焊接方法与设备-CO2焊MY

第四章二氧化碳气体保护电弧焊第一节CO2焊的特点及应用一、CO2焊的实质定义：二氧化碳气体保护焊是利用CO2作为焊接保护气的一种熔化极、气体保护的电弧焊方法。按照GB/T5185-1985《金属焊接及钎接方法在图样上的表示方法》以及ISO的相关规定，二氧化碳气体保护焊属于MAG（熔化极活性气体保护焊）的一种，所以它的代号也是135。焊接过程动画为何要用CO2为焊接保护气？CO2是氧化性气体，在高温下具有强烈的氧化性。①焊条药皮造气剂的造气结果就是CO2工业生产中产生大量廉价的CO2。②与焊条电弧焊相比，熔化极气体保护焊效率高。③可以较容易地脱氧，还可抑H的存在④可有效地防止空气中N2的有害作用1、优点：⑴焊接生产率高：比SMAW（焊条电弧焊）高2～4倍⑵焊接成本低：是SMAW或SAW（埋弧焊）的40～50%⑶焊接变形小：尤适于薄板焊接⑷焊接质量高：对铁锈不敏感，焊缝含氢量低⑸适用范围广：全位置焊接能力好，打底/填充/盖面、厚/薄板均宜⑹操作简便：比SMAW容易操作、适于自动焊（robot）⑺绿色环保：CO2来自可再生资源CO2焊的熔敷速度二、CO2焊的特点2、CO2焊的缺点⑴飞溅较大；（这一缺陷目前已经解决）⑵焊接设备较“复杂”；（用今天的眼光看，已不复杂）⑶抗风能力差；（所有气体保护焊的共同缺憾，但药芯焊丝CO2焊无此问题）⑷不能焊接有色金属。三、CO2焊的应用材料：黑色金属——低碳钢、合金结构钢（不适宜于焊不锈钢）耐磨件的堆焊、铸钢件的焊补厚度：厚薄均可，尤薄板有优势位置：全位置结构：车辆、船舶、机械、容器等。第二节CO2焊设备以半自动CO2焊设备为例一、CO2焊设备的组成和作用组成：焊接电源、送丝机构、焊枪、供气系统、控制系统，有的还有循环水冷系统。——用于细丝（短路过渡）焊接，配用等速送丝系统；1）电弧燃烧稳定依靠弧长变化引起电流的变化，通过电弧自身调节作用，使电弧燃烧稳定。调节灵敏度较高。2）焊接参数调节方便对焊接电压和焊接电流分别进行调节改变电源外特性调节电弧电压；改变送丝速度调节焊接电流。3）可避免焊丝回烧电弧回烧时，随着电弧拉长，电流很快减小，使电弧在未回烧到导电嘴前已熄灭。（一）焊接电源：直流电源1、平特性电源2、下降特性电源——用于粗丝（细滴过渡）焊接，配用变速送丝系统。焊接参数的调节：先调节电源外特性粗略确定焊接电流，再调节电弧电压，使电流又有变化，要反复调节最后达到要求的焊接参数。3、电源动特性细丝短路过渡焊机对动特性有特别的要求，即对短路电流上升速度、短路电流峰值、电弧电压恢复速度三个指标有一定的要求，目的是保证短路过渡过程可靠的同时又控制飞溅。老式焊机通常通过改变接入回路电感来调节。电源动特性：衡量电源在电弧负载发生变化时，电流及电压的动态响应品质。粗焊丝细滴过渡时，焊接电流的变化较小，对电源的动特性要求不高。（二）送丝系统1、送丝方式⑴推丝式——焊枪简单、轻巧，以鹅颈式焊枪多见，实际应用较多；送丝距离有限（通常≤5M），送细丝效果欠佳。主要用于直径为0.8~2.0mm的焊丝送丝方式的变化主要在于细丝/平特性（等速送丝）焊机上，以适应不同场合的要求。半自动气体保护焊机有推丝式、拉丝式、推拉丝式三种基本方式。根据焊丝直径的不同，可分为等速送丝式和变速送丝式焊丝直径≥3mm时采用变速送丝方式焊丝直径≤2.4mm时采用等速送丝式用于推丝式送丝的鹅颈式焊枪推丝式送丝机CO2焊机及其推丝式送丝机、枪⑵拉丝式——焊枪复杂、较重，以手枪式焊枪多见，薄板结构使用较多；适于送细丝（直径≤0.8mm)/远距离送丝。CO2焊机及其拉丝式焊枪拉丝式焊枪（其小型送丝机构做在焊枪内，去掉了送丝软管）焊丝盘送丝电机送丝机构还有一种“线式送丝”：多级串联的行星式送丝即为线式送丝，可远距离稳定地送细的软焊丝（如0.8mm的铝焊丝）推拉式送丝焊枪（手工焊接用）⑶推拉丝式——焊枪结构复杂，适用于远距离（15m）送（细、软）丝，多用于机器人焊接和铝的熔化极气体保护焊。由送丝电机、减速装置、送丝滚轮和压紧机构等组成；CO2焊专用焊机的送丝机采用单主动送丝即可。单主动式送丝机构双主动式送丝机构压紧轮主动轮2、送丝机构（送丝机）送丝机多为独立式，也有与电源做为一体者。有专业厂家专门生产配套的送丝机，接口兼容或以德国宾采尔（BINZEL）焊枪为标准。电源、送丝机分体之CO2焊机电源、送丝机一体之CO2焊机注意：两机使用的都是鹅颈式焊枪（推丝枪）1、对焊枪的要求焊枪作用：送气、送丝、导电要求：送丝均匀、导电可靠、气体保护良好结构简单、易维修、耐用使用性能良好2、焊接的类型按用途：半自动焊枪、自动焊枪（三）焊枪（三）焊枪⑴半自动焊枪推丝式焊枪拉丝式焊枪以上为常见的通用焊枪，用量很大，有专业厂家配套生产，以德国宾采尔（BINZEL）焊枪为事实上的行业标准。推拉式焊枪送不同材质的焊丝，要用不同的送丝套管（如送钢焊丝用钢质套管即可，而送铝焊丝通常要用特氟隆套管）。⑵自动焊枪多见于专用焊机上。把半自动焊枪夹于焊接小车上进行自动焊，现在生产中应用十分广泛。①喷嘴作用——输送气体，防止焊丝端头、电弧和熔池与空气接触形式——圆柱形（常用）圆锥形（用于深坡口或窄间隙内）材料——铜镀铬（多见）陶瓷（易碎，少用）②导电嘴——纯铜或铜合金做要求——导电性良好、耐磨性好、熔点高以上易损件是事实上的“标准件”，使用时应注意：①不同品牌的焊枪，其易损件的尺寸不同，往往无法替代；②有专业厂家专门生产焊枪易损件，同一种易损件可能有不同品牌的选择（其寿命、价格不一）；③喷嘴端部与导电嘴端部的距离会影响焊丝伸出长度，从而影响到电弧的稳定性和焊接质量——此点初学者往往容易忽略。3、焊枪的喷嘴和导电嘴（易损件）由气瓶（铝白色）、预热器、减压／流量计、气管和电磁气阀组成，必要时可加装干燥器。通常将预热器、减压器、流量计做为一体，叫CO2减压流量计（通常属于焊机的标准随机配备）。不同气体的减压流量计按规定不能互换使用。流量计气压表减压及预热装置开关CO2减压流量计（四）供气系统为防止管路冻结，在减压之前要将CO2气体进行预热。二、典型CO2焊设备（CO2焊专用焊机）1、北京“时代”逆变焊机，节能节材；可靠性尚可，价格相对便宜，售后服务较好。2、唐山“松下”晶闸管焊机，但精细表现出色且可靠性极高；售后服务较好，价格较贵但性价比高，3、美国林肯普通CO2焊机总体性能不错，但无价格优势。值得推介者为其STT（表面张力过渡）CO2焊机：飞溅极小、成形极佳，但价格极贵。除以上之外，通用CO2焊机国内的品牌多如牛毛，但普遍市场占有率低。除价格较低外，其它方面往往乏善可陈。欧洲国家一般不做CO2焊专用焊机，而是MIG/MAG（CO2）一体，所以其送丝机通常为双主动送丝。如果焊机标可MIG/MAG/CO2焊，但却是单主动送丝，其效果有限（目前国产焊机这种情况比较多见）。通常的CO2焊机在焊接结束时，同时停电和停丝，容易使熄弧的焊丝端部形成较大的熔球。（直径可达焊丝的2~3倍。影响：对再次引弧是十分不利的。粗大的焊丝端头会降低引弧接触点的电流密度，使引弧困难。必须将熔球爆断，才能引燃电弧，但同时产生大颗粒的飞溅，并伴有强烈的爆炸声。新K系列半自动CO2焊机焊接程序电路：FTT控制功能：在熄弧时减小焊丝端部形成的熔球尺寸。大大提高再次起弧的成功率；且起弧过程平稳，飞溅少。措施：能在焊接结束时把电弧电压降至11~15V，延时0.6~1.5S，使电弧功率随之下降，减少焊丝熔化，从而减小焊丝端部熔球尺寸。第三节CO2焊的冶金特性和焊接材料一、合金元素的氧化与脱氧1、合金元素的氧化作为焊接保护气体，CO2表现出很强的氧化性CO2→CO+O++M=MO+CO↑M=MO2、氧化反应的结果：①合金元素烧损；②可能造成气孔、飞溅和夹渣。3、解决之道：冶金脱氧对脱氧剂的要求（能脱氧但不能带来如夹渣、气孔等副作用）Mn-Si联合脱氧CO2焊专用焊丝H08Mn2Si&H08Mn2SiA(GB8110-87)脱氧剩下的Mn、Si用于补充碳和合金元素的损失Mn-Si作用联合脱氧合金化作用焊丝中加入的Si和Mn要有足够的数量，但也不可过多。Si含量过高会降低焊缝的抗热裂纹能力Mn含量过高会使焊缝金属的冲击值下降且Si和Mn的比例要适当，否则不能很好地结合成硅酸盐浮出熔池，而会有一部分SiO2或MnO夹杂物残留在焊缝中，使焊缝的塑性和冲击值下降。二、CO2焊的气孔及防止正常焊接条件下，CO2焊并不容易产生气孔。相反，由于CO2气氛的氧化性，其抗氢气孔能力较强。CO2焊时，由于熔池表面没有熔渣覆盖，CO2气流又有冷却作用，因而熔池凝固较快。如果焊接材料或焊接工艺处理不当，可能会出现CO气孔、N2气孔、H气孔1、CO气孔产生位置：通常出现在焊缝的根部或近表面的部位，且多呈针尖状。产生原因：焊丝中脱氧剂不足，且含C量过多。防止措施：选用含足够脱氧剂的焊丝，焊丝中的含碳量要低若母材的含碳量较高，则在工艺上应选用较大热输入的焊接参数，增加熔池停留的时间，以利用CO气体的逸出。在CO2焊中，只要焊丝选择适当，产生CO气孔的可能性是很小的。2、氮气孔产生位置：在焊缝近表面的部位，呈蜂窝状分布。产生原因：保护气层遭到破坏，使大量空气侵入焊接区。造成保护气层破坏的因素：CO2保护气体纯度不合要求CO2气体流量过小喷嘴被飞溅物部分堵塞喷嘴与焊件距离过大焊接场地有侧向风注：在野外施工中最好选用含有固氮元素（如Ti、Al）的焊丝3.氢气孔氢的来源：焊件、焊丝表面的油污及铁锈，CO2气体中所含的水分。形状：圆球形的气孔CO2气体具有氧化性，可抑制氢气孔的产生，只要焊前对CO2气体进行干燥处理，去除水分，清除焊丝和焊件表面的杂质，产生氢气孔的可能性很小。1、飞溅产生的原因与CO2电弧的行为有关，具体包括以下几个方面：⑴气体爆破引起（通过脱氧可以改善）⑵电弧斑点压力引起（通过采用直流反接可以改善）⑶焊接参数不当引起（采用合理的参数可以改善）⑷短路过渡引起这是CO2焊产生飞溅的主要原因。过去的焊机采用改变回路接入电感来调节，效果非常有限。美国林肯公司建立在逆变焊机基础上的表面张力过渡（STT）专利技术使这一问题基本得以解决。三、CO2焊的飞溅及防止•能在微秒级内产生过渡和改变电流•专门针对半自动焊接（焊接速度、送丝速度和伸出长度都在变化）而设计•电源可以适应不同的保护气体，包括100％CO2、CO2与Ar甚至He的混合气体•主要优点：①显著地减少飞溅②易于焊接（伸出长度变化时电弧仍保持稳定、允许更大的焊枪角度变化）③更低的电弧辐射和更少的焊接烟尘、降低薄板焊接时的热输入CO2焊熔滴过渡的最新成果：STT（SurfaceTensionTransfer表面张力过渡）（美国林肯公司专利／已有商品焊机）上图为无STT和有STT在立焊和平焊时的焊接飞溅对比下图为无STT和有STT焊接时焊缝的外观对比2.减少金属飞溅的措施（1）正确选择焊接参数1）焊接电流与电弧电压焊接电流的选拔应尽可能避开飞溅率高的混合过渡区。电压应与焊接电流匹配。2）焊丝伸出长度一般焊丝伸出长度越长，飞溅率越高。3）焊枪角度焊枪倾斜角度越大，飞溅越多。焊枪前倾或后倾最好不超过20℃（2）细滴过渡时在CO2中加入Ar气因CO2消耗的热量多，会引起电弧的收缩，导致电弧力的增加，同时使斑点压力增大。这是CO2焊产生飞溅的最主要原因。在CO2气体中加入Ar后，改变了纯CO2气体的物理性质。随着Ar比例增大，飞溅逐渐减少。（3）短路过渡时限制金属液桥爆断能量如果短路电流的增长速率过快，使液桥金属迅速地加热，造成了热量的聚集，将导致金属液桥爆裂而产生飞溅。因此必须设法使短路液桥的金属过渡趋于平缓。具体方法有：1）在焊接回路中串接附加电感。电感越大，短路电流增长速度越小。短路电流增长速度应与焊丝的最佳短路频率相适应，细焊丝熔化快，熔滴过渡的周期短，需要较大的电流增长速度，要求串接的附加电感值较小。2）电流切换法液桥缩颈达到临界尺寸之前，允许短路电流有较大的自然增长，以产生足够的电磁收缩力。一旦缩颈尺寸达到临界值