CO2焊接工艺.doc

CO2焊接工艺与设备 CO2焊接工艺及设备（一）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 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，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，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）、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 CO2电弧焊时能否采用H08焊丝？为什么我国普遍采用H08Mn2SiA焊丝？由CO2电弧焊的冶金特性得知，由于CO2气体具有强烈的氧化性，如果焊丝中没有合金成分，则焊丝熔滴和熔化金属中的Fe将被强烈氧化，生成的FeO在临近金属凝固温度时被C还原，生成的CO气体来不及逸出熔池金属，形成CO气孔。因此，必须在焊丝中加入还原性比C强的脱氧元素。CO2电弧焊对焊丝化学成分的要求可归纳如下：1）焊丝必须含有足够数量的脱氧元素，以减少焊缝金属中的含氧量和防止产生气孔。2）焊丝的含碳量要低，通常要求w（C）0.11%，这样可以减少气孔和飞溅。3）保证焊缝金属具有满意的力学性能和抗裂性能。H08Mn2SiA主要化学成分为：w（C）0.1%、w（Mn）=1.8%2.1%、w（S）=0.7%0.95%。含碳量低，而且有足够的Mn和Si，除起脱氧作用外，剩余部分留在焊缝中，提高了焊缝金属的力学性能和抗裂性能。所以我国普遍采用H08Mn2SiA焊丝来焊接低碳钢和低合金钢。9 CO2焊常用的焊丝直径有几种？它们各有什么工艺特点？不同的焊丝直径采用不同的焊接电流、电压等参数，也表现出不同的熔滴过渡形式和电弧行为。人们通常使用的焊丝直径有以下3种：（1）细丝（焊丝直径1.2mm） 这时一般以短路过渡进行焊接。其特点是电压低、电流小，适合于焊接薄板以及进行全位置焊接。焊接薄板时，生产率高、变形小。而且操作上容易掌握，对焊工技术水平要求不高。此外，由于焊接参数小，焊接过程光辐射、热辐射以及烟尘等都比较小。因而容易在生产上得到推广和应用。采用短路过渡焊的焊丝直径最大用到1.6mm。直径大于1.6mm的焊丝，如再采用短路过渡焊接，飞溅相当严重，所以生产上很少应用。（2）中丝（焊丝直径为1.62.4mm） 这时熔滴一般以细颗粒过渡进行焊接。其特点是电流较大、电弧电压较高，熔滴以较小的尺寸自由飞落形式进入熔池。细颗粒过渡时，电弧穿透力强，母材熔深大，适合于焊接中等厚度以及大厚度工件。（3）粗丝（焊丝直径为2.45mm） 这时一般采用潜弧焊.其特点是大电流、低电弧电压，焊丝端头和电弧潜入熔池的凹坑内，熔滴以小于焊丝直径的细颗粒高速通过电弧空间向熔池过渡。焊接过程平稳，不发生短路，飞溅也较小。10 为什么薄钢板适合采用细焊丝短路过渡焊接方式？如何实现稳定的短路过渡焊接？CO2焊薄板时，应保证焊缝成形和不烧穿。显然，应减少焊接电流。为保证小电流的焊接过程稳定，则往往采用细焊丝。在这种情况下，如果选用较高的电弧电压，必将获得大滴过渡，由于焊丝端头的大熔滴不断地摇摆和电弧斑点的跳动，而使得电弧不稳和引起焊缝成形不良。为了克服这一问题，常常对电弧电压降低。直到形成稳定的短路过渡。短路燃弧过程交替变换，燃弧阶段电弧热直接加热焊丝与母材，而短路阶段只在焊丝伸出部分因导电而产生电阻热。可见，在短路过渡焊时，对母材及焊丝的加热过程都有周期性特点。这就保证了薄板材料在燃弧电流时加热熔化，而在短路时熔池凝固，得到较小的熔深，有利于薄板焊接。短路过渡的稳定性是薄板焊接的关键。在短路过渡时，由于短路燃弧的交替变换，使得负载变化很大，所以对电源动特性有较高的要求，而电源动特性对整流焊机来说，主要决定于直流电感。也就是必须根据焊丝直径和焊接电流选择合适的电感量才能保证短路过渡稳定。在焊接设备一定的情况下，稳定的短路过渡过程主要决定于焊接电流（即送丝速度）与电弧电压的匹配关系。表1为三种不同直径焊丝的短路过渡焊接参数，此时的飞溅最小，焊接过程稳定。考虑到焊接效率和焊接电缆长度等因素，实际的焊接电流范围均比表1所示的数值大一些。图3是4种直径焊丝适用的焊接电流和电弧电压范围，使用在此范围内的焊接参数时，焊接过程稳定，焊接质量良好。电弧电压过高，会导致飞溅增大，甚至产生排斥自由过渡现象；电弧电压太低，焊丝将与焊接熔池发生固体短路，导致焊丝成段爆断，焊接过程稳定性恶化和焊缝成形变差。 表1 不同直径焊丝典型的短路过渡焊接参数焊丝直径/mm0.81.21.6电弧电压/V181920焊接电流？A1001101201351401804.11 如何实现稳定的细颗粒过渡CO2焊接？CO2焊细丝颗粒过渡实际上与CO2潜弧焊射滴过渡是一回事。前者是前苏联学者根据熔滴的尺寸提出的名词，而后者是作者通过深入研究发现，细颗粒过渡只能发生在潜弧状态下。细颗粒过渡是一种非短路过渡形式，熔滴脱离焊丝端头后，在电弧空间飞行一段距离之后，才能进入熔池。这时电弧穿透力强，焊缝熔深大，适合于焊接中等厚度及大厚度工件。为了实现潜弧焊，通常需要具备以下条件：较大的焊丝直径，以1.6mm和2.4mm的焊丝用得最多，直径为35mm焊丝用得少一点；较大的焊接电流和较低的电弧电压；要求电弧电场强度E较大的CO2气体作为保护介质。以1.6mm焊丝为例,当焊接电流为350A时,焊丝端头接能潜入熔池中，也就是电弧潜入母材金属的凹坑内，如图4所示。随着电流的增大，焊丝端头潜入熔池中也越深，因此这种过渡形式的熔深较大。为了形成潜弧就要求较大的焊接电流。实验表明焊丝直径越大，则产生细颗粒过渡的下限电流值也越大，如表2所示，也就是潜弧临界电流值也越大，如图5所示。这里两个数据接近，但却不同。这是由于产生潜弧现象没有明显的界定标准所致。表2 不同直径焊丝细颗粒过渡的电流下限值及电弧电压范围焊丝直径/mm电流下限值/A电弧电压/V1.21.62.03.04.03004005006507503445对于细焊丝难以通过大电流，如1.2mm的焊丝当电流超过350A时，由于电流密度过大，焊口熔化不均匀，熔滴过渡不稳定；而较小电流时又不能产生潜弧。所以通过实验证明细颗粒过渡仅适用于焊丝直径大于1.6mm的焊丝。电弧电压对潜弧影响较大：电弧电压过高则产生明弧，而电弧电压过低则产生顶丝现象。通常电弧电压应调到潜弧状态下不顶丝，如图6所示。还应强调指出，CO2细颗粒过渡和Ar弧中的喷射过渡有着较大差别。由于氩气中电弧中电场强度较小，所以弧长较大，难以形成潜弧状态，这时的喷射过渡都是轴向的。而CO2电弧由于电场强度高，所以弧长较短，随着熔深的增加，焊丝端头将跟随进入熔池的凹坑中。这里应注意：在凹坑中的电弧，虽然是在CO2气氛中，但是由于焊丝与熔池金属的蒸发，将有大量的金属蒸气在电弧气氛中，于是改变了原CO2气氛的组成。在这种气氛中，电弧电场强度降低，则有利于形成细滴过渡（即细颗粒过渡）。另外，因为在凹坑中的电弧气氛受到金属蒸气的影响很大，而金属蒸气的含量又是不稳定的，所以电弧气氛的不稳定性将影响到熔滴过渡的稳定性。这种潜弧CO2焊的射滴过渡总是不如Ar弧下的喷射过渡那么稳定。12 CO2焊产生飞溅的原因有哪些？应从哪几方面着手降低飞溅？在CO2焊中，大部分焊丝熔化金属可过渡到熔池，有一部分焊丝熔化金属飞向熔池之外，飞到熔池之外的金属称为飞溅。特别是粗焊丝CO2气体保护焊大参数焊接时，飞溅更为严重，飞溅率可达20%以上，这时就不可能进行正常焊接工作了。飞溅是有害的，它不但降低焊接生产率，影响焊接质量，而且使劳动条件变差。由于焊接参数的不同，CO2焊具有不同的熔滴过渡形式，从而导致不同性质的飞溅。其中，可分为熔滴自由过渡时的飞溅和短路过渡时的飞溅。（1）熔滴自由过渡时的飞溅 熔滴自由过渡时的飞溅主要形式如图7所示，在CO2气氛下，熔滴在斑点压力的作用下上挠，易形成大滴状飞溅如图7a所示。这种情况经常发生在较大电流焊接时，如用直径1.6mm焊丝、电流为300350A，当电弧电压较高时就会产生。如果再增加电流，将产生细颗粒过渡，这时飞溅减小，主要产生在熔滴与焊丝之间的缩颈处，该处的电流密度较大使金属过热而爆断，形成颗粒细小的飞溅，如图7b所示。图7c表示在细颗粒过渡焊接过程中，可能由熔滴或熔池内抛出的小滴飞溅。这是由于焊丝或工件清理不当或焊丝含碳量较高，在熔化金属内部大量生成CO等气体，这些气体聚积到一定体积，压力增加而从液体金属中析出，造成小滴飞溅。大滴过渡时，如果熔滴在焊丝端头停留时间较长，加热温度很高，熔滴内部发生强烈的冶金反应或蒸发，同时猛烈地析出气体，使熔滴爆炸而生成飞溅，如图7d所示。另外，在大滴状过渡时，偶尔还能出现如图7e所示的飞溅，因为熔滴从焊丝脱落进入电弧中，在熔滴上出现串联电弧，在电弧力的作用下，熔滴有时落入熔池，也可能被抛出熔池而形成飞溅。（2）熔滴短路过渡时的飞溅 短路过渡时的飞溅形式很多，如图8所示。飞溅总是发生在短路小桥破断的瞬时。飞溅的大小决定于焊接条件，它常常在很大范围内改变。产生飞溅的原因目前有两种看法，一种看法认为飞溅是由于短路小桥电爆炸的结果。当熔滴与熔池接触时，熔滴成为焊丝与熔池的连接桥梁，所以称为液体小桥，并通过该小桥使电路短路。短路之后电流逐渐增加，小桥处的液体金属在电磁收缩力的作用下急剧收缩，形成很细的缩颈。随着电流的增加和缩颈的减小，小桥处的电流密度很快增加，对小桥急剧加热，造成过剩能量的积聚，最后导致小桥发生气化爆炸，同时引起金属飞溅。另一种看法认为短路飞溅是因为小桥爆断后，重新引燃电弧时，由于CO2气体被加热引起气体分解和体积膨胀，而产生强烈的气动冲击作用，该力作用在熔池和焊丝端头的熔滴上，它们在气动冲击作用下被抛出而产生飞溅。试验表明，前一种看法比较正确。飞溅多少与电爆炸能量有关，此能量主要是在小桥完全破坏之前的100150s时间内积聚起来的，主要是由这时的短路电流（即短路峰值电流）和小桥直径所决定。小电流时，飞溅率通常在5%以下。限制短路峰值电流为最佳值时，飞溅率可降低到1%左右，如图8a所示。在电流较大时，缩颈的位置对飞溅影响极大。所谓缩颈的位置是指缩颈出现在焊丝与熔滴之间，还是出现在熔池与熔滴之间。如果是前者，小桥的爆炸力推动熔滴向熔池过渡，而后者正相反，小桥爆炸力排斥熔滴过渡，其形态类似图8b所示，并形成大量飞溅，最高可达25%以上。冷态引弧时或在焊接参数不合适的情况下（如送丝速度过快而电弧电压过低，焊丝伸出长度过大或焊接回路电感过大等）常常发生固体短路，如图8c所示。这时固体焊丝可以直接被抛出，同时熔池金属也被抛出。在大电流射滴过渡时，偶尔发生短路，由于短路电流很大。所以将引起十分强烈的飞溅，如图8d所示。根据不同熔滴过渡形式下飞溅的不同成因，应采用不同的降低飞溅的不同成因，应采用不同的降低飞溅的方法：1）在熔滴自由过渡时，应选择合理的焊接电流与焊接电压参数，避免使用大滴排斥过渡形式；同时，应选用优质焊接材料，如选用含C量低、具有脱氧元素Mn和Si的焊丝H08Mn2SiA等，避免由于焊接材料的冶金反应导致气体析出或膨胀引起的飞溅。2）在短路过渡时，可以采用（Ar+CO2）混合气体代替CO2以减少飞溅。如加入（Ar）=20%30%的Ar。这是由于随着含氩量的增加，电弧形态和熔滴过渡特点发生了改变。燃弧时电弧的弧根扩展，熔滴的轴向性增强。这一方面使得熔滴容易与熔池会合，短路小桥出现在焊丝和熔池之间。另一方面熔滴在轴向力的作用下，得到较均匀的短路过渡过程，短路峰值电流也不太高，有利于减少飞溅率。在纯CO2气氛下，通常通过焊接电流波形控制法，降低短路初期电流以及短路小桥破断瞬间的电流，减少小桥电爆炸能量，达到降低飞溅的目的。通过改进送丝系统，采用脉冲送丝代替常规的等速送丝，使熔滴在脉动送进的情况下与熔池发生短路，使短路过渡频率与脉动送丝的频率基本一致，每个短路周期的电参数的重复性好，短路峰值电流也均匀一致，其数值也不高，从而降低了飞溅。如果在脉动送丝的基础上，再配合电流波形控制，其效果更佳。采用不同控制方法时，焊接飞溅率与焊接电流之间的关系，如图9所示。13 短路过渡CO2焊的焊缝成形有什么特点？如何改善焊缝成形？焊缝成形参数主要有焊缝熔深、熔宽和余高等，焊缝成形与所采用的工艺参数以及熔滴过渡密切相关。当采用普通恒压特性电源进行CO2短路过渡焊时，短路过渡周期分为燃弧期间和短路期间两个部分。在短路期间，短路电流的能量大部分传输到焊丝中去（焊丝干伸长部分），对工件的熔化贡献不大。只有在电弧燃烧期间，电弧的大部分热量才输入工作，并形成一定的熔深，但是，由于短路过渡焊接所采用的电弧电压较低，相应的电弧电流也较小，因此，电弧空间所能覆盖的熔池宽度较小，用以熔化工件的能量也较少。焊后将得到熔宽窄、余高大和熔深浅的焊缝。为了改善焊缝成形，增大熔深和熔宽，就需要增强燃弧电流对工件的熔化作用。现在，一般的晶闸管整流焊接电源采用在输出回路中串联一个适当值的电感来改善燃弧电流。当短路结束后，由于输出电感的存在，燃弧电流从短路峰值电流开始缓慢下降，从而增大了燃弧电流和燃弧时间，加强了对工件的熔化，增大了熔深。回路电感对燃弧电流和燃弧时间的影响如图10所示。另外，在逆变式焊机等高档机型中，在控制电路中采用电流波形控制的方法代替回路电感的作用。其基本思想是在短路结束、进入燃弧的初期，电源输出较高的电压，由于短路过渡焊情况下，熔滴刚完成过渡时，电弧长度较小，在较高的电压下得到了较大的燃弧电流，从而增强了对工件的加热，得到较大的熔深。较高的燃弧电压维持13ms后，再降到合适的电压值，以保证正常的短路过渡过程。14 CO2焊的电弧电压大小对焊接过程有什么影响？如何选取合适的电弧电压？电弧电压是指从导电嘴到工件之间的电压，通常地，在标准焊机配置的情况下（焊机输出电缆长度为3m或5m），焊机输出电压和电弧电压的大小很接近，二者之间差值不到1V。习惯地就把焊机面板上的焊机输出电压读数当成电弧电压。电弧电压是一个主要的工艺参数，其大小将影响焊接过程的稳定性、熔滴过渡特点、焊缝成形和焊接飞溅等。短路过渡时弧长较短，并具有均匀密集的短路小桥破断的爆炸声。随着电弧电压的增加，弧长增长，这时短路小桥破断的爆炸声不规则，同时飞溅明显增加；若进一步增大电弧电压，一直可以达到无短路过程。相反，随着电弧电压的降低，弧长变短，出现较强的短路小桥破断的爆炸声，进而还可以引起焊丝与熔池的固体短路。短路过渡时焊接电流一般在200A以下，这时，对应于某一焊接电流，合适的电弧电压范围较窄，其变化范围一般仅为23V，电弧电压与焊接电流之间的关系可以下式表示： U=0.04I+162 （1）细丝的电弧电压与焊接电流的匹配关系如图11和表3所示。从表4-3可以看出，立焊和仰焊时的电弧电压都比平焊时低些。这是由于在较低的电弧电压下，当熔滴形成较小尺寸时就可与熔池短路，从而避免了熔滴的飘摆，保证了短路过渡的可靠性。表3 短路过渡CO2焊时焊接电流与电弧电压的最佳配合焊接电流/A电弧电压/V平焊立焊和仰焊701201821.5181913017019.5231821180210202418222202602125当焊接电流在200A以上时，即使采用较小的电弧电压，也难以获得稳定的短路过渡过程，这时的电弧电压往往较高。电弧电压与焊接电流之间的关系可用下式表示。 U=0.04I+202 （2）这时基本上不发生短路，飞溅较小且电弧稳定，成为带有偏熔特点的射滴过渡形式。在粗丝情况下，焊接电流在600A以上时，电弧电压一般选择在40V左右。如果焊接电缆需要加长时，焊接电源的输出电压值需按表4所列数据修正式（1）、（2）。表4 加长电缆修正电弧电压表电流/A电缆长/m10020030040050010152025约1V约1V约1.5V约2V约1.5V约2.5V约3V约4V约1V约2V约2.5V约3V约1.5V约2.5V约3V约4V约2V约3V约4V约5V电弧电压对焊缝成形的影响十分明显，如图12和图13。不论是小电流（短路过渡区）还是大电流（射滴过渡区）时，焊缝成形的规律大致相同。通常电弧电压高时熔深变浅，熔宽明显增加，余高减小，焊缝表面平坦。相反，电弧电压低时，熔深变大，焊缝表面变得窄而高。15 在CO2焊中，如何正确操作焊枪？在CO2焊中，焊枪与工件间距离、焊枪角度、指向位置以及操作姿态都会影响到焊接质量的好坏。正确地操作焊枪，首先应使喷嘴和母材之间保持适当的距离，该距离过大会导致保护气体的保护效果差和电弧不稳，当喷嘴高度超过30mm时，焊缝中将产生气孔，喷嘴高度过小时，喷嘴易粘附飞溅且难以观察焊缝。所以不同焊接电流时，应保持合适的喷嘴高度。喷嘴高度和焊接电流、气体流量之间的关系如表5所示。表5 喷嘴高度与焊接电流、气体流量的关系焊丝直径/mm焊接电流/A喷嘴高度/mm气体流量/（L/min）1.21001015152020015203002025201.63002020350202040020252025半自动CO2焊时，焊枪角度对焊缝成形影响较大。如表6所示，当采用左焊法时，熔池在电弧力的作用下，熔化金属被吹向前方，使电弧不能直接作用到母材上，所以熔深较浅，焊道平坦且变宽，虽然飞溅较大，但保持效果好。当采用右焊法时，熔池被电弧力吹向后方，因此电弧能直接作用到母材上，熔深较大，焊道变得窄而高，飞溅略小。当焊接水平角焊缝时，焊枪指向位置特别重要。用250A以下的小电流焊接时，焊脚约为5mm以下，可按图14a所示，焊枪与垂直板夹角4050，并指向尖角处。当焊接电流大于250A时，焊脚尺寸约为5mm以上，可按图14b所示，这时焊枪与垂直板夹角为3545，指向位置在水平板上距尖角12mm为宜。如果焊枪指向垂直板，焊缝将出现图15所示的形状，垂直板咬边而水平板上形成焊瘤。为了焊出均匀美观的焊道，焊枪移动时应该严格保持如图16所示的焊枪角度和喷嘴到工件的距离。同时还要注意焊枪移动速度均匀，焊枪应对准坡口的中心线等。半自动CO2焊时，焊枪上接有焊接电缆、控制电缆、气管、水管和送丝软管等，所以焊枪的重量较大。焊工操作时很容易疲劳，而使得工人难以握紧焊枪，影响焊接质量。为此，应该尽可能地减轻把线的重量，并利用肩部、腿等身体的可利用部位，减轻手臂的负荷。如图17所示。15 在CO2焊中，如何选择合适的焊丝伸出长度？焊丝伸出长度是指在焊接过程中，从导电嘴到焊丝端头的距离，如图18所示。虽然焊丝伸出长度不可能在焊接之前精确确定，但是，可以在焊接过程中，通过改变喷嘴到母材间的距离来调整焊丝伸出长度，该距离越大，焊丝伸出长度也越长；该距离越小，焊丝伸出长度也越小。在焊接过程中，保持焊丝伸出长度不变是保护焊接过程稳定性的重要因素之一。焊丝伸出长度对焊丝熔化速度的影响很大，如图19所示。尤其在短路过渡CO2焊中，采用的焊丝都比较细，焊丝伸出长度上严重的电阻热成为焊接参数中不可忽视的因素。在焊接电流相同时，随着伸出长度增加，焊丝熔化速度也增加。换句话说，当送丝速度不变时，伸出长度越大，则电流越小，使熔滴和熔池温度降低，造成热量不足，熔深越小，甚至造成未焊透。直径越细、电阻率越大的焊丝，这种影响也越大。另外，焊丝伸出长度过大时，容易发生过热而成段熔断，飞溅较大、焊缝成形恶化，焊接过程不稳定，难以操作。同时，焊丝伸出长度较大时，喷嘴到母材之间的距离较大，因此气体保护效果较差，甚至可能产生气孔。相反，焊丝伸出长度减小时，焊接电流增加，弧长略变短，熔深变大，焊接飞溅金属大量粘附到喷嘴内壁。同时，还妨碍观察电弧，影响焊工操作。当伸出长度过小时，易使导电嘴过热而夹住焊丝，甚至烧毁导电嘴，使焊接过程不能正常进行。根据生产经验，合适的焊丝伸出长度与焊丝直径有关，大约等于焊丝直径的10倍左右，并随着焊接电流的增加而增加。总的来说，焊丝伸出长度一般都在1020mm范围之内，很少有超过20mm的。17 如何制定正确的立焊焊接工艺？根据工件厚度的不同，立焊可以采用向下立焊或向上立焊。前者主要用于薄板，而后者用于厚度大于6mm的工件。1）、向下立焊立焊时的主要运条方式有两种，一为直线式，二为摆动式。能够进行平板对接、丁字接和角接接头的焊接。立焊时的关键在于保持熔池不流淌。由于保持熔池很难，而极易发生咬边、焊瘤、焊缝成形不均匀（熔深和熔宽）和焊道表面凹凸不平。在向下立焊时，为了保持熔池，焊枪应斜向上指向熔池，并保持如图20所示的角度。电弧应始终对准熔池的前方，如图21a所示。否则，一旦铁液流到电弧前方，便易发生焊瘤和焊不透，如图21b所示。这时应加速焊枪移动，并使焊枪前倾角增大，依靠电弧力把熔池金属推上去。 向下立焊主要使用细丝、短路过渡和较快的焊接速度，典型的焊接参数如表7所示。表7 向下立焊对接焊缝的焊接参数板厚/mm根部间隙/mm焊丝直径/mm焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/（cm/min）0.800.96065161760651.000.96065161760651.200.9707516.51760651.600.975851718556501.21001101616.580832.01.00.98590181945500.81.2110120171870802.31.30.990100181940451.51.2120130181955603.21.81.21401601919.538424.02.01.21401601919.53842立焊焊缝与坡口的对接焊缝在向下立焊的情况下有相似之处，该法用于厚度在6mm以下的薄板，焊接电流不得过大，当电流大于200A时，熔池金属将流失。为此除限制电流外，还应尽量降低电弧电压和提高焊速。向下立焊时通常焊枪不进行摆动，因为焊枪摆动时熔池难以保持，易引起铁液流失和未焊透。如果需要较大的熔宽时，应采用多层焊。值得指出的是向下立焊的焊缝成形美观、熔深浅，易产生未焊透和焊瘤。2）、向上立焊工件厚度大于6mm时应采用向上立焊。这时熔深较大、熔透可靠。但是由于熔池较大，使铁液流