CO2 气体保护焊工艺探讨

刘卫东

（中国铁建港航局集团有限公司，广东珠海 519070）

0 引言

近年来，随着工业发展和人类活动的增加，大气中CO2浓度不断上升，给全球气候带来了严重影响。而焊接作为一种广泛应用于工业生产中的加工技术，也不可避免地产生大量的CO2气体排放。为了减少焊接过程中CO2气体的排放，CO2保护焊工艺成为研究的热点之一。保护焊是指在焊接过程中，通过在焊接区域周围加入一定的保护气体，将空气隔绝开来，以避免焊缝在高温下与氧气发生反应，产生氧化物和氮化物等不良物质。探讨CO2气体保护焊工艺的优势和不足，以及对环境和健康的影响。同时，将介绍减少CO2排放的方法和技术，以期为实现可持续发展做出贡献[1-2]。

1 CO2 气体保护焊的定义

CO2体保护焊是一种金属焊接方法，即使用CO2气体作为保护气体来防止氧气和其他有害气体进入焊接区域。这种焊接方法利用电弧产生的高温来熔化焊接材料，并使用CO2气体作为保护层，防止氧气和其他有害气体与熔融金属反应，从而形成高质量的焊接接头。CO2气体保护焊通常适用于黑色金属材料的焊接，如钢铁等[3]。

2 CO2 气体保护焊发展历程

CO2焊（CO2气体保护焊）是一种常见的焊接方法，可以用于焊接钢铁和其他金属材料。其发展历程如下：

（1）1948 年：CO2气体保护焊的概念首次被提出，当时的焊接设备主要使用直流电弧焊机，由CO2气体作为保护气体进行焊接。

（2）1953 年：首次在实际工业应用中使用CO2气体作为保护气体进行焊接。这种焊接方法被广泛运用于船舶、桥梁和建筑等领域。

（3）1960 年代：CO2焊技术得到进一步改进和推广，成为一种主流的焊接方法。焊接设备和工艺参数得到优化，焊接效率和焊缝质量得到提高。

（4）1970 年代：CO2焊技术在汽车制造业得到广泛应用，其高效、经济和可靠的特点使CO2焊成为大规模生产中常用的焊接方式。

（5）1990 年至今：随着科技的进步和焊接技术的发展，CO2焊技术不断完善。新型的焊接设备和自动化控制系统的引入，进一步提高了焊接质量和生产效率。

目前，CO2焊接技术已成为金属焊接领域中重要的一种方法，广泛应用于汽车制造、船舶建造、钢结构、管道焊接等行业。随着环保意识的增强，也出现了新型的CO2替代气体保护焊技术，如混合气体保护焊和纯氩气保护焊，以减少CO2的排放和提高焊接质量。

3 CO2 焊的特点

经济实惠：CO2气体相对较便宜，与其他保护气体相比具有经济性，适合大规模生产和大批量焊接。

良好的焊缝成形：CO2气体能够提供良好的保护作用，防止氧气和其他有害气体进入焊接区域，从而减少了焊缝内部缺陷的产生。焊缝成形良好，外观美观。

高熔化率：CO2气体具有较高的熔化率，能够提供足够的热量，使焊接材料迅速熔化和凝固，提高焊接速度。

适用范围广：CO2保护焊适用于多种金属材料的焊接，尤其是黑色金属材料焊接，如钢铁等。

4 CO2 焊原理

熔化和固化：在CO2焊接过程中，电弧的高温能够使焊接材料迅速熔化，形成熔池。熔化的焊接材料在电弧熔化区域内加热和冷却，会迅速固化成为焊缝。

保护作用：CO2气体在焊接过程中形成的保护层能够阻隔氧气与焊接区域，可以有效减少氧气和其他有害气体对焊接区域的氧化和污染。这种保护作用有助于保持焊接接头的质量和完整性。

渗透性：CO2气体保护焊可以提供较高的热输入和熔化率，通过增加焊接电流和电弧电压，可以增加焊接材料的温度和能量，从而增强材料的渗透性。这有助于焊接材料的熔合和焊缝的形成。

脱氧剂的作用：CO2气体保护焊通常使用含脱氧剂的焊丝。脱氧剂能够吸收氧气并形成氧化物，从而减少氧化反应和气孔的产生，提高焊接接头的质量。

总的来说，CO2焊的冶金原理是通过高温电弧熔化焊接材料，利用CO2气体的保护作用防止氧化和污染，增强焊接材料的渗透性，并借助脱氧剂来减少氧化反应和气孔的产生。这些原理共同作用，使CO2焊成为一种有效的金属焊接方法。

5 CO2 焊的熔滴过渡形式

CO2焊的熔滴过渡形式主要包括两种：喷射针形和喷射球形。

喷射针形：在CO2焊的过渡形式中，当熔滴从焊丝端部脱落时，会形成一个细长的针状熔滴，从焊丝末端喷出。这种形式的熔滴具有较小的横截面积和较长的长度，具有较强的穿透性和焊缝深度。

喷射球形：另一种CO2焊的过渡形式是喷射球形熔滴。当熔滴从焊丝端部脱落时，会形成一个球形的熔滴，从焊丝末端喷出。这种形式的熔滴具有较大的横截面积和较短的长度，具有较好的覆盖性和填充性能。

上述两种过渡形式的熔滴在CO2焊中交替出现，具体取决于焊丝直径、焊接电流和电弧稳定性等因素。在CO2焊过程中，喷射针形熔滴用于深焊、高速焊接和横焊等需要较强穿透性的焊接情况，而喷射球形熔滴则用于填充、盖面和水平焊接等需要良好覆盖性的焊接情况。这些熔滴过渡形式的出现，对于CO2焊的焊接质量和性能具有重要影响。合理控制焊接参数和焊接条件，能够实现适合实际需求的熔滴过渡形式，以获得优良的焊接效果。

6 焊接材料

6.1 焊丝

CO2焊一般使用固体焊丝作为焊接材料。常见的焊接材料包括以下3 种：

（1）碳钢焊丝：碳钢焊丝是最常用的CO2焊接材料，适用于焊接碳钢材料，如低碳钢、中碳钢和高碳钢等。碳钢焊丝具有良好的可焊性和机械性能。

（2）不锈钢焊丝：不锈钢焊丝适用于焊接不锈钢材料，如奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和双相不锈钢等。不锈钢焊丝具有抗腐蚀性能和良好的可焊性。

（3）铝合金焊丝：铝合金焊丝适用于焊接铝合金材料，如铝镁合金、铝硅合金和铝锰合金等。铝合金焊丝具有良好的可塑性和耐腐蚀性。

此外，还有一些特殊材料的焊丝，如镍合金焊丝、钛合金焊丝等。这些特殊材料的焊丝适用于特定的焊接材料和应用场景。需要注意的是，选择合适的焊接材料要根据焊接材料的类型、性质和要求来确定，以保证焊接接头的质量和性能。

6.2 CO2 气体

CO2焊的保护气体质量要求如下：

纯度要求：CO2气体的纯度要求通常要达到99.5%以上。高纯度的CO2气体可以提供更好的保护效果，减少氧化和污染的风险。

含水量要求：CO2气体中的含水量要求较低，一般要求在20×106以下。含水量过高会导致焊接过程中产生气孔和热裂纹等问题。

含油量要求：CO2气体中的含油量要求较低，通常要求在0.1 mg/m3以下。含油量过高会导致焊接区域的污染和气孔的产生。

其他杂质要求：CO2气体中的其他杂质，如氮气、氧气、硫化氢等的含量也要控制在一定范围内，以保证焊接区域的质量和稳定性。

为了确保CO2保护气体的质量，通常需要使用纯净的CO2气体，可以通过压缩CO2气体或购买工业级CO2气体来获得。此外，定期检测和维护焊接设备中的气体供应系统也是保证CO2保护气体纯度的措施。

7 焊接设备

（1）CO2焊接机：CO2焊接机是专门用于CO2焊接的设备，通常包括焊接电源和焊接枪两部分。焊接电源提供焊接所需的电流和电压，而焊接枪则将焊丝和保护气体送入焊接区域。

（2）焊接枪：焊接枪是连接到焊接机的一种手持工具，用于将焊丝和保护气体送入焊接区域。焊接枪通常由手柄、电缆和喷嘴组成，喷嘴的作用是喷出保护气体并形成焊接弧。

（3）CO2气瓶：CO2气瓶是存放CO2保护气体的容器，通常是高压钢瓶。焊接过程中，CO2气瓶通过气体管路与焊接枪相连，用于将保护气体送入焊接区域。

（4）气体调节器：气体调节器用于控制CO2气体的流量和压力，以确保稳定的保护气体供应。它通常包括一个压力表和一个流量计，焊工可以根据需要调整气体的流量和压力。

（5）其他辅助设备：CO2焊还可能涉及其他辅助设备，如焊接工作台、焊接面罩、焊接手套等，以提供安全和舒适的工作环境。需要注意的是，CO2焊接设备的具体配置和型号可能因应用场景和要求而有所不同。在选择和使用焊接设备时，应根据焊接材料、工件厚度和焊接质量要求等因素进行合理选择。

8 CO2 气体保护焊技术参数

CO2气体保护焊的技术参数主要包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、气体流量和电极间距（电弧长度）等。控制这些技术参数的正确使用和调整可以实现高质量的焊接。以下是常见的CO2气体保护焊的技术参数及其控制方法：

（1）焊接电流：焊接电流的大小直接影响焊缝的宽度和焊缝的深度。通常根据焊接材料的厚度和焊缝的要求来选择合适的焊接电流。较高的焊接电流可使焊缝更宽、更深，但要注意控制焊接电流的大小，避免过大造成焊缝熔破。

（2）焊接电压：焊接电压的调整影响焊接电弧的稳定性和焊缝的质量。一般来说，较高的焊接电压可使焊接电弧更稳定，但过高的电压可能导致电弧偏斜和喷溅增加。焊接电压的调整应根据焊接材料和焊接速度等综合因素确定。

（3）焊接速度：焊接速度是指焊接电极在工件表面移动的速度。适当的焊接速度可以保证焊缝的质量，避免焊缝过宽或过窄。一般来说，焊接速度应根据焊接材料的厚度和焊缝的要求进行调整，快速的焊接速度可使焊缝更窄，但要注意避免过快造成焊缝质量下降。

（4）气体流量：气体流量是指CO2气体从焊接枪中流出的速度。适当的气体流量可以提供足够的保护气体，避免氧气进入焊接区域引起氧化和污染。一般来说，气体流量应根据焊接材料和焊接电流进行调整，较高的焊接电流和焊接速度通常需要较高的气体流量。

（5）电极间距：电极间距是指焊接电极与工件表面之间的距离，也称为电弧长度。适当的电极间距可以影响焊接电弧的稳定性和熔化池的形成。一般来说，电极间距应根据焊接材料和焊接电流进行调整，通常在10～15 mm 范围内。

需要注意的是，CO2气体保护焊技术参数和控制方法仅供参考，具体的技术参数和控制方法应根据焊接材料、焊接厚度、焊接位置和焊接要求等进行合理调整和控制。在实际焊接过程中，还应注意焊接设备的使用和维护，以确保焊接质量和安全性。

9 结束语

CO2气体保护焊作为一种常用的焊接方法，具有以下优点：①成本低廉：CO2是一种常见且廉价的气体，在许多工业领域都易于获取和使用；②高焊接速度：CO2气体保护焊可以实现高功率、高速度的焊接操作，使焊接过程更加高效；③焊缝质量好：CO2气体保护焊能够有效地防止氧化、气孔和熔渣等缺陷的产生，从而保证焊缝的质量；④适用范围广：CO2气体保护焊适用于各种金属材料的焊接，包括碳钢、不锈钢、铝合金等。

然而，CO2气体保护焊也存在一些缺点：①气体溶解问题：CO2在焊接过程中容易溶解在熔池中，导致气孔和气泡的产生；②焊接变形：由于CO2气体保护焊的高焊接速度，焊接过程中会产生较大的热输入，容易导致焊接变形的问题；③焊接气味与烟尘：CO2气体保护焊产生的烟尘和气味较大，对环境和人体健康造成一定影响。

综上所述，CO2气体保护焊具有成本低廉、高焊接速度、焊缝质量好和适用范围广等优点，但也存在气体溶解问题、焊接变形和烟尘等缺点。在实际应用中，需要根据具体的焊接要求和材料特性综合考虑，选择合适的焊接方法。