二氧化碳一些基礎知識
該文為一些機械企業基礎資料
一、二氧化碳氣體保護焊發展動態
CO2氣體保護焊是上世紀50年代發展起來的一種新的焊接技術。半個世紀來，它已發展成為一種重要的熔焊方法。廣泛應用於汽車工業，工程機械製造業，造船業，機車製造業，電梯製造業，鍋爐壓力容器製造業，各種金屬結構和金屬加工機械的生產。
MIG（Ar保護氣）氣體保護焊焊接質量好，成本低，操作簡便，取代大部分手工電弧焊和埋弧焊，已成定局。二氧化碳氣體保護焊裝在機器手或機器人上很容易實現數控焊接，將成為二十一世紀初的主要焊接方法。
目前二氧化碳氣體保護焊，使用的保護氣體，分CO2和CO2+Ar兩種。使用的焊絲主要是錳硅合金焊絲，超低碳合金焊絲及葯芯焊絲。焊絲主要規格有：0.5 0.8 0.9 1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0 4.0等。
Advertisements
二、二氧化碳氣體保護焊特點
1．焊接成本低——其成本只有埋弧焊和手工電弧焊的40~50%。
2．生產效率高——其生產率是手工電弧焊的1~4倍。
3．操作簡便——明弧，對工件厚度不限，可進行全位置焊接而且可以向下焊接。
4．焊縫抗裂性能高——焊縫低氫且含氮量也較少。
5．焊后變形較小——角變形為千分之五，不平度只有千分之三。
6．焊接飛濺小——當採用超低碳合金焊絲或葯芯焊絲，或在CO2中加入Ar，都可以降低焊接飛濺。
三、二氧化碳氣體保護焊焊接材料
（一）CO2氣體
1．CO2氣體的性質
純CO2氣體是無色，略帶有酸味的氣體。密度為本1.97kg/m3，比空氣重。在常溫下把CO2氣體加壓至5~7Mpa時變為液體。常溫下液態CO2比較輕。在0℃，0.1Mpa時，1kg的液態CO2可產生509L的CO2氣體。
Advertisements
2．瓶裝CO2氣體
採用40L標準鋼瓶，可灌入25kg液態的CO2，約佔鋼瓶的80%，基餘20%的空間充滿了CO2氣體。在0℃時保飽和氣壓為3.63Mpa；20℃時保飽和氣壓為5.72Mpa；30℃時保飽和氣壓為7.48 Mpa，因此，CO2氣瓶要防止烈日暴晒或靠近熱源，以免發生爆炸。
3．CO2氣體純度對焊接質量的影響
CO2氣體純度對焊縫金屬的緻密性和塑性有很大影響。CO2氣體中的主要雜質是H2O和N2，其中H2O的危害較大，易產生H氣孔，甚至產生冷裂縫。焊接用CO2氣體純度不應低於99.8%（體積法），其含水量小於0.005%（重量法）。
4．混合氣體
一般混合氣體是在Ar氣（無色、無味、密度為1.78kg/m3）中加入20%左右的CO2氣體製成，主要用來焊接重要的低合金強度鋼。
（二）焊絲
1．實心焊絲
為了防止氣孔，減少飛濺和保證焊縫具有一定的力學性能，要求焊絲中含有足夠的合金元素，一般採用限制含碳量（0.1%以下），硅錳聯合脫氧。焊絲直徑常用的有： φ1.0mm φ1.2mm φ1.6mm，焊絲直徑允許偏差（+0.01，-0.04）。2．葯芯焊絲
葯芯焊絲用薄鋼帶捲成圓形管，其中填入一些成分的藥粉，以拉制而成的焊絲。採用葯芯焊絲焊接，形成氣渣聯合保護，焊縫成形好，焊接飛濺小。
四、二氧化碳氣體保護焊的保護效果
（一）二氧化碳氣體保護焊的保護效果
CO2氣體保焊是利用CO2氣體作為保護氣體的一種電弧焊。CO2氣體本身是一種活性氣體，它的保護作用主要是使焊接區與空氣隔離，防止空氣中的氮氣對熔池金屬的有害作用，因為一旦焊縫金屬被氮化和氧化，設法脫氧是很容易實現的，而要脫氮就很困難。CO2氣體保焊在CO2保護下能很好地排除氮氣。在電弧的高溫作用下（5000K以上），CO2氣體全部分解成CO+ O，可使保護氣體增加一倍。同時由於分解吸熱的作用，使電弧因受到冷卻的作用而產生收縮，弧柱面積縮小，所以保護效果非常好。
（二）二氧化碳氣體保護焊的冶金特點
CO2氣保焊時，合金元素的燒損，焊縫中的氣孔和焊接時的飛濺，這三方面是CO2氣保焊的主要問題，而這些問題都與電弧氣氛的氧化性有關。因為只有當電弧溫度在5000K以上時，CO2氣體才能完全分解，但在一般的CO2氣保焊電弧氣氛中，往往只有40-60%左右的CO2氣體完全分解，所以在電弧氣氛中同時存在CO2、CO和O氣氛對熔池金屬有嚴重的氧化作用。
1．合金元素的氧化問題
（1） 合金元素的氧化
CO2氣體和O對金屬的氧化作用，主要有以下幾種形式：
Fe+ CO2=FeO+CO
Si+2CO2=SiO2+2CO
Mn+ CO2=MnO+CO
Fe+O=FeO
Si+2O=SiO2
Mn+O=MnO
這些氧化反應既發生在熔滴中，也發生於深池中。氧化反應的程度取決於合金元素的濃度和對氧的親和力的大小，由於鐵的濃度最大，固鐵的氧化最強烈，Si、Mn、C的濃度雖然較低但與氧的親和力比鐵大，所以大部分數量被氧化。
以上氧化反應的產物SiO2、MnO結合成為熔點較低的硅酸鹽熔渣，浮於熔池上面，使熔池金屬受到良好的保護。反應生成的CO氣體，從熔池中逸到空氣中，不會引起焊縫氣孔，只是使焊縫中的Si、Mn元素燒損。在CO2氣保焊中，與氧親和力較弱的元素Ni、Cr、Mo其過渡係數最高，燒損最少。與氧親和力較大的元素Si和Mn，其過渡係數較低，因為它們當中有相當數量用於脫氧。而與氧的親和力最大的元素Al、Ti、Nb的過渡係數更低，燒損比Si、Mn還要多。
反應生成的FeO將繼續與C作用產生CO氣體，如果此時氣體不能析出熔池，則在焊縫中生成CO氣孔。反應生成的CO氣體在電弧高溫下急劇膨脹，使熔滴爆破而引起金屬飛濺，因此必須採取措施，盡量減少鐵的氧化。
（2）脫氧措施
由上述合金元素的氧化情況可知，Si、Mn元素的氧化結果能生成硅酸鹽熔渣，因此在CO2氣保焊中的脫氧措施主要是在焊絲或葯芯的葯中加Si、Mn作為脫氧劑。有時加入一些Al、Ti，但是Al加入太多會降低金屬的抗熱裂紋能力，而Ti極易氧化，不能單獨作為脫氧劑。利用Si、Mn聯合脫氧時，對Si、Mn的含量有一定的比例要求。Si過高也會降低抗熱裂紋能力，Mn過高會使焊縫金屬的抗衝擊值下降，一般控制焊絲含Si量為1%左右，含Mn量為1-2%左右。
2．氣孔問題
（1）CO氣孔
CO2氣保焊時，由於熔池受到CO2氣流的冷卻，使熔池金屬凝固較快，若冶金反應生成的CO氣體是發生在熔池快凝固的時候，則很容易生成CO氣孔，但是只要焊絲選擇合理，產生CO氣孔的可能性很小。
（2）N2氣孔
當氣體保護效果不好時，如氣體流量太小；保護氣不純；噴嘴被堵塞；或室外焊接時遇風；使氣體保護受到破壞，大量空氣侵入熔池，將引起N2氣孔。
（3）H2氣孔
CO2氣體保護焊產生H2氣孔的機率不大，因為CO2氣體本身具有一定的氧化性，可以制止氫的有害作用，所以CO2氣保焊時對鐵鏽和水分沒有埋弧焊和氬弧焊那樣敏感，但是如果焊件表面的油污以及水分太多，則在電弧的高溫作用下，將會分解出H2，當H2量超過CO2氣保焊時氧化性對氫的抑制作用時，將仍然產生H2氣孔。
為了防止H2氣孔的產生，焊絲和焊件表面必須去除油污、水分、鐵鏽，CO2氣體要經過乾燥，以減少氫的來源。
3．CO2氣保焊的飛濺問題
（1）飛濺產生的原因
由於焊絲和工件中都含有碳，CO2氣保焊電弧氣氛氧化性強，熔滴中發生 FeO+ C=Fe+CO↑，熔滴爆炸，產生飛濺。
另一個原因是CO2氣保焊細絲（Φ1.6mm以下）焊時，一般採用短路過渡焊接，當電弧短路期間，電弧空間逐漸冷卻，當電弧再次引燃時，電流較大，電弧熱量突然增大，較冷的氣體瞬間產生體積膨脹而引起較大的衝動功，由此引起較大的飛濺。
另外當焊機的動特性不太好時，短路電流的增長速度太慢，使熔滴過渡頻率降低，短路時間增長，焊絲伸出部分在電阻熱的作用下，會發紅軟化，形成大顆粒成段斷落，爆斷，使電弧熄滅，造成焊接過程不穩。短路電流增長太快時，一發生短路，熔滴立即爆炸，產生大量的飛濺。
（2）減少飛濺的措施
① 採用活化處理過的焊絲可以細化金屬熔滴減少飛濺，改善焊縫的成形。所謂活化處理就是在焊絲表面塗一層薄的鹼土金屬或稀土金屬的化合物來提高焊絲髮射電子的能力，最常用的活化劑是銫（Cs）的鹽類如CsCO3，如稍加一些K2CO3、Na2CO3，則效果更顯著。
② 限制焊絲中的含碳量在0.08–0.11%範圍內，為此可選用超低碳焊絲，如HO4Mn2SiTiA。
③ 必要時選用藥芯焊絲，使熔滴表面有熔渣覆蓋，可減少飛濺，使焊縫成形美觀。
④ 在CO2氣體中加入少量的Ar氣，改善電弧的熱特性和氧化性，減少飛濺。
⑤ 採用直流反接，使焊絲端部的極點壓力較小。
⑥ 選擇最佳的焊接規範，焊接電流、焊接電壓不要過大或過小。
⑦ 選擇最佳的電感值，CO2氣體保護焊時電流的增長速度與電感有關，即：
di/dt=（U0-iR）/L
式中：U0——電源的空載電壓 I——瞬間電流
R——焊接迴路中的電阻 L——焊接迴路中的電感
由此可知電感越大，短路電流的增大速度di/dt越小。當焊接迴路中的電感值在0~0.2毫亨範圍內變化時，對短路電流上升速度的影響特別顯著。
一般在用細絲CO2氣體保護焊時，由於細焊絲的熔化速度比較快，熔滴過渡的周期短，因此需要較快的電流增長速度，電感應該選小些。相反，粗焊絲的熔化速度較慢，熔滴過渡的周期長，則要求電流增長速度慢些，所以應該選較大的電感值。
⑧ 在噴嘴上塗一層硅油或防堵劑，可以有效的防止噴嘴堵塞。使用焊接飛濺清除劑，噴塗在工件上，可以阻止飛濺物與母材直接接觸，飛濺物用鋼絲刷輕輕一刷就能把飛濺物清除。
五、二氧化碳氣體保護焊熔滴過渡形式
1．短路過渡
細絲CO2氣體保護焊（Φ小於1.6mm）焊接過程中，因焊絲端部熔滴個非常大，與熔池接觸發生短路，從而使熔滴過渡到熔池形成焊縫。短路過渡是一個燃弧、短路（息弧）、燃弧的連續循環過程，焊接熱源主要由電弧熱和電阻熱兩部分組成。短路過渡的頻率由焊接電流、焊接電壓控制，其特徵是小電流、低電壓、焊縫熔深大，焊接過程中飛濺較大。短路過渡主要用於細絲CO2氣體保護焊，薄板、中厚板的全位置焊接。
2．顆粒狀過渡
粗絲CO2氣體保護焊（Φ大於1.6mm）焊接過程中，焊絲端部熔滴個較小，一滴一滴，過渡到熔池不發生短路現象，電弧連續燃燒，焊接熱源主要是電弧熱。其特徵是大電流、高電壓、焊接速度快。顆粒狀過渡，主要用於粗絲CO2氣體保護焊，中厚板的水平位置焊接。
3．射流過渡
當粗絲CO2氣體保護焊或採用混合氣體保護細絲焊，焊接電流大到超過臨界電流值，焊接時，焊絲端部呈針狀，在電磁收縮力、電弧吹力等作用下，熔滴呈霧狀噴入熔池，焊接過程中飛濺很小，焊縫熔深大，成形美觀。射流過渡主要用於中厚板，帶襯板或帶襯墊的水平位置焊接。
六、二氧化碳氣體保護焊短路過渡時焊接規範參數的選擇
（一）短路過渡時焊接規範參數
1．電源極性
應採用直流反接焊接，因為直流反接時熔深大，飛濺小，焊縫成形好，電弧穩定，且焊縫金屬含氫量最低。
2．氣體流量
氣體流量直接影響焊接質量，氣體流量太大或太小，都會造成成形差，飛濺大，產生氣孔。一般經驗公式是，數量為焊絲直徑的十倍，即Φ1.2mm焊絲選擇12L/min。當採用大電流快速焊接，或室外焊接及仰焊時，應適當提高氣體流量。
3．焊絲伸出長度
焊絲伸出長度與電流有關，電流越大，焊絲伸出長度太長時，焊絲的電阻熱越大，焊絲熔化速度加快，易造成成段焊絲熔斷，飛濺嚴重焊接過程不穩定。焊絲伸出長度太短時，容易使飛濺物堵住噴嘴，有時飛濺物熔化到熔池中，造成焊縫成形差。一般經驗公式是，伸出長度為焊絲直徑的十倍，既Φ1.2mm焊絲選擇伸出長度為12 mm左右。
4．焊接電流
應根據母材厚度，接頭形式以及焊絲直徑等，正確選擇焊接電流。短路過渡時，在保證焊透的前提下，盡量選擇小電流，因為當電流太大時，易造成熔池翻滾，不僅飛濺大，成形也非常差。
5．焊接電壓
焊接電壓必須與焊接電流形成良好的配合。焊接電壓過高或過低都會造成飛濺，焊接電壓應伴隨焊接電流增大而提高，伴隨焊接電流減小而降低，最佳的焊接電壓一般在1~2伏之間，所以焊接電壓應細心調試。
6．焊接速度
焊接速度對焊縫內部與外觀的質量都有重要影響。當焊接速度增加時，將焊縫熔寬、熔深和堆積高度都相應降低。當焊接速度過快時，會使氣體保護的作用受到破壞，易使焊縫產生氣孔。同時焊縫的冷卻速度也會相應提高，因而降低了焊縫金屬的塑性和韌性，並會使焊縫中間出現一條棱，造成成形不良。當焊接速度過慢時，熔池變大，焊縫變寬，易因過熱造成焊縫金屬組織粗大或燒穿。因此焊接速度應根據焊縫內部與外觀的質量選擇。
7．噴嘴與工件的角度
無論是自動焊還是半自動焊，當噴嘴與工件垂直時，飛濺都很大，電弧不穩。其主要原因是運弧時產生空氣阻力，使保護氣流後偏吹。為了避免這種情況的出現，可將噴嘴后傾10°-15°，既可保證焊縫成形良好，焊接過程穩定。
8．焊法
一般採用左向焊法焊接，焊縫成形好，飛濺小，便於觀察熔池，焊接過程穩定。當採用右向焊法焊接時，飛濺大，焊縫成形差，焊接過程不穩定。
（二）短路過渡時最佳焊接規範的調整
1．短路過渡時最佳規範的主要特徵
① 焊縫成形好。
② 焊接過程穩定，飛濺小。
③ 焊接時聽到沙、沙的聲音。
④ 焊接時看到焊機的電流表、電壓表的指針穩定，擺動小。
2．短路過渡時最佳焊接規範的調整步驟
① 根據工件厚度，焊縫位置，選擇焊絲直徑，氣體流量，焊接電流。
② 在試板上試焊，根據選擇的焊接電流，細心調整焊接電壓。
③ 根據試板上焊縫成形情況，適當調整焊接電流，焊接電壓，氣體流量，達到最佳焊接規範。
④ 在工件上正式焊接過程中，應注意焊接迴路，接觸電阻引起的電壓降低，及時調整焊接電壓，確保焊接過程穩定。