二氧化碳气体保护焊讲课课件.ppt

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1、第四章二氧化碳气体保护电弧焊,本章重点：CO2电弧的行为焊接材料实芯焊丝短路过渡CO2焊药芯焊丝CO2焊 本章难点： 对CO2焊特点的把握； 药芯焊丝CO2焊 学习方法建议： 必须充分理解和掌握 CO2电弧的行为并与其它焊接方法对比，这是能够准确把握CO2焊的前提和关键；药芯焊丝CO2焊是CO2焊发展的重要方向之一，近年来增长很快，应给予比课本上所表现出来的分量大得多的关注和重视。可通过练习制订相应的焊接工艺等实践环节来培养和提高工艺能力和经验。,二、 CO2焊的特点1、优点：焊接生产率高：比MMA高24倍焊接成本低：是MMA或SAW的4050%焊接变形小：尤适于薄板焊接焊接质量高：对铁锈不敏

2、感，焊缝含氢量低适用范围广：全位置焊接能力好，打底/填充/盖面、厚/薄板均宜操作简便：比MMA容易操作、适于自动焊（robot）绿色环保： CO2来自可再生资源2、“缺点”：飞溅较大；（这一缺陷目前已经解决）焊接设备较“复杂”；（用今天的眼光看，已不复杂）抗风能力差；（所有气体保护焊的共同缺憾，但药芯焊丝CO2焊无此问题）不能焊接有色金属。,CO2焊的熔敷速度,三、 CO2焊的应用材料：黑色金属低碳钢、合金结构钢厚度：厚薄均可，尤薄板有优势位置：全位置结构：车辆、船舶、机械、容器等。,第二节 CO2焊设备,以半自动CO2焊设备为例一、 CO2焊设备的组成和作用组成：焊接电源 送丝机构 焊枪 供

3、气系统 控制系统有的还有循环水冷系统。,（一）焊接电源：直流电源1、平特性电源用于细丝（短路过渡）焊接，配用等速送丝系统；2、下降特性电源用于粗丝焊接，配用变速送丝系统；3、对动特性的要求细丝短路过渡焊机对动特性有特别的要求，即对短路电流上升速度、短路电流峰值、电弧电压恢复速度三个指标有一定的要求，目的是保证短路过渡过程可靠的同时又控制飞溅。 老式焊机通常通过改变接入回路电感来调节。,CO2焊机的型号编制请参见GB/T10249-1998电焊机型号编制方法，如NBC-250等。,（二）送丝系统送丝方式的变化主要在于细丝/平特性（等速送丝）焊机上，以适应不同场合的要求。,用于推丝式送丝的鹅颈式焊

4、枪,1、送丝方式,推丝式焊枪简单、轻巧，以鹅颈式焊枪多见，实际应用较多；送丝距离有限（通常5M），送细丝效果欠佳。,推丝式送丝机,CO2焊机及其推丝式送丝机、枪,拉丝式焊枪复杂、较重，以手枪式焊枪多见，薄板结构使用较多；适于送细丝/远距离送丝。,CO2焊机及其拉丝式焊枪,拉丝式焊枪（其小型送丝机构做在焊枪内）,焊丝盘,送丝电机,送丝机构,还有一种“线式送丝”：多级串联的行星式送丝即为线式送丝，可远距离稳定地送细的软焊丝（如0.8mm的铝焊丝）,推拉式送丝焊枪（手工焊接用）, 推拉丝式焊枪结构复杂，适用于远距离送（细、软）丝，多用于机器人焊接和铝的熔化极气体保护焊。,点击看推拉式送丝,点击看线式

5、送丝,2、送丝机构（送丝机）由送丝电机、减速装置、送丝滚轮和压紧机构等组成；CO2焊专用焊机的送丝机采用单主动送丝即可。,送丝机多为独立式，也有与电源做为一体者。有专业厂家专门生产配套的送丝机，接口兼容或以德国宾采尔（BINZEL）焊枪为标准。,电源、送丝机分体之CO2焊机,电源、送丝机一体之CO2焊机,注意：两机使用的都是鹅颈式焊枪（推丝枪）,（三）焊枪半自动焊枪推丝式焊枪拉丝式焊枪以上为常见的通用焊枪，用量很大，有专业厂家配套生产，以德国宾采尔（BINZEL）焊枪为事实上的行业标准。推拉式焊枪送不同材质的焊丝，要用不同的送丝套管（如送钢焊丝用钢质套管即可，而送铝焊丝通常要用特氟隆套管）。自

6、动焊枪多见于专用焊机上。,把半自动焊枪夹于焊接小车上进行自动焊，现在生产中应用十分广泛。,易损件喷嘴形式圆柱形（常用）圆锥形（用于深坡口或窄间隙内）材料铜镀铬（多见）陶瓷（易碎，少用）导电嘴 纯铜或铜合金做以上易损件是事实上的“标准件”，使用时应注意：不同品牌的焊枪，其易损件的尺寸不同，往往无法替代；有专业厂家专门生产焊枪易损件，同一种易损件可能有不同品牌的选择（其寿命、价格不一）； 喷嘴端部与导电嘴端部的距离会影响焊丝伸出长度，从而影响到电弧的稳定性和焊接质量此点初学者往往容易忽略。,（四）供气系统由气瓶（铝白色）、预热器、减压流量计、气管和电磁气阀组成，必要时可加装干燥器。通常将预热器、减

7、压器、流量计做为一体，叫CO2减压流量计（通常属于焊机的标准随机配备）。名牌产品如美国捷锐（）。不同气体的减压流量计按规定不能互换使用。,CO2减压流量计,二、典型CO2焊设备（ CO2焊专用焊机）1、北京“时代” 逆变焊机，节能节材；可靠性尚可，价格相对便宜，售后服务较好。,2、唐山“松下” 晶闸管焊机，但精细表现出色且可靠性极高；售后服务较好，价格较贵但性价比高，,3、美国林肯 普通CO2焊机总体性能不错，但无价格优势。值得推介者为其STT（表面张力过渡） CO2焊机：飞溅极小、成形极佳，但价格极贵。,除以上之外， 通用CO2焊机国内的品牌多如牛毛，但普遍市场占有率低。除价格较低外，其它方

8、面往往乏善可陈。,欧洲国家一般不做CO2焊专用焊机，而是MIG/MAG（CO2）一体，所以其送丝机通常为双主动送丝。如果焊机标可MIG/MAG/CO2焊，但却是单主动送丝，其效果有限（目前国产焊机这种情况比较多见）。,第三节 CO2焊的冶金特性和焊接材料,一、合金元素的氧化与脱氧作为焊接保护气体， CO2表现出很强的氧化性 CO2 CO + O + + M=MO+CO M=MO结果：合金元素烧损； 可能造成气孔、飞溅和夹渣。解决之道：冶金脱氧对脱氧剂的要求（能脱氧但不能带来如夹渣、气孔等副作用）Mn-Si联合脱氧 CO2焊专用焊丝H08Mn2Si&H08Mn2SiA(GB8110-87)脱氧剩

9、下的Mn、Si用于补充碳和合金元素的损失二、 关于CO2焊的气孔问题正常焊接条件下， CO2焊并不容易产生气孔。相反，由于CO2气氛的氧化性，其抗氢气孔能力较强。,三、 CO2焊的飞溅及防止1、飞溅产生的原因与CO2电弧的行为有关（点击了解关于CO2电弧的行为）具体包括以下几个方面：气体爆破引起（通过脱氧可以改善）电弧斑点压力引起（通过采用直流反接可以改善）焊接参数不当引起（采用合理的参数可以改善）短路过渡引起 这是CO2焊产生飞溅的主要原因。过去的焊机采用改变回路接入电感来调节，效果非常有限。美国林肯公司建立在逆变焊机基础上的表面张力过渡（STT）专利技术使这一问题基本得以解决。,能在微秒级

10、内产生过渡和改变电流 专门针对半自动焊接（焊接速度、送丝速度和伸出长度 都在变化）而设计 电源可以适应不同的保护气体，包括100CO2、CO2与Ar甚至He的混合气体 主要优点： 显著地减少飞溅 易于焊接（伸出长度变化时电弧仍保持稳定、允许更大的焊枪角度变化） 更低的电弧辐射和更少的焊接烟尘、降低薄板焊接时的热输入,CO2焊熔滴过渡的最新成果：STT（Surface Tension Transfer 表面张力过渡） （美国林肯公司专利已有商品焊机）,上图为无STT和有STT在立焊和平焊时的焊接飞溅对比,下图为无STT和有STT焊接时焊缝的外观对比,基本电流(T0T1)：短路前的电流，稳定在50

11、-100A之间； 成滴时间(T1T2)：在刚短路时，弧压感测器给出“电弧短路”的信号，基本电流在约0.75毫秒内迅速降低至10A； “掐断”阶段(T2T3) ：紧接着成滴时间阶段，以双波上升的形式对短路的焊丝施加一大电流，通过产生的电磁收缩力加速熔化金属向熔池过渡。注意：在此阶段，焊丝与工件之间的电压不为零，这是由于铁在1550的熔点时的高电阻率导致的；,（短路）电压上升速度计算(T2T3)：这一计算包含在掐断阶段内。当计算结果表明达到特定的电压上升速度时，意味着熔滴分离即将发生，电流在若干个微妙内降低到50A（注意这一事件在熔滴分离前发生，T4表明熔滴分离已发生，但电流较低）； 冲击电弧阶段

12、(T5T6)：这一事件紧接着焊丝从熔池分离之后，它是焊丝快速 “回熔”的大电流阶段（在这一阶段焊丝熔化末端的几何形状很不规则） 燃弧阶段(T6T7)：这一阶段是电流从等离子流冲击降低到基本电流的周期。,有关介绍STT的原版英文文献，请参看网络课程的相关内容。,1、气体的性质无色、无味 比空气重0.5倍 升华凝华 压缩才能液化 高温下会分解铝白色标准钢瓶装（40L/25kg），允许使用的最高环境温度40；压力表指示乃瓶内CO2饱和蒸气压（与液态多少无关） 指针下降即应换气！ 使用气瓶时应遵守有关的安全规程。主要杂质：水(减压器中预热装置乃防止水分冻结堵塞管路)去除水分的办法（P100）：倒置排水

13、 正置后使用前再预排气 使用干燥器（现已少见）瓶内气压低至1MPa即停止使用焊接用CO2应符合HG/T2537-1993焊接用二氧化碳的要求，其纯度标准为合格品99.5、一等品99.7、优等品99.9（V/V）。 其它指标请参见机械工程标准汇编焊接卷,四、 CO2焊的气体及焊丝,（一） CO2气体,（二）焊丝1、对焊丝的要求（略） 2、焊丝牌号和化学成分 根据最新的国家标准，焊丝用型号表示，已不再用牌号表示！ 实芯焊丝(solid wire)GB/T8110-1987二氧化碳气体保护焊用钢焊丝采用的是牌号表示法，如H08Mn2SiA。GB/T8110-1995气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝

14、采用的是型号表示法，如ER50-6。焊丝的直径系列有（0.5）、（0.6）、0.8、1.0、1.2、（1.4）、1.6、2.0、2.5、（3.0）、3.2mm，表面通常镀铜以防生锈（最新的技术使焊丝已取消镀铜，改为涂层，效果更好，如锦泰焊丝）。,2、药芯焊丝(flux-cored wire)GB/T10045-1988碳钢药芯焊丝采用型号表示法，如EF035042GB/T17493-1998低合金钢药芯焊丝采用型号表示法，如E601T1-B3注意：同是药芯焊丝，碳钢药芯焊丝和低合金钢药芯焊丝型号表示的规则不同。实芯焊丝的国内品牌较多，药芯焊丝的国内品牌不多。无论是实芯焊丝或药芯焊丝，目前进口的

15、质量比较好，品种比较齐全，尤其是药芯焊丝。国内品牌中综合性能好、质量比较过硬的是锦泰系列焊丝。 药芯焊丝的焊接近年发展很快，应密切关注。,有关焊丝标准的详细内容，请参见机械工程标准汇编焊接卷。,补充：焊丝的选用 实芯焊丝的选用比较简单，其选用原则与埋弧焊的相似，对于结构钢，主要按等强原则选用，必要时考虑化学成分。 对于药芯焊丝，情况比较复杂，将在“药芯焊丝CO2焊焊”一节中再具体讨论。,第四节 CO2焊工艺, CO2气体保护焊一般多用于碳钢、普低钢的焊接，用药芯焊丝也可以焊一些高合金钢。CO2气体保护焊工艺的一般原则坡口的选择：可参照GB/T985-1988气焊、焊条电弧焊及气体保护焊焊缝坡口

16、的基本形式与尺寸选择。 CO2电弧的穿透能力较强，与MMA相比，可坡口角度稍小、钝边稍大。 CO2焊的焊丝较细，所以间隙应小些（尤自动焊）。焊前清理： CO2的氧化性强，所以抗锈能力强。除非要求特别严格，否则坡口上的少量黄锈如不作清理，一般不会引起气孔，也不会导致焊缝严重增氢。但为保险起见，仍然要求焊前对焊件进行严格清理。 平焊一般多采用左焊法、立焊可采用下向焊：成形较好，但熔深较浅。,一、（细丝）短路过渡CO2焊工艺实际生产中应用最多的是细丝（1.6 mm ）/短路过渡CO2焊，其工艺要点工艺参数：焊接电流I、焊接电压U、焊丝直径、（焊接速度v ）、气体流量L/min、（焊丝伸出长度）l一般

17、考虑板厚、层数、位置等因素确定焊丝直径（打底推荐使用 0.8 mm），再确定合适的焊接电流，然后匹配以最佳的焊接电压。焊接电压与焊接电流的最佳匹配范围较窄，通常只有约1V。对于0.8、1.0mm的焊丝，有一个简捷的寻找I/U最佳匹配的办法：以100A/20V为基准进行参数调节（可以通过观察电弧的行为、焊丝的熔化、铁水的铺展、收弧时熔滴球的大小等现象，听电弧的声音等来辅助判断参数是否合适）。焊丝伸出长度l10，气体流量一般取915L/min。自动焊还要考虑焊接速度是否合适。,焊接电流与送丝速度的关系,焊接速度与焊缝成形的关系1焊缝厚度 2熔深 3焊缝宽度（焊丝直径1.6mm，焊接电流450A，电

18、 弧电压38V，CO2流量20L/min）,细丝短路过渡CO2焊工艺参数的确定也可参考下列的图表。,焊接电压与焊缝成形的关系1焊缝厚度 2熔深 3焊缝宽度（ 焊丝直径1.6mm，焊接电流450A，焊接速度70cm/min，CO2流量20L/min）,焊接电流与焊缝成形的关系1焊缝厚度 2熔深 3焊缝宽度,不同直径焊丝焊接12mm钢板时的焊接电流和电弧电压范围短路过渡 粗滴过渡 焊丝直径,合适的电弧电压与焊接电流范围,二、（粗丝）细滴过渡CO2焊工艺 粗丝（1.6 mm ）/滴状过渡CO2焊工艺要点工艺参数：I、U、v、L/min、（l）、送丝速度 大规范：大电流、高电压、大气体流量更适合于平位

19、置的填充、盖面焊，飞溅较大，建议在CO2中加入少量Ar。,请参阅JB/T9186-1999二氧化碳气体保护焊工艺规程（见机械工程标准汇编焊接卷 ）,第五节 CO2焊的其它方法,一、药芯焊丝CO2焊 药芯焊丝CO2焊，就是用药芯焊丝为电极、用CO2作为外加保护气的熔化极电弧焊。 药芯焊丝把焊药（或金属粉）包在钢带中做成的焊丝（焊条是把焊药包覆在焊芯的外面）,药芯焊丝分自保护用（烟尘大、机械性能较低）、埋弧焊用（多用于高合金钢及堆焊）和气保护用（使用广泛）；按保护气成分，又可分为CO2焊用（用量最大，用于焊结构钢）以及MIG、MAG、TIG焊用（即使被焊金属相同，不同的保护气体其药芯焊丝原则上也不

20、能相互代用）。,按药粉类型分： 有渣型焊后有较多的熔渣，但易于调整焊缝化学成分：酸性（ 焊接工艺性能较好、焊缝含氢量达碱性焊条水准）（如金红石型和药芯焊丝CO2焊用的钛型）碱性（焊缝含氢量超低，但工艺性能稍差）（如药芯焊丝自保护焊多用的高氟弱碱渣系） 无渣型金属粉芯型：焊后熔渣较少（多层焊层间可不清渣），焊接效率更高，但有些性能不如熔渣型。多用于埋弧焊、自动焊或机器人焊接以及高速CO2焊）。,焊药或金属粉,药芯焊丝的各种截面形状,按截面形状分：O形（2.0mm/有缝或无缝）（无缝者可镀铜）复杂截面形直径：从0.8mm到6.0mm,用的最多的是1.0mm。3.0mm以上的粗丝多用于堆焊。,药芯焊

21、丝的型号我国已进入国家标准的药芯焊丝计有：碳钢药芯焊丝：GB/T10045-2001碳钢药芯焊丝，如E501T-1ML等。低合金钢药芯焊丝： GB/T17493-1998低合金钢药芯焊丝，如E601T1-B3等。 不锈钢药芯焊丝： GB/T17853-1999不锈钢药芯焊丝，如E308MoT1-3等。注：以上焊丝并非都用于CO2焊，有的型号是自保护焊丝，有的可用于埋弧焊。,有关药芯焊丝焊接的概况几个概念：flux-cored electrode（管状焊条） flux-cored wire（药芯焊丝） core wire（焊芯） flux-cored solder wire（药芯钎料丝） flu

22、x cored arc welding (FCAW)（药芯焊丝电弧焊）GB/T5185-1985金属焊接与钎接方法在图样上的表示代号规定： 114药芯焊丝电弧焊（药芯焊丝自保护电弧焊 Self-shielded tubular-cored arc welding） 136非惰性气体药芯焊丝电弧焊（活性气体保护电弧焊 Tubular cored metal arc welding with active gas shield; flux cored arc welding /USA）FCAW主要用于焊接碳钢、不锈钢、低合金钢和高合金钢。,其优点：1、高熔敷率；2、可全位置焊；3、焊缝平滑；4、药

23、芯成分可以调整以适应不同的需要；5、用便宜气体（如100%CO2）仍获好的焊接效果；6、能耗低、综合成本低。,低碳钢焊丝在不同电流下的熔敷速度（kg/h）注：rutile CE-金红石焊条SW-实芯焊丝,其缺点：1、焊丝制造复杂/价贵；2、焊丝易受潮，保管复杂。,同样直径的焊丝，由于药芯焊丝的导电截面比实芯焊丝的小，所以它的熔敷效率比实芯焊丝的还要高。另外，由于有焊药，可通过调整焊药的成分，使药芯焊丝焊接的适应性、灵活性更好。,由于药芯焊丝有其无法替代的独特优点，近年发展迅速，在各种大型工程特别是合金钢焊接结构野外施工，如西气东输中得到广泛应用。 近年来，我国药芯焊丝的消耗量增长很快，国产药芯

24、焊丝的品牌也很多，但以“大路货”较多，较有名的有：锦泰（广泰、天泰、瑞泰）、三英、大西洋、瑞达、金太阳、金桥、大桥、铁锚等，但每年还要进口大量药芯焊丝，主要是一些高档次、专用的焊丝，主要有神钢（日本）、现代（韩国）、林肯（美国）等。,几种焊接方法的成本比较,药芯焊丝焊接对焊接设备的要求对电源的要求使用实芯焊丝的设备完全可以使用药芯焊丝，但最好同时具备以下功能：1、极性转换：不同渣系要用不同的极性，而自保护焊多用直流正接，需要转换极性；2、电源外特性微调：以适应不同的焊药成分的要求；3、电弧挺度调节：以调节熔滴过渡形态（CO2焊也可得到喷射过渡），减少飞溅、改善全位置焊性能。对送丝的要求加粉系数

25、较小的药芯焊丝可用实芯焊丝送丝机；加粉系数较大的药芯焊丝，应用药芯焊丝专用送丝机（双主动送丝送丝轮开形槽；送1.4mm以上焊丝槽内压花）。,药芯焊丝CO2焊特点优点：生产效率更高；气渣联合保护，效果更好；成形好、飞溅小 扩展了CO2焊的应用范围（可焊高合金钢、可野外现场作业）。缺点： 焊丝易受潮且价高焊接烟雾大对送丝机构要求高打底/全位置焊的能力不如实芯焊丝。,药芯焊丝的选用药芯焊丝的种类、型号很多，性能、特点和用途各不相同，而且即使焊接同一种金属，由于施工条件（如板厚、坡口形式和尺寸、焊接位置、焊后热处理等）等不同，适用的焊丝也会有所变化。因此，焊丝的选择要根据被焊钢材种类、焊接部的质量要求

26、、焊接施工条件以及成本等因素进行综合考虑。其大致原则如下：对强度用钢，按“等强原则”选用，对特殊用钢（如耐热钢等）则侧重考虑焊缝金属与母材化学成分的一致或相近；除非对接头的力学性能有特别的要求，一般很少选用碱性焊丝，因其工艺性能差，而且一般的酸性焊丝其焊缝含氢量已很低（达到碱性焊条的水平），而工艺性能却要好得多。即使同一型号的焊丝，由于不同厂家的焊药成分不同，其工艺等性能会有较明显的差别，应注意参考生产厂家的介绍或向其咨询。 在以上基础上，再考虑选用经济性好的品牌。,提示：药芯焊丝CO2焊由于焊药使电弧的行为发生变化，所以它的工艺参数和焊接操作与实芯焊丝CO2焊有较大的差别。,药芯焊丝CO2焊

27、的焊接工艺参数的内容与实芯焊丝的基本相同，但应注意由于焊药的存在，具体参数及它们之间的匹配与实芯焊丝CO2焊的有所不同。如药芯焊丝CO2焊的熔滴过渡不再是单一的短路过渡，还可以是细滴过渡甚至是喷射过渡，其焊接工艺受焊药成分的影响比较大。,焊接工艺及参数焊接工艺参数与实芯焊丝CO2焊基本相同，焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律亦然。电流的适用范围较宽但电压的适用范围较窄，且同种焊丝由于不同厂家的具体焊药成分的差异，实际适用电流、电压会有较大差别，所以，焊接工艺参数的选择具有一定的不确定性，厂家提供的产品使用说明书是正确选择焊接电流、电压的重要依据之一！药芯焊丝穿透能力强，可用较小的坡口角度（比焊条、实芯焊丝的小1020）和较大的钝边，但对坡口的加工要求稍高。左、右焊法均可用。,左图是药芯焊丝各种位置焊接的焊接电流范围，可供参考。1平焊 2向上立焊 3向下立焊 4横角焊 5横焊 6仰焊,二、 CO2点焊（略）,三、 CO2气电立焊 气电立焊是采用熔化极气体保护电弧焊的方法，对厚板结构不开坡口，只留较小的间隙，在立焊位置进行焊接的一种焊接工艺。它的生产效率高，特别适合于大型罐体如石油储罐的焊接。 气电立焊需要采用焊缝强迫成形装置（水冷滑块），同时要妥善解决好坡口内两侧良好熔合良好、焊枪的可靠冷却等难题。,气电立焊通常采用专门设计的焊接专机进行。,