CO2气体保护焊接(MAG—C焊)工艺简介

CO2气体保护焊接（MAG—C焊）工艺简介

1.定义

CO2气体保护焊接是采用纯度在99.8%（体积法）以上的CO2气体作为保护气体的一种熔化极气体保护电弧焊方法。可采用短路过渡、喷射过渡和脉冲喷射过渡进行焊接，可用于点焊、立焊、横焊和仰焊以及全位置焊等。尤其适用于碳钢、合金钢和不锈钢等黑色金属材料的焊接。

2.发展动态

二氧化碳气体保护焊是50年代发展起来的一种新的焊接技术。半个世纪来，它已发展成为一种重要的熔焊方法。广泛应用于汽车工业，工程机械制造业，造船业，机车制造业，电梯制造业，锅炉压力容器制造业，各种金属结构和金属加工机械的生产。二氧化碳气体保护焊焊接质量好，成本低，操作简便，取代大部分手工电弧焊和埋弧焊，已成定局。且二氧化碳气体保护焊装在机器手或机器人上很容易实现数控焊接，将成为二十一世纪初的主要焊接方法。目前二氧化碳气体保护焊，使用的保护气体，分CO2和CO2+Ar两种。使用的焊丝主要是锰硅合金焊丝，超低碳合金焊丝及药芯焊丝。焊丝主要规格有：

0.5 0.8 0.9 1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0 4.0等。

3.特点

3.1焊接成本低，CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品，来源广、价格低，其成本只有埋弧焊和手工电弧焊的40~50%。

3.2生产率高，CO2电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝的熔化率高，熔敷速度快，其生产率是手工电弧焊的1~4倍。

3.3适用范围广，薄板、中厚板甚至厚板都能焊接，薄板焊接时变形小，并能进行全位置施焊。

3.4抗锈能力强，焊缝含氢量低，抗裂性好。

3.5焊后不需清渣。

3.6由于是明弧，焊接过程中便于监视和控制。

4.CO2焊接材料

4.1 CO2气体

4.1.1CO2气体的性质

纯CO2气体是无色，略带有酸味的气体。密度为本1.97kg/m3，比空气重。在常温下把CO2气体加压至5~7Mpa时变为液体。常温下液态CO2比较轻。在0℃，0.1Mpa时，1kg 的液态CO2可产生509L的CO2气体。

4.1.2瓶装CO2气体

采用40L标准钢瓶，可灌入25kg液态的CO2，约占钢瓶的80%，基余20%的空间充满了CO2气体。在0℃时饱和气压为3.63Mpa；20℃时饱和气压为5.72Mpa；30℃时饱和气压为7.48 Mpa，因此，CO2气瓶要防止烈日暴晒或靠近热源，以免发生爆炸。

4.1.3 CO2气体纯度对焊接质量的影响

CO2气体纯度对焊缝金属的致密性和塑性有很大影响。CO2气体中的主要杂质是H2O和

N2，其中H2O的危害较大，易产生H气孔，甚至产生冷裂缝。焊接用CO2气体纯度不应低于99.8%（体积法），其含水量小于0.005%（重量法）。

4.1.4混合气体

一般混合气体是在Ar气（无色、无味、密度为1.78kg/m3）中加入20%左右的CO2气体制成，主要用来焊接重要的低合金钢强度钢。

4.2焊丝

4.2.1实心焊丝

为了防止气孔，减少飞溅和保证焊缝具有一定的力学性能，要求焊丝中含有足够的合金元素，一般采用限制含碳量（0.1%以下），硅锰联合脱氧。焊丝直径常用的有：

φ0.8mmφ0.9mmφ1.0mmφ1.2mmφ1.6mm，焊丝直径允许偏差+0.01，

-0.04。以下介绍几种常用的焊丝。

①用于焊接低碳钢低合金钢的焊丝有：H08MnSiA，H08MnSi，H10MnSi。

②用于焊接低合金钢强度钢的焊丝有：H08Mn2SiA，H10MnSiMo，H10Mn2SiMoA。

③用于焊接贝氏体钢的焊丝有：H08Cr3Mn2MoA。

④用于焊接抗微气孔焊缝低飞溅的焊丝有：H0Cr18Ni9，H1Cr18Ni9，H1Cr18Ni9Ti。

⑤用于焊接不锈钢薄板的焊丝有：H0Cr18Ni9，H1Cr18Ni9，H1Cr18Ni9Ti，

H1Cr18Ni9Nb。

4.2.2药芯焊丝

药芯焊丝用薄钢带卷成圆形管，其中填入一定成分的药粉，以拉制而成的焊丝。采用药芯焊丝焊接，形成气渣联合保护，焊缝成形好，焊接飞溅小。常用的药芯焊丝有：YJ502，YJ507，

注: 焊机使用直流恒电压特性的电源(极性:焊丝正极)

5. CO 2电弧焊的保护效果

CO 2气体本身是一种活性气体，它的保护作用主要是使焊接区与空气隔离，防止空气中的氮气对熔池金属的有害作用，因为一旦焊缝金属被氮化和氧化，设法脱氧是很容易实现的，而要脱氮就很困难。CO 2气保焊在CO 2保护下能很好地排除氮气。在电弧的高温作用下（5000K 以上），CO 2气体全部分解成CO+ O ，可使保护气体增加一倍。同时由于分解吸热的作用，使电弧因受到冷却的作用而产生收缩，弧柱面积缩小，所以保护效果非常好。

6. CO 2电弧焊存在的主要问题及解决措施

6.1合金元素烧损问题

CO 2电弧可以从两个方面使Fe 及其它合金元素氧化。一种是与CO 2直接作用: 如:

CO Fe FeO CO CO Si SiO CO CO Mn MnO CO CO C CO

22222222+?++?++?++? 另一种是和高温分解出的原子氧作用:

Fe O FeO Si O SiO Mn O MnO C O CO

+?+?+?+?22 第一种反应一般认为是在低于金属熔点温度下进行的，在金属氧化中不占主要地位。合金元素的氧化烧损主要是产生于第二种反应。反应产物MnO 、SiO 2成为熔渣浮于熔池表面。生成的CO 2气体逸出到大气中去，不会引起焊缝气孔。而FeO 则熔入液态金属，并进一步和熔池及熔滴中的合金元素发生反应使其氧化。

在CO 2电弧焊中，合金元素的烧损与合金元素与氧的亲合力成正比。Ni 、Cr 、Mo 过渡系数最高，烧损最少。Si 、Mn 的过渡系数则较低，因为它们中的相当一部分要耗于熔池中的脱氧。Al 、Ti 、N 2等元素的过渡系数更低，烧损比Si 、Mn 还要多。合金元素的烧损主要与电弧气氛的氧化性有关，因此必须在冶金上采取措施。目前，在焊丝设计中加入一定量的脱氧剂(如Al 、Ti 、Si 、Mn 等)，脱氧剂在完成脱氧任务之余，所剩余的量便作为合金元素留在焊缝中

6.2气孔问题

CO 2电弧焊，由于熔池凝固比较快，容易在焊缝中产生气孔。可能产生的气孔主要有：CO 气孔、H 2气孔和N 2气孔三种。 6.2.1.CO 气孔

产生CO 气孔的原因主要是熔池中的FeO 和C 反应 FeO C Fe CO +?+

这个反应在熔池中处于结晶温度时，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。 如果焊丝中有足够的脱氧元素Si 和Mn ，以及限制焊丝中的含碳量就可以抑制上述的氧化反应，有效地防止CO 气孔的产生。 6.2.2.H 2气孔

电弧区的氢主要来自焊丝、工件表面的油污、铁锈以及CO 2气体中所含的水份。其中CO 2

气体中的水份常常是引起氢气孔的主要原因，所以焊前要适当清除工件和焊丝表面的油污和铁锈，另一方面尽可能使用含水分低的CO2气体。

6.2.3.N2气孔

焊缝中产生N2气孔的主要原因，是由于保护气层遭到破坏，大量空气浸入焊接区所造成的。保护气层失效的因素主要有：CO2气体流量过小，喷嘴被飞溅部分堵塞，喷嘴与工件的距离过大，电弧电压过高，以及焊接场地有侧向风等。因此在焊接过程中保证保护气层稳定可靠是防止N2气孔的关键。

6.3飞溅问题

6.3.1CO2电弧焊产生飞溅的原因主要有:

6.3.1.1.熔入熔滴中的FeO与碳元素作用产生的CO气体，在电弧高温下急剧膨胀，使熔滴爆破而引起金属飞溅;

6.3.1.2.溶滴短路过渡后，当电弧再引燃时产生的对熔池的过大冲击力使液体金属溅出。

6.3.1.3.采用颗粒状过渡时，飞溅主要是由于熔滴非轴向过渡造成(电流不大时)，或由于熔滴瞬时短路而造成(大电流潜弧时)。

降低飞溅主要有工艺措施和冶金措施两个方面。工艺方面主要是采用尽量小的焊丝直径，合适的焊接电流与电压参数的匹配，和合适的短路电流上升速度，以及峰值短路电流。短路电流上升速度和峰值短路电流可以通过焊接回路串接的电感来调节。冶金方面主要是采用合适的焊丝和保护气体成分，适宜的焊丝和工件表面清理来减少因液体金属内部冶金反应生成的CO气体膨胀爆炸而造成的飞溅

7.CO2焊接的溶滴过渡形式

CO2焊的溶滴过渡形式主要有颗粒过渡、短路过渡和射流过渡。

7.1滴状过渡

当电弧电压较高，焊接电流较大时，常出现这种过渡形式CO2焊的颗粒状过渡是非轴向的。主要是由于CO2气体在高温下的分解和解离，对电弧产生的强烈的冷却作用，造成电弧和斑点面积收缩使电流密度提高，电弧的电场强度提高，并集中在溶滴的下部，熔滴将受到较大的斑点压力，迫使熔滴上挠，使熔滴不能轴向过渡，严重时电弧不稳定，产生飞溅随着电流的增加( 1.2焊丝，电流大于300A时)，斑点面积增加，电弧收缩力由阻力变为推力，使熔滴细化，过渡频率也随之增加，飞溅较小，电弧较稳定，焊缝成形较好。

颗粒过渡电弧穿透力强，母材熔深大，适于中厚板的焊接。

7.2短路过渡

细丝CO2气体保护焊（Φ小于1.6mm）焊接过程中，因焊丝端部熔滴个非常大，与熔池接触发生短路，从而使熔滴过渡到熔池形成焊缝。短路过渡是一个燃弧、短路（息弧）、燃弧的连续循环过程，焊接热源主要由电弧热和电阻热两部分组成。短路过渡的频率由焊接电流、焊接电压控制，其特征是小电流、低电压、焊缝熔深大，焊接过程中飞溅较大。短路过渡主要用于细丝CO2气体保护焊，薄板、中厚板的全位置焊接。

7.3．射流过渡

当粗丝CO2气体保护焊或采用混合气体保护细丝焊，焊接电流大到超过临界电流值，焊接时，焊丝端部呈针状，在电磁收缩力、电弧吹力等作用下，熔滴呈雾状喷入熔池，焊接过程中飞溅很小，焊缝熔深大，成形美观。射流过渡主要用于中厚板，带衬板或带衬垫的水平位置焊接。

8.焊接设备

CO2气体保护焊设备主要由焊接电源、供气系统、送丝系统和焊枪等组成。

8.1焊接电源

焊接电源通过控制线路对供电、供气与稳弧等各个阶段的动作进行控制。半自动焊机的电源为直流电源（可以是硅整流电源，晶闸管整流电源及逆变式电源），大多为平特性或缓降（斜率＜4V/100A）特性，以保护弧长的自身调节作用。

8.2供气系统

供气系统由CO2气瓶、电磁气阀、气体流量调节器、干燥预热器及送气管组成。

8.2.1电磁气阀是开闭气路的装置，由延时继电器控制，可起到提前供气和滞后停气的作用。

8.2.2气体流量调节器是起调节CO2气流量的作用。

8.2.3送气管输送焊接时所需的保护气体。

8.2.4CO2焊供气系统中一个特殊的措施是在供气系统中加装干燥器和预热器。干燥器的作用是吸收CO2气体中的水分和杂质；预热器的作用是为了防止CO2气体中水分在钢瓶出口及减压阀中结冰而堵塞气路而对CO2气体进行加热。

8.3送丝系统

送丝系统的作用是采用机电控制的方式将焊丝盘中的焊丝通过焊枪的导电嘴送入焊接熔池内。CO2焊的送丝机构由电机、送丝轮、矫直机构等组成。送丝方式有推进式、拉丝式、推拉式和加长推丝式四种，目前应用最多的是推进式送丝系统。

8.4焊枪

焊枪的作用是输出焊丝、传导焊接电流、输出保护气流和启动或停止焊机。焊枪按冷却方式可分为气冷式和水冷式，当所用焊接电流小于250A时，可选择气冷式焊枪；焊接电流大于250A时，必须采用水冷式焊枪。

图8.1 CO2焊接设备图例

9.CO2焊接工艺确定影响因素

9.1材料因素

母材和焊材的成分，不同材料焊接性能不一样，所以焊接工艺也不一样。

9.2工艺因素

如焊接方法、坡口形式和加工质量、预热后热措施、层间温度控制、装配质量，甚至电源种