CO2气体保护焊的脱氧措施优化

CO₂是一种氧化性很强的气体。焊接时液体金属和气体作用极其强烈，尽管相互接触时间很短，可是由于电弧区域有非常高的温度和金属与气体有较大的比表面积（比表面积为单位体积的液体金属所具有的表面积），尤其是焊丝端头熔滴的比表面积更大，则不但增加了合金元素的氧化烧损，而且还能生成大量CO₂气体，使液体金属沸腾，增大飞溅，同时产生气孔，破坏了焊缝的致密性。所以CO₂焊时必须通过冶金措施进行脱氧。

脱氧的核心问题是尽量抑制式（5-15）的反应，尤其是在熔池尾部的较低温度区域内所发生的反应。合金元素氧化的强弱，不但取决于焊接区域中合金元素的浓度，而且还取决于合金元素与氧的结合能力。当某种元素的浓度越大和它与氧的结合能力越强时，则这种元素越容易氧化。脱氧作用就是利用与氧的结合力比铁大的元素优先氧化，从而保护了铁，使之不生成或少生成FeO。金属氧化物的分解压可以作为判断金属对氧的结合力的标准。如，金属被氧化；，处于平衡状态；，金属被还原。假如在金属—氧—金属氧化物系统中，氧的分压为，则金属氧化物的分解压是温度的函数，它随着温度的升高而增加（见图5-13）。此外，液态金属中合金元素的浓度也对分解压有一定的影响。在较低温度下（1117℃时）元素的脱氧能力按递减次序排列为：Ca、Mg、Al、Zr、Ti、C、Si、Mn、Cr、Mo、Fe、Ni。

在较高的温度（2000℃）时，元素的脱氧能力按递减次序排列为：Al、Zr、C、Ti、Si、Mn、Fe。

因此，CO₂气体保护焊时，首先是利用Al、Zr、Ti等较活泼的元素在高温时先期脱氧，以减少Si、Mn和Fe等的氧化。

图5-13 自由氧化物的分解压与温度的关系

CO₂气体保护焊用实心焊丝，根据许多学者的研究，是在低碳钢中加入适量的硅和锰进行脱氧，这是目前国际上应用的主要脱氧方法。在略高于钢的凝固点的温度时，从液态钢中分离出的脱氧产物的形态与液态钢中含有的Mn和Si的含量的关系如图5-14所示，也就是区域Ⅰ中能析出固体SiO₂，区域Ⅱ中生成不饱和SiO₂的FeO-MnO-SiO₂的硅酸盐溶液，区域Ⅲ中析出FeO-MnO固溶液。(www.xing528.com)

SiO₂的熔点很高（约为1700℃），在液态钢中是以细小的针状固体形式析出的，不易浮出熔池，最后将以夹渣的形式存留在焊缝中。而MnO是一种密度较大（约为5.11g/cm³）的氧化物，所以也不容易浮出熔池，而成为夹渣。为了得到纯净的焊缝，总是希望脱氧生成物应极易上浮到熔池金属表面。这里，在区域Ⅱ的生成物FeO-MnO-SiO₂溶液，其熔点低（约为1270℃），密度小（为3.6g/cm³），而且流动性好和容易凝聚，所以容易浮出熔池表面。

为了得到含氧量少和力学性能好的焊缝金属。在区域Ⅱ内，提高Mn和Si的含量，能够减小焊缝金属的含氧量，但是却使焊缝金属变硬和脆化，所以常常是综合两者来决定其组成。实践证明焊缝金属[Mn]/[Si]=2.0～4.5时，可以形成区域Ⅱ的硅酸盐溶液。但是目前各国实际应用的焊丝中这个比值一般为1.5～3。

此外，为防止生成CO，除减少FeO的数量外，还应减少熔池中C的含量，也就是应该降低焊丝中的含碳量。实际上焊丝中碳的质量分数都应该小于0.1%。

图5-14 从液态钢中分离出的脱氧生成物的形态和液态钢的Mn、Si组成之间的关系