CO2气体保护焊焊工培训教材资料.pdf
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1、CO2气体保护焊技术 一、CO2气保焊概述 CO2气体保护焊是上世纪五十年代发展起来的一种技术。自问世以 来,CO2气体保护焊焊接技术在国内外焊接领域发展很快,在实际生产中 的应用也越来越广泛,并兼有手工电弧焊和埋弧焊的许多优点。目前在建 筑钢结构行业的应用也非常广泛,如用 CO2气体保护焊焊接箱型钢、 焊接 H 型钢等。实践证明 CO2气体保护焊是一种比较先进的、效率较高的焊接 方法。 1、CO 2气保焊的特点 CO2气体保护焊是熔化极气体保护焊的一种,全称为“ CO2气体保护电 弧焊”。 它是采用 CO2气体作为保护介质, 焊接时,CO2从焊枪喷嘴中喷出, 把电弧及熔池与空气机械的隔离开来
2、,避免空气对熔化金属的有害作用, 保证焊缝的化学成分及机械性能。 与其他焊接方法相比, CO2气体保护焊具有以下优点: 成本低: CO2气体价廉,而且电能消耗小,故使得焊接成本低于其 他焊接方法,约相当于埋弧焊和手工电弧焊的40%左右。 生产效率高: CO2气体保护焊电弧热量集中,穿透能力强,所以熔 深大,这样就减少了焊接层数,加之焊后不用清渣,角立焊时可以从上向 下焊,因此提高了生产率。 质量好:由于焊缝含H 量少,抗裂性能好。 变形小:电弧加热集中,焊接速度快,工件受热面积小,同时由于 CO2气流有较强的冷却作用,所以,焊缝的热影响区和焊件的变形小,比 较适合薄板的焊接。 抗锈能力强: C
3、O2气体保护焊接时,采用高硅高锰型焊丝,由于焊 丝含有较多的 Si、Mn 脱氧元素,它具有较强的还原和抗锈能力。 操作简便: 因为 CO2气体保护焊是明弧, 焊接时可以观察到电弧和 熔池的情况,故操作较容易掌握,不易焊偏,更有利于实现机械化和自动 化焊接。 除上述优点外, CO2气体保护焊也存在一些不足之处: a、飞溅较大,并且焊缝表面成型较差,这是主要缺点; b、弧光较强,特别是大电流焊接时,电弧的光热辐射均较强; c、很难用交流电进行焊接,焊接设备比较复杂; d、不能在有风的地方进行焊接,不能焊接容易氧化的有色金属; e、焊接时, CO2气体在高温下分解出的CO 对人体有害,严重时,可 使
4、人头晕。所以要严格控制气体流量。 2、CO2气保焊的分类 按焊丝直径分 a、细丝 CO2气体保护焊(1.2mm ) ; b、粗丝 CO2气体保护焊(1.6mm ) ; 按操作方法分 a、CO2气体保护半自动焊; b、CO2气体保护自动焊; 按特殊应用和工艺分 a、CO2电弧点焊; b、CO2气电立焊; c、CO2气体保护窄间隙焊接法; d、CO2气体与焊渣联合保护; CO2气体管状焊丝 CO2气体涂药焊丝 CO2气体实芯焊丝带磁性焊剂 e、CO2气体其他气体保护焊 混合气体焊接法,如: CO2+O2及 CO2Ar 双层气流保护焊接法 f、CO2气体保护堆焊等 3、CO2气保焊的应用 由于 CO
5、2气体保护焊本身所具有的特点,故应用范围较广, 它也可以 焊接多种材料。除焊接常用的低碳钢外,也可以焊接低合金钢、低合金高 强度钢,不锈钢、耐热钢等。不仅能焊接薄板,也可以焊接中、厚板,同 时可进行全位置焊接。除了适用于焊接结构制造外,还适用于修理,如堆 焊磨损的零件以及焊补铸铁等。 CO2气体保护焊焊接的材料厚度范围较大,最薄可焊到0.8mm ,最 厚的可焊到 300mm 左右。细丝 CO2气体保护焊适宜焊接0.84mm 的薄 板,粗丝和药芯焊丝适宜焊接中厚板;而窄间隙焊接法在焊接板厚大于 50mm 的焊件时,其优越性极为突出。 CO2气体保护半自动焊操作灵活方便,多用于焊接短焊缝及曲线焊
6、缝,在采用熔滴短路过渡时,可进行全位置焊接。对于长且直的焊缝则多 采用 CO2气体保护自动焊。 CO2气体保护焊主要用于水平位置的焊接,在 特殊装备情况下,也可进行立焊和横焊。 CO2气体保护半自动和自动焊还可用于耐磨零件的堆焊。CO2气体保 护焊也可用于水下焊接。 二、CO2气保焊的焊接过程 1、冶金特点 CO2气体保护焊时,利用CO2气体作为保护介质,虽然CO2气体能 有效地防止有害气体对焊接区域的侵入,但是CO2气体本身是活泼气体, 具有较强的氧化性。 合金元素的烧损: 常温下,CO2气体在化学性能上显中性, 但在高温时分解成CO 和 O。 其反应式为: CO2CO + O 其分解度随着
7、温度的提高而加大。 分解后的 O 和 CO2气体同时对熔化金属中的铁、硅及锰等元素起氧 化作用,反应式为: Fe + O FeO Fe + CO2 FeO + CO Si + 2 CO2 SiO2+ 2CO Mn + CO2 MnO + CO 氧化作用的结果必然导致合金元素的烧损,为了防止生成大量的FeO, 保证焊后焊缝的机械性能及防止其他缺陷的产生,必须采取相应的冶金措 施,通常多采用有较高Mn、Si 含量的合金钢焊丝来弥补。 Mn、Si 较 Fe 对氧有较高的亲和力,它们不仅优先于Fe 被 CO2和 O 氧化,减少了 Fe 被过多地氧化,同时,在熔池开始凝固时,Mn、Si 对被 氧化生成
8、FeO 起着还原剂的作用,其反应式为: 2 FeO Si 2 Fe + SiO2 FeO + Mn Fe MnO 在焊接过程中, MnO、 SiO2组成的熔渣浮在液态金属表面,焊缝冷 却后变成薄薄的一层渣,覆盖在焊缝表面。 如果焊丝中的 Mn、Si 含量不足,则脱氧作用差,FeO 将和金属中的 C 发生作用,生成 CO 和 Fe,其反应式为: FeO + C Fe + CO CO 在熔池凝固时如果来不及排出,就会产生气孔。 引起气孔的另一个原因是氢气和氮气。CO2气保焊时,氢气来自工件 表面上的油污和铁锈, 以及 CO2气体中所含的水份。 氢气孔是自由状态下 的氢气在电弧中被电离后融入熔池,当
9、熔池结晶时氢来不及排出而残留在 焊缝金属中形成的。在高温液态金属中氢的溶解度比室温高几百倍,所以 氢气孔极易形成。故要求在焊前对工件及焊丝表面作适当清理,对CO2 气体要求提纯。 氮气来自空气及 CO2气杂质中, 当 CO2气流保护效果不佳或CO2气 体纯度较低而且含有一定量的空气,空气中的氮大量溶入熔池金属。在熔 池凝固时又来不及排出,便形成氮气孔。所以在焊接中必须保证气体流量 稳定。 当焊丝中的 Mn、Si 含量充足时, Mn、Si 在完成脱氧任务之余,剩 余量便作为合金元素留在焊缝中,起着提高焊缝机械性能的作用。 2、熔滴过渡 熔滴过渡有三种形式,即短路过渡、大颗粒过渡和喷射过渡。(略)
10、 3、焊接的飞溅问题 在 CO2气保焊中, CO2与熔滴中的 C 作用生成 CO,使熔滴爆炸,形 成飞溅。飞溅不仅影响焊件表面光洁,而且容易造成喷嘴堵塞,使气体保 护效果变差。如果飞溅物粘在导电嘴上,将使焊丝不能均匀送进,严重时 造成停丝。因此,必须对飞溅进行控制。产生飞溅的原因如下: 由冶金反应引起的飞溅 这种飞溅主要是由于CO2气体在高温下分解时引起的膨胀,高温时熔 滴和熔池中的 C 被氧化生成 CO 气体所引起的。 另外,若熔滴或熔池中产 生的气泡或气体从熔滴内流出时的猛烈膨胀等也可引起飞溅。 极点压力引起的飞溅 工艺因素引起的飞溅 消除或减少飞溅的措施: a、采取必要的冶金措施:如采用
11、含碳量低的焊丝;采用CO2+Ar 的 混合气体保护焊接;采用管状焊丝进行气-渣联合保护; b、正选确择焊接工艺参数和焊接极性。 三、CO2气体保护焊焊接材料 1、CO2气体 纯净的 CO2气体是无色,无味,无嗅的气体,它的比重是空气的1.5 倍,为 1.97686 克/升。 焊接用的 CO2气体是专业生产厂生产的, 它以液态装瓶供应, 瓶子染 成黑色,并且用黄字写上“CO2”字样。通常容量为 40 公升的标准钢瓶,可 以装入 25 公斤液态 CO2(按液体重量计算),这一点不同于氧气(按大气 压或体积计算)。由于 CO2从液态变为气态的沸点低(-78) ,所以在常 温下钢瓶内的液态CO2就能气
12、化成气体,供焊接使用。在0和一个大气 压力下,1 公斤液态 CO2可以气化成 509 升的气态 CO2,这样一个标准钢 瓶中所盛的液态CO2就可以气化成 12725 升的 CO2气体。满瓶压力约为 5070 公斤力 /厘米 2。瓶内压力随着外界温度升高时而增大,所以 CO2 气瓶不准靠近热源或置于烈日下曝晒,以防发生爆炸事故。 CO2气体中水气的含量与瓶中的压力有关,压力与水气成反比例,如 图所示。 CO2瓶内水气含量与压力的关系 1气瓶未经放水,气体未经干燥2气瓶经过放水,气体经过干燥 当气瓶压力低于 10 公斤/厘米 2 时,CO2气体中的含水量大大增加。 瓶中 CO2气体的贮量不能用压力
13、表来估计,因为瓶中有液态CO2时, 压力只代表在当时温度下的饱和气压,贮量为 25 公斤和 10 公斤时,压力 表上的读数是一样的, 温度变低,饱和气压也变低, 但是不等于贮量减少, 只有当瓶内都是 CO2气体时,压力大小才反映气体贮量多少,这时压力随 CO2的消耗而下降。在焊接时,由于瓶内液体不断蒸发,使气瓶内温度下 降,此时压力表的读数是代表实际温度下的压力,气体消耗越快,液态 CO2蒸发越快,温度降的越低。因此同样的贮量,消耗速度不同压力也就 不同。如图所示。 钢瓶内CO2压力与数量关系 a瓶内温度等于20b气体周期性消耗14001500升/小时 c气体连续消耗12001500升/小时
14、为保证焊接质量,一般规定CO2气体的纯度为 99.5% 以上,含水量, 含氮量均不得超过0.10% 。如果纯度不够,可采取下列措施: 将气瓶倒置12 小时,待水沉积于瓶口部,打开瓶阀。放出自由 状态的水。 使用前,先将瓶内杂气放掉,一般放23 分钟即可。 在气路中串联干燥器,以进一步减少CO2气体中的水份。 气瓶进行水压试验后, 务必要将瓶内的水份全部倒出,经烘干或用 热空气吹洗后再使用。 2、焊丝 从 CO2气体保护焊的冶金特点中可以看出,为了保证焊缝具有较高的 机械性能和消除气孔的产生,必须采用含有足够脱氧元素的高硅、高锰型 合金焊丝。 CO2焊使用的焊丝主要有: H08MnSiA 、 H
15、08Mn2SiA 、 H04Mn2SiTiA , H08Cr3Mn2MOA , H10MnSiMo和 H14CrMoVA等 。 见 下表 ,其 中 H08MnSiA焊丝一般用于低碳钢的焊接。H08Mn2SiA 和 H04Mn2SiTiA 焊丝具有较多的脱氧元素和一定含量的合金元素,一般用于低合金钢和低 合金高强度钢的焊接,尤其焊丝H04Mn2SiTiA 比 H08Mn2SiA 性能优越: 飞溅少,焊缝机械性能高以及抗气孔性能好。H08Cr3Mn2MOA焊丝,一 般用于贝氏体钢的焊接。H04CrMoVA 焊丝,它不仅有很强的还原能力, 而且含有大量的合金元素,所以被用来焊接机械性能要求很高的焊缝
16、。 二氧化碳气体保护焊常用焊丝的化学成份 焊 丝 牌 号 合 金元素(% ) 用途 碳硅锰铬镍钼硫磷 C Si Mn Cr Ni Mo S P 不大于 H10MnSi 0.14 0.60- 0.90 0.8-1 .1 0.20 0.30 0.030 0.04 0 焊接低碳钢和低 合金钢 H08MnSi 0.10 0.70- 1.0 1.0-1 .3 0.20 0.30 0.030 0.04 0 焊接低碳钢和低 合金钢 H08MnSiA 0.10 0.60- 0.85 1.4-1 .7 0.20 0.25 0.030 0.03 5 焊接低碳钢和低 合金钢 H08Mn2Si0.70-1.8-20.
17、030 0.03焊接低合金钢和 A 0.10 0.95 .1 0.20 0.25 5 低合金高强度钢 H04Mn2Si TiA 0.04 0.70- 1.10 1.8-2 .2 0.2-0. 4 0.025 0.02 5 焊接低合金钢和 低合金高强度钢 H10MnSiM o 0.14 0.70- 1.10 0.9-1 .2 0.20 0.30 0.15-0 .25 0.030 0.04 0 焊接低合金高强 度钢 H08Cr3Mn 2MoA 0.10 0.30- 0.50 2.0-2 .5 2.5-3 .0 0.35-0 .50 0.030 0.03 0 焊接贝氏体钢 HOCr18Ni 9 0.
18、06 0.50- 1.0 1.0-2 .0 18-20 8.0-1 0 0.020 0.03 0 焊接 1Cr18Ni9Ti 薄板 H1Cr18Ni 9 0.14 0.50- 1.0 1.0-2 .0 18-20 8.0-1 0 0.020 0.03 0 焊接 1Cr18Ni9Ti 薄板 H1Cr18Ni 9Nb 0.09 0.30- 0.80 1.0-2 .0 18-20 9.0-1 1 Nb= 1.2-1. 5 0.020 0.03 0 焊接 1Cr18Ni9Ti 薄板 对各种金属材料,应根据焊件的设计强度和节约的原则,选择不同化 学成份的焊丝,以满足焊接工艺和焊缝机械性能的要求。 焊丝表
19、面的清理及挺直程度,对焊接过程的稳定性和焊接质量有很大 的影响。若采用未清理的焊丝焊接,会使焊缝产生气孔和降低机械性能, 所以焊丝表面必须预先进行清理,不准有油污及铁锈。 四、CO2气保焊设备简介 1 、自动和半自动焊枪 自动和半自动焊枪又称为焊炬, 是进行 CO2气体保护焊接时直接施焊 的工具。半自动焊时,焊枪由焊工直接操作,能方便自如地对各种不同位 置的焊缝进行焊接。自动焊接时,焊枪由机头或行走机构固定。 半自动焊枪: 半自动焊枪有两种结构形式即手枪式、鹅颈式(弯管式) ,它们均属推 丝式。 焊工可根据焊缝位置,采用不同形式的半自动焊枪,一般空间位置焊 缝,采用手枪式焊把较好。一般水平位置
20、焊缝,采用鹅颈式焊把较好。手 枪式焊把的优点是送丝阻力比较小,但焊把重心不位于手握部分,操作时 不太灵活。鹅颈式焊把重心位于手握部分,操作时比较灵活,但随着鹅颈 角度增加,送丝阻力也增大。 焊枪的另一种形式是拉丝式。 喷嘴 这种焊枪的主要特点是送丝均匀稳定,焊枪活动范围大,但因送丝机 构和焊丝盘都装在焊枪上,故焊枪比较笨重,结构复杂。通常适用于直径 为 0.50.8 毫米的细丝焊接。 喷嘴和导电嘴是焊枪的主要零件,喷嘴的形状和尺寸, 对 CO2气体的 状态, 焊枪的操作性能有直接影响, 一般半自动焊枪的喷嘴孔径约为16-22 毫米,不应小于12 毫米,以使气体保护作用充分,且气量消耗又少。但
21、也不宜过大,以致观察熔池不便。 喷嘴采用紫铜或不锈钢或陶瓷材料制作, 其形状以圆柱形的较好,也有用圆锥形的,见上图。使用前,可在喷嘴的 内外表面涂以硅油,这样容易清除飞溅物。 导电嘴如下图所示。导电嘴孔径的大小,对送丝速度和焊丝实际伸出 长度有很大影响,因此对焊接质量的好坏也有直接关系。导电嘴孔径太小 时,送丝阻力增大, 焊丝不能顺利地通过, 时快时慢, 焊接电流时大时小。 导电嘴孔径太大时,焊丝在导电嘴内的接触点不固定,由于焊丝在孔内摆 动,导电不稳定,造成焊接规范不稳,因此,焊丝熔化速度不均匀,焊缝 宽窄不一。 导电嘴 如果导电嘴长度太短,由于接触不良,焊丝与导电嘴之间可能引起电 弧,使得
22、两者焊在一起,致使送丝停止。导电嘴太长,会增大送丝阻力, 而且导电嘴的制造较困难,也浪费材料。 生产实践证明,导电咀的孔径D 与焊丝直径 d 应有如下关系: 当焊丝直径 d 1.2 毫米时, D=d+0.2 毫米 当焊丝直径 d=1.62.0 毫米时, D=d+0.3 毫米 对于直径 d 1.2 毫米的焊丝,导电嘴的长度以20 毫米左右为宜;对 于直径 d1.2 毫米的焊丝,导电嘴的长度以30 毫米左右为宜。 对导电嘴的要求,除了尺寸合适外,材料的选择也很重要。制做导电 嘴的材料,应该具有耐磨、 导电性好和熔点高等特性。 常用的材料为紫铜。 用紫铜棒制作导电嘴时,加工困难,也不经济。有些单位用
23、特型铜管加工 制做导电嘴,不仅解决了钻小孔的困难,而且提高了加工效率,导电嘴的 耐磨性能也得到改善。此外,还有采用铬青铜,磷青铜和镉青铜制做导电 嘴的,效果很好。 自动焊枪 自动焊枪根据选用焊丝的直径和冷却方式不同,可分为细丝气冷和粗 丝水冷两种。 A、细丝气冷自动焊枪:这种焊枪的优点是结构简单,制造方便和气 保护性能好。 B、粗丝水冷自动焊枪: 这种焊枪的优点是能获得稳定的气流保护层, 其气流层长度可达89100 毫米;导电嘴伸出喷嘴外面,可以减少飞溅粘 住喷嘴,容易观察焊接区;导电杆中部加入纺锤形体内套,能阻止金属飞 溅直接进入气室。导电嘴和喷嘴采用水冷以后,可以延长工作时间。这种 焊枪结
24、构较复杂,但是使用性能比较理想。 3、焊丝给送机构 焊丝给送机构主要由送丝电机、软管、送丝滚轮、减速机构和减速器 等组成。见下图所示。 送丝电动机通常采用直流电动机,进行无级调速。对送丝电动机, 要求有足够的功率,具有平硬的机械特性,可在较大范围内实现无级调 速,要求启动,停止惯性越小越好。 送丝电动机的容量、功率究竟选取多大合适,可根据生产实际而定, 一般常选用 55160 瓦之间。 图 728 推丝式送丝机构示意图 1焊丝盘2送丝电动机3减速器4送丝软管5送丝滚 轮 减速装置 送丝电动机直接带动减速装置,减速器通常采用蜗轮蜗杆齿轮传动方 式减速。在要求送丝速度调节范围较大的情况下,可采用一
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