弧长变短，出现较强的爆破声，可以引起焊丝与熔池固体短路。

短路过渡CO₂焊时，焊接电流与电弧电压的关系见表8－33。

表8－33　短路过渡CO₂焊时焊接电流与电弧电压的关系

电弧电压对焊缝成型的影响也十分明显。电弧电压升高时，熔深变浅，熔宽明显增加，余高减小，焊缝表面平坦。相反，电弧电压低时，熔深变大，焊缝表面窄而高。

④在焊接电流和电弧电压一定的情况下，焊接速度增加时，焊缝的熔深、熔宽和余高均减小。如果速度过快，容易出现咬边及未熔合现象;速度减小时，焊道变宽，增加变形量，降低效率。一般半自动焊接时，焊接速度在20～60cm/min之间比较合适。

⑤焊丝伸出长度是导电嘴到工件之间的距离，焊接过程中，保证合适的焊丝伸出长度是保证焊接过程稳定的重要因素之一。

由于CO₂气体保护焊的电流密度较高，当送丝速度不变时，如果焊丝伸出长度增加，焊丝的预热作用较强，焊丝熔化的速度较快，电弧电压升高，焊接电流减小，造成熔池温度降低，热量不足，容易引起未焊透等缺陷;同时，电弧的保护效果变坏，焊缝成型不好，熔深较浅，飞溅较多。

当焊丝伸出长度减小时，焊丝的预热作用减小，熔深较大，飞溅少。如果焊丝伸出长度过小，影响观察电弧，导电嘴容易过热烧坏，不利于操作。

焊丝的伸出长度对焊缝成型的影响见图8－40。

图8－40　焊丝伸出长度对焊缝成型的影响

⑥保护气体流量不但影响焊接冶金过程，同时对焊缝的形状与尺寸也有显著的影响。正常焊接情况下，保护气体流量与焊接电流有关，一般在200A以下焊接时为10～15L/min，在200A以上焊接时为15～25L/min。保护气体流量过大和过小都会影响保护效果。

影响保护效果的另一个因素是焊接区附近的风速，在风的作用下，保护气流被吹散，使电弧、熔池及焊丝端头暴露于空气中，破坏保护。实践证明，当风速＞2m/s时，焊缝中的气孔将明显增加。

⑦CO₂气体保护焊时一般都采用直流反极性。此时焊接过程稳定，飞溅较小。直流正接时，在相同的焊接电流下，焊丝熔化速度大大提高，约为反接时的1.6倍，而熔深较浅，焊缝余高很大，飞溅增多。

(5)基本操作技术。

①焊枪操作的基本要领。在焊接过程中，保持一定的焊枪角度和喷嘴到工件的距离，并能清楚地观察熔池。同时还要注意焊枪移动的速度要均匀，焊枪对准坡口的中心线等。通常情况下，焊工可根据焊接电流的大小、熔池形状、装配情况等适当调整焊枪的角度和移动速度。

②引弧、收弧及接头。引弧时，首先要将焊枪喷嘴和工件保持正常焊接时的距离，使焊丝伸出一定的长度，该长度要小于喷嘴与工件间的距离。然后按焊枪开关，焊机自动提前送气，然后供电和送丝，当焊丝与工件接触短路时，自动引燃电弧。在短路时，焊丝对焊枪有一反作用力，将焊枪向上推起。因此，引弧时要握紧焊枪，保证喷嘴与工件间的距离。

CO₂气体保护焊在收弧时与手工电弧焊不同，不要向手工电弧焊那样习惯地把焊枪抬起，这样会破坏对熔池的有效保护，容易产生气孔等缺陷。正确的操作方法是在焊接结束时，松开焊枪开关，保持焊枪到工件的距离不变，一般CO₂气体保护焊有弧坑控制电路，此时焊接电流与电弧电压自动变小，待弧坑填满后，电弧熄灭。电弧熄灭时，也不要马上抬起焊枪，因为控制电路仍保持延迟送气一段时间，保证熔池凝固时得到很好的保护，等送气结束时，再移开焊枪。