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1、CO2焊接工艺及设备1 CO2电弧焊的基本原理是什么？CO2电弧焊是利用CO2作为保护气体的气体保护电弧焊。CO2电弧焊原理图如图1所示，图中给出了CO2焊所需要的焊接设备和焊接材料。与其他的气体保护电弧焊一样，焊接设备主要由焊枪、送丝机构和平特性直流电源组成。焊接材料主要由焊丝和CO2气体组成。当焊丝与工件短路引燃电弧后，电弧及其周围区域得到CO2气体的保护，避免了熔滴和熔池金属被空气氧化和氮化。同时，在电弧高温下，CO2气体发生分解： CO2=CO+O2-Q分解产物的体积比分解前增加一半，这有利于增强保护效果；另一方面，分解反应是吸热反应，对电弧产生强烈的冷却作用，引起弧柱收缩，使电弧热量
2、集中，焊丝的熔化率高，母材的熔透深度大，焊接速度快，能够显著地提高焊接效率。CO2保护电弧焊时，根据焊丝直径和焊接参数的不同，熔滴过渡形式也不同。人们通常根据焊丝直径采用如下的焊接参数和熔滴过渡形式：（1）细丝（焊丝直径为1.2mm）一般以小电流、低电弧电压的短路过渡进行焊接。这时焊丝端部的熔滴以与熔池短路接触的形式向熔池过渡。（2）中丝（焊丝直径为1.62.4mm）大都采用较大电流和较高电压进行焊接，熔滴过渡呈细滴排斥过渡，甚至射滴过渡。这是一种自由过渡形式。（3）粗丝（焊丝直径为2.45mm） 常采用大电流和较低电压进行焊接。这时电弧基本上潜入熔池凹坑内，熔滴呈射滴过渡，甚至射流过渡。2
3、和其他焊接方法相比，CO2电弧焊有哪些优点？由于采用CO2作为焊接保护气体，该方法具有如下优点：1）生产效率高和节省能量。由于该法焊接电流密度较大，通常为100300A/mm2，因此，电弧能量集中，焊丝的熔化效率高，母材的熔透深度大，焊接速度快，同时，焊后不需要清渣，是一种高效节能的焊接方法。生产率可比焊条电弧焊高13倍。2）焊接成本低。由于CO2气体和焊丝价格低廉，对于焊前的生产准备要求不高，焊后清理和校正工时少；同时，避免了焊条电弧焊中频繁更换焊条的缺点。CO2电弧焊的成本只有焊条电弧焊的40%50%。3）焊接变形小。由于CO2电弧焊时，电弧热量集中，热输入低和CO2气体具有较强的冷却作用
4、，使焊接工件受热面积小，变形小。特点是焊接薄板时，CO2焊的变形比其他焊接方法时的变形小。4）对油和锈的敏感性很低。5）由于保护气体的氧化性，焊缝中含氢量少，提高了焊接低合金高强度钢抗冷裂纹的能力。6）当CO2电弧焊采用短路过渡形式时，可用于立焊、仰焊和全位置焊接。7）电弧可见性好，有利于观察，使焊丝对准焊缝位置。尤其是在半自动焊时可以较容易地实现短焊缝和曲线焊缝的焊接工作。8）操作简单，容易掌握。3 CO2电弧焊能焊接哪些金属？CO2电弧焊主要用于焊接低碳钢及低合金钢等黑色金属。对于不锈钢，焊缝金属有增碳现象，影响抗晶间腐蚀性能，只能用于对焊缝性能要求不高的不锈钢焊件。4 焊接用CO2气体有
5、哪些特性？如何正确使用CO2气体？CO2有固态、液态和气态3种状态。液态CO2是无色液体，其沸点很低，在1个标准大气压下，约为-78，所以工业用CO2都是使用液态的，常温下它自己就气化。使用液态CO2很经济、方便。容量为40L的标准钢瓶可以灌入25的液态CO2。25液态CO2约占钢瓶容积的80%，其余20%左右的空间则充满了气化的CO2。气瓶压力表上所指示的压力值，就是这部分气体的饱和压力。此压力大小和环境温度有关，温度升高，饱和气压增高；温度降低，饱和气压亦降低。例如：在室温20时，气体的饱满和压力约为57.2105Pa，只有当气瓶内液态CO2已全部挥发成气体后，瓶内气体的压力才会随着CO2
6、气体的消耗而逐渐下降。液态CO2中可溶解质量分数约为0.05%的水，其余的水则成自由状态沉于瓶底。这些水分在焊接过程中随着CO2一起挥发，水蒸汽混入CO2气体中一起进入焊接区。CO2气体中的主要有害杂质是水分和氮气，氮气一般含量较少，危害大的是水分。随着CO2气体中水分的增加，焊缝中的含氢量亦增加，严重时还可能出现气孔。焊接用CO2的纯度应大于99.5%。市售CO2气体如果含水量较高，可在焊接现场做如下减少水分的措施：1）将新灌气瓶倒立静置12h，然后开启阀门，把沉积在下部的自由状态水排出。根据瓶中含水量的不同，可放水23次，每隔30min左右放一次。放水结束后，将气瓶正置。2）经倒置放水后的
7、气瓶，在使用前仍须先放气23min，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，这些空气和水分主要是灌瓶时混入瓶内的。3）在气路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。一般用硅胶或脱水硫酸铜做干燥器，用过的干燥器经烘干后可重复使用。4）瓶中气压降到980kPa时，不再使用。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（指平衡状态下），CO2气体中的水分含量也无变化。但当液态CO2挥发完后，气体的压力将随着气体的消耗而下降。气体压力越低，水气分解越是相对增大，水分挥发量越多。当瓶内气体压力下降到980kPa以下时，
8、CO2气体中所含水分将比饱和压力下增加3倍左右。如再继续使用，焊缝中将产生气孔。5 CO2焊中的气孔是如何产生的？如何避免气孔的产生？CO2电弧焊时，由于熔池表面没有熔渣盖覆，CO2气流又有较强的冷却作用，因而熔池金属凝固比较快，但其中气体来不及逸出时，就容易在焊缝中产生气孔。可能产生的气孔主要有3种：一氧化碳气孔、氢气孔和氮气孔。1）、一氧化碳气孔产生CO气孔的原因，主要是熔池中的FeO和C发生如下的还原反应： FeO+C=Fe+CO该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CO气孔。如果焊丝中含有足够的脱氧元素Si和Mn，以及限制
9、焊丝中的含碳量，就可以抑制上述的还原反应，有效地防止CO气孔的产生。所以CO2电弧焊中，只要焊丝选择适当，产生CO气孔的可能性是很小的。2）、氢气孔如果熔池在高温时溶入了大量氢气，在结晶过程中又不能充分排出，则留在焊缝金属中形成气孔。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氢气。减少熔池中氢的溶解量，不仅可防止氢气孔，而且可提高焊缝金属的塑性。所以，一方面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。另外，氢是以离子
10、形态溶解于熔池的。直流反极性时，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的数量。所以直流反极性时，焊缝中含氢量为正极性时的1/31/5，产生氢气孔的倾向也比正极性时小。3）、氮气孔氮气的来源：一是空气侵入焊接区；二是CO2气体不纯。试验表明：在短路过渡时CO2气体中加入（N2）=3%的氮气，射流过渡时CO2气体中加入（N2）=4%的氮气，仍不会产生氮气孔。而正常气体中含氮气很少，（N2）1%。由上述可推断，由于CO2气体不纯引起氮气孔的可能性不大，焊缝中产生氮气孔的主要原因是保护气层遭到破坏，大量空气侵入焊接区所致。造成保护气层失效的因素有：过小的
11、CO2气体流量；喷嘴被飞溅物部分堵塞；喷嘴与工件的距离过大，以及焊接场地有侧向风等。因此，适当增加CO2保护气体流量，保证气路畅通和气层的稳定、可靠，是防止焊缝中氮气孔的关键。另外，工艺因素对气孔的产生也有影响。电弧电压越高，空气侵入的可能性越大，就越可能产生气孔。焊接速度主要影响熔池的结晶速度。焊接速度慢，熔池结晶也慢，气体容易逸出；焊接速度快，熔池结晶快，则气体不易排出，易产生气孔。6 CO2焊的冶金特点是什么?由于CO2气体的氧化性，在电弧高温下将发生强烈的氧化反应，为避免由此带来的CO气孔等问题，必须在焊丝中加入合金成分，达到脱氧的目的。因此，CO2焊的冶金特点，主要表现为以下两点：1
12、）、CO2气体的分解及氧化反应CO2气体在电弧高温下可按下式分解： CO2=CO+1/2 O2分解度与温度有关，如图2所示。实际上在电弧区中只有40%60%左右的CO2气体分解，因此在电弧气氛中同时有CO2、O2和CO存在。在高温下O2进一步分解为氧原子： O2=2O所以CO2气体在高温时有强烈的氧化性。CO2电弧可以从两个方面使Fe氧化：1）与CO2直接作用： CO2+Fe=FeO+CO2）与高温分解出的原子氧作用： O+Fe=FeO上述氧化反应既发生在熔滴中，也发生在熔池中。反应生成物CO气体因具有表面性质（这时C的气体反应是在液体金属的表面进行的）而逸出到气相中去，不会引起焊缝气孔，只是
13、使C受到烧损。至于FeO则按分配律：一部分成杂质浮于熔池表面；另一部分溶入液态金属中，与液态金属中的C发生还原反应： FeO+C=FeCO这时生成的CO若不及时逸出，则留在焊缝金属中成为气孔。溶入熔滴的FeO与碳元素作用生成的CO气体，则在电弧高温下急剧膨胀，使熔滴爆破而引起金属飞溅。2）、脱氧反应及焊缝金属的合金化从上述可以看出，在CO2电弧中，溶入液态金属中的FeO是引起气孔、飞溅的主要因素。同时，FeO残留在焊缝金属中将使焊缝金属的含氧量增加而降低力学性能。因此，应在焊丝中加入一定量的脱氧剂，即和氧的亲和力比Fe大的合金元素，使FeO中的Fe还原。常用的脱氧元素有Si和Mn。Si和Mn脱
14、氧的反应方程式如下： 2FeO+Si=2Fe+SiO2 FeO+Mn=Fe+MnOSiO2和MnO还能结合成复合化合物MnOSiO2（硅酸盐），其熔点只有1543K，密度也较小（3.6g/cm3），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。加入到焊丝中的Si和Mn，在焊接过程中一部分被直接氧化掉和蒸发掉，另一部分消耗于FeO的脱氧，其余部分则剩余留在焊缝金属中充做合金元素。7 为什么CO2电弧焊有时要和O2或Ar混合使用？CO2气体保护气氛具有很强的氧化性，但焊接过程还不够稳定。在CO2中加入一定量O2，将进一步增强保护气氛的氧化性，通过放热反应产生较大热量，降低液态金属的表面
15、张力，改善其流动性。同时，O2的加入使得冶金反应更加强烈，使焊缝中含氢量更低，从而提高了焊接接头的抗裂纹能力。通常在CO2气体中加入（O2）=15%20%的O2为宜，加入O2过多时，将使飞溅大、气孔多和恶化焊缝成形。CO2+O2混合气体的氧化性比纯CO2更强，必然使合金元素大量烧损，为此焊丝中必须加入足够的脱氧元素。通常在CO2焊用的焊丝基础上，还需加入较多的Mn和少量的Ti等合金元素。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强烈收缩。即使增大电流，弧柱和斑点直径也很难扩展，从而容易产生飞溅，这是由CO2气体本身物理性质决定的。在CO2气体中加入Ar后，改变了纯CO2气体的上述物理性质和化学性质，使弧柱和斑点直径得到扩展，从而降低了飞溅量。在短路过渡焊中，一般采用50%CO2+50%Ar，非短路过渡焊中，一般采用30%CO2+70%Ar。CO2+Ar混合气体除降低飞溅外，还改善了焊缝成形，使焊缝熔宽增加、余高降低，但熔深也稍为减少。8
