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CO2气体保护焊的飞溅原因及预防措施

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22:23 , 北纬36度
CO2气体保护焊的飞溅原因及预防措施
1 概述
       气体保护电弧焊属于以电弧为热源的熔化焊接方法。在焊接过程中,为得到质量优良的焊缝,必须有效地保护焊接区,防止空气中有害气体的侵入,以满足焊接冶金过程中的需要。但电弧熔焊过程的保护形式有所区别,手工电弧焊、埋弧自动焊是采用渣-气联合保护,而气体保护电弧焊是采用气保护的形式。

       气体保护电弧焊是采用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊接方法,它是直接依靠从喷嘴中连续送出的气流,在电弧周围形成局部的气体保护层,使电极端部熔滴和熔池金属处于保护罩内,机械地将空气与焊接区隔绝,以保证焊接过程的稳定性,并获得质量优良的焊缝。

       气体保护焊按所用的电极材料,分为两类:一是采用非熔化电极(钨极)的电弧焊,称为非熔化极气体保护焊;二是采用熔化电极(如焊丝)的电弧焊,称为熔化极气体保护电弧焊。本文重点讨论的就是熔化极CO2气体保护焊中飞溅的成因。

      CO2气体保护焊是CO2作为保护气体,依靠焊丝与焊件之间产生的电弧来熔化金属的一种气体保护焊方法。电源的两输出端分别接在焊枪和焊件上。盘状焊丝由送丝机构带动,经软管和导电嘴不断地向电弧区域送给;同时CO2气体以一定的压力和流量送入焊枪,通过喷嘴后,形成一股保护气流,使熔池和电弧不受空气的侵入。随焊枪的移动,熔池金属冷却并凝固形成焊缝,从而将被焊的焊件连成一体。

      2 CO2气体保护焊的冶金特点
      在常温下,CO2气体的化学性能呈中性,在电弧高温下,CO2气体被分解而成很强的氧化性,能使合金元素氧化烧损,降低焊缝金属的机械性能,这也是产生气孔和飞溅的根源。
CO2在电弧高温作用下,分解为一氧化碳和氧,温度越高,分解程度越大,反应进行的得越激烈,致使电弧气氛具有很强的氧化性。

CO2=CO+O
其中,CO不熔于金属,也不与金属发生反应,而原子状态的氧使铁及合金元素迅速氧化,化学反应如下:
Fe+O=FeO,Si+O=SiO2,Mn+O=MnO,C+O=CO↑%

        以上化学反应既发生于熔滴过渡过程中,也发生在熔池内,其反应的结果,使铁氧化生成FeO,能大量溶于熔池内,将导致焊缝产生气孔,同时锰硅氧化生成MnO和SiO2成为熔渣浮出,使合金元素大量氧化烧损,焊缝金属机械性能降低。此外,溶入金属的氧化铁与碳元素作用产生的一氧化碳气体,能使熔滴及熔池发生爆破,从而产生大量的飞溅,这些问题都与电弧气氛的氧化性有关,因此,必须采取有效的脱氧措施。在CO2焊的冶金过程中,通常的脱氧方法是增加焊丝中脱氧元素含量,从焊接冶金方面,解决了合金元素的严重烧损,以及气孔和飞溅的问题。

3 CO2气体保护焊的飞溅成因及预防措施
       CO2气体保护焊接时易产生飞溅,这是由于CO2的性质决定的,问题在于应把CO2的飞溅量减少到最低的程度。通常颗粒状过渡过程的飞溅程度,要比短路过渡过程中严重的多。当使用颗粒状过渡形式时,飞溅损失应控制在焊丝熔化量的10%以下,短路过渡形式的飞溅量应在2%~4%范围内。

        CO2焊时的大量飞溅,不仅增加了焊丝的损耗,并使焊件表面被金属熔滴溅污,影响外观及增加辅助工作量,更主要的是容易造成喷嘴堵塞,使气体保护效果变差,导致焊缝容易产生气孔。如果金属熔滴粘在导电嘴上,还会破坏焊丝的正常给送,引起焊接过程不稳定,使焊缝成形变差或产生焊接缺陷。为此,CO2焊必须重视飞溅问题,应尽量降低飞溅的不利影响,才能确保CO2焊的生产率和焊缝质量。CO2焊产生飞溅的原因及减少飞溅的措施主要有以下几个方面:
      3.1由冶金反应引起的飞溅
      这种飞溅主要由CO气体造成的,CO2在电弧高温作用下,体积急剧膨胀,压力迅速增大,使熔滴和熔池金属产生爆破,从而产生大量飞溅。但采用含有锰硅脱氧元素的焊丝,并降低焊丝中的含碳量,这种飞溅可大为减少。

      3.2由斑点压力产生的飞溅
      这种飞溅主要取决于焊接时的极性,当采用正极性焊接时(焊件接正极,焊丝接负极),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。而反极性焊接时,飞向焊丝端部的电子撞击力小,致使斑点压力大为减小,因而飞溅较少。所以CO2焊应选用直流反接。

      3.3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,则更显得严重。短路电流增长速度过快,或短路最大电流值过大时,当熔滴刚与熔池接触,由于短路电流强烈加热及电磁收缩力的作用,结果使缩颈端的液态金属发生爆破,产生较多的细颗粒飞溅。如果短路电流增长速度过慢,则短路电流不能及时增大到要求的电流值,此时缩颈处就不能迅速断裂,使伸出导电嘴的焊丝在电阻热的长时间的加热下,成段软化和坠落,并伴随着较多的大颗粒飞溅。减少这种飞溅的方法,主要是调节焊接回路中的电感来调节短路电流增长速度。

      3.4非轴向颗粒状过渡造成的飞溅
      这种飞溅发生在颗粒状过渡过程中,由于电弧的排斥力作用而产生。当熔滴在斑点压力和弧柱中气流压力的共同作用下,熔滴被推到焊丝端部的一边,并抛到熔池外边去,产生大颗粒飞溅。所以采用直流反接来控制斑点压力和弧柱中气流的压力,达到减少飞溅的目的。

     3.5焊接工艺参数不当引起的飞溅
     这种飞溅是因焊接电流、电弧电压和回路电感等焊接工艺参数选择不当引起的。如随着电弧电压的增加,电弧拉长,熔滴易长大,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,飞溅减小,因此只有正确的选择CO2焊的焊接工艺参数,才会减少产生这种飞溅的可能性。

     3.6焊接技术的推广
     采用CO2潜弧焊,这种方法是采用较大的焊接电流,较小的电弧电压,把电弧压入熔池形成潜弧,使产生的飞溅落入熔池,从而使飞溅大大减少。

     4 结束语
     CO2气体保护焊的方法在生产过程中的应用越来越广,而这种焊接方式总是伴随着飞溅的产生,如何减少焊接飞溅成了从事CO2气体保护焊工作的技术人员一项重要的研究课题。实际上产生飞溅的原因除了上述的分析外,与CO2气体的纯度以及气体保护焊丝的质量也有直接的关系。

参考文献
[1] 周振丰.焊接冶金学.北京:机械工业出版社.
[2] 焊接手册.北京:机械工业出版社.
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