CO2气体保护焊培训教1

第一章CO2气体保护电弧焊

CO2气体保护焊是一种先进的焊接方法，它具有焊接质量好、效率高、成本低，易于实现过程自动化等一系列优点。近年来，它在国内外焊接领域中发展很快，实际生产中的应用日趋广泛，已成为一种重要的弧焊方法。

第一节 CO2气体保护电弧焊特点及应用

CO2气体保护焊是采用CO2气体作为保护介质的电弧焊接方法。由于焊接时采用具有氧化性，多原子的CO2气体作为保护介质，所以在电弧形态，熔滴过渡形式以及气体保护作用等方面都有一些特点，具体表现在以下几个方面：

1、 在焊接电弧的高温作用下CO2气体发生分解，反应如下：

CO2=CO+1/2 O2-Q (1—1)

由式（1-1）中可知，CO2气体的分解过程是个吸热反应，

对电弧的吸热冷却作用较强，CO2对电弧的吸热冷却作用较强，此外CO2气体在电弧温度范围内还具有较高的导热率等，这些都使得CO2气体保护下的电弧弧柱直径较小，熔滴端部的斑点活动范围小（弧根面积小），进而影响到熔滴上的作用力大小和分布，致使焊丝末端的熔滴易长大并常常偏离轴线。因此，在CO2长弧

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焊时，电流一般不是很大的情况下熔滴尺寸比较粗大并常常偏向一方，过度频率低，飞溅大，熔滴过度性能较差。

2 、CO2气体保护效果良好，CO2气在0℃和101.3Kpa气压

时,它的密度为1.9768g/cm3,为空气的1.5倍,能将焊接区域有效的保护起来。此外，CO2气体受热分解后，体积增大了0.5倍，有利于排除电弧周围的空气，起到良好的保护作用。

3、生产效率高，CO2气体保护下的电弧热量集中，穿透力强，焊缝熔深大，厚板焊接时可以减少焊接层数，角焊缝时的焊脚尺寸也可以相应减小，相应的焊丝直径，CO2保护焊较埋弧焊可采用高得多的电流密度，所以焊丝的熔化系数大，可采用高速焊接。焊接时无焊渣产生，在多层焊时可以不必层间清渣。此外，由于电弧热量集中，熔池体积小，热影响区窄，从而减少了较薄工作件的焊后变形。

4、CO2焊是明弧焊，由于施焊部位的可见度好，焊接时便于对中，操作方便，易于实现焊接过程的自动化。

5、抗锈能力较强，节约能源，由于CO2来源广，价格低，所以CO2电弧焊的焊接成本只有埋弧焊和手弧焊的40%~50%。此外，CO2焊适用于薄板，厚板，并可进行全位置焊接，应用范围十分广泛。

CO2气体保护电焊也存在一些缺点：

1） 与手弧焊和埋弧焊相比，焊缝成形不够美观，焊接时

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飞溅较大，同手弧焊相比，CO2焊接设备较为复杂，要求操作人员具有较高的维护设备的技术能力。

2） 抗风能力差，给室外工作带来一定困难。 3） 弧光较强，焊接时必须注意劳动保护。

第二节CO2气体保护电弧焊的冶金特点

一、合金元素的氧化

采用CO2气体作为保护介质，虽然能够有效地防止空气侵入区域，但在电弧高温作用下，CO2气体要按式（1—1）反应分解成CO和O2；O2又进一步分解为氧原子：

O2=2O （1—2） 因此在电弧气氛中同时有CO2、CO、O2和原子态氧O存在。在焊接条件下，CO气体不溶于金属，也不与之反应；而CO2和O都具有强烈的氧化性。

CO2电弧可以从两个方面使Fe及其他合金元素氧化。 1、和CO2直接作用

CO2+Me（金属）——MeO+CO （1—3） 如： CO2+ Fe FeO+CO 2CO2+ Si SiO2+2CO CO2+ Mn MnO+CO

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2、和CO2高温分解出的原子氧作用 Me+O MeO（1—4） 如： Fe+O FeO Si+2O SiO2 Mn+O MnO C+O CO

上述氧化反应既发生在熔滴中，也发生在熔池中，以在电弧空间中过渡的熔滴和靠近电弧的熔池中最为剧烈，这是由于这些区域温度较高的缘故，此外，氧化反应的程度还取决于合金元素在焊接区的浓度及它们和氧的亲合能力。

在反应生成物（SiO2、MnO、CO、FeO等）中，SiO2和MnO、以熔渣形式浮于熔池表面。生成的CO气体，因具有表面性质而逸出到气相中去，不会引?焊缝气孔，只是使C受到烧损。FeO则按分配律：一部分以熔渣形式浮出池表面；而另一部分则熔入液态金属中，并会进一步与熔池及熔滴中的合金元素发生反应使其氧化。

溶入熔池中的FeO与C 作用，产生CO气体，如下式所示： FeO+C Fe+CO （1—5）

产生的CO气体，在熔池凝固时若来不及析出，则会在焊缝中形成气孔。

溶入熔滴中的FeO与C作用产生的CO气体，在电弧高温作

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用下急剧膨胀，使熔滴爆破而产生金属飞溅。

二、脱氧措施及焊缝金属的合金化

在CO2焊接过程中，溶入液态金属中的FeO是引起气孔，飞溅的主要因素，同时残留在焊缝金属中的FeO将使焊缝中的含氧量增加而降低其力学性能，如果能使FeO脱氧并同时对烧损掉的合金元素给予补气，则由于CO2气体的氧化性带来的弊端便可基本上克服。

通常是在焊丝（或药芯焊丝的药粉中）加入一定量的脱氧剂（和氧的亲和力比Fe大的合金元素），使FeO中的Fe还原。此外，还应有剩余的脱氧剂作为合金元素留在焊缝中，提高焊缝的力学性能。

加入焊丝中的脱氧元素，其反应生成物不应是气体，以免造成气孔，生成物密度要小，熔点要低，并以熔渣形式浮出熔池表面，以免造成焊缝夹渣缺陷。

可作CO2焊用的脱氧剂，主要有Al、Ti、Si、Mn等合金元素。

（1）Al Al是最强的脱氧剂之一。因此它可以很容易地使FeO脱氧。在2273K以下时，它对氧的亲和力比C还大，所以能有效地抑制CO气体的产生。但Al会降低焊缝金属的抗热裂缝能力，因而焊丝中加入的Al不宜过多。

（2）Ti Ti也是强脱氧剂之一，除脱氧外它还可以在钢中起

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到细化晶粒的作用，另外，Ti能与氧形成非常牢固的钛的氮化物，且不溶于钢中，可以防止钢的时效。在CO2电弧焊时常将Ti和Si、Mn结合起来使用。

（3）Si Si也具有较强的脱氧能力，而且价廉易得。是CO2焊中主要的脱剂。但单独用Si脱氧时，生成的SiO2熔点较高，颗粒又较小，不易浮出熔池，会在焊缝中形成夹渣。

（4）Mn Mn单独用Mn脱氧时，其脱氧能力较小，并且生成物MnO密度较大，不易浮出熔池表面。

Mn除可作脱氧剂，还能与硫化合，提高焊缝金属的抗热裂缝能力。

可以看出，上述四种合金元素中，单独用Al或Ti来脱氧，其效果不理想，单独用Si或Mn脱氧，其效果也不佳。实践表明，采用Si、Mn联合脱氧时能得到满意的结果，可以提高焊缝质量。目前国内外应用最广泛的H08Mn2SiA焊丝，就是采用Si、Mn联合脱氧。

SiO2和MnO能结合成复合化合物MnO·SiO2（硅酸盐），其熔点只有2543K，密度也较小且能凝聚成大块，易浮出熔池，凝固后成为渣壳覆盖在焊缝表面。

加入焊丝中的Si、Mn，在焊接过程中，一部分被直接氧化掉和蒸发掉，一部分耗于FeO的脱氧，其余部分则剩留在焊缝金属中充作合金元素，所以焊丝中加入的Si和Mn，需要有足够的数

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量。但焊丝中Si和Mn的含量过多也不行。Si含量过高会降低焊缝的抗热裂缝能力，Mn含量过高会使焊缝金属的冲击韧度下降。

此外，Si和Mn之间的比例必须适当，否则不能很好地结合成硅酸盐浮出溶池，而会有一部分SiO2或者MnO夹杂物残留在焊缝中，使焊缝的塑性和冲击韧性下降。

在CO2焊的冶金中，碳也是一个关键元素，它和氧的亲和力比Fe大。为防止气孔和减少飞溅以及降低焊缝产生裂缝的倾向，焊丝中的含碳量一般都限制在0.15%以下。

三、气孔问题

CO2焊时，熔池表面只有很少量熔渣覆盖，CO2气流又有冷却作用，因而熔池凝固较快，增大了产生气孔的可能性。

CO2焊焊缝金属中的气孔通常由下述情况造成： （一）一氧化碳气孔

多是由于焊丝的化学成份选择不当造成。当焊丝金属中含氧元素不足时，焊接过程中会有较多的FeO溶于熔池金属中，并与C发生下列反应：

C + FeO Fe+CO

这个反应在熔池处于结晶温度时进行得比较剧烈。由于这时熔池已开始凝固，CO气体不易逸出，于是在焊缝中形成气孔。

CO气孔常出现在焊缝根部与表面，且多呈针尖状。 （二）氮气孔

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氮气孔的来源：一是由于保护效果不良，空气侵入焊接区；二是CO2气体不纯，根据试验研究表明：由于CO2气体不纯而引起氮气孔的可能性不大，焊缝中的氮气孔主要是由于保护层遭到破坏，大量空气侵入焊接区所致。

造成保护层失效的因素有：过小的CO2气体流量；喷嘴被飞溅物部分堵塞；喷嘴离工件距离过大；以及焊接场地有侧向风等。因此，避免产生氮气孔的主要措施是应增强气体的保护效果，另外，选用含有固氮元素（如Ti和Al）的焊丝，也有助于防止产生氮气孔。

此外，电弧电压越高，空气侵入的可能性越大。电弧电压高达一定值后，焊缝中就出现气孔。

（三）氢气孔

电弧区的氢主要来自焊丝，工件表面的油污及铁锈，以及CO2气体中所含的水分。油污为碳氢化合物，铁锈中含有结晶水，它们在电弧高温下都能分解出H2气。减少熔池中的含氢量，不仅可防止氢气孔，而且可提高焊缝金属的塑性。所以焊前要适当清除工件和焊丝表面的油污及铁锈，另一方面应尽可能使用含水分低的CO2气体。CO2气体中的水分常常是引起氢气孔的主要原因。

水分引起气孔的过程是：进入焊接区的水分先分解为自由状态的氢，然后此自由状态的氢在电弧中被电离，以离子形态溶入

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熔池。熔池结晶时，由于氢的溶解度陡然下降，析出的氢气如不能排出熔池，则留在焊缝金属中成为气孔。

水分分解及氢原子电离方程式如下： H2O H2+1/2O2 H2 2H H H+ +e

当焊接区有氧化性的CO2气体存在时，增加了氧的分压，使自由状态的氢被氧化成不溶于金属的水蒸气与羟基，从而减弱了氢气的有害作用。氢被氧化的过程如下： H2+CO2 CO+H2O H+CO2 CO+OH H+O OH CO2气体的氧化性对引起CO气孔和飞溅方面是不利的，但在约制氢的危害方面却又是有益的。

氢是以离子形态溶于熔池的。直接反接时，熔池为负极，它发射大量电子，使熔池表面的氢离子又复合为原子，因而减少了进入熔池的氢离子数量。所以直接反接时，焊缝中含氢量为正接时的1/3~1/5，产生氢气孔的倾向也比正接时小。

第三节 CO2气体保护焊焊接材料

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一 、CO2气体

（一） CO2气体纯度对焊缝金属的致密性有较大的影响。对于焊接来说，CO2气体中的主要有害杂质是水分和氮气。氮气一般含量较小，危害大的是水分。据文献介绍：同样是大于99.5%纯度的CO2气体，用其中含水量小于0.05%和等于0.05%的两种CO2气体施焊后，前者焊缝的塑性比后者好，而且后者易于出现气孔。随着CO2气体中水分的增加，即露点温度提高，焊缝中含氢量亦增加。

（二） CO2气体的提纯

液态CO2中可溶解约占质量0.05%的水分，另外还有一部分自由状态的水分沉于钢瓶的底部，试验表明，在焊接现场采取以下措施，对减少气体中的水分可得到显著效果。

1） 将新灌气瓶倒立静置1~2小时，然后打开阀门，把沉积在下部了自由状态的水排出。根据气瓶中含水量的不同，可放2~3次，每隔30min左右放一次。放水结束后，仍将气瓶放正。

2） 经放水处理后的气瓶，在使用前先放气2~3分钟。放掉气瓶上面部分的气体。因为这部分气体通常含有较多的空气和水分。

3） 在气路系统中设置高压干燥器和低压干燥器，进一步减少CO2气体中的水分。

4） 瓶中气压降到10个大气时，不再使用。

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在环境温度不变的情况下，只要瓶中存在着液态CO2，则液态CO2上方的气体压力就不会变化，CO2气体中的水分含量也是不变化的。但当液态CO2挥发完了后，气体的压力将随着气体的消耗而下降。气体压力越低，水分分解应是相对增大，水分挥发量越多。当瓶内气体压力下降到10个大气压以下时，CO2气体中所含的水分将增加到3倍左右。

二、焊丝

在CO2电弧焊中进行低碳钢和低合金钢焊接时，为了防止气孔，减少飞溅，和保证焊缝具有较高的力学性能，必须采用含有Si、Mn等脱氧元素的焊丝。

H08Mn2SiA焊丝是目前CO2焊中应用最广泛的一种焊丝，它有较好的工艺性能、力学性能以及抗热裂纹能力，适宜于焊接低碳钢和δs≤490N/mm2的低合金钢以及焊后热处理强度δb≤1176N/mm2低合金高强钢。

焊丝表面的清洁度，影响到焊缝金属中的含氢量，加热过程的焊丝（相对清洁度高）和未加热过的焊丝比较，焊缝金属中的含氢量显著不同。

CO2焊采用的焊丝，包括有实心焊丝，药芯焊丝及活化处理焊丝。活化处理焊丝所谓活化处理，就是在焊丝表面涂一薄层碱金属，碱土金属或稀土金属的化合物，来提高焊丝发射电子的能力和降低弧柱的有效电离势，这样可细化金属熔滴，减少飞溅，

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改善焊缝成形。

第四节 CO2气体保护电弧焊设备

熔化极气体电弧焊设备可分为自动焊和半自动焊两种类型，焊接设备主要由焊接电源、送丝系统、焊枪及行走系统（自动焊）、供气和冷却水系统、控制系统五个部分组成。

一、对电源特性要求 （一） 对电源外特性要求

由于CO2电弧的静特性是上升的，所以平（恒压）和下降外特性电源都可以满足电源—电弧系统的稳定条件。

弧压反遗送丝焊机配用下降外特性电源，等速送丝焊机则配用平或缓降外特性电源。

（二） 对电源动特性要求

CO2焊采用短路过渡形式进行焊接时，要求焊接电源具有良好的动态品质。其含义包括两个方面：1）是要有足够大的短路电流增长速度di/dt，短路峰值电流Imax和焊接电压恢复速度du/dt；2）是当焊丝成份及焊丝直径不同时，短路电流增长速度di/dt要能够进行调节。

（三） 工艺性能要求

现代化的CO2焊机，除能满足对电源的静特性和动特性要求

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外，还应具有良好的综合工艺性能，其中包括起弧性能，收弧性能，减小飞溅和改善焊缝成形等工艺性能。

二、气体保护效果及焊枪结构 （一） 气体的流态—层流和紊流

气体保护电弧焊时，保护气体的作用是从焊枪中连续喷出，机械的将空气排除掉，并将电弧及焊接区域保护起来，使之免受周围气体的有害影响。实践表明，从焊枪喷嘴中流出的保护气体，必须具有合适的流态才能起到有效的保护作用。

气体是流体的一种，在不同条件下，流体质点可呈两种流动状态：一种为层流，指气体在管内呈有规则的层状或流束状运动，此时的气体质点在层次分明的平等层中运动，质点之间不产生相互干扰或混杂；另一种为紊流，指气体在管内流动时，气体质点之间相互干扰或搅混，因此，在气体内部出现了很多漩涡。

（二） 焊枪喷出的保护气流

气体保护焊时，焊枪喷出的气体流态对焊接区域的保护效果有着直接影响。因此，有必要研究保护气体从焊枪喷嘴处喷出的流态以及焊枪结构和喷嘴形式对其影响及变化规律。

试验研究表明，保护气体从焊枪喷嘴处喷出的流态基本上有两种情况：一是具有较厚的近壁层流层或层流流层；另一种是近壁流层较薄或接近于紊流流态。虽然，前者具有较大的有效保护范围。具有一定流速的保护气体从喷嘴喷出后和周围静止的空气

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相接触，在相互接触的边界层处将产生吸射作用，使得最外层的保护气流中混入空气，并产生漩涡。这种作用将随着离开喷嘴出口处的距离增大，逐渐向保护气流的内层深入扩展，从而缩小了保护气体的有效保护范围，最后达到了保护气流与周围空气完全相互混杂而失去保护作用。

由上可知，为使保护气体对焊接区域具有良好的保护效果，关键问题是确保从嘴喷处喷出的气流呈层流流态。为此，可从如下两方面着手。

（1） 改善保护气体进入焊枪喷嘴时的流态，目前常用的焊枪结构长度都比较短，难于做到使进入焊枪后的气体从紊流流态尽快转化成层流流态，因此，在焊枪结构中都要装有节流装置，使保护气流进入焊枪喷嘴前通过该装置后其紊乱程度减小，并具有层流的特征，使之在喷嘴内易于建立起较厚的近壁层流层流态。

（2） 改变焊枪喷嘴内部的气流通道形状，此法同样可使气流在喷嘴内获得较厚的近壁流层或层流状态。

（三） 焊枪结构及其对气体保护效果的影响

按照保护气在焊枪内的流通路径可将焊枪结构分为三个部分：进气部分、导气部分和出气部分。前两部分称之为焊枪枪体，而后部分则称这为喷嘴（或保护罩）。

1、进气部分的结构 焊枪进气部分的主要作用是使进入焊

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枪的保护气体能够减速，均衡和镇静，以减小气体的紊乱程度，为尽快建立起合适的气体流态创造条件。焊枪进气部分结构形式，常用的有两种：轴向进气方式，径向进气方式。

2、导气部分的结构 导气部分的作用是把保护气体从气室引向喷嘴。保护气体从气室流出时仍具有较大的紊流度，因此若要使气流在喷嘴内获得较厚的近壁层流或层流流态，则要求导气通道具有足够的长径比（x0/d）。

为了减小保护气流进入喷嘴时的紊流度，可在导气部分采用气筛装置以抑制气流质点的经向速度分量，减小气流的紊流速度并具有层流特性，所以气筛装置实际上起到一个细长管的导气作用。

3、出气部分——喷嘴的结构 喷嘴的结构形状与尺寸对喷出气体的流态及保护效果也有很大的影响。目前生产使用的焊枪喷嘴通道截面形式有三种：喷嘴截面呈收敛形、等截面形和扩散形。

喷嘴的气体通道呈等截面形状时，流过的气体不会因截面变化而引起流速变化，也不会增大气流质点的经向速度分量，在等截面形通道内易建立起较厚的近壁层流层或层流流态，所以由喷嘴中喷出的气流保护作用范围较大。而喷嘴通道截面呈收敛形状或扩散形时，气流通过时要产生流速的变化，同时气流质点的经向速度分量也要发生变化，容易减薄近壁层流层或形成紊流，这样就缩小了气流的有效保护范围。

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四、减少金属飞溅的措施

焊接时产生飞溅大是CO2电弧焊的主要缺点。减少飞溅的措施主要有以下几个方面：

（一） 正确选择工艺参数

1、焊接电流与电压 在CO2焊中，对于每种直径焊丝，其飞溅率和电流之间都存在着如图1-1所示的大致规律。在小电流区（短路过渡区）飞溅率越小，进入大电流区后（细颗粒过渡区）飞溅率也较小，而中间区飞溅率最大。

2、焊枪角度 焊枪垂直焊接时飞溅量较小，倾斜角度越大，飞溅越多。焊枪前倾后倾最好不超过20度。

3、焊丝伸出长度 焊丝伸出长度对飞溅也有影响。 （二） 细颗粒过渡焊接时在CO2中加入Ar气

CO2气体在电弧温度区间热导率较高，加上分解吸热消耗电弧大量热能，从而引起弧柱及电弧斑点的强烈收缩。即使增大电流，弧柱和斑点直径也很难扩展，这时熔滴在斑点压力的作用力上而上挠，易形成为大滴状飞溅 ，这是CO2电弧焊产生较大飞溅的最主要原因，是由CO2气体本身物理性质决定的。

在CO2中加入一定数量的Ar气，是减少颗粒过渡焊金属飞溅最有效的办法。

在CO2气体中加入Ar气后，改变了纯CO2气体的物理和化学性质。随着Ar气比例增大，飞溅逐渐减少。

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1 2 3 1—短路过渡区 图1—1

2—中等电流区 3—细颗粒过渡区 22

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