CO2焊接时气孔的产生原因及分类

CO2电弧焊时，由于熔池表面没有熔渣盖覆，CO2气流又有较强的冷却作用，因而熔池金属凝固比较快，但其中气体来不及逸出时，就容易在焊缝中产生气孔。 可能产生的气孔主要有3种：一氧化碳气孔、氢气孔和氮气孔。

一、一氧化碳气孔产生CO 气孔的原因，主要是熔池中的FeO 和C 发生如下的还原反应： FeO+C==Fe+CO，该反应在熔池处于结晶温度时，进行得比较剧烈，由于这时熔池已开始凝固，CO 气体不易逸出，于是在焊缝中形成CO 气孔。

如果焊丝中含有足够的脱氧元素Si 和Mn ，以及限制焊丝中的含碳量，就可以抑制上述的还原反应，有效地防止CO 气孔的产生。所以CO2电弧焊中，只要焊丝选择适当，产生CO 气孔的可能性是很小的。

二、氢气孔

如果熔池在高温时溶入了大量氢气，在结晶过程中又不能充分排出，则留在焊缝金属中形成气孔。

电弧区的氢主要来自焊丝、工件表面的油污及铁锈，以及CO2气体中所含的水分。油污为碳氢化合物，铁锈中含有结晶水，它们在电弧高温下都能分解出氢气。减少熔池中氢的溶解量，不仅可防止氢气孔，而且可提高焊缝金属的塑性。所以，一方面焊前要适当清除工件和焊丝表面的油污及铁锈，另一方面应尽可能使用含水分低的CO2气体。CO2气体中的水分常常是引起氢气孔的主要原因。 另外，氢是以离子形态溶解于熔池的。直流反极性时，熔池为负极，它发射大量电子，使熔池表面的氢离子又复合为原子，因而减少了进入熔池的氢离子的数量。所以直流反极性时，焊缝中含氢量为正极性时的1/3～1/5，产生氢气孔的倾向也比正极性时小。

三、氮气孔

氮气的来源：一是空气侵入焊接区；二是CO2气体不纯。试验表明：在短路过渡时CO2气体中加入φ（N2）=3%的氮气，射流过渡时CO2气体中加入φ（N2）=4%的氮气，仍不会产生氮气孔。而正常气体中含氮气很少，φ（N2）≤1%。由上述可推断，由于CO2气体不纯引起氮气孔的可能性不大，焊缝中产生氮气孔的主要原因是保护气层遭到破坏，大量空气侵入焊接区所致。

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；喷嘴与工件的距离过大，以及焊接场地有侧向风等。

因此，适当增加CO2保护气体流量，保证气路畅通和气层的稳定、可靠，是防止焊缝中氮气孔的关键。

另外，工艺因素对气孔的产生也有影响。电弧电压越高，空气侵入的可能性越大，就越可能产生气孔。焊接速度主要影响熔池的结晶速度。焊接速度慢，熔池结晶也慢，气体容易逸出；焊接速度快，熔池结晶快，则气体不易排出，易产生气孔。

CO2气体保护焊中产生气孔的原因及对策

发布日期：2012-12-06 来源：《现代焊接》 作者：邓才智 浏览次数：2247

摘要：气孔是焊接过程中常见的缺陷，将严重影响焊缝的力学性能。本文分析了CO2气保焊气孔产生的种类、危害性及影响因素，探讨了预防气孔产生的工艺措施。实践证明，采用合理的焊接工艺将有效控制气孔缺陷，获得满意的焊缝质量。

摘要：气孔是焊接过程中常见的缺陷，将严重影响焊缝的力学性能。本文分析了CO 2气保焊气孔产生的种类、危害性及影响因素，探讨了预防气孔产生的工艺措施。实践证明，采用合理的焊接工艺将有效控制气孔缺陷，获得满意的焊缝质量。

关键词：CO 2气体保护焊；气孔；预防

前言

CO2气体保护焊是指利用CO 2作为保护气体，以焊丝和焊件之间产生的电弧来熔化被焊金属的熔化极半自动电弧焊，与手工电弧焊相比，CO 2气体保护焊具有生产效率高、焊接变形小、操作简单，适用于各种位置焊接等优点，是工程机械制造车间采用的主要焊接方法，但是在实际生产过程中，如果焊接工艺选择不当，再加上焊工操作技能水平所限，导致在焊缝中容易出现气孔，影响焊缝的质量，对产品质量留下安全隐患。因此，在结构件焊接过程中，如何避免焊缝中气孔的产生，是提升焊缝质量的重点之一。

1 气孔的种类及危害

1.1气孔的特点

气孔是指焊接时，熔池中的气体在凝固前未能完全逸出而残留下来形成的空穴。常见的有氢气孔、氮气孔、一氧化碳气孔等。车间结构件施焊后焊缝中出现的气孔如图1所示。

图1 焊缝中出现气孔 1.1.1氢气孔

氢可以溶解于液态金属，高温下焊接熔池中存在大量被溶解的氢，在金属结晶的过程中，氢气溶解度随温度降低而急剧减小，这些气体来不及从熔池中逸出，就会在焊缝中形成气孔。氢主要来自焊丝和工件表面的油污、铁锈以及CO 2气体中所含的水分。氢气孔大多出现在焊缝表面，呈喇叭口形，如图2所示。 [1]

图2 氢气孔特征

1.1.2 氮气孔

氮气能溶于液态金属，在熔池冷却结晶过程中来不及逸出会形成氮气孔。氮气孔主要是因为CO 2气体气流保护效果不好或者CO 2气体纯度不高造成。氮气孔多在焊缝表面，有时成堆出现，与蜂窝相似。

1.1.3一氧化碳气孔

当焊缝反应中脱氧元素（Si 、Mn ）不足时，导致大量的FeO 不能被还原，因而进入熔池中发生反应产生CO 气孔，方程式如下，CO 气孔在焊缝内沿结晶方向分布，如条虫状，如图3所示。

FeO+C=Fe+CO↑

图3 氮气和一氧化碳混合气体特征

1.2气孔的危害

1.2.1削弱焊缝的有效工作截面，降低焊缝接头的抗变形、抗断裂能力；

1.2.2焊接过程中本身存在热量和成分分布的不均匀，导致焊接过程中不可避免存在内应力。在外部应力尤其是动载荷作用下，不规则分布的气孔会引发应力集中，从而降低焊缝的疲劳强度，使气孔与焊缝裂纹连通造成穿透性破坏，增加焊缝脆性断裂的几率。

2 产生气孔的原因

2.1 电流和电压的影响

焊接电压主要决定于送丝速度，焊接电流的大小还与电流极性、焊丝的干伸长、焊丝直径等因素相关。电弧电压（主要取决于电弧长度）则与焊接电流，即合适的熔滴过渡型式有关。熔滴过渡的稳定性决定了焊接过程中的平稳和飞溅的大小。对于细丝CO 2焊接，电弧电压和焊接电流的匹配关系如图4所示。

[2]

图4 电弧电压与电流对应关系

2.2 焊接速度的影响

焊接速度过大时，会引起焊缝两边咬边，而速度过小时会导致烧穿等缺陷。在不影响焊缝成形的前提下，适当选取慢速将使焊接热输入值提高，有利于减小气孔的产生。

2.3 气体流量的影响

流量过大，容易产生紊流，恶化气体保护效果；流量过小，CO 2气体未能充分保护熔池，使焊缝中产生气孔的倾向加大，尤其是N 2孔。一般说来，200A 以下的薄板，CO 2气体流量为10～15L/min；200A 以上的薄板，CO 2气体流量为15～25L/min。

2.4 外界气流的影响

CO 2气保焊时，由于气体保护层是柔性的，容易受外界气流的影响而产生气孔。因此，当焊接场地风速超过2m/s时，应设置必要的防风措施，严禁出现穿堂风。

2.5 焊丝干伸长的影响

干伸长太大，电弧不稳，难以操作，同时飞溅也较大，可能破坏保护气而产生气孔。但干伸长过小时，电流增加，弧长变短，飞溅物会大量粘在喷嘴内壁，影响CO 2气体的保护效果，导致气孔的产生。因此，焊丝伸出长度以10～12倍焊丝直径为宜，一般在10～20mm 范围内。

2.6 焊丝种类的影响

影响焊缝产生气孔的因素有两个方面，一方面是焊丝本身所含的化学成分的影响，焊丝含碳量较高，在焊接过程中会因剧烈的氧化还原作用而产生较大的飞溅，并产生气孔。因此，一般要求焊丝含碳量不超过0.11%；另一方面，焊丝成分应符合相关标准并含足够的脱氧元素Si 和Mn ，因Si 和Mn 元素与O 2的结合能力比Fe 大，可以有效抑制CO 2对Fe 的氧化作用，防止CO 气孔的产生，目前国内的CO 2焊丝大都采用镀铜作为保护层，并以化学镀为主，化学镀层结合强度低，镀铜层不均匀，易掉铜屑，并且镀铜容易生锈，所以，在使用前应检查焊丝的表面质量，以减少产生气孔的来源。

2.7 其他影响

CO 2气体纯度小于99%，飞溅物将喷嘴堵塞，母材和坡口附近打磨不干净，电弧过长或偏吹等。 3预防和减少气孔产生的对策

3.1根据材料特点、板厚及坡口型式选择合适的焊接工艺参数，保持焊接过程的稳定性，减少气孔的产生。

3.2选用与母材合适的焊丝、焊剂及保护气体，焊前清理坡口及两侧20～30mm 范围内的油污、铁锈及氧化物等杂物，保证气路及送丝结构畅通。 [3]

3.3根据实际情况，焊前对工件进行预热，选用合适的焊接速度，在焊接终了和焊接中途停顿时，应慢慢撤离焊接熔池，使熔池缓慢冷却，从而使气体充分从熔池中逸出，减少气孔的产生。

3.4尽量采用短弧焊接规范，填加焊丝要均匀，操作时应适当摆动，同时防止有害气体入侵。 4结束语

综上所述，CO 2气保焊中产生气孔的原因是多方面的。为了减少焊接过程中气孔的产生，除了严格遵照焊接工艺规程，提高操作技能水平等之外，在施焊现场还应该多注意观察和思考，积极分析气孔产生的原因，采取有效的工艺措施，才能获得满意的焊接接头，达到控制焊接质量的目的。

构成气孔的气体，一是来自于周围介质，二是化学冶金反应的产物。

按不同的来源，

气体可以分为两类：一类是高温时能大量溶于液体金属，而在凝固过程中溶解度突然下降的气体，如H2、N2；另一类是在熔池进行化学冶金反应中形成而又不溶解于液体金属中的气体，如CO 、H2O 。 焊接低碳钢和低合金钢时，形成气孔的气体主要是H2和CO ，即通常所说的氢气孔和一氧化碳气孔。 氢气孔的主要来源是焊条药皮和焊剂中的有机物、结晶水或吸附水、焊丝与母材表面的油污、铁锈以及空气中的水分等，在高温下分解产生H2, 氢分子进一步分解为氢原子和离子。氢在液态金属中的溶解度很高，在高温时熔池和熔滴就有可能吸收大量的氢。而当温度下降时，溶解度随之下降，即熔池开始凝固后，氢的溶解度要发生突变。随着固相增多，液相中氢的浓度必然增大，并聚集在结晶前沿的液体中，使其浓度升高处于过饱和状态，形成气泡。气泡长大到一定程度上浮，当气泡上浮速度小于结晶速度时就形成氢气孔。

CO 主要是FeO 、O2或其它氧化物与C 作用的产物。即

[C]+[O]=CO (1)

[FeO]+[C]=CO+[Fe] (2)

[MnO]+[C]=CO+[Mn] (3)

[SiO2]+2[C]=2CO+[SiO] (4)

碳对氧的亲和力随温度升高而增大，高温下碳比铁、锰、硅等元素对氧的亲和力都大些。因此，上述反应主要发生在熔滴区和熔池头部。CO 不溶于液态铁中，在高温形成后很容易形成气泡并迅速排出，不仅不会形成气孔，而且气泡析出时使熔池沸腾，有助于其它气体和杂质排出。

生成气孔的CO 是在冶金反应后期形成的。熔池开始凝固后，液体金属中的C 和FeO 的浓度随固相增多而加大，造成二者在液体金属某一局部富集，浓度增加促使了式（2）的反应进行，而生成一定数量的CO 。这时形成的CO 由于温度 下降、液体金属粘度增加及冷却快等原因，难于从熔池中逸出，而被围困于树枝晶粒间。此外，式（2）的反应是吸热过程，促使冷速加大，对气体析出更有利。

4影响气孔生成的因素

在生产中一般将影响气孔形成的因素归纳为冶金与工艺两方面，而工艺因素往往是通过冶金反应来起作用，所以解决气孔的问题，冶金因素的作用更为重要。

4.1

熔渣的氧化性

焊接时，熔渣的氧化性强弱对产生气孔的倾向有明显的影响。无论是酸性氧化物还是碱性氧化物，只有当氧化性（或还原性）在一定范围之内时焊缝才不会产生气孔。当氧化性过强会出现CO 气孔，还原性过强则出现氢气孔。酸、碱性熔渣对气孔的敏感性不同，碱性焊条对CO 气孔和氢气孔都更为敏感。

4.2

焊条药皮与焊剂组成物的影响

碱性焊条药皮中加入一定的CaF2，在焊接时可与氢、水蒸气反应产生稳定的气体化合物HF ，减少氢气的来源，有效防止了氢气孔；高硅高锰焊剂（HJ431）中加入一定的CaF2，焊接时CaF2与SiO2作用后，生成SiF4亦可起到脱氢作用。含有CaF2的焊条药皮或焊剂中，为稳定电弧而需加入K 、Na 等低电离电位物质，使对铁锈敏感性增加，导致气孔倾向加大。

4.3

铁锈及水分等的作用

母材表面的氧化皮、铁锈、水分、油渍以及焊接材料中的水分也是导致气孔产生的重要原因。其中以母材表面的铁锈的影响最大。即

3Fe2O3=2Fe3O4+O (5)

2Fe3O4+H2O=3Fe2O3+H2 (6)

Fe+H2O=FeO+H2 (7)

Fe3O4+Fe=4FeO (8)

Fe2O3+Fe=3FeO (9)

结晶水分解后产生H2、H 、O 及OH 等. 上述反应的结果, 在增强了氧化作用的同时又提高了氢的分压, 因而使CO 气孔与氢气孔的倾向都有可能增大.

焊接材料中残存的水分和金属表面的油渍在高温时分解也要增加气孔倾向。