GMAW熔滴噴射過渡形態與保護氣體的關系

孫 咸

（太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024）

0 前言

GMAW噴射過渡形態以其高效、自動化及高熔敷率、優異的焊縫質量等優勢，在中厚板焊接結構中獲得廣泛應用，但需使用價格昂貴的Ar或富氬Ar混合保護氣體。純CO2保護氣體GMAW主要采用熔滴的短路過渡和滴狀過渡形態進行焊接。該工藝電弧不穩、焊接飛濺大、氣孔敏感，焊接質量不太理想，但CO2保護氣體具有明顯的價格優勢，應用廣泛。純CO2保護氣體下的噴射過渡形態一直被認為是不可能的事情。研究GMAW熔滴過渡形態以及保護氣體對GMAW熔滴過渡形態影響的文獻不少，研究純CO2條件下GMAW熔滴過渡形態（短路過渡和滴狀過渡）的文獻并不鮮見。但有關GMAW噴射過渡形態與保護氣體間關系的專題性研究文獻，迄今為止未見報道。特別是挑戰純CO2條件下實現GMAW噴射過渡形態的研究，不僅引起同行研究人員，而且引起廣大CO2氣保焊用戶的強烈關注。實現純CO2條件下的噴射過渡，這是一項工業上極具推廣價值的重大突破性進展，將會給GMAW焊接理論和工程應用帶來全新的理念和思維。為此，論文特意將GMAW噴射過渡形態類型與其影響因素相聯系，探討GMAW噴射過渡形態形成機理，進而建立GMAW噴射過渡形態與保護氣體間的關系，并介紹純CO2條件下實現噴射過渡的突破性研究動態。該項研究對GMAW噴射過渡形態的進一步推廣應用、CO2條件下GMAW噴射過渡新工藝的創新研發，具有一定的參考價值和理論意義。

1 GMAW熔滴噴射過渡形態類型及應用

噴射過渡是GMAW中優先使用的熔滴過渡形態。與短路過渡相比，噴射電弧過渡使用相對較大的電流、電壓（≥24 V）和送絲速度，它們需要與保護氣體類型相匹配。當電流達到臨界水平時，焊絲尖端變尖（鉛筆尖狀）形成大量非常小的熔滴，并以每秒數百次的速率被分離，這些熔滴通常小于焊絲的直徑。這種過渡形態被稱為噴射過渡。從滴狀過渡到噴射過渡發生轉變的電流被稱為臨界轉變電流。與其他過渡形態相比，這種過渡形態可以實現高熔敷速率，形成大的焊接熔池，主要用于中厚板水平位置（或平角）焊接（脈沖噴射過渡亦可用于薄板或厚板難焊位置）。噴射過渡可以細分為射滴噴射、射流噴射、旋轉噴射和脈沖噴射過渡4種類型，如見表1所示。

①射滴噴射過渡。這種過渡形態與滴狀過渡有本質的區別：首先，發生在臨界電流以上，熔滴沿軸向直線從焊絲到焊縫熔池過渡；第二，熔滴尺寸已經等于或小于焊絲直徑，但不是太小，過渡頻率也高于大滴狀過渡；第三，電弧較穩，飛濺較小。護目鏡下可看到明顯的細熔滴脫離焊絲瞬間形態，見圖1a。

表1 GMAW熔滴噴射過渡形態類型

②射流噴射過渡。與射滴噴射過渡相比，射流噴射過渡的焊接電流不僅在臨界電流以上，而且更大，熔滴尺寸比焊絲直徑更細，熔滴過渡頻率更高；電弧非常穩定，飛濺很??；護目鏡下可以看到極細的熔滴直流入熔池，如圖1b所示。

圖1 熔滴噴射過渡形態示意（d為焊絲直徑）

③旋轉噴射過渡。當使用較長的焊絲干伸長、富氬混合氣體中CO2含量較高或混合氣體中含有He氣時，出現焊絲的熔化端部以螺旋狀旋轉的所謂旋轉噴射過渡。該過渡類似于軸向噴射，其熔滴尺寸增大并降低過渡速率，如圖2所示[1]。這種過渡形態并未得到廣泛應用，因為電弧不穩、飛濺大、焊縫質量不佳。

圖2 熔滴的旋轉噴射過渡形態示意

④脈沖噴射過渡。是一種可控熔滴過渡形態的噴射過渡形態。它的特點是：在低的基值電流和高的峰值電流之間形成電流脈動，以平均電流總是低于噴射過渡的臨界電流實現“一脈一滴”的噴射過渡形態。該過渡形態熔滴尺寸小，飛濺被最小化；與普通噴射過渡相比，平均電流較低，易于控制熔深，薄板焊接優勢明顯。通過調整規范，亦可在厚板金屬上、難焊位進行焊接。

2 GMAW噴射過渡形態的影響因素

2.1 保護氣體成分

圖3為3種直徑焊絲在Ar+CO2混合氣體下的轉變電流試驗結果[2]?？梢钥闯?，對于直徑1.14 mm焊絲，隨著保護氣中CO2含量的增大，曲線呈上揚態勢，轉變電流從260 A增到333 A。這是由于隨CO2含量增大，電流密度提高，電弧被壓縮，陽極斑點需要較大電流來包覆熔滴實現轉變，致使轉變電流提高。后兩種直徑焊絲的情況表明，CO2對較細焊絲熔滴過渡轉變的影響并未遵循一般較粗焊絲的模式。在細焊絲中，陽極斑點行為涉及的因素與較粗焊絲可能不同，這種影響目前尚在研究中。

圖3 保護氣體成分對轉變電流的影響

2.2 焊絲成分

實心焊絲成分對臨界電流的影響如表2所示。由表2可知，同一保護氣體時，不同牌號實心焊絲成分不同，臨界電流也不同；加入活性氣體成分后，臨界電流普遍減小了（個別亦有增大者如H18-8和H08Mn2Si）；同一焊絲、不同保護氣時，臨界電流也有變化。此外，由于實心焊絲與藥芯焊絲成分不同，熔滴過渡形態顯然不同。對于藥芯焊絲而言，不同牌號的焊絲成分也不同，熔渣的堿度也不盡相同，過渡形態或轉變電流定會有差異。

表2 實心焊絲成分對臨界電流的影響（φ1.2 mm） A

2.3 焊絲直徑

焊絲直徑與臨界電流的關系如圖4所示。由圖4可知，隨焊絲直徑的增大，臨界電流呈上升趨勢。這是因為焊絲直徑大，則電流密度小，熔化焊絲所需熱量增加，因而形成噴射過渡的臨界電流值也隨之增大?？墒遣煌Ｗo氣時，兩條曲線不盡相同?？偟内厔菔?φ（Ar）90%+φ（O2）10%保護氣的轉變電流高于 φ（Ar）98%+φ（O2）2%的。這是因為不同氣體介質對電弧電場強度、熔滴表面張力影響不同。在Ar中加入O2和CO2使熔滴表面張力降低，均可降低臨界電流值?？墒怯捎贏r中加入10%CO2氣體的氧化作用比Ar中加入2%O2的弱，因此前者的臨界電流值比后者高。

圖4 焊絲直徑與臨界電流的關系

2.4 焊接電流

研究表明，隨著焊接電流的增大，所有焊絲都呈現出從大直徑、低頻率到小直徑、高頻率過渡的轉變過程，轉變后出現了一個細熔滴區。發生熔滴轉變的區域稱為轉變區。發生轉變時的電流又稱為臨界電流。對于直徑1.14 mm焊絲，轉變后熔滴的平均直徑小于焊絲直徑。這符合噴射過渡的傳統定義。但是對于直徑0.90 mm、0.58 mm和0.41 mm焊絲，雖然熔滴也發生從大到小的轉變，但是轉變以后熔滴的平均直徑并沒有變得小于原來的焊絲直徑（見表3）。熔滴直徑小于焊絲直徑的傳統噴射過渡定義不適用于小直徑焊絲[2]。

表3 焊絲直徑、轉變電流和轉變電流后熔滴的平均直徑間的關系[φ（Ar）90%+φ（CO2）10%]

2.5 電弧電壓

隨焊接電流增大，電弧電壓升高，這是GMAW電源特性決定的。噴射過渡時使用的焊接電流很大（通常大于臨界電流），焊接速度很快，弧長不可太短，即需要保持較高的電弧電壓?？梢?，不需要討論電弧電壓作為影響轉變電流的獨立參數。

2.6 電源極性

由于正接法（DCEN）電弧不穩、熔滴粗、飛濺大、熔深淺、成形差，所以GMAW工藝總是采用反接法施焊，以獲得穩定的噴射過渡形態?？梢娭绷鞣唇臃ㄊ切纬蒅MAW噴射過渡所必須的有利參數。

2.7 焊接速度

GMAW噴射過渡時采用很大的焊接電流，必須輔以相應的焊接速度，控制熔池穩定性，以獲得滿意的焊縫質量。焊接速度只是一個匹配參數，雖然不可或缺，但無需探討它對熔滴噴射過渡形態的獨立影響意義。

2.8 焊絲干伸長

焊絲直徑和干伸長對轉變電流的影響如圖5所示，焊絲直徑、干伸長和轉變電流間的關系如表4所示。由圖5和表4可知，隨焊絲干伸長增長，過渡形態轉變電流呈下降趨勢，其中，噴射到旋轉噴射轉變的曲線變化劇烈（即斜率較大），而滴狀到噴射轉變曲線的變化較?。ㄐ甭市。?。這是由于隨焊絲干伸長變長，電阻增大，電阻熱使焊絲的溫度升高，易于熔化脫離焊絲，所需的轉變電流減小。噴射到旋轉噴射轉變的曲線變化之所以劇烈，是因為已經是噴射過渡狀態的焊絲繼續加大干伸長時，電阻熱使焊絲軟化，溫度更高，熔滴更易分離，形成旋轉噴射的轉變電流減小明顯。滴狀到噴射轉變曲線的變化較小，則是由于從滴狀到噴射轉變加大干伸長時時，電阻熱使焊絲溫度上升沒有前者那么高，焊絲熔化速度沒有那么快，形成噴射過渡所需的轉變電流略有下降。至于隨焊絲直徑減小，轉變電流明顯降低，則是因為焊絲直徑小，電阻熱增大，則電流密度大，熔化焊絲所需的熱量減少，形成噴射過渡的臨界電流值也隨之減小。

圖5 焊絲直徑和干伸長對轉變電流的影響[3]

表4 焊絲直徑、干伸長和轉變電流間的關系（滴狀到噴射過渡）[3]

綜觀上述噴射過渡的影響因素，除了幾個工藝指標如穩弧性、熔滴尺寸、焊接飛濺等之外，其主要關注點應集中在對轉變電流的影響上（見表5）。凡使轉變電流提高的因素，意味著需要更大的電流，對獲得噴射過渡不利；反之，使轉變電流降低者，屬于有利轉變影響因素。對噴射過渡有利的因素是：①富氬混合保護氣體；②無鍍銅實心焊絲或藥芯焊絲[4]；③細直徑焊絲；④焊接電流等于或大于轉變電流；⑤正確的焊絲干伸長。此外，諸如電弧電壓、電源極性、焊接速度等，雖然屬于輔助參數，亦是不可或缺的匹配參數。

表5 GMAW噴射過渡的影響因素[Ar或（富氬）+CO2]

3 GMAW噴射過渡形態形成機理

3.1 恒電流噴射過渡

當電弧中充滿富Ar混合氣體時，等離子弧柱體積擴大，保證熔滴過渡的軸向性。而少量的活性氣體O2或CO2混入電弧，增加了電弧的氧化性，可降低熔滴表面張力。當焊接電流達到或超過轉變電流時，焊絲中高的電流密度使熔滴溫度升得很高，表面張力降低。與此同時，作用在熔滴上的電磁力也迅速提高，且很快大于熔滴的表面張力。在很強的電磁夾持力（收縮力）作用下，焊絲端熔化金屬變細形成所謂鉛筆尖狀，從鉛筆尖端不斷射出小于焊絲直徑的細熔滴。電磁夾持力猶如一個強有力的縮口，迅速分離熔滴，及時收縮焊絲端部，有效限制熔滴長大，致使熔滴以較高頻率穿越電弧過渡（見圖6）。

圖6 GMAW熔滴噴射過渡機理示意

仔細觀察恒電流噴射過渡可分為射滴噴射、射流噴射和旋轉噴射3個不同階段（見圖7）。第一階段，焊接電流盡管已經達到或超過轉變電流，但超越數值不是太大，作用在熔滴上電磁夾持力的提高，以及作用在熔滴上表面張力的降低尚未達到最佳值，熔滴尺寸雖然小于焊絲直徑，過渡頻率也算較高，但從慢放的高速攝影視頻上看只是一連串珠式過渡，尚未形成熔滴流。此謂射滴噴射過渡。第二階段，隨著電流繼續增大，在焊絲末端的筆尖處呈現出極細水流般的細滴流，此時轉變為射流噴射過渡。最后階段，在更大電流下，而且所用焊絲干伸長較長時，由于強磁場的作用，熔化金屬純粹是流動的，但是連續流體（stream）是旋轉的，此為旋轉噴射過渡。

圖7 各種熔滴過渡形態下的電弧電壓與焊接電流[5]

歸納上述過程不難看出，GMAW噴射過渡的實現取決于3個要素：①富氬混合保護氣體。該電弧的特性使陽極斑點的面積始終大于載流截面面積，即電弧始終處在熔滴之上方，從而導致熔滴過渡的軸向性[4]。②電磁力作用方向向下。電磁力作用方向與陽極斑點面積大小有關，當陽極斑點面積大于載流截面面積時其方向向下（見圖6）。在強電磁收縮力作用下,比焊絲直徑小得多的熔滴被分離，非常有利噴射過渡。③焊接電流等于或大于轉變電流。此時熔滴的表面張力變得足夠小，電磁力足夠大，電磁夾持力對焊絲鉛筆尖的極細熔滴不斷擠壓分離。速度非?？?，間隔非常小，熔滴來不及長大，迅速形成“金屬流”，穿越電弧進入熔池。①是必要條件，②和③是充分條件。三者缺一不可。

3.2 脈沖噴射過渡

在成形機理方面，比較兩種噴射過渡形成特點可以看出（見表6），在噴射過渡3要素前提下，脈沖噴射過渡與恒電流噴射過渡的相同點有：①富氬混合保護氣體；②電磁力作用方向向下。不同點是：①“焊接電流等于或大于轉變電流”所使用的電流性質不同。前者為恒電流，后者為脈沖峰值電流。②焊接熱輸入不同。前者轉變電流數值很大，熱輸入高；后者平均電流小于轉變電流，熱輸入低。③熔滴過渡可控性不同。前者恒流電流一旦等于或大于轉變電流，焊絲連續熔化不可控；后者焊絲以“一脈一滴”可控熔化過渡。

表6 兩種噴射過渡形成機理比較

4 GMAW熔滴噴射過渡形態與保護氣體間的關系及新突破

4.1 GMAW熔滴噴射過渡形態與保護氣體的關系

按照噴射過渡形成條件三要素缺一不可原則，如果三者變化其一，噴射過渡形態恐怕難以形成（見表6）。首先，純Ar保護氣體時，噴射過渡形成條件三要素都具備，容易實現噴射過渡形態（見表7）。但純Ar電弧下熔滴表面張力大、液態金屬粘稠、電極斑點易飄移，同時存在對氣孔敏感、焊縫剖面形狀不理想等問題，使其應用受到一定限制，主要用于鋁、鎂及不銹鋼等活潑性金屬的焊接。第二，富Ar混合保護氣體時，噴射過渡形成條件三要素也都具備，可以實現噴射過渡形態（見表7）。而且克服了純Ar保護氣體時的工藝缺點，應用廣泛，碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼及其他鋼均可焊接。最后是純CO2保護氣體時，噴射過渡形成條件三要素都不具備（見表7）。電弧中形成大顆粒熔滴非軸向排斥過渡形態；且隨焊接電流增大、焊絲直徑變小，轉變電流不存在、不出現，因此無望形成噴射過渡形態。這已成為廣大CO2氣體保焊用戶的共識，更有不少文獻明確指出，純CO2保護氣體不可能產生噴射過渡形態[1-6]。盡管如此，純CO2氣保焊的短路過渡和滴狀過渡形態，在碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼及其他鋼的焊接應用中亦很活躍，因為該工藝成本低、易推廣，尤其是新電源、新控制技術的應用為該工藝注入了新的活力。

表7 GMAW噴射過渡與保護氣體的關系

4.2 純CO2下GMAW噴射過渡形態的新突破

文獻[7]在先前Ar-CO2混合氣體的GMAW試驗中發現，滴狀到噴射過渡的電流隨著CO2含量的增加而增加，并且隨著較小的焊絲直徑而減小。這意味著高電流密度可能是實現噴射過渡的關鍵。然而，過高的電流密度可能導致不切實際的高焊接電流、導電嘴損壞（燒回）以及不穩定電?。ㄅ懦膺^渡，旋轉過渡）的可能性。

采用全新的研究方法開展純CO2GMAW實現噴射過渡探索性研究。使用恒壓焊接電源和下列參數：細直徑焊絲（≤0.584 2 mm）、約38.1 m/min的高送絲速度、正常（例如250A）焊接電流、相當短（≤6.35 mm）焊絲干伸長。預計電弧將完全包圍熔滴，獲得形成噴射過渡的重要條件。

為了實現這些條件，正在設計和構建一個可以高速處理細焊絲、防止回燒，并承受帶有短干伸長的電弧高溫的新導電嘴?？梢蕴幚砑毢附z和高送進速率的一個新的送絲機構正在設計中。這項挑戰不可能的重要研究，即使暫時沒有實現真正的噴射過渡，也將有助于發現新的、實用的熔滴過渡形態。

文獻[8]建立GMAW模型，研究保護氣體成分對熔滴過渡形態的影響，計算熔滴脫離末端時電弧等離子體和工件（陰極）的溫度分布。分析了焊接電流和保護氣體對熔滴過渡形態的影響。使用純Ar保護氣體時，電弧中心溫度低，最大溫度在焊絲側面；而當保護氣中加入CO2后，電弧溫度變低但最大溫度在焊絲下方。這種溫度分布差異導致了電流密度的分布差異。純Ar時，電弧中心電導率較低，熔滴和焊絲末端附近的電流密度向上擴展，因而熔滴過渡形態為噴射過渡。而當保護氣體為CO2時，高電導率區域和高電流密度區域都集中在熔滴底部，致使熔滴過渡形態為滴狀過渡（見圖8）。當將模型中鐵蒸氣的電導率人為調低時發現，即使純CO2作為保護氣，熔滴過渡也為噴射過渡。因此，通過調整焊絲的元素成分來控制金屬蒸汽的電導率，便能在CO2保護氣氛下獲得噴射過渡形態。上述模擬研究新觀點，可能為挑戰不可能的“純CO2保護氣下噴射過渡”課題提供新思維，在“一切皆有可能的高科技時代”，只需時間來證明。

圖8 保護氣體成分對電導率和電流密度的影響

5 結論

（1）與短路過渡相比，噴射電弧過渡使用相對較大的電流（大于等于轉變電流）、電壓（≥24 V）和送絲速度，它們需要與保護氣體類型相匹配。噴射過渡可以細分為射滴噴射、射流噴射、旋轉噴射和脈沖噴射過渡4種類型。

（2）在熔滴噴射過渡影響因素中，有利于轉變電流的因素是富氬混合保護氣體、細直徑無鍍銅實心焊絲或藥芯焊絲、大的焊接電流（等于或大于轉變電流），以及合適的焊絲干伸長等，其他輔助參數亦是不可或缺的匹配參數。

（3）GMAW熔滴噴射過渡的實現取決于3個要素：①富氬混合保護氣體；②電磁力作用方向向下；③焊接電流等于或大于轉變電流。①是必要條件，②和③是充分條件，三者缺一不可。脈沖噴射過渡是在噴射過渡三要素前提下，可控熔滴過渡形態的噴射過渡形態。

（4）采用純Ar保護氣體和富Ar混合保護氣體時，都具備噴射過渡形成條件三要素，可以實現噴射過渡形態；純CO2保護氣體時，不具備噴射過渡形成條件3要素，不可能產生噴射過渡形態。

（5）開展純CO2GMAW噴射過渡探索性研究，有助于發現GMAW新型實用熔滴過渡形態。