CO2氣體保護焊概述

1、CO2氣體保護焊概述CO2的焊接是一種高效率，低成本的焊接方法，這種焊接方法在工業(yè)界有著極為廣泛的應(yīng)用。工業(yè)化國家CO2焊接占據(jù)了整個焊接生產(chǎn)的主導(dǎo)地位，1988年日本焊接總量的71%即是由CO2焊接完成的。我國的CO2焊接的應(yīng)用僅占10%左右，使用量上呈上升趨勢，一方面是CO2焊接應(yīng)用范圍逐步擴大，另一方面卻是人們總體上還缺乏對CO2焊接全面、細(xì)致的了解，這體現(xiàn)在工藝、設(shè)備等個方面。這樣的結(jié)果就是極大地限制了CO2焊接工藝的應(yīng)用普及。本文正是在這一背景下，對CO2焊接的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢從技術(shù)的角度加以概述，而關(guān)于CO2焊接設(shè)備配套、材料供應(yīng)等問題則不予涉及。 1、CO2焊接工藝的由來CO2焊接

2、工藝的最初構(gòu)想源于20世紀(jì)20年代，然而由于焊縫氣孔問題沒有解決，而使得CO2焊無法使用。直到50年代初，焊接冶金技術(shù)的發(fā)展解決了CO2焊接的冶金問題，研制出Si-Mn系列焊絲，才使得CO2焊接工藝獲得了實用價值。在這之后，根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的性能，相繼出現(xiàn)了不同組元成分的焊絲，滿足了CO2焊接多樣化的需求。 CO2焊接工藝的實用化為社會帶來了巨大的財富，一方面是因為CO2氣體價格低廉，易于獲得，另一方面是由于CO2焊接的金屬熔敷效率高，以半自動CO2焊接為例，其效率為手工電弧焊的35倍。但是由于CO2焊接熔滴過渡多為短路過渡，對CO2焊接工藝穩(wěn)定性提出了更高的要求，另外CO2焊接的飛濺大，成為從2

3、0世紀(jì)50年代開始至今制約CO2焊接工藝推廣的主要技術(shù)問題之一。2、從工藝、設(shè)備入手解決CO2焊接飛濺問題CO2焊接短路過渡的電流、電壓波形及熔滴過渡過程,電弧燃燒后，由電弧析出熱量，強烈地熔化焊絲，并在焊絲端頭形成熔滴。由于焊絲熔化而形成電弧空間，其長度決定于電弧電壓。隨后，熔滴體積逐漸增加，而弧長略微縮短。隨著熔滴不斷長大，電弧向未熔化的焊絲方面?zhèn)魅氲臒崃繙p少，則焊絲熔化速度也降低。由于焊絲仍以一定的速度送進，所以勢必導(dǎo)致熔滴逐漸接近熔池，弧長縮短。同時，熔滴與熔池都在不斷地起伏運動，增加了熔滴與熔池相接觸的機會。每當(dāng)接觸時，就使電弧空間短路，于是電弧熄滅，電弧電壓急劇下降，接近于零，而短

4、路電流開始增大，在焊絲與熔池間形成液體金屬柱，這種狀態(tài)的液柱不能自行破斷，隨著短路電流按指數(shù)曲線規(guī)律不斷增大，它所引起的電磁收縮力強烈地壓縮液柱，同時在表面張力的作用下，使得液柱金屬向熔池流動，而形成縮頸，該縮頸稱為“小橋”。這個小橋連接著焊絲與熔池，該小橋由于通過較大電流而過熱汽化和迅速爆斷。這時電弧電壓很快恢復(fù)到空載電壓以上，電弧又重新引燃，再重復(fù)上述過程。傳統(tǒng)的CO2焊接工藝通過調(diào)節(jié)回路串聯(lián)鐵磁電感的辦法來調(diào)整電源的動特性。當(dāng)電感I較大時電流上升速度di/dt較小，短路峰值電流Imax?太小，沒有足夠的短路電流促使形成短路小橋，以致于造成固體短路而破壞短路過程。相反，當(dāng)電感較小時，di/

5、dt過大造成短路峰值電流Imax很大而引起大量飛濺。 80年代初蘇聯(lián)學(xué)者乒丘克提出影響飛濺的主要原因是小橋爆炸，乒丘克認(rèn)為爆炸的能量是在爆炸前100150S時間內(nèi)積累起來的。短路峰值電流Imax越大，則飛濺量也越大。于是限制Imax成為控制CO2焊接飛濺的主要方法。在這期間出現(xiàn)了晶閘管波控焊機，CO2焊接的短路電流波形第一次得到了真正意義上的控制。各國的焊接學(xué)者相繼利用晶閘管波控焊機獲得各種波形，進行CO2焊接工藝研究，CO2焊接工藝?yán)碚撚纱说玫搅丝焖俚陌l(fā)展。 90年代后期，人們對CO2焊接短路過渡的飛濺問題有了更進一步的認(rèn)識，通過對CO2焊接短路過渡的研究發(fā)現(xiàn)，CO2的短路有兩種形式，一種是

6、正常短路這渡，另一種為瞬時短路過渡。瞬時短路一般短路時間很短(低于2ms)，但極易產(chǎn)生大顆粒飛濺，正常CO2焊接短路過渡可以通過限制Imax來控制其飛濺量，在選擇合適的Imax情況下，只產(chǎn)生細(xì)顆粒飛濺。根據(jù)以上的研究結(jié)果，美國的林肯公司提出了CO2焊接的STT法(Surface Tension Transfer)。t1時刻發(fā)生短路，快速降低焊接電流，保持低電流輸出至t2時刻，由t2時刻至t3時刻使焊接電流按雙折線上升，在短路小橋爆斷前再降低電流，以降低飛濺量。在電流較小的t4時刻小橋爆斷，t5時刻開始到t6時刻加電弧再引燃電流脈沖。t6時刻到t7時刻電弧穩(wěn)定燃燒，焊接進入恒壓特性段。 STT法

7、可以很好地在一定電流范圍內(nèi)解決CO2焊接的飛濺問題，但是它僅適用于較小的電流范圍內(nèi)，不能很好地滿足實際焊接生產(chǎn)的需要。于是日本和我國焊接學(xué)者提出不追求無飛濺的控制思想，在小飛濺的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)較大電流范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。這種控制思想在CO2焊接的飛濺控制、提高工藝適應(yīng)性等方面都取得了滿意的結(jié)果。 目前北京工業(yè)大學(xué)采用的是電子電抗器的方法來控制CO2焊接飛濺。采用電子電抗進行飛濺控制的出發(fā)點是對CO2焊接短路過渡各個不同階段施中不同的電感量和控制策略。在短路階段進行電流控制，以達(dá)到抑制飛濺目的；燃弧階段進行電壓控制，在弧長自調(diào)節(jié)作用下保證電弧穩(wěn)定燃燒。首先在CO2焊接短路初期保持較低的短路電流，因為短路

8、初期熔滴剛剛與熔池接觸，尚未鋪展開，此時保持較低的電流，有利于熔滴的過渡，抑制了瞬時短路，然后施加小電感使短路電流快速上升，在熔滴上形成較大的電磁收縮力，加快液體小橋的形成、加快短路過渡過程。當(dāng)形成縮頸之后再施加大電感，以便抑制短路峰電流Imax，減少正常短路飛濺。采用電電抗器解決CO2焊接飛濺問題的辦法在實踐中取得了很好的工藝效果，目前該技術(shù)已通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓在時代集團公司得到很好的應(yīng)用。 在設(shè)備方面解決CO2焊接飛濺的另一有效途徑是改變送絲方式，即將連續(xù)等速送絲改為脈動送絲(包含推式脈動送絲和推-拉式脈動送絲)。這一研究最早是由蘇聯(lián)學(xué)者提出來的，后來我國學(xué)者孫子建做了大量系統(tǒng)的研究工作，取得了

9、十分理想的工藝效果，這體現(xiàn)在降低飛濺和改善焊縫成形兩個方面。3、從材料角度解決CO2焊接飛濺問題?CO2焊接短路過渡飛濺的產(chǎn)生是由其短路造成的，與從工藝、設(shè)備入手解決飛濺問題不同。從材料角度飛濺問題的出發(fā)點是改變CO2焊接的熔滴過渡形式?，F(xiàn)有的方法有兩種：藥芯焊絲CO2焊接和混合氣體保護焊接(MAG焊)。 3.1 藥芯焊絲CO2焊接 藥芯焊絲CO2焊接由于采用了藥芯焊絲，其焊接的工藝特點與實心焊絲CO2焊接比較有很大不同，其金屬熔滴的過渡形式也有所變化。首先，藥芯焊絲的有效導(dǎo)電截面面積與實心焊絲比較降低很多，在同樣的焊接電流下電流密度很大，因此焊絲的熔化速度有所提高。其次，藥芯焊絲焊接時電弧沿

10、著導(dǎo)電的金屬殼燃燒，熔化的液態(tài)金屬滴沿著藥芯及其熔渣向熔池過渡(也可以稱為渣壁過渡)，避免了與熔池的短路。但是當(dāng)壓低電弧電壓時，藥芯焊絲CO2焊接也地發(fā)生短路過渡，產(chǎn)生較大的飛濺。實際上藥芯焊絲CO2焊接的電弧電壓通常較高，這時電弧燃燒仍很穩(wěn)定，并可以避免短路的發(fā)生。第三，藥芯焊絲CO2焊接時藥芯中造氣劑產(chǎn)生大量的保護氣體為焊接工藝過程提供了更強的保護效果。藥芯焊絲與實心焊絲比較有許多優(yōu)點飛濺??；成形好；效率高；抗風(fēng)能力強，更適合于野外焊接生產(chǎn)。但是藥芯焊絲CO2焊接目前還有兩個問題有待解決，一個是藥芯焊絲的制造問題。藥芯焊絲的制造工藝相對復(fù)雜，尤其是藥芯的成分很難保證均勻一致，在實際的焊接生

11、產(chǎn)中造成焊縫成分的波動，影響了焊接過程的穩(wěn)定性和焊縫機械性能的一致性。目前日本的藥芯焊絲質(zhì)量較好，而國產(chǎn)的藥芯焊絲質(zhì)量則還有待提高，這已經(jīng)成為藥絲焊絲CO2焊接推廣普及的主要障礙。另一個問題是目前一般國內(nèi)的CO2焊機對藥芯焊絲CO2焊接的適應(yīng)能力不強，還有大量工作要做。 3.2 采用混合氣體 在CO2氣體中加入Ar等氣體(MAG)后可以改變焊接電弧形態(tài)，從而達(dá)到降低飛濺的目的，其優(yōu)點是飛濺小，成形好，工藝過程穩(wěn)定。但是由于在保護氣體中加入了比較貴的Ar氣等惰性氣體后，成本提高很大。混合氣體焊接不失為工藝效果理想的焊接方法，但由于其相對貴的成本，僅建議有條件地對特殊材料焊接及對焊縫性能有特殊要求

12、的情況下采用。4、CO2焊接的發(fā)展方向 通常低碳鋼CO2焊的主要問題是焊接飛濺的與焊縫成形。這些問題的解決思路前面已經(jīng)進行了描述。但是，為了CO2焊接工藝的進一步推廣，還應(yīng)擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。如：高效CO2焊全位置焊、電弧點焊和自動化焊等。這些實際焊接生產(chǎn)的需求已經(jīng)成為CO2焊接的發(fā)展方向。 4.1 高效CO2焊接? 現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)對焊接生產(chǎn)提出了高效率的要求，目前主要有高速CO2焊接和高效MAG焊。高速CO2焊接主要是針對傳統(tǒng)CO2焊接速度為0.3/min的低焊速提出來的。目前解決這個問題的措施有雙絲CO2焊和藥芯焊絲CO2焊。雙絲CO2焊因一把焊槍中通過兩根焊絲，使得焊槍重量過大，所以難以采

13、取通常的半自動焊法，而只能采用自動焊接，從而限制了該法的應(yīng)用。另外，藥芯焊絲CO2焊的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及實心焊絲。實際上實心單絲CO2焊絲是CO2焊最普及的方法，如何解決它的高速焊工藝是大家都關(guān)心的。單絲高速CO2焊工藝最主要的問題是產(chǎn)生咬邊和駝峰焊邊。這些問題都與熔池行為有關(guān)，也就是應(yīng)從焊接工藝角度解決熔池的穩(wěn)定問題。通過對焊接電弧現(xiàn)象的控制，現(xiàn)在高速CO2焊焊接速度已經(jīng)達(dá)到2m/min，甚至3m/min。高速CO2焊主要用于較薄的工件，如集裝箱的焊接等。 高效MAG焊主要用于增加熔敷速度，有利于焊接厚板。通常CO2焊的送絲速度為216m/min，對?焊絲，最大焊接電流只能達(dá)到350A左右。若

14、采用富Ar混合氣體保護焊(CO250m/min的送絲速度，其熔敷率達(dá)到450g/min。該法已在歐洲和日本推廣應(yīng)用。但是，由于我國是貧He的國家，因其價格昂貴，T.I.M.E焊難以在我國推廣。為此北京工業(yè)大學(xué)在尋找無He的高效MAG焊焊接方法，并已成功地實現(xiàn)了35m/min的送絲速度。 4.2 全位置CO2焊 全位置CO2焊已在管道安裝、鋼結(jié)構(gòu)及造船等焊接生產(chǎn)中得到應(yīng)用。全位置CO2焊的關(guān)鍵是能保持住熔池中的鐵水不流淌。為此，熔池的尺寸不能太大，也就是要采用小熔池，依靠表面張力保持熔池中的鐵水。小熔池就要求小焊接電流，而小時接厚壁工件時，常常會產(chǎn)生未熔合或夾渣。為了解決小熔池與熔透的矛盾，這時

15、常常采用調(diào)節(jié)短路過渡CO2焊的燃弧-短路能量分配比及合理的焊絲擺動方式。全位置CO2焊時采用的焊絲直徑小于?，焊接電流約為120150A。 4.3 CO2自動焊接 自動焊由于其優(yōu)質(zhì)、高效的特點在工業(yè)發(fā)達(dá)國家應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，以焊接機器人為例，日本焊接機人與焊工的比例為1：2。自動化焊接優(yōu)點有： (1)工藝過程穩(wěn)定。由于采用機械裝置，消除了許多人為因素對焊接工藝的過程的干擾，如手的抖動而引起的干伸長的變化等等。自動化CO2焊接焊出來的焊道美觀，質(zhì)量容易保證。 (2)工藝再現(xiàn)性好，有利于大批量重復(fù)進行焊接生產(chǎn)。 (3)生產(chǎn)效率高。CO2自動焊接較CO2半自動焊接的生產(chǎn)效率有進一步的提高，同時機械裝置可以不知疲倦地連續(xù)工作。 (4)更有利于保護焊接操作人員的身體健康。CO2自動焊接對焊接電源提出了一些特殊的要求，如：提高引弧成功率和焊接結(jié)束時的去球問題等。同時，CO2自動焊接技術(shù)并非簡單的機器人與焊接電源的結(jié)合，其涉及的技術(shù)更為龐雜。如：機器人的軌跡控制、姿態(tài)控制以及傳感技術(shù)、焊縫跟蹤、熔透控制等等。一套性能優(yōu)異的CO2自動焊接設(shè)備正是這些技術(shù)的完美結(jié)合。目前，我國的自動化CO2焊接技術(shù)的應(yīng)用水平尚有待進一步提高。自動化CO2焊接技術(shù)代表著CO2焊接工藝的未來。5、結(jié)束語CO2焊接工藝經(jīng)過50多年的發(fā)展已經(jīng)基本成熟。其一，CO2焊接工藝?yán)碚撘呀?jīng)基本成熟，為CO2焊接工藝過程的控制提供了