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 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൷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MnOSiO2（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 OHCO2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。