半自动CO2气体保护焊平敷焊操作技巧优化

任务描述

1.理解CO₂气体保护焊的原理，了解CO₂气体保护焊的分类及特点。

2.了解CO₂气体保护焊的冶金特性。

3.熟悉CO₂气体保护焊的设备及工艺。

4.掌握半自动CO₂气体保护焊的平敷焊操作技术。

任务分析

本任务主要涉及CO₂气体保护焊的原理、分类及特点，CO₂气体保护焊的冶金特性，CO₂气体保护焊的焊接材料、设备及工艺等知识点，并使学生通过半自动CO₂气体保护焊的平敷焊操作训练来完成CO₂气体保护焊的学习任务。

相关知识

一、CO₂气体保护焊的原理、特点及应用

1.CO₂气体保护焊的原理

CO₂气体保护焊是以CO₂作为保护气体，以填充金属丝作为电极的一种熔化极气体保护焊，简称为CO₂焊。CO₂气体在工作时通过焊枪喷嘴，沿焊丝周围喷射出来，在电弧周围形成局部的气体保护层，使熔滴和熔池与空气机械地隔离开来，从而保护焊接过程稳定、持续地进行，并获得优质的焊缝。CO₂气体保护焊的原理如图4-3所示。

2.CO₂气体保护焊的分类

（1）按照焊丝直径分类 可分为细丝CO₂气体保护焊和粗丝CO₂气体保护焊。当焊丝直径≤1.2mm时，称为细丝CO₂气体保护焊，主要采用短路过渡形式焊接薄板材料；当焊丝直径≥1.6mm时，称为粗丝CO₂气体保护焊，一般采用大电流和较高的电弧焊接中厚板。

图4-3 CO₂气体保护焊的原理

1—熔池 2—工件 3—CO₂气体 4—喷嘴 5—焊丝 6—焊接设备 7—焊丝盘 8—送丝机构 9—软管 10—焊枪 11—导电嘴 12—电弧 13—焊缝

（2）按照操作方式分类 可分为半自动CO₂气体保护焊和自动CO₂气体保护焊。其主要区别在于：半自动CO₂气体保护焊用手工操作焊枪完成电弧热源的移动，而送丝、送气等操作与自动CO₂气体保护焊一样，由相应的机械装置来完成。自动CO₂气体保护焊主要用于较长的直线焊缝和环形焊缝等的焊接；半自动CO₂气体保护焊的机动性较大，适用于不规则或较短的焊缝的焊接。

3.CO₂气体保护焊的特点

（1）CO₂气体保护焊的优点

1）生产效率高。由于CO₂气体保护焊的焊丝直径比较小，因此焊接时电流密度大，熔敷效率高，焊后不需清渣，节省了清渣的时间，提高了劳动效率。CO₂气体保护焊的生产率比普通焊条电弧焊高的2～4倍。

2）焊接成本低。CO₂气体保护焊所用的CO₂气体，可以是专业生产的，也可以是制糖厂或酿酒厂的副产品，因此CO₂气体来源广，价格便宜，并且电能消耗少，故焊接成本降低，通常CO₂气体保护焊的成本只有焊条电弧焊的40%～50%。

3）焊接应力和变形小。由于CO₂气体保护焊电弧热量集中，焊接速度快，工件受热面积小，同时CO₂气流对电弧具有较强的冷却作用，因此焊接热影响区和焊后变形量小，特别适宜于薄板的焊接。

4）焊缝抗裂性好，耐蚀能力强。CO₂气体在高温时具有强烈的氧化性，可减少熔池中游离态氢的含量，使焊缝的抗裂性能好。同时，CO₂气体保护焊对铁锈的敏感性比较低，焊缝中不易产生气孔，焊前对工件表面清洁要求不高。

5）操作简便。明弧焊接，可以直接观察电弧和熔池的情况，便于监控，有利于实现机械化和自动化，并且焊后不需清渣。

6）适用范围广。熔滴用短路过渡可焊接1mm左右的薄板，也可用细颗粒过渡焊接中厚板，采用多层焊时焊接厚度几乎不受限制；不仅可用于焊接低碳钢，而且可用于焊接低合金钢。

（2）CO₂气体保护焊的缺点

1）飞溅较大，并且焊缝表面成形较差。金属飞溅是CO₂气体保护焊较为突出的问题，也是CO₂气体保护焊的主要缺点。

2）很难用交流电源进行焊接，焊接设备比较复杂。

3）抗风能力差，给室外作业带来一定困难。

4）不能焊接易氧化的有色金属。

5）劳动条件较差，弧光强度及紫外线强度分别是焊条电弧焊的2～3倍和20～40倍，且操作环境中CO₂的含量较大，对人体健康不利。

CO₂气体保护焊的缺点可以通过提高技术水平和改进焊接材料、焊接设备加以解决，而其优点却是其他焊接方法所不能比的，因此，可以认为CO₂气体保护焊是一种值得推广应用的高效节能焊接方法。

4.CO₂气体保护焊的应用

CO₂气体保护焊主要用于焊接低碳钢及低合金钢等黑色金属。对于不锈钢，由于CO₂气体保护焊时焊缝金属有增碳的现象，影响耐晶间腐蚀性能，所以只能用于对焊缝性能要求不高的不锈钢件的焊接。此外，CO₂气体保护焊还可用于耐磨零件的堆焊、铸钢件的补焊以及异种材料的焊接。因此，CO₂气体保护焊在造船工业、化工机械、汽车制造、农业机械及航空工业中都得到了广泛的应用。

二、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，但在电弧高温下，CO₂会分解出氧原子，具有强烈的氧化作用。这种强烈的氧化性就使CO₂气体保护焊在冶金方面具有自己的特点，能使合金元素氧化烧损，降低焊缝金属的力学性能，还可能成为产生气孔和飞溅的根源。因此，合金元素的烧损、气孔和飞溅是CO₂气体保护焊冶金中的三个主要问题。

1.合金元素的烧损

CO₂气体在电弧高温下将发生分解，反应式为

CO₂=CO+O

电弧空间同时存在CO₂、CO和O这三种成分。CO气体在焊接条件下不溶解于金属，也不与金属产生作用，对焊接质量危害不大。但是，CO₂和O却能与铁和其他合金元素发生氧化反应，反应式为

Fe+CO₂=FeO+CO

Fe+O=FeO

Si+O=SiO₂

Mn+O=MnO

C+O=CO

由此可见，CO₂及其在高温分解出的氧，都具有很强的氧化性。这些反应既可发生在熔滴中，也可发生在熔池中。这些反应的生成物SiO₂和MnO会结合成硅酸盐，浮于熔池表面，形成熔渣。CO气体是在液态金属表面反应生成的，一般会逸出到大气中，不会在焊缝中引起气孔。FeO中的一部分成为杂质浮于熔池表面，另一部分溶入液态金属中，并进一步与熔池及熔滴中的合金元素发生反应。

由于合金元素大量烧损，使焊缝的力学性能降低，必须进行脱氧，因此在CO₂气体保护焊时通常在焊丝中（或药芯焊丝的药粉中）加入一定量的脱氧剂，利用脱氧剂补充由于CO₂的氧化性所造成的合金元素烧损以及使熔池中的FeO脱氧还原。脱氧剂在完成脱氧任务后，所剩余的量便作为合金元素留在焊缝中，起着提高焊丝力学性能的作用。一般在焊丝中加入一定量的脱氧元素，常用的是Al、Ti、Si、Mn。目前普遍使用的脱氧焊丝为H08Mn2SiA。

2.CO₂气体保护焊产生气孔的原因及防止方法

CO₂气体保护焊时，如果使用化学成分不合要求的焊丝、纯度不符合要求的CO₂气体及不正确的焊接工艺等，加上由于CO₂气流有较强的冷却作用，使熔池凝固较快，就容易在焊缝中产生气孔。CO₂气体保护焊时可能产生的气孔主要有CO气孔、氢气孔和氮气孔。

（1）CO气孔 产生CO气孔的原因主要是熔池中的FeO和C发生反应，反应式为

FeO+C=Fe+CO↑

这个反应在熔池处于结晶温度时进行得比较剧烈，而这时熔池已开始凝固，反应生成的CO气体如果来不及逸出，就会形成CO气孔。如果焊丝中含有足够的脱氧元素，并且限制焊丝中的碳含量，就能有效地防止CO气孔的产生。所以在CO₂气体保护焊中，只要焊丝选择适当，产生CO气孔的可能性是很小的。

（2）氢气孔 熔池在高温时溶入了大量的氢气，在结晶过程中不能充分排出，留在焊缝金属中成为气孔。

氢来源于工件、焊丝表面的油污及铁锈，以及CO₂气体中的水分。油污为碳氢化合物，铁锈是含结晶水的氧化铁。它们在电弧的高温下都能分解出氢气。要防止氢气孔，就要杜绝氢的来源，因此焊前应去除工件及焊丝上的铁锈、油污及其他杂质，更重要的是要注意CO₂气体中水的含量，因为CO₂气体中的水分常常是引起氢气孔的主要原因。

此外，由于CO₂气体具有氧化性，可以减弱氢的不利影响，因此CO₂气体保护焊对铁锈和水分没有埋弧焊那样敏感，具有较强的耐蚀能力和抗潮能力。只要焊前对CO₂气体进行干燥处理，去除水分，清除焊丝和工件表面的杂质，就可降低产生氢气孔的可能性。

（3）氮气孔 氮气的来源：一是侵入焊接区的空气；二是CO₂气体不纯，混有氮气。试验表明，焊缝中的氮气孔是由于保护气层遭到破坏，大量空气侵入焊接区所造成的。造成保护气层失效的因素有：过小的CO₂气体流量；喷嘴被飞溅物部分堵塞；喷嘴与工件距离过大及焊接场地有侧向风；焊接速度过快，使气流挺度不够，钢瓶内气体压力降低等。

总之，CO₂气体保护焊最常产生的气孔是氮气孔，而氮主要来自于空气。因此，在焊接过程中保持气流稳定可靠是防止焊缝中产生气孔的重要途径。

3.CO₂气体保护焊的熔滴过渡

在CO₂气体保护焊中，为了获得稳定的焊接过程，熔滴过渡通常有两种形式，即短路过渡和滴状过渡。

（1）短路过渡 CO₂气体保护焊在采用细焊丝、低电压和小电流焊接时，可获得短路过渡。在短路过渡时，弧长较短，焊丝端部熔化的熔滴尚未成为大滴便与熔池表面接触而短路，熔滴细小而过渡频率高，电弧非常稳定，飞溅小，焊缝成形良好，同时焊接电流较小，焊接热输入低，故短路过渡适宜于薄板及全位置焊缝的焊接。采用短路过渡焊接薄板时，生产率高，变形小，焊接操作容易掌握，对焊工技术水平要求不高。因此，短路过渡的CO₂气体保护焊易于在生产中推广应用。短路过渡过程如图4-4所示。

图4-4 短路过渡过程

（2）滴状过渡 CO₂气体保护焊在采用粗焊丝、较髙电压和较大电流时，会出现滴状过渡。滴状过渡有两种形式：一是大颗粒过渡，电流、电压比短路过渡时稍高，电流一般在400A以下，此时，熔滴较大且不规则，过渡频率较低，易形成偏离焊丝轴线方向的非轴向过渡（见图4-5），这种大颗粒非轴向过渡，电弧不稳定，飞溅很大，成形差，在实际生产中不宜采用；二是细滴过渡，电流、电压进一步增大，电流一般在400A以上，此时，由于电磁收缩力的加强，熔滴细化，过渡频率也随之增加，虽然仍为非轴向过渡，但是飞溅相对较少，电弧较稳定，焊缝成形较好，故在生产中应用较广泛。因此，粗丝CO₂气体保护焊滴状过渡时，焊接电流较大，电弧穿透力强，母材的焊缝厚度较大，多用于中、厚板的焊接。

图4-5 非轴向过渡

4.CO₂气体保护焊的飞溅及防止

飞溅是CO₂气体保护焊最主要的缺点，严重时甚至会影响焊接过程的正常进行。产生飞溅的主要原因如下：

（1）冶金反应引起的飞溅 熔滴中的C被O或FeO氧化，生成CO气体，在电弧高温下，CO气体急剧膨胀，使熔滴爆破而引起金属飞溅。

要减少飞溅，必须控制焊丝中碳的含量。碳含量越高，飞溅越多，所以，焊丝中碳的质量分数应控制在0.08%左右。此外，应采用含有较多脱氧元素的焊丝。目前采用的药芯焊丝CO₂气体保护焊是一种气-渣联合保护焊接方法，在焊丝中加入一定量的脱氧剂、稳弧剂，可使焊接过程十分稳定，所以飞溅大大减少。

（2）由斑点压力引起的飞溅 焊接电弧中的电子和正离子在电场力的作用下，以极高的速度分别撞击正、负两极的活性斑点，产生机械压力，即形成极点压力。当采用正极时，正离子飞向焊丝末端，熔滴在很大的机械压力下破碎，形成较大的飞溅。因此，要减少由极点压力所引起的飞溅，就必须采用直流反极性，因为反极性时，阻碍熔滴过渡的是电子的压力，由于电子的质量比正离子的小，产生的极点压力较小，故飞溅也就比较少。

（3）熔滴短路过渡引起的飞溅 这是CO₂气体保护焊短路过渡焊接过程中最主要的飞溅。此类飞溅产生的原因与短路电流的增长速度有关。当短路电流增长速度过慢时，熔滴缩颈处不能很快熔化而发生爆断，焊丝伸出部分在电阻长时间的作用下，成段软化和断落，造成较多的飞溅。若短路电流增长速度太快，则焊丝末端熔滴与熔池一接触，短路电流就会立即增大。由于短路电流过大，使过渡中的熔滴剧烈加热，再加上电磁力的作用，熔滴金属发生爆破而产生大量飞溅。所以，通过改变焊接回路中的电感值来控制短路电流的增长速度，使增长速度适当，熔滴有规律地在缩颈处发生爆断，这时虽有飞溅，但颗粒较细，飞溅较少。

（4）非轴向颗粒过渡造成的飞溅 这种飞溅是在颗粒过渡时由于电弧的斥力作用而产生的。在极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，并被抛到熔池外面，产生大颗粒飞溅。

（5）焊接参数选择不当引起的飞溅 这种飞溅是因焊接电流、电弧电压和回路电感等焊接参数选择不当而引起的。例如，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。当焊接电流增大时，熔滴体积变小，熔敷率增大，进而使飞溅减少。因此，只有正确地选择CO₂气体保护焊的焊接参数，才会减少产生这种飞溅的可能性。

知识卡：

CO₂潜弧焊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。这种方法熔深大、效率髙，现已广泛应用于厚板焊接，如图4-6所示。

图4-6 CO₂潜弧焊

三、CO₂气体保护焊的焊接材料

CO₂气体保护焊所用的焊接材料包括CO₂气体和焊丝。

1.CO₂气体

焊接用的CO₂气体一般被压缩成液体储存于钢瓶内。CO₂气体钢瓶外表涂铝白色，并标有黑色“液体二氧化碳”字样。CO₂气体钢瓶的容量为40L，可装25kg的液态CO₂，约占容积的80%，其余20%左右的空间则充满气态CO₂。

液态CO₂在常温下容易汽化。溶于液态CO₂中的水分易蒸发成水蒸气混入CO₂中，影响CO₂气体的纯度。焊接用CO₂气体的纯度要求大于99.5%（体积分数），水蒸气的含量不超过0.05%（体积分数），否则会降低焊缝的力学性能，焊缝也易产生气孔。

当CO₂气体的纯度达不到标准时，可采取以下措施进行提纯处理：

1）将气体钢瓶倒置1～2h，使气体钢瓶中自由状态的水沉积在瓶口端部，然后打开阀门放水，重复两三次，每次间隔0.5h左右，使水排出，再将气体钢瓶放正。

2）使用之前放出气体钢瓶内上面部分的气体（时间为2～3min），因为这部分气体通常含有较多的水分和空气。

3）在供气系统中最好安装干燥器，以进一步减少CO₂气体中的水分。通常用硅酸胶或脱水硫酸铜作为干燥剂，用过的干燥剂经烘干后可反复使用。

4）气体钢瓶中的气压降到低于1MPa（即10个大气压）时应停止使用，因为瓶装CO₂气体内水的含量随着压力的降低而增加。

2.焊丝

（1）对焊丝的要求

1）为防止焊缝产生气孔，减少飞溅，保证焊缝具有较高的力学性能，CO₂气体保护焊必须采用含锰、硅等脱氧元素的合金钢焊丝，还应限制焊丝中C、S、P的含量，通常要求w（C）＜0.10%，对于一般焊丝，要求硫及磷的含量均小于或等于0.04%（质量分数），对于高性能的优质CO₂气体保护焊焊丝，则要求硫及磷含量均小于或等于0.03%（质量分数）。

2）为了耐蚀及提高导电性，焊丝表面最好镀铜，但镀铜焊丝的铜含量不能太大，否则会形成低熔点共晶体，影响焊缝金属的抗裂能力。要求镀铜焊丝中w（Cu）≤0.5%。

（2）焊丝型号、牌号及规格

知识卡：

CO₂气体保护焊焊丝通常分为实芯焊丝和药芯焊丝两种，实芯焊丝是由金属线材直接拉拔而成的。药芯焊丝是将薄钢带卷成圆形钢管或异形钢管，并在其中填满一定成分的药剂，经拉制而成的。

1）焊丝型号。根据《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》（GB/T8110—2008）规定，焊丝型号由三部分组成。第一部分用“ER”表示焊丝；第二部分是“ER”后面的两位数字，表示熔敷金属的最小抗拉强度；第三部分为短线“-”后面的字母或数字，表示焊丝化学成分代号。对于型号中的第三部分，碳钢焊丝用一位数字表示，有1、2、3、4、6、7共6个型号；碳钼钢焊丝用A表示；铬钼钢焊丝用B表示；镍钢焊丝用Ni表示；锰钼钢焊丝用D表示，后面的数字表示同一合金系统的不同编号。当附加其他化学成分时，用元素符号表示，并用短线“-”与前面的数字分开。其他低合金焊丝，在抗拉强度后用“-”后缀编号数。当w（C）≤0.05%时，型号最后加字母L。例如：

目前常用的CO₂气体保护焊焊丝有ER49-1和ER50-6等。

2）焊丝牌号。实芯焊丝牌号的编制方法如下：

①首字母“H”表示实芯焊丝。

②字母“H”后的一位或两位数字表示焊丝中碳含量的平均约数，单位为万分之一（0.01%）。

③化学元素符号及其后面的数字表示该元素含量的平均约数，单位为百分之一（0.01%）。当合金元素的质量分数小于或等于1%时，该元素化学符号后面的数字1省略。

④当焊丝牌号尾部标有“A”或“E”时，“A”表示优质品，说明该焊丝的硫、磷含量比普通焊丝低；“E”表示高级优质品，说明该焊丝硫、磷含量更低。例如：

CO₂气体保护焊常用焊丝的牌号、型号及用途见表4-2。

表4-2 CO₂气体保护焊常用焊丝的牌号、型号及用途

3）焊丝规格。CO₂气体保护焊所用的焊丝直径在0.5～5mm范围内。常用的焊丝有ϕ0.6mm、ϕ0.8mm、ϕ1.0mm、ϕ1.2mm、ϕ1.6mm、ϕ2.0mm、ϕ2.5mm、ϕ3.0mm、ϕ4.0mm、ϕ5.0mm等几种规格。其中，ϕ0.6mm、ϕ0.8mm、ϕ1.0mm、ϕ1.2mm、ϕ1.6mm焊丝用于半自动CO₂气体保护焊，ϕ2.0mm、ϕ2.5mm、ϕ3.0mm、ϕ4.0mm、ϕ5.0焊丝用于自动CO₂气体保护焊。CO₂气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝的化学成分及力学性能分别见表4-3和表4-4。

表4-3 CO₂气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝的化学成分（质量分数，%）

表4-4 CO₂气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝熔敷金属的力学性能

四、CO₂气体保护焊设备

CO₂气体保护焊所用的设备有半自动CO₂气体保护焊设备和自动CO₂气体保护焊设备两类。在实际生产中，半自动CO₂气体保护焊设备使用较多。下面以半自动CO₂气体保护焊机为主介绍CO₂气体保护焊设备。

半自动CO₂气体保护焊设备由焊接电源、送丝系统、焊枪、供气系统、冷却水循环装置及控制系统等部分组成，如图4-7所示。自动CO₂气体保护焊设备除上述部分外还有焊接小车行走机构，如图4-8所示。

图4-7 半自动CO₂气体保护焊设备

1.焊接电源

CO₂气体保护焊一般采用直流电源且反极性连接。根据CO₂气体保护焊的焊接特点，一般细焊丝采用等速送丝式焊机，配合平特性电源；粗焊丝采用变速送丝式焊机，配合下降特性电源。

电源动特性是焊接过程稳定的重要保证。在粗焊丝细滴过渡时，因为焊接电流的变化比较小，所以对焊接电源的动特性要求不高；在细焊丝短路过渡时，因为焊接电流不断地发生较大的变化，所以对焊接电源的动特性有较高的要求。根据熔滴短路过渡的特点，要求电源有适当的短路电流增长速度，通常在直流焊接回路中串联不同的电感，以此调节短路电流的增长速度。

图4-8 全自动CO₂气体保护焊设备

2.送丝系统

送丝系统通常由送丝机构（见图4-9）、送丝软管、焊丝盘等组成。送丝系统的性能与焊接过程的稳定性有直接关系，因为CO₂气体保护焊焊接电流主要是通过送丝速度来调节的。因此，送丝是否均匀和稳定，会直接影响电弧燃烧的稳定性，特别是采用细焊丝时，熔化速度很大，必须保证均匀、高速、平稳的送丝过程。

图4-9 送丝机构

CO₂气体保护焊通常采用等速送丝。按送丝机构送丝方式的不同，半自动CO₂气体保护焊焊机的送丝方式可分为推丝式、拉丝式和推拉丝式三种，如图4-10所示。

（1）推丝式 此方式主要应用于直径为0.8～2.0mm的焊丝，是应用最广的一种送丝方式，如图4-9a所示。其特点是焊枪与送丝机构分开，焊丝由送丝机构推进，通过一段软管后进入焊枪。焊枪结构简单、轻便，操作与维修方便。但焊丝通过软管时阻力较大，而且随着软管长度的增加，送丝稳定性将变差。因此，软管不能太长，一般为2～5m。

（2）拉丝式 此方式主要用于直径小于或等于0.8mm的细焊丝，因为焊丝刚度小，难以推丝。它又分为两种形式：一种是直接将送丝机构和焊丝盘装在焊枪上（见图4-10b），省去了软管，从而避免了焊丝通过软管的阻力，并且送丝速度均匀稳定，操作范围可扩大至十几米，但焊枪的重量增加，焊工的劳动强度较大；另一种是将焊丝盘和焊枪分开，两者用送丝软管联系起来，如图4-10c所示。

图4-10 半自动CO₂气体保护焊焊机的送丝方式

a）推丝式 b）、c）拉丝式 d）推拉丝式

图4-11 鹅颈式焊枪

1—喷嘴 2—导电嘴 3—分流器 4—接头 5—枪体 6—弹簧软管

（3）推拉丝式 此方式是以上两种送丝方式的结合，送丝时以推为主。由于焊枪上的送丝机起到将焊丝拉直的作用，因此可使软管中的送丝阻力减小，但增加了送丝距离和操作的灵活性。送丝软管可加长到15m左右（见图4-10d），但推力和拉力必须很好地配合，通常拉丝速度应稍大于推丝速度。这种方式虽有一些优点，但由于结构复杂，并且存在两个电动机同步工作和调节的问题，因此实际应用并不多。

3.焊枪

焊枪主要用于传导焊接电流，导送焊丝和CO₂气体。焊枪按用途的不同可分为半自动焊枪和自动焊枪两类。

（1）半自动焊枪 按焊丝给送方式的不同，半自动焊枪可分为推丝式和拉丝式两种；按冷却方式的不同，可分为气冷式和水冷式两种，因为水冷式比较复杂，所以一般不常用。

推丝式焊枪常用的形式有两种：一种是鹅颈式焊枪（见图4-11），其特点是操作比较方便、灵活，对某些难以达到的拐角处和某些受限区域的可焊到性好，应用较广，适用于小直径焊丝的焊接；另一种是手枪式焊枪（见图4-12），其特点是送丝阻力较小，但重心不在手握部分，操作时不太灵活，适用于焊接除水平面以外的空间焊缝。当焊接电流较小时，手枪式焊枪采用自然冷却；当焊接电流较大时，手枪式焊枪用水冷却。手枪式焊枪应用得较少。

图4-12 手枪式焊枪

1—焊枪 2—焊嘴 3—喷管 4—水筒装配件 5—冷却水通路 6—焊枪架 7—焊枪主体装配件 8—螺母 9—控制电缆 10—开关控制杆 11—微型开关 12—防弧盖 13—金属丝通路 14—喷嘴内管

拉丝式焊枪如图4-13所示。其主要特点是送丝均匀、稳定，活动范围大，但因送丝机构和焊丝盘都装在焊枪上，所以比较笨重，结构较复杂，通常适用于直径为0.5～0.8mm的细焊丝焊接。

（2）自动焊枪 一般安装在自动CO₂气体保护焊焊机上，不需要手工操作。由于自动CO₂气体保护焊焊机多用于大电流情况，因此自动焊枪的尺寸比较大，以便提高气体保护和水冷效果。自动焊枪枪头部分与半自动焊枪类似。

图4-13 拉丝式焊枪

1—喷嘴 2—枪体 3—绝缘外壳 4—送丝轮 5—螺母 6—焊丝盘 7—压栓 8—电动机

（3）焊枪的喷嘴和导电嘴 喷嘴是焊枪上的重要零件，其作用是向焊接区域输入保护气体，以防止焊丝端头、电弧和熔池与空气接触。喷嘴内孔直径与焊接电流有关，通常为16～22mm。当焊接电流较小时，喷嘴直径也小；当焊接电流较大时，喷嘴直径也大。焊枪喷嘴常用纯铜或陶瓷材料制作。

知识卡：

焊枪喷嘴以圆柱形为好，也可做成圆锥形，如图4-14所示。在焊接前，最好在喷嘴的内、外表面喷涂上一层防飞溅喷剂或刷一层硅油，以便于清除黏附在喷嘴上的飞溅物并延长喷嘴使用寿命。

图4-14 喷嘴

a）圆锥形 b）圆柱形

用于制作导电嘴的材料应具有良好的导电性、好的耐磨性和高的熔点，一般选用纯铜、铬青铜。为保证导电性良好，减小送丝阻力和保证对准中心，焊丝嘴的内孔直径必须按焊丝直径选取。若其内孔直径太小，则送丝阻力大；若其内孔直径太大，则送出的焊丝端部会摆动得厉害，造成焊缝不直，保护效果也不好。通常导电嘴的孔径比焊丝直径大0.2mm左右。

喷嘴和导电嘴都是易损件，需要经常更换，所以应便于拆装，并且应结构简单、制造方便和成本低廉。

4.CO₂气体保护焊供气系统

CO₂气体保护焊供气系统通常由气瓶、预热器、减压阀、流量计及电磁气阀等组成，若气体不纯，还需串接高压干燥器或低压干燥器，如图4-15所示。它的作用是使气瓶中的高压CO₂液体处理成合乎质量要求具有一定流量的气体，并使之均匀畅通地从焊枪喷嘴喷出，以有效地保护熔池。

图4-15 CO₂气体保护焊供气系统

1—气体钢瓶 2—预热器 3—高压干燥器 4—减压阀 5—流量计 6—低压干燥器 7—电磁气阀

预热器的作用是防止瓶阀和减压阀冻坏或堵塞气路。气体钢瓶内的液态CO₂在转化为气态时要吸收大量的热量，易造成局部剧烈降温。此外，在经过减压阀后，气体体积膨胀，也会使气体温度下降，易使减压阀出现白霜，冻结，造成气路阻塞，影响焊接过程的顺利进行。因此，CO₂气体在减压前必须进行预热。

减压阀用于调节气体压力，将气体钢瓶内的高压CO₂气体调节为使用压力的低压气体。流量计主要用于测量和调节CO₂气体的流量，以形成良好的保护气流，常用的流量计为转子流量计。现在生产的减压流量调节器将预热器、减压阀和流量计制成一体，使用方便、可靠。干燥器的作用是吸收CO₂气体中的水分，最大限度地减少CO₂气体中水的含量。电磁气阀用于控制CO₂气体的接通和关闭。

知识卡：

干燥器内装有干燥剂，如硅胶、脱水硫酸铜或无水氯化钙等，其中以无水氯化钙的效果为最好，但它不能重复使用。硅胶和脱水硫酸铜干燥剂吸水后颜色发生变化，经过加热烘干后还可以重复使用。接在减压阀前面的干燥器称为高压干燥器，接在减压阀后面的干燥器称为低压干燥器，可以根据气体钢瓶中CO₂的纯度选用其中一个，或两个都用。如果CO₂的纯度较高，能满足焊接生产的要求，也可不设干燥器。

5.控制系统

控制系统的作用是对CO₂气体保护焊的供气、送丝和供电系统实现控制，自动焊时，还要完成焊接小车行走或工件运转等动作。(www.xing528.com)

对供气系统的控制大致有三个过程：引弧时要求提前送气2～3s，以排除引弧区的空气；焊接时气流要均匀、可靠；结束时，因熔池金属尚未冷却凝固，故应滞后停气2～3s，给予继续保护。

对送丝机构的控制应保证焊丝的正常给送和停止，并能均匀调节送丝速度，在焊接过程中对网路波动也应有补偿作用。

对供电系统的控制，要在控制焊接电源的同时控制送丝部分。供电系统可在送丝之前接通，或与送丝同时接通。在焊接结束时，为避免焊丝末端与熔池粘住，应有电源延时装置。在焊丝停止给送后，焊接电源仍保持接通0.2～1s，使电弧继续燃烧，以填满弧坑，或备有衰减装置。

五、CO₂气体保护焊工艺

CO₂气体保护焊的焊接参数主要包括焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝伸出长度、气体流量、电源极性、回路电感、焊枪倾角及喷嘴与工件间的距离等。

1.焊丝直径

焊丝直径越大，允许使用的焊接电流就越大。通常根据工件的厚度、坡口形式、焊接位置及生产效率等条件来选择焊丝直径。在立、横、仰焊位置焊接薄板或中厚板时，多采用直径在1.6mm以下的焊丝；在平焊位置焊接中厚板时，可以采用直径在1.2mm以上的焊丝。焊丝直径的选择见表4-5。

表4-5 焊丝直径的选择

焊丝的熔化速度随着焊接电流的增加而增加。在焊接电流相同时，焊丝越细，其熔化速度就越高。若焊接电流过大，则将引起熔池翻腾，使焊缝成形恶化。因此，各种直径焊丝的最大焊接电流要有一定的限制。

焊丝直径对熔深的影响如图4-16所示。当焊接电流相同时，熔深将随着焊丝直径的增加而减小。焊丝直径对焊丝的熔化速度也有明显的影响，当焊接电流相同时，焊丝越细，则熔敷速度越大。目前，我国普遍采用的焊丝直径主要有0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm和2.0mm五种。

图4-16 焊丝直径对熔深的影响

2.焊接电流

焊接电流是重要的焊接参数之一。在焊接时，应根据工件的厚度、母材成分、焊丝直径、焊接位置及要求、熔滴过渡形式来确定焊接电流的大小。随着焊接电流的增加，焊缝厚度、焊缝宽度及余高都相应增加。对于直径为0.8～1.6mm的焊丝，短路过渡的焊接电流为50～230A，细颗粒过渡的焊接电流为250～500A。焊丝直径与焊接电流的关系见表4-6。

表4-6 焊丝直径与焊接电流的关系

在一般情况下，当焊丝直径一定时，随着焊接电流的增加，焊缝的熔深、熔宽、余高都有所增加，而以熔深的增加最为明显。但当焊接电流过大时，焊接过程中的飞溅多，工件的变形量大，易产生焊穿、气孔及裂纹等缺陷；当焊接电流过小时，电弧不能连续燃烧，容易产生未焊透、未熔合和夹渣等缺陷以及焊缝成形不良。故在保证焊透、焊缝成形良好的条件下，应尽可能采用大电流，以提高生产效率。

3.电弧电压

在通常情况下，当电弧电压过低时，弧长过小，会引起焊丝插入熔池的现象，使飞溅增多，甚至引起焊接过程不稳定；当电弧电压过高时，弧长变大，短路频率下降，使熔滴粗大，飞溅的颗粒尺寸增大，金属飞溅增加，焊缝氧化性加剧。

为保证焊缝成形良好，电弧电压必须与焊接电流匹配。通常焊接电流小时，电弧电压较低；焊接电流大时，电弧电压较高；电弧电压过高或过低，对电弧的稳定性、焊缝成形以及飞溅、气孔的产生都有不利的影响。在短路过渡时，电弧电压通常为16～24V；在细滴过渡时，对于直径为1.2～3.0mm的焊丝，电弧电压为25～36V。CO₂气体保护焊时不同焊接电流的电弧电压匹配值见表4-7。

表4-7 CO₂气体保护焊时不同焊接电流的电弧电压匹配值

知识卡：

对于使用平特性电源的CO₂气体保护焊，当所用的焊丝直径为0.8～1.6mm时，短路过渡焊接时的电弧电压可按下述经验公式推算：

U=0.04I+16±1.5（I＜300A）

U=0.04I+16±2.0（I≥300A）

式中 U——电弧电压（V）；

I——焊接电流（A）。

4.焊接速度

在一定的焊丝直径、焊接电流和电弧电压条件下，随着焊接速度的增加，焊缝的余高、熔宽和熔深都相应地减小。若焊接速度过快，则使焊接区的保护层受到破坏，同时焊缝的冷却速度加快，会降低焊缝的塑性，并使焊缝成形变坏，可能出现气孔、咬边及未熔合等缺陷；若焊接速度过慢，则易产生烧穿和焊缝组织变粗等缺陷，并且焊接生产率低，焊接变形量增大。通常半自动CO₂气体保护焊时，熟练焊工的焊接速度为15～40m/h。

5.焊丝伸出长度

焊丝伸出长度是指从导电嘴到焊丝端头的距离，一般约等于焊丝直径的10倍，且不超过15mm。若焊丝伸出长度过大，则熔深浅，焊丝会成段熔断，飞溅严重，气体保护效果差；若焊丝伸出长度过小，则熔深较大，影响操作者对熔池的观察，并且飞溅物容易堵塞喷嘴，影响保护效果。焊丝伸出长度对焊缝成形的影响如图4-17所示。

图4-17 焊丝伸出长度对焊缝成形的影响

6.电流极性与回路电感

为了减少飞溅，保证焊接电弧的稳定性，CO₂气体保护焊通常采用直流反接。当采用直流反接时，焊接过程稳定，飞溅小，熔深大。当采用直流正接时，在相同的焊接电流下，焊丝熔化速度快，熔深浅，余高大，稀释率较小，飞溅较大。

焊接回路的电感值应根据焊丝直径和电弧电压来选择。不同直径焊丝的合适电感值见表4-8。

表4-8 不同直径焊丝的合适电感值

知识卡：

在某些工厂中，由于焊接电缆较长，常常将一部分电缆盘绕起来。但必须注意，这相当于在焊接回路中串入了一个附加电感。由于回路电感值的改变，使飞溅情况、母材熔深都将发生变化，因此在焊接过程正常后，不宜变动电缆盘绕的圈数。

7.气体流量

CO₂气体的流量应根据焊接电流、焊接速度、焊丝伸出长度及喷嘴直径等进行选择。若CO₂气体流量过小，则电弧不稳，有密集气孔产生，焊缝表面易被氧化成深褐色；若CO₂气体流量过大，则会出现气体紊流，产生气孔，焊缝表面呈浅褐色。通常在细焊丝CO₂气体保护焊时，CO₂气体的流量为8～15L/min；在粗焊丝CO₂气体保护焊时，CO₂气体的流量为15～25L/min。

8.焊枪倾角

当焊枪倾角小于10°时，不论是前倾还是后倾，对焊接过程及焊缝成形都没有明显的影响；当焊枪倾角过大（如前倾角大于25°）时，将增加熔宽并减小熔深，还会增加飞溅。

焊枪倾角对焊缝成形的影响如图4-18所示。由图4-18可以看出：当焊枪与工件成后倾角时，焊缝窄，余高大，熔深较大，焊缝成形不好；当焊枪与工件成前倾角时，焊缝宽，余高小，熔深较浅，焊缝成形好。

在多数情况下，CO₂气体保护焊采用左焊法，前倾角为10°～15°，这样不仅可得到成形较好的焊缝，而且能够清楚地观察和控制熔池。

图4-18 焊枪倾角对焊缝成形的影响

9.喷嘴与工件间的距离

喷嘴与工件间的距离应根据焊接电流来选择，如图4-19所示。

图4-19 喷嘴与工件间的距离和焊接电流的关系

任务准备

1）工件：Q235钢，尺寸为400mm×250mm×8mm。

2）焊接材料：ER49-1（H08Mn2SiA）型实芯焊丝，直径为1.2mm；CO₂气体纯度应大于99.5%（体积分数），水蒸气的含量应小于或等于0.05%（体积分数）。

3）焊机准备：NBC1—300型半自动CO₂气体保护焊焊机，直流反接。焊机的接线操作及设备调试：焊机应可靠接地，焊机的输入接线端、进气管接头位于焊机后面板上，预热器电源插座位于后面板上，输出接线端、焊枪控制电缆插座及出气管接头位于焊机前面。

电路连接次序：将焊机接到三相（380V、50Hz）电源上→将焊枪控制电缆接到插座上→将焊枪、焊接电缆接到焊机输出端“+”极上→将焊接工件电缆接到焊机输出端“-”极上→将预热器电源线接到焊机预热器插座上。

4）焊前清理、画线：焊前应对工件和焊丝表面的氧化皮、铁锈、油污、水分及其他污物进行清理，直至露出金属光泽，然后沿工件长度方向，在工件上用石笔画出数条相隔50mm的平行直线，以其作为焊缝的位置线。

任务实施

半自动CO₂气体保护焊平敷焊焊件图如图4-20所示。

图4-20 半自动CO₂气体保护焊平敷焊焊件图

1.确定焊接参数

半自动CO₂气体保护焊平敷焊焊接参数见表4-9。

表4-9 半自动CO₂气体保护焊平敷焊焊接参数

2.开启焊机

在焊机接线完毕后，可以给焊机通电。打开位于焊机前面板上的“电源”开关，指示灯亮。使焊丝通过送丝轮及焊枪，并检查焊丝运行情况，应无阻塞现象。打开预热器的开关及减压阀，然后打开“检气”开关，检查并调整保护气体的流量，完毕后关闭“检气”开关。在上述准备工作完成后，既可进行焊接。焊接按钮位于焊枪上，将其按下即可进行焊接，将其松开后焊接停止。

3.焊接

（1）引弧

1）操作姿势。根据工作台的高度，身体呈站立或下蹲姿势，上半身稍向前倾，脚要站稳，肩部用力使臂膀抬至水平并保持该姿势，右手握焊枪，但不要握得太死，要自然，并用手指控制枪柄上的开关，左手持防护面罩，准备焊接。

2）采用直接短路法引弧，左向焊法。引弧前要剪掉粗大的焊丝球状端头，使之呈锐角，以防止飞溅。焊丝端头与工件间应保持2～3mm的距离（不要接触过紧），喷嘴与工件间应保持10～15mm的距离。在距板材端部5～10mm处引弧，然后缓慢引向焊缝的端头，等焊缝金属熔合后，再以正常焊接速度前进。

3）按动焊枪开关，引燃电弧。此时焊枪有抬起的趋势，必须用均衡的力将其控制好，尽量减少焊枪回弹，并保持喷嘴与工件间的距离。

（2）焊接 焊枪的运动方向如图4-21a所示。在一般情况下，起始端的焊道要高一些而熔深要浅一些。在引弧之后，先将焊枪稍微停顿，以此达到对焊道适当预热的目的。然后左右摆动进行起始端的焊接。这样可以获得有一定熔深和成形比较整齐的焊道。在起始端焊缝达到所需宽度（12～16mm）后，使焊枪以直线形运丝法匀速向前焊接，并注意控制整条焊道的宽度和直线度。

在一条焊道焊完后，应注意将收尾处的弧坑填满。在收弧时，应在弧坑处稍停留片刻，然后松开焊枪开关，继续保持焊接姿势，利用滞后送气来保护熔池。待弧坑处由原来的红热状态冷却到正常金属颜色时，方可抬起焊枪结束焊接。

焊道接头时一般采用退焊法，其操作要领与焊条电弧焊接头法相似。

师傅说现场

焊枪运动方向

CO₂气体保护焊时焊枪的运动方向有两种：一种是焊枪自右向左移动，称为左焊法；另一种是焊枪自左向右移动，称为右焊法，如图4-21所示。

图4-21 CO₂气体保护焊时焊枪的运动方向

a）左焊法 b）右焊法

左焊法操作时，在熔池及其前沿处，电弧的吹力作用将熔池金属向前推延，由于电弧不直接作用于母材上，因此熔深较浅，焊道平坦且变宽，飞溅较大，保护效果好。当采用左焊法时，虽然观察熔池困难一些，但是易于掌握焊接方向，不易焊偏。

右焊法操作时，电弧直接作用到母材上，熔深较大，焊道窄而高，飞溅略小，但不易准确掌握焊接方向，容易焊偏，尤其在对接焊时更明显。

在一般情况下CO₂气体保护焊采用左焊法，前倾角为10°～15°。

（3）结束焊接 在焊接结束时，松开焊枪扳机，焊机停止送丝，电弧熄灭，滞后2～3s断气，操作结束，然后关闭气源、预热器开关和控制电源开关，关闭总电源，松开压丝手柄，最后将焊机整理好。

检查评议

半自动CO₂气体保护焊的平敷焊操作评分表见表4-10。

表4-10 半自动CO₂气体保护焊的平敷焊操作评分表

问题防治

半自动CO₂气体保护焊常见缺陷、产生原因及解决措施见表4-11。

表4-11 半自动CO₂气体保护焊常见缺陷、产生原因及解决措施

（续）

扩展知识

CO₂气体保护焊焊接实例

以一台尺寸为ϕ1200mm×6mm，设计压力为0.6MPa的空气储罐为例，由于其壁较薄，如果采用埋弧焊，则会产生较大的变形量，并且焊接合格率低，为此采用CO₂气体保护焊焊接所有的焊缝。焊接时采用左焊法，焊枪角度与轴线成10°～15°倾角。焊接参数见表4-12。

表4-12 焊接参数

当采用上述焊接参数时，焊接电弧稳定，飞溅少，焊缝成形好。A、B类焊缝经X射线检测，焊接一次合格率达98%以上。CO₂气体保护焊焊接D类焊缝时显示出很大的优越性，不仅焊接效率大大提高、辅助时间缩短、工人的劳动强度降低，焊接质量得到了保障，而且解决了薄板焊接变形的难题。

采用实芯焊丝CO₂气体保护焊与采用传统焊接方法相比，总体工期缩短了1/3，焊接成本降低了近1/2。实践表明，这种焊接方法是产品制造过程中降低成本、提高工效最有效的方法。

考证要点

一、填空题

1.CO₂气体保护焊按所用焊丝直径的不同可分为____和____两种。

2.CO₂气体保护焊按操作方法的不同可分为____和____两类，它们的区别是____。

3.CO₂气体保护焊熔滴过渡的形式主要有____和____。

4.CO₂气体保护焊时可能出现三种气孔，即____、____、____。

5.半自动CO₂气体保护焊的送丝方式有____、____、____三种。

6.半自动CO₂气体保护焊设备由____、____、____、____、____及____等几部分组成。

二、选择题

1.CO₂气体保护焊有许多优点，但（ ）不是其的优点。

A.飞溅少 B.生产率高

C.成本低 D.焊接变形量小

2.CO₂气体保护焊用的CO₂气体纯度（体积分数）一般不低于（ ）。

A.99.5% B.99.9% C.99.95% D.99.99%

3.为降低CO₂气体中的水分对焊接质量的影响，可以（ ）。

A.将新灌气体钢瓶倒立1～2h，再打开气体钢瓶将水排出，然后关闭瓶阀，将气体钢甁放正，使用前再放气2～3min

B.保证纯度不低于95%（体积分数） C.气体钢瓶内压不低于9.8MPa

D.气体钢瓶内压不低于3MPa

4.当CO₂气体钢瓶中的压力低于（ ）MPa时，要停止用气。

A.1 B.2 C.3 D.5

5.在熔化极气体保护焊时，CO₂气体钢瓶应小心轻放并（ ），与热源距离应大于3m。

A.竖立固定 B.水平固定 C.倒立固定 D.倾斜固定

6.CO₂气体没有（ ）特点。

A.焊接时可以使用固态和气态CO₂

B.在电弧高温下发生分解

C.无色、无味

D.熔化极气体保护焊时要使用干燥后的CO₂气体

7.半自动CO₂气体保护焊机由电源、送丝机构、（ ）、焊枪及气路系统构成。

A.焊缝成形装置 B.引弧和稳弧系统

C.监视系统 D.控制系统

8.在CO₂气体保护焊时，焊丝伸出长度通常取决于焊丝直径，以焊丝直径的（ ）倍为宜。

A.3 B.5 C.10 D.15

9.（ ）不是CO₂气体保护焊时选择电弧电压的根据。

A.焊丝直径 B.焊接电流

C.接头形式 D.熔滴过渡形式

10.在调试CO₂气体保护焊机时要注意和检查（ ）的接触情况。

A.导电杆与焊丝 B.导电嘴与焊丝

C.继电器与焊丝 D.电缆与焊丝

11.当CO₂气体保护焊采用（ ）焊时，所出现的熔滴过渡形式是短路过渡。

A.细焊丝，小电流，低电弧电压施

B.细焊丝，大电流，低电弧电压施

C.细焊丝，大电流，低电弧电压施

D.细焊丝，小电流，高电弧电压施

12.在CO₂气体保护焊时，若选用的焊丝直径小于或等于1.2mm，则气体流量一般为（ ）。

A.8～15L/min B.15～25L/min C.6～10L/min D.25～35L/min

13.储存CO₂气体的气体钢瓶容量为（ ）L。

A.10 B.25 C.40 D.45

14.CO₂气体保护焊的焊接电流根据工件厚度、焊丝直径、施焊位置以及（ ）等来选择。

A.工件成分 B.焊丝成分

C.电源种类与极性 D.熔滴过渡形式

三、判断题

1.CO₂气体保护焊电源采用直流正接时，产生的飞溅要比直流反接时严重得多。 （ ）

2.CO₂气体保护焊和埋弧焊用的都是焊丝，所以一般可以互用。 （ ）

3.CO₂气体保护焊用的焊丝有镀铜和不镀铜两种。镀铜的作用是防止焊丝生锈，改善焊丝导电性能，提高焊接过程的稳定性。 （ ）

4.推丝式送丝机构适用于长距离输送焊丝。 （ ）

5.在CO₂气体保护焊时，若焊丝伸出长度过小，则不但飞溅严重，而且造成飞溅物堵塞喷嘴，影响保护效果。 （ ）

四、简答题

1.CO₂气体保护焊产生飞溅的原因是什么？减少飞溅的措施有哪些？

2.CO₂气体保护焊的原理及主要特点是什么？