气体保护电弧焊

基础知识

CO2气体保护电弧焊又可称为CO2气体保护焊（简称CO2焊），是在20世纪50年代出现的一种熔焊方法。它是利用CO2气体作为保护介质的电弧焊接方法。在我国，从1964年开始批量生产CO2气体保护焊机，并且推广用以生产。之所以如此，主要是因为CO2焊比其他电弧焊方法有更大的适应性、更高的效率、更好的经济性以及更容易获得优质的焊接接头，CO2气体保护电弧焊设备如图8-4所示。

图8-4  CO2气体保护焊设备

CO2气体保护焊的原理如图8-5所示。

图8-5  CO2气体保护焊焊接过程示意图

电源的两输出端分别接在焊枪和焊件上。盘状焊丝由送丝滚轮带动，经软管和导电嘴不断地向电弧区域送给；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，使熔池和电弧不受气体的侵入。随着焊枪的移动，熔池金属冷却凝固形成焊缝，从而将被焊的焊件连成一体。这就是CO2气体保护焊的工作原理。

任务实施

一、CO2气体保护电弧焊的特点

1.CO2气体保护焊的优点

（1）高效节能。

（2）生产效率高。

（3）焊接变形小。

（4）抗锈能力强。

（5）成本低。

（6）易实现自动化。

CO2气体保护焊与焊条电弧焊及埋弧焊相比，也存在一些不足之处。

2.CO2气体保护焊的缺点

（1）焊接过程中金属飞溅较多，焊缝外形较为粗糙，特别是当焊接参数匹配不当时，飞溅就更严重。

（2）不能焊接易氧化的金属材料，且不适于在有风的地方施焊。

（3）焊接过程弧光较强，尤其是采用大电流焊接时，电弧的辐射较强，故要特别重视对操作人员的劳动保护。

（4）设备比较复杂，需要有专业人员负责维修。

二、CO2气体保护电弧焊的分类

CO2气体保护焊通常是按采用的焊丝直径来分类，详见表8-2。

8-2 焊接电流与其他焊接条件的关系

三、CO2气体保护电弧焊的冶金特点

在常温下，CO2气体的化学性能呈中性，但是在焊接过程中，由于CO2气体处在电弧高温下，CO2气体被分解而呈现很强的氧化性，这就会使得合金元素氧化烧损，从而会降低焊缝金属的力学性能。不仅如此，这种性质也是产生气孔和飞溅的根源。所以，CO2焊的冶金特点具有特殊性。

1.合金元素的氧化与脱氧

（1）CO2气体保护的氧化性 在CO2气体保护焊中，CO2是保护气体，它在高温时要分解，具有强烈的氧化作用，会使合金元素损伤。同时，氧化性也是CO2气体保护焊产生气孔和飞溅的一个重要原因。

CO2气体在电弧的高温作用下进行分解，会生成CO和O2，上述的三种气体往往同时存在。随着温度的升高，CO2气体的分解也就越来越激烈。CO2气体热分解时气体的平衡成分与温度的关系如图8-6所示。

图8-6  CO2气体热分解时气体的平衡成分与温度的关系

在这三种气体当中，CO气体在焊接条件下不溶于金属，也不与金属发生作用。但是CO2和O2却能与铁和其他合金元素发生化学反应而使金属烧损。

焊接时，尽管作用的时间很短，但液体金属与气体相互作用也能发生强烈的化学反应。这是因为焊接区域处于高温，且气体与金属有较大的比接触表面积（单位体积的金属与气体所具有的接触表面积），尤其是焊丝端头的熔滴的比接触表面积更大，增加了合金元素的氧化烧损。

焊接区域中的温度是极不均匀的，所以，在其中不同位置将发生不同的冶金反应。

在各种冶金反应中，CO2及其在高温下分解出的O2都具有很强的氧化性。随着温度的升高，氧化性增强。

因此，在CO2气体保护焊时，为了防止大量生成Fe O和合金元素的损伤，避免焊缝金属产生气孔和降低力学性能，通常要在焊丝中加入足够数量的脱氧元素。

（2）CO2气体保护焊的脱氧措施 CO2气体保护焊通常的脱氧方法是采用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，因为锰和硅脱氧后生成的Mn O和Si O2能形成复合物浮出熔池，形成一层微薄的渣壳覆盖在焊缝表面。

2.CO2气体保护焊的气孔问题

焊缝金属中产生气孔的根本原因是熔池金属中的气体在冷却结晶过程中来不及逸出造成的。CO2气体保护焊时，熔池表面没有熔渣覆盖，CO2气流又有冷却作用，因此，结晶较快，容易在焊缝中产生气孔。CO2气体保护焊可能产生的气孔有以下三种：

（1）一氧化碳气孔 当焊丝中脱氧元素不足，使大量的Fe O不能还原而溶于金属中，若所生成的CO气体来不及逸出，就会在焊缝中形成气孔。

（2）氢气孔 氢的来源主要是焊丝、焊件表面的铁锈、水分、油污，以及CO2气体中含有的水分（表8-3）。如果熔池金属溶入大量的氢，就可能形成氢气孔。

表8-3 CO2气体中水分与焊缝金属含氢量的关系

为了防止氢气孔的产生，应尽量减少氢的来源，焊前要适当清除焊丝和焊件表面的杂质，并对CO2气体进行提纯与干燥处理。此外，由于CO2气体保护焊的保护气体氧化性很强，可减弱氢的不利影响，所以CO2气体保护焊时形成氢气孔的可能性较小。

（3）氮气孔 当CO2气流的保护效果不好，以及CO2气体纯度不高，含有一定量的空气时，空气中的氮就会大量溶入熔池金属内。当熔池金属结晶凝固时，若氮来不及从熔池中逸出，便形成氮气孔。

这里需要指出的是，CO2气体保护焊最常发生的是氮气孔，这是因为空气中含量最高的就是氮气，而且氮气主要来源于空气。所以必须加强CO2气流的保护效果，这是防止CO2气体保护焊的焊缝中产生气孔的重要途径。

拓展提高

一、CO2气体保护焊的熔滴过渡

CO2气体保护焊熔滴过渡主要有两种形式：短路过渡和滴状过渡。

1.CO2气体保护焊的短路过渡

CO2气体保护焊在采用细焊丝、小电流和低电弧电压焊接时，就会发生短路过渡，如图8-7所示。

图8-7  短路过渡过程及焊接电流、电弧电压波形图

2.CO2气体保护焊的滴状过渡

CO2气体保护焊在采用粗焊丝、较大电流和较高电压时，会出现滴状过渡，如图8-8所示。

图8-8  非轴向方向颗粒过渡示意图

二、CO2气体保护焊的飞溅问题

金属飞溅是CO2气体保护焊的主要缺点。根据人们对飞溅产生机理的认识和实践经验，认为CO2气体保护焊产生飞溅有以下几个原因：

（1）由冶金反应引起的飞溅。

（2）由斑点压力引起的飞溅。

（3）熔滴短路时引起的飞溅。

（4）非轴向颗粒过渡造成的飞溅。

（5）焊接参数选择不当引起的飞溅。

减少CO2气体保护焊金属飞溅的措施有以下几点：

（1）正确选择焊接参数。

（2）注意调整焊枪角度。

（3）在CO2中加入Ar。

（4）短路过渡时，限制金属液桥爆断的能量。

（5）采用低飞溅率焊丝。