劉衛(wèi)東

（中國鐵建港航局集團有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

近年來，隨著工業(yè)發(fā)展和人類活動的增加，大氣中CO2濃度不斷上升，給全球氣候帶來了嚴(yán)重影響。而焊接作為一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的加工技術(shù)，也不可避免地產(chǎn)生大量的CO2氣體排放。為了減少焊接過程中CO2氣體的排放，CO2保護焊工藝成為研究的熱點之一。保護焊是指在焊接過程中，通過在焊接區(qū)域周圍加入一定的保護氣體，將空氣隔絕開來，以避免焊縫在高溫下與氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氧化物和氮化物等不良物質(zhì)。探討CO2氣體保護焊工藝的優(yōu)勢和不足，以及對環(huán)境和健康的影響。同時，將介紹減少CO2排放的方法和技術(shù)，以期為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻[1-2]。

1 CO2 氣體保護焊的定義

CO2體保護焊是一種金屬焊接方法，即使用CO2氣體作為保護氣體來防止氧氣和其他有害氣體進入焊接區(qū)域。這種焊接方法利用電弧產(chǎn)生的高溫來熔化焊接材料，并使用CO2氣體作為保護層，防止氧氣和其他有害氣體與熔融金屬反應(yīng)，從而形成高質(zhì)量的焊接接頭。CO2氣體保護焊通常適用于黑色金屬材料的焊接，如鋼鐵等[3]。

2 CO2 氣體保護焊發(fā)展歷程

CO2焊（CO2氣體保護焊）是一種常見的焊接方法，可以用于焊接鋼鐵和其他金屬材料。其發(fā)展歷程如下：

（1）1948 年：CO2氣體保護焊的概念首次被提出，當(dāng)時的焊接設(shè)備主要使用直流電弧焊機，由CO2氣體作為保護氣體進行焊接。

（2）1953 年：首次在實際工業(yè)應(yīng)用中使用CO2氣體作為保護氣體進行焊接。這種焊接方法被廣泛運用于船舶、橋梁和建筑等領(lǐng)域。

（3）1960 年代：CO2焊技術(shù)得到進一步改進和推廣，成為一種主流的焊接方法。焊接設(shè)備和工藝參數(shù)得到優(yōu)化，焊接效率和焊縫質(zhì)量得到提高。

（4）1970 年代：CO2焊技術(shù)在汽車制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其高效、經(jīng)濟和可靠的特點使CO2焊成為大規(guī)模生產(chǎn)中常用的焊接方式。

（5）1990 年至今：隨著科技的進步和焊接技術(shù)的發(fā)展，CO2焊技術(shù)不斷完善。新型的焊接設(shè)備和自動化控制系統(tǒng)的引入，進一步提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

目前，CO2焊接技術(shù)已成為金屬焊接領(lǐng)域中重要的一種方法，廣泛應(yīng)用于汽車制造、船舶建造、鋼結(jié)構(gòu)、管道焊接等行業(yè)。隨著環(huán)保意識的增強，也出現(xiàn)了新型的CO2替代氣體保護焊技術(shù)，如混合氣體保護焊和純氬氣保護焊，以減少CO2的排放和提高焊接質(zhì)量。

3 CO2 焊的特點

經(jīng)濟實惠：CO2氣體相對較便宜，與其他保護氣體相比具有經(jīng)濟性，適合大規(guī)模生產(chǎn)和大批量焊接。

良好的焊縫成形：CO2氣體能夠提供良好的保護作用，防止氧氣和其他有害氣體進入焊接區(qū)域，從而減少了焊縫內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。焊縫成形良好，外觀美觀。

高熔化率：CO2氣體具有較高的熔化率，能夠提供足夠的熱量，使焊接材料迅速熔化和凝固，提高焊接速度。

適用范圍廣：CO2保護焊適用于多種金屬材料的焊接，尤其是黑色金屬材料焊接，如鋼鐵等。

4 CO2 焊原理

熔化和固化：在CO2焊接過程中，電弧的高溫能夠使焊接材料迅速熔化，形成熔池。熔化的焊接材料在電弧熔化區(qū)域內(nèi)加熱和冷卻，會迅速固化成為焊縫。

保護作用：CO2氣體在焊接過程中形成的保護層能夠阻隔氧氣與焊接區(qū)域，可以有效減少氧氣和其他有害氣體對焊接區(qū)域的氧化和污染。這種保護作用有助于保持焊接接頭的質(zhì)量和完整性。

滲透性：CO2氣體保護焊可以提供較高的熱輸入和熔化率，通過增加焊接電流和電弧電壓，可以增加焊接材料的溫度和能量，從而增強材料的滲透性。這有助于焊接材料的熔合和焊縫的形成。

脫氧劑的作用：CO2氣體保護焊通常使用含脫氧劑的焊絲。脫氧劑能夠吸收氧氣并形成氧化物，從而減少氧化反應(yīng)和氣孔的產(chǎn)生，提高焊接接頭的質(zhì)量。

總的來說，CO2焊的冶金原理是通過高溫電弧熔化焊接材料，利用CO2氣體的保護作用防止氧化和污染，增強焊接材料的滲透性，并借助脫氧劑來減少氧化反應(yīng)和氣孔的產(chǎn)生。這些原理共同作用，使CO2焊成為一種有效的金屬焊接方法。

5 CO2 焊的熔滴過渡形式

CO2焊的熔滴過渡形式主要包括兩種：噴射針形和噴射球形。

噴射針形：在CO2焊的過渡形式中，當(dāng)熔滴從焊絲端部脫落時，會形成一個細長的針狀熔滴，從焊絲末端噴出。這種形式的熔滴具有較小的橫截面積和較長的長度，具有較強的穿透性和焊縫深度。

噴射球形：另一種CO2焊的過渡形式是噴射球形熔滴。當(dāng)熔滴從焊絲端部脫落時，會形成一個球形的熔滴，從焊絲末端噴出。這種形式的熔滴具有較大的橫截面積和較短的長度，具有較好的覆蓋性和填充性能。

上述兩種過渡形式的熔滴在CO2焊中交替出現(xiàn)，具體取決于焊絲直徑、焊接電流和電弧穩(wěn)定性等因素。在CO2焊過程中，噴射針形熔滴用于深焊、高速焊接和橫焊等需要較強穿透性的焊接情況，而噴射球形熔滴則用于填充、蓋面和水平焊接等需要良好覆蓋性的焊接情況。這些熔滴過渡形式的出現(xiàn)，對于CO2焊的焊接質(zhì)量和性能具有重要影響。合理控制焊接參數(shù)和焊接條件，能夠?qū)崿F(xiàn)適合實際需求的熔滴過渡形式，以獲得優(yōu)良的焊接效果。

6 焊接材料

6.1 焊絲

CO2焊一般使用固體焊絲作為焊接材料。常見的焊接材料包括以下3 種：

（1）碳鋼焊絲：碳鋼焊絲是最常用的CO2焊接材料，適用于焊接碳鋼材料，如低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼等。碳鋼焊絲具有良好的可焊性和機械性能。

（2）不銹鋼焊絲：不銹鋼焊絲適用于焊接不銹鋼材料，如奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和雙相不銹鋼等。不銹鋼焊絲具有抗腐蝕性能和良好的可焊性。

（3）鋁合金焊絲：鋁合金焊絲適用于焊接鋁合金材料，如鋁鎂合金、鋁硅合金和鋁錳合金等。鋁合金焊絲具有良好的可塑性和耐腐蝕性。

此外，還有一些特殊材料的焊絲，如鎳合金焊絲、鈦合金焊絲等。這些特殊材料的焊絲適用于特定的焊接材料和應(yīng)用場景。需要注意的是，選擇合適的焊接材料要根據(jù)焊接材料的類型、性質(zhì)和要求來確定，以保證焊接接頭的質(zhì)量和性能。

6.2 CO2 氣體

CO2焊的保護氣體質(zhì)量要求如下：

純度要求：CO2氣體的純度要求通常要達到99.5%以上。高純度的CO2氣體可以提供更好的保護效果，減少氧化和污染的風(fēng)險。

含水量要求：CO2氣體中的含水量要求較低，一般要求在20×106以下。含水量過高會導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生氣孔和熱裂紋等問題。

含油量要求：CO2氣體中的含油量要求較低，通常要求在0.1 mg/m3以下。含油量過高會導(dǎo)致焊接區(qū)域的污染和氣孔的產(chǎn)生。

其他雜質(zhì)要求：CO2氣體中的其他雜質(zhì)，如氮氣、氧氣、硫化氫等的含量也要控制在一定范圍內(nèi)，以保證焊接區(qū)域的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

為了確保CO2保護氣體的質(zhì)量，通常需要使用純凈的CO2氣體，可以通過壓縮CO2氣體或購買工業(yè)級CO2氣體來獲得。此外，定期檢測和維護焊接設(shè)備中的氣體供應(yīng)系統(tǒng)也是保證CO2保護氣體純度的措施。

7 焊接設(shè)備

（1）CO2焊接機：CO2焊接機是專門用于CO2焊接的設(shè)備，通常包括焊接電源和焊接槍兩部分。焊接電源提供焊接所需的電流和電壓，而焊接槍則將焊絲和保護氣體送入焊接區(qū)域。

（2）焊接槍：焊接槍是連接到焊接機的一種手持工具，用于將焊絲和保護氣體送入焊接區(qū)域。焊接槍通常由手柄、電纜和噴嘴組成，噴嘴的作用是噴出保護氣體并形成焊接弧。

（3）CO2氣瓶：CO2氣瓶是存放CO2保護氣體的容器，通常是高壓鋼瓶。焊接過程中，CO2氣瓶通過氣體管路與焊接槍相連，用于將保護氣體送入焊接區(qū)域。

（4）氣體調(diào)節(jié)器：氣體調(diào)節(jié)器用于控制CO2氣體的流量和壓力，以確保穩(wěn)定的保護氣體供應(yīng)。它通常包括一個壓力表和一個流量計，焊工可以根據(jù)需要調(diào)整氣體的流量和壓力。

（5）其他輔助設(shè)備：CO2焊還可能涉及其他輔助設(shè)備，如焊接工作臺、焊接面罩、焊接手套等，以提供安全和舒適的工作環(huán)境。需要注意的是，CO2焊接設(shè)備的具體配置和型號可能因應(yīng)用場景和要求而有所不同。在選擇和使用焊接設(shè)備時，應(yīng)根據(jù)焊接材料、工件厚度和焊接質(zhì)量要求等因素進行合理選擇。

8 CO2 氣體保護焊技術(shù)參數(shù)

CO2氣體保護焊的技術(shù)參數(shù)主要包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度、氣體流量和電極間距（電弧長度）等?？刂七@些技術(shù)參數(shù)的正確使用和調(diào)整可以實現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。以下是常見的CO2氣體保護焊的技術(shù)參數(shù)及其控制方法：

（1）焊接電流：焊接電流的大小直接影響焊縫的寬度和焊縫的深度。通常根據(jù)焊接材料的厚度和焊縫的要求來選擇合適的焊接電流。較高的焊接電流可使焊縫更寬、更深，但要注意控制焊接電流的大小，避免過大造成焊縫熔破。

（2）焊接電壓：焊接電壓的調(diào)整影響焊接電弧的穩(wěn)定性和焊縫的質(zhì)量。一般來說，較高的焊接電壓可使焊接電弧更穩(wěn)定，但過高的電壓可能導(dǎo)致電弧偏斜和噴濺增加。焊接電壓的調(diào)整應(yīng)根據(jù)焊接材料和焊接速度等綜合因素確定。

（3）焊接速度：焊接速度是指焊接電極在工件表面移動的速度。適當(dāng)?shù)暮附铀俣瓤梢员ＷC焊縫的質(zhì)量，避免焊縫過寬或過窄。一般來說，焊接速度應(yīng)根據(jù)焊接材料的厚度和焊縫的要求進行調(diào)整，快速的焊接速度可使焊縫更窄，但要注意避免過快造成焊縫質(zhì)量下降。

（4）氣體流量：氣體流量是指CO2氣體從焊接槍中流出的速度。適當(dāng)?shù)臍怏w流量可以提供足夠的保護氣體，避免氧氣進入焊接區(qū)域引起氧化和污染。一般來說，氣體流量應(yīng)根據(jù)焊接材料和焊接電流進行調(diào)整，較高的焊接電流和焊接速度通常需要較高的氣體流量。

（5）電極間距：電極間距是指焊接電極與工件表面之間的距離，也稱為電弧長度。適當(dāng)?shù)碾姌O間距可以影響焊接電弧的穩(wěn)定性和熔化池的形成。一般來說，電極間距應(yīng)根據(jù)焊接材料和焊接電流進行調(diào)整，通常在10～15 mm 范圍內(nèi)。

需要注意的是，CO2氣體保護焊技術(shù)參數(shù)和控制方法僅供參考，具體的技術(shù)參數(shù)和控制方法應(yīng)根據(jù)焊接材料、焊接厚度、焊接位置和焊接要求等進行合理調(diào)整和控制。在實際焊接過程中，還應(yīng)注意焊接設(shè)備的使用和維護，以確保焊接質(zhì)量和安全性。

9 結(jié)束語

CO2氣體保護焊作為一種常用的焊接方法，具有以下優(yōu)點：①成本低廉：CO2是一種常見且廉價的氣體，在許多工業(yè)領(lǐng)域都易于獲取和使用；②高焊接速度：CO2氣體保護焊可以實現(xiàn)高功率、高速度的焊接操作，使焊接過程更加高效；③焊縫質(zhì)量好：CO2氣體保護焊能夠有效地防止氧化、氣孔和熔渣等缺陷的產(chǎn)生，從而保證焊縫的質(zhì)量；④適用范圍廣：CO2氣體保護焊適用于各種金屬材料的焊接，包括碳鋼、不銹鋼、鋁合金等。

然而，CO2氣體保護焊也存在一些缺點：①氣體溶解問題：CO2在焊接過程中容易溶解在熔池中，導(dǎo)致氣孔和氣泡的產(chǎn)生；②焊接變形：由于CO2氣體保護焊的高焊接速度，焊接過程中會產(chǎn)生較大的熱輸入，容易導(dǎo)致焊接變形的問題；③焊接氣味與煙塵：CO2氣體保護焊產(chǎn)生的煙塵和氣味較大，對環(huán)境和人體健康造成一定影響。

綜上所述，CO2氣體保護焊具有成本低廉、高焊接速度、焊縫質(zhì)量好和適用范圍廣等優(yōu)點，但也存在氣體溶解問題、焊接變形和煙塵等缺點。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的焊接要求和材料特性綜合考慮，選擇合適的焊接方法。