CO2气体保护焊防飞溅的改善
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摘要：CO2气体保护焊具有成本低、效率高、变形小、抗油和锈、易操作等优点，但由于飞溅严重，极大地制约了CO2气体保护焊的推广和应用。产生飞溅的原因是CO2气体的氧化性引起的，生成的CO不能及时逸出熔池使熔滴中的CO气体，在电弧高温作用下急剧膨胀而激烈爆炸形成飞溅。此外还有瞬间短路飞溅、电爆炸飞溅及冶金飞溅。当熔滴过渡变为颗粒状态过渡时，形成大颗粒状过渡引起较大的飞溅。通过冶金措施和焊接工艺参数的选择和调整等方面来减少飞溅。
关键词：CO2气体保护焊 防飞溅 过渡
1、飞溅产生的原因
1.1 CO2气体引起的飞溅
这种飞溅是由于CO2气体的氧化性引起的，在焊接碳钢时，金属熔池发生如下反应：
CO2+Fe=FeO+COFe+O=FeO
CO2=CO+1/2O2O2=2O
熔池及熔池中的氧化反应非常激烈，因溶入熔池中的FeO又被C元素还原，即
FeO+C=Fe+CO
由于生成的CO不能及时逸出熔池，便形成气孔。熔滴中的CO气体，在电弧高温作用下急速膨胀而发生剧烈爆炸形成飞溅。
1.2飞溅特性的影响
1.2.1 短路过渡
短路过渡焊的飞溅主要来源于短路初期的瞬间短路飞溅及短路末期的电爆炸飞溅，此外还有冶金飞溅。当熔滴与熔池接触时，焊丝端部与熔池形成液态小桥，短路电流突然增加，使缩径小桥迅速加热，最后导致小桥金属发生汽化爆炸，引起飞溅。飞溅的程度与爆炸能量有关，爆炸能量又由短路电流大小决定。
1.2.2 细颗粒过渡
随着电流的增加，熔滴过渡变成颗粒状态过渡。此时，由于CO2气体为多分子，CO2电弧分解吸热引起电弧收缩，弧根面积缩小，诱发较大的斑点压力，使熔滴上挠，阻碍熔滴过渡，形成大滴状过渡引起较大的飞溅。所以，应尽量选好工艺参数，避免焊接过程在此范围内，若在该范围内，适当加入Ar气体，以减小电弧收缩。
2、冶金措施
2.1 焊接材料控制飞溅的措施
在焊丝中加入稳弧剂和脱氧剂，以控制飞溅，稳弧剂不仅可以使熔滴表面张力下降、细化熔滴，还可以使电弧中电弧气体的有效电离电位降低，促使弧根扩展，电磁收缩力的轴向分力变成推动熔滴过渡的作用力，从而减少飞溅。脱氧剂使FeO脱氧，同时对烧损的合金元素予以补充，这样使CO2气体的氧化性造成的飞溅可得以控制，因此在焊丝中加入一定量的脱氧剂（与氧亲和力比铁大的合金元素），使FeO中的铁还原。CO2气体保护焊用的脱氧剂主要有：Al、Si、Mn，采用Si、Mn联合脱氧效果更佳。
2.2 减少CO2气体的影响
试验发现：当CO2中加入一定比例的Ar时，能有效的减少飞溅率。表1是采用φ1.2mm焊丝，焊接电流为350A时，用不同混合比的Ar和CO2作保护气体的飞溅率。
表1 Ar和CO2气体不同混合比的飞溅率
混合比 100%CO2 80%CO2+20%Ar 60%CO2+
40%Ar 40%CO2+
60%Ar 20%CO2+80%Ar 100%Ar
飞溅率/% 6 5 3 2 1 3.5
3、 CO2焊接工艺控制
3.1 焊接电源
研究表明：CO2气体保护焊的短路过渡有2种形式，一是正常短路过渡；另一是瞬间短路过渡。瞬间短路一般时间很短（低于2ms）但极易产生大颗粒飞溅。正常CO2焊接短路过渡可以通过限制峰值短路电流Imax来控制其飞溅量，在选择合适Imax情况下，只产生细颗粒飞溅。
3.2 电弧电压和焊接电流
电弧电压（起弧电压、焊接电压、修正电压）过高或过低对焊缝形成飞溅、气孔及电弧的稳定性都有不利的影响。短路过渡时，如果电弧电压太低，则弧长很短，短路频率很高，电弧燃烧时间短，可能焊丝端部还来不及熔化就插入熔池，会发生固体短路。因短路电流很大，致使焊丝突然焊断，使气体突然膨胀，从而冲击熔池，产生严重飞溅，如果电弧电压过高，则短路过渡变成上挠排斥过渡。在保证焊透、成形良好的情况下，尽可能采用大电流。但电流过大，使工件变形增大。
3.3 焊丝伸出长度
当送丝速度不变时，焊丝的预热作用随焊丝伸出长度的增加而增加。焊丝伸出长度短时，电阻预热作用小，电弧功率大、熔深大、飞溅小；伸出长度长时，电阻对焊丝的预热作用强、电弧功率小、熔深浅、飞溅多。
3.4 短路电流上升的速度和峰值短路电流
短路电流上升速度和峰值短路电流对飞溅大小、焊接过程的稳定性有重要影响。短路电流上升的速度过快，峰值短路电流就会过大以形成小颗粒的金属飞溅；短路电流上升的速度过慢，峰值短路电流则会过小，液态金属桥难以形成，且不易断开，会产生大颗粒的金属飞溅，甚至造成焊丝固体短路，大段爆炸而中断。焊接过程短路电流上升速度和峰值短路电流可通过调节电感的大小来实现其合适的参数，获得最佳的短路频率。
4、 结论
4.1 CO2气体保护焊的飞溅是由于CO2气体的氧化性引起的，熔滴及熔池中的氧化反应非常激烈，由于生成的CO不能及时逸出熔池，熔滴中的CO气体在电弧高温作用下急剧膨胀而发生激烈爆炸形成飞溅。
4.2 为减少飞溅，应改善焊接电源特性、控制短路电流上升的速度和峰值短路电流的大小；应选择工艺参数避免CO2气体保护焊过渡在颗粒状态；若在此状态，需加入Ar气，以减少电弧收缩；可通过冶金措施如在焊丝中加入稳弧剂和脱氧剂、在CO2中加入一定比例的Ar；另外通过合理的焊接工艺来减少飞溅。
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