減少CO2氣體保護(hù)焊焊接飛濺的措施

劉義敏，潘 鑫，唐家偉

（北京礦冶研究總院，北京 100070）

0 前言

CO2氣體保護(hù)焊因其生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于車輛、船舶和機(jī)械制造業(yè)。但其焊接過程中伴隨有大量飛濺產(chǎn)生，飛濺不但影響焊接質(zhì)量，而且使勞動(dòng)條件變差，限制了該方法在很多領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。國內(nèi)外許多學(xué)者從焊接材料、工藝規(guī)范、自動(dòng)控制等角度做了關(guān)于減少CO2氣體保護(hù)焊焊接飛濺的研究，提出了多項(xiàng)控制飛濺措施。

1 飛濺產(chǎn)生的原因

焊絲端頭的液態(tài)金屬向熔池過渡的過程稱為熔滴過渡，常見的形式有短路過渡、滴狀過渡、噴射過渡。后兩種因焊絲端頭與熔池之間不直接接觸而統(tǒng)稱為自由過渡。

（1）自由過渡時(shí)，在較大電流條件下進(jìn)行焊接，熔滴在斑點(diǎn)壓力的作用下上擾，形成大滴狀飛濺。如果電流持續(xù)增加，電弧潛入熔池深度增加，達(dá)到臨界潛弧狀態(tài)，此時(shí)熔滴尺寸減小，將產(chǎn)生細(xì)顆粒過渡，飛濺率減小。

（2）熔滴短路過渡時(shí)，熔滴與熔池接觸形成液橋發(fā)生短路，液橋在熔池表面張力和電磁收縮力的共同作用下產(chǎn)生縮頸，當(dāng)電阻熱足夠大時(shí)，縮頸處發(fā)生爆斷，爆斷部位以下的液態(tài)焊絲金屬進(jìn)入熔池，同時(shí)產(chǎn)生大量飛濺。飛濺量主要是由短路峰值電流和小橋直徑所決定[2]。

2 選擇正確的焊接工藝和焊接材料控制飛濺

（1）焊接電流與電弧電壓

焊絲直徑和焊接電流一定時(shí)，若電弧電壓偏高，電弧長度增加，熔滴呈大顆粒飛出。電弧電壓偏低時(shí)，電弧變短，引弧困難，飛濺量大。當(dāng)焊接電流和電壓值為最佳匹配時(shí)，熔滴過渡頻度增加，飛濺量最小[3]，CO2氣體保護(hù)焊電流和電弧電壓值匹配關(guān)系如圖1所示。

（2）焊槍角度

焊槍垂直焊接狀態(tài)下飛濺率最低，飛濺量隨傾角增大而增大，最大傾角應(yīng)不超過20°。

（3）焊絲伸出長度

焊絲伸出長度越長，焊絲的電阻熱越大，飛濺率也隨之增加；伸出長度過短，熔深加大，噴嘴上易被飛濺物堵塞。最佳的焊絲伸出長度應(yīng)為焊絲直徑的10～12倍，細(xì)焊絲時(shí)為8～14 mm，粗焊絲時(shí)為10～20 mm。

圖1 CO2氣體保護(hù)焊中適用的電流和電壓匹配關(guān)系

（4）防止磁偏吹

采用短弧焊能有效防止因磁偏吹造成的電弧漂移，減少飛濺。

3 選擇合適的焊接材料減小飛濺

（1）低飛濺焊絲

降低焊絲中的含碳量，同時(shí)適當(dāng)增加Ti、Al等合金元素的含量能有效減少飛濺。

（2）藥芯焊絲

由于藥芯焊絲為氣-渣聯(lián)合保護(hù)，能實(shí)現(xiàn)均勻的噴射過渡，焊接飛濺少，采用藥芯焊絲焊接的飛濺率能比用實(shí)芯焊絲焊接時(shí)降低65%。

（3）活化處理焊絲

在焊絲表面涂極薄的K、Cs等活化涂料能減小阻礙熔滴脫落的電磁力，從而改變CO2氣體的特性，使飛濺較少。

（4）采用Ar+CO2氣體

氬氣含量的增加，熔滴的軸向性增強(qiáng)，熔滴在軸向力的作用下，能實(shí)現(xiàn)均勻的短路過渡，利于減少飛濺率。當(dāng)氬氣含量達(dá)到50%時(shí)，產(chǎn)生射流過渡，飛濺率已明顯降低。

4 通過電流電壓波形和送絲方式控制減少飛濺

（1）脈動(dòng)送絲系統(tǒng)

保證短路過渡頻率與脈動(dòng)送絲頻率基本相同的條件下，短路峰值電流均勻一致，熔滴在脈動(dòng)送進(jìn)狀態(tài)下與熔池發(fā)生短路。如圖2所示，焊絲停的過程中，電弧逐漸拉長，焊絲開始通過高速送進(jìn)將熔滴強(qiáng)制推向熔池，隨后電弧逐漸縮短，最后熔滴在慣性力的作用下完成整個(gè)短路過渡過程。采用脈動(dòng)送絲方式可以有效減小電弧斑點(diǎn)壓力，有利于熔滴過渡，飛濺率較采用常規(guī)送絲系統(tǒng)時(shí)明顯減小[3]。

圖2 脈動(dòng)送絲示意圖

（2）基于STT技術(shù)的DSP控制

表面張力過渡控制將短路過程細(xì)化分為：液橋形成段、頸縮段、液橋破斷段、穩(wěn)定燃燒段、燃弧后期段等5個(gè)階段[4]，如圖3所示，t1階段迅速減小電流，使短路過程穩(wěn)定進(jìn)行，防止出現(xiàn)局部能量過度集中。t2階段增大電流利于增加短路過程的穩(wěn)定性。t3階段迅速減小電流可防止金屬小橋上能量集中而產(chǎn)生電爆炸飛濺。t4階段，熔池在大電流的電弧作用下鋪展。t5階段，電流達(dá)到正常燃弧基值電流。

圖3 STT電流電壓波形

t1為液橋形成階段，t2為頸縮階段，t3液橋爆斷階段，t4電弧穩(wěn)定燃燒階段，t5為燃弧后期階段。

采用DSP（全數(shù)字化控制策略）的STT波控焊機(jī)能精細(xì)控制以上5個(gè)階段電流電壓大小，不斷監(jiān)視頸縮過程，達(dá)到精確地控制熔滴能量定的目的，特別是在短路過渡的初期和液橋爆斷前幾十微秒時(shí)的熔滴狀態(tài)，在飛濺控制方面取得了很好的效果。

（3）并聯(lián)式波形控制

通過微機(jī)控制電路在熔滴短路過渡前常規(guī)電流波形上疊加一電流負(fù)脈沖，減少了電弧力，促使熔滴下垂，保證熔滴柔順過渡，對(duì)減少焊接飛濺有明顯效果[5]。如圖4，t0、△t、△I的值皆可調(diào)，電流負(fù)脈沖與電流波形的任意處相疊加，負(fù)脈沖的寬度和幅值亦均可進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。

圖4 短路電流波控示意圖

（4）HS和PVS控制

HS（超穩(wěn)定化）控制通過反饋控制和前饋控制對(duì)輸出標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行偏移和處理，調(diào)節(jié)輸出電壓值，控制電弧發(fā)生初期弧長，防止再次引弧時(shí)非正常的微小短路的發(fā)生，在電弧快結(jié)束期間降低電流值從而實(shí)現(xiàn)超穩(wěn)定焊接。HS法最大特點(diǎn)是可以控制焊絲端部熔化部分的形成狀態(tài)，并有效抑制焊絲末端熔化部分被向上電弧力頂回現(xiàn)象的發(fā)生[7]。

在PVS（熔池振動(dòng)）控制的核心內(nèi)容是：使焊絲端部的熔滴形成和熔池振動(dòng)周期同步，熔池在一定周期下反復(fù)上下振動(dòng)，其波形也是周期性的運(yùn)動(dòng)。在焊絲與熔池短路的瞬間可實(shí)現(xiàn)熔池高度的數(shù)值化操作，最大限度地控制焊絲端部和熔池間的排斥力。

目前已生產(chǎn)出由HS法和PVS控制法相結(jié)合低飛濺焊機(jī)，飛濺量為以往焊機(jī)的1/20。

（5）全新的交流短路過渡焊接方法

交流CBT控制法通過調(diào)節(jié)負(fù)極占空比，實(shí)現(xiàn)正極（EP）和負(fù)極（EN）的輸出極性之間相互切換，熔滴過渡穩(wěn)定平滑，實(shí)現(xiàn)超低飛濺的焊接。在焊絲直徑為1.2 mm，電流為250 A條件下進(jìn)行焊接，采用CBT方法焊接的飛濺產(chǎn)生量為1.2 g/min，而相同條件下傳統(tǒng)逆變CO2氣體保護(hù)焊飛濺產(chǎn)生量是其2倍。

（6）CMT冷金屬過渡焊系統(tǒng)

普通CO2焊中熔滴同熔池先短路，再發(fā)生液橋爆斷，產(chǎn)生飛濺。CMT過渡方式把熔化和過渡分為兩個(gè)獨(dú)立的過程，在熔滴短路過渡時(shí)，電流和電壓輸出幾乎為零，熔滴過渡過程中焊絲回抽幫助熔滴脫落，消除了飛濺產(chǎn)生的因素，該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于超薄板焊接。

5 結(jié)語

（1）合理選擇焊接工藝參數(shù)，焊接過程中避免出現(xiàn)大滴排斥過渡形式。在生產(chǎn)成本允許的條件下盡可能選用優(yōu)質(zhì)焊接材料，如選用藥芯焊絲、超低碳低飛濺焊絲、新型表活化焊絲等，能有效避免因焊接材料的冶金反應(yīng)導(dǎo)致氣體爆炸而產(chǎn)生飛濺。

（2）通過焊接電流電壓波形控制法，控制熔滴過渡各階段電流電壓值，減少液橋爆斷能量和熔滴過渡狀態(tài)，有效降低飛濺。超高逆變技術(shù)、超高控制技術(shù)的發(fā)展，使得焊接控制的定量化、數(shù)值化成為現(xiàn)實(shí)。

（3）采用新型焊接工藝，避免液橋爆斷的發(fā)生，消除焊接產(chǎn)生的因素，實(shí)現(xiàn)無飛濺焊接是未來研究的方向。

［1］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì).焊接學(xué)會(huì)焊接手冊(cè)：第一卷：焊接方法及設(shè)備［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［2］朱六妹.CO2焊熔滴過渡特征的分析和研究［J］.電焊機(jī)，2000，30（1）：18-21.

［3］殷樹言，杭爭(zhēng)翔.降低CO2氣體保護(hù)熔化極電弧焊飛濺的途徑［J］.電焊機(jī)，2000，30（I2）：27-29.

［4］ Stava Elliott K.The surface-tension-transfer power source：a new，low-spatter arc welding machine［J］.Welding Journal，1999，72（1）：25-29.

［5］俞建榮，蔣力培，史耀武.CO2弧焊熔滴過渡過程焊接電弧的并聯(lián)式波形控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，16（4）：85-88.

［6］俞建榮，龔永飛，蔣力培，等.CO2焊的波形控制技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，15（3）：43-45.

［7］濱本康司.最新焊接低飛濺控制技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2007，6（1）：54-58.