二氧化碳气体保护焊的冶金特性

二氧化碳气体保护焊的冶金特性

常温下，CO2气体的化学性质呈中性，但在电弧高温下，CO2气体被分解呈很强的氧化性，能使合金元素氧化烧损，降低焊缝的力学性能，还能成为产生气孔和飞溅的根源。因此，CO2焊的焊接冶金具有特殊性。

1、合金元素的氧化与脱氧

（1）合金元素的氧化

在电弧热量作用下，二氧化碳发生分解，放出氧气：

2CO2⇔ 2CO + O2

氧气又进一步分解为氧原子：

O2⇔ 2O

因此，二氧化碳电弧具有很强的氧化性，使铁及合金元素（Si、Mn、Cr、Ni、Ti、C等）发生氧化。

氧化反应的不利后果：合金元素大量烧损，降低力学性能；

溶入液态金属的FeO与C反应，生成CO气体，使熔滴和熔池金属发生爆破，产生飞溅，也易于导致CO气孔。（2）脱氧

在焊丝中加入适量的脱氧剂，脱氧剂与O的亲和力比Fe 及C强，因此可阻止Fe、C等与O发生不利的反应。脱氧剂在完成脱氧任务之余，所剩余的量作为合金元素留在焊缝中，起着提高焊缝机械性能的作用。

常用的脱氧元素有： Mn、Si、Al、Ti等。

二氧化碳焊焊丝一般采用Mn、Si联合脱氧，有些焊丝中还加少量的Ti。采用Mn、Si联合脱氧生成的MnO、SiO2可以形成复合物浮出熔池，形成一层微薄的渣壳。

2、CO2焊的气孔问题

CO2焊可能产生的气孔有以下三种：

（1）CO气孔：

一氧化碳气孔产生的主要原因脱氧剂不足时，发生以下反应：

FeO + C = Fe + CO

该反应通常发生于熔池尾部，此处的液态金属温度接近结晶温度，反应很强烈且CO没有时间逸出，因此，CO易残留于熔池中形成气孔。但只要选择的焊丝正确，焊丝中的脱氧元素就会抑制FeO生成，产生CO气孔的可能性很小。（2）氢气孔：

氢气主要来源于焊丝、焊件表面的铁锈、水分、油污和CO2气体中的水分。

二氧化碳电弧中有大量的氧原子，氧原子可与焊接区的氢结合成不溶于熔池的羟基，因此CO2焊对氢气孔不敏感。只要是CO2气体中的水分含量不超过规定值，工件及焊丝上的铁锈及油污不很严重，一般不会产生氢气孔。

（3）氮气孔：

氮气主要来源于空气，当CO2气流量太小、焊速过快、喷嘴被飞溅的金属堵塞时，会导致保护效果不好，使空气侵入，或CO2气体纯度不高，而形成气孔。

氮气孔是CO2焊焊缝中出现几率最大的一种气孔。但只要保证良好的保护效果，这种气孔一般也不会产生。

3. CO2焊的熔滴过渡

CO2焊的熔滴过渡主要有两种形式：短路过渡和滴状过渡。

一般不会出现喷射过渡。

（1）短路过渡：细焊丝、小电流、低电弧电压焊接时获得。

短路过渡频率高，电弧非常稳定，飞溅小，焊缝成形良好，由于热输入小，适用于薄板及全位置焊接。

（2）滴状过渡：

CO2焊采用粗焊丝、较大电流和较高电压时，会出现滴状过渡。

滴状过渡有两种形式：

①大颗粒过渡：电流电压比短路过渡稍高，电流一般在400A 以下，熔滴大且不规则，过渡频率低，易形成偏离焊丝轴线方向的非轴向过渡，（如图所示）电弧不稳定，飞溅很大，成形差，不宜采用。

②细颗粒过渡：电流电压进一步加大，电流在400A以上时，电磁收缩力加强，熔滴细化，过渡频率增加，虽仍为非轴向

过渡，但飞溅减少，电弧较稳定，成形良好，应用广泛。

粗焊丝、滴状过渡，电流大电弧穿透力强，多用于中、厚板的焊接。

4. CO2焊的飞溅

飞溅CO2焊的主要缺点，滴状过渡的飞溅比短路过渡严重得多。

一般金属飞溅损失约占焊丝熔化金属的10%左右，严重时可达30%～40%，最佳情况下，可控制在2%～4%以内。

（1）CO2焊飞溅对焊接造成的有害影响：

①飞溅大，降低焊丝的熔敷系数，增加焊丝和电能的消耗，降低生产率，增加成本。

②飞溅金属会粘在导电嘴断面、喷嘴内壁和焊件表面上，使送丝不畅，降低保护效果，易产生气孔，影响焊接质量，焊后需清理。

③飞溅金属易烧坏工作服，烫伤皮肤，使劳动条件恶化。（2）CO2焊产生飞溅的原因及防止飞溅的措施

①由冶金反应引起的飞溅：由CO造成。熔滴和熔池中的碳氧化成CO，高温下CO急剧膨胀，压力迅速增大，使熔滴和熔池金属产生爆破，造成大量飞溅。

减少这种飞溅的方法是采用含有锰、硅脱氧元素的焊丝，并降低焊丝中的含碳量。

②由极点压力产生的飞溅：这种飞溅主要取决于焊接时的极

性。

正极性焊接时，正离子飞向焊丝端部的熔滴，机械冲击力大，形成大颗粒飞溅；

反极性焊接时，电子飞向焊丝端部的熔滴，机械冲击力小，飞溅较小。所以CO2焊应直流反接。

③熔滴短路时引起的飞溅：这种飞溅发生在短路过渡过程中，当焊接电源的动特性不好时，则更严重。

当熔滴与熔池接触时，若短路电流增长过快，或者短路电流最大值过大时，会使熔滴缩颈处的液态金属发生爆破，产生较多的细颗粒飞溅；

若短路电流增长过慢，不能及时增大到要求的电流值，缩颈处就不能迅速被拉断，使伸出导电嘴的焊丝在电阻热的长时间加热下，成段软化和断落，并伴随着较多的大颗粒飞溅。

减少这种飞溅的方法，主要是通过调节焊接回路中的电感来调节短路电流的增长速度。

④非轴向颗粒过渡造成的飞溅：在颗粒过渡时，由于电弧的斥力而产生。熔滴在极点压力和弧柱中气流的压力共同作用下，被推到焊丝端部的一边，抛到熔池外面，形成大颗粒飞溅。

⑤焊接工艺参数选择不当引起的飞溅：由焊接电流、电弧电压和回路电感等工艺参数选择不当引起。

随着电弧电压的增加，电弧拉长，熔滴容易长大，且在焊丝末端产生无规则摆动，致使飞溅增大。

焊接电流增大，熔滴体积变小，熔敷率增大，飞溅减少。

潜弧焊可大大减少飞溅：采用较大电流、较小电弧电压，把电弧压入熔池形成潜弧，使飞溅落入熔池可大大减少飞溅。这种方法熔深大、效率高，广泛用于厚板焊接。

提示：CO2焊的主要问题是飞溅较大，焊接前，可使用飞溅防粘剂涂抹在焊缝两侧；用喷嘴防堵剂涂在喷嘴内壁和导电嘴端部。