熔化極氣體保護焊用焊絲與保護氣體的匹配關系

孫 咸

（太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024）

熔化極氣體保護焊用焊絲與保護氣體的匹配關系

孫 咸

（太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024）

綜述了GMAW兩類焊絲與3種保護氣體匹配關系。結果表明，焊絲對保護氣體的匹配工藝特征各異，其中，兩種焊絲對Ar+CO2的匹配工藝都顯示最佳。在焊絲與保護氣匹配關系下，實現噴射過渡的條件是：陽極斑點面積足夠大，電磁力方向向下，焊接電流超過臨界電流，三者缺一不可。對于實心焊絲，Ar＋CO2富氬混合氣體工藝的適應性更好。對于藥芯焊絲，Ar＋CO2富氬混合氣體工藝的適應性與100％CO2保護氣相當。工程應用表明，純CO2和Ar＋CO2富氬混合氣體對兩種焊絲都能獲得符合要求的焊接接頭，后者的工藝性可能更好一些，但氣孔（壓坑）敏感性更大些。

實心與藥芯焊絲；焊接用保護氣體；熔化極氣體保護焊；熔滴過渡形態；匹配關系

0 前言

隨著我國工業化進程的迅猛發展，熔化極氣體保護焊（GMAW）在諸多重要工程應用中充分展示了高效、自動化優勢。業內人士對GMAW工藝的關注度一直未減。除設備條件之外，GMAW工藝還必須具備兩個要件，即專用焊絲和保護氣體。雖然國家標準對每一種焊絲都標明了與之匹配的外加保護氣體類型[1-4]，如果不執行該標準，焊絲的工藝質量效果難以保證，可能出現不能達到標準規定的技術指標。然而，關于專用焊絲和外加保護氣體的選擇，盡管國內外相關報道不少，但有關焊絲與保護氣體兼顧，且特別關注匹配性的文獻鮮見。專用焊絲與外加保護氣體的匹配關系并非標準上所規定那么簡單。且隨硬件設備（含控制系統軟件）的改進或換代，以及新焊絲品種不斷推出，涉及焊絲與保護氣體匹配關系的技術問題也隨之出現[5-6]。另一方面，關于專用焊絲與保護氣體匹配關系的熔滴過渡機理探討，迄今為止，深入研究較少。因此，繼續開展GMAW焊絲與保護氣體間工藝匹配關系的研究非常必要。在此特意將焊絲、保護氣體匹配關系與焊絲的工藝特征相聯系，探討焊絲與保護氣體匹配關系的熔滴過渡機理及匹配關系的工藝適應性。該項研究對GMAW工藝中焊絲和外加保護氣體的合理選用、焊接結構工藝評定，以及焊絲研制和新品種開發，具有一定的參考價值和實用意義。

1 熔化極氣體保護焊用焊絲和保護氣體的類型及工藝特征

按制造方法或結構形狀，熔化極氣體保護焊用焊絲可分為實心焊絲和藥芯焊絲兩大類。實心焊絲的細分種類很多，主要以化學成分和力學性能區別。藥芯焊絲又可分為氣保護和自保護兩大類，小的類別以成分、力學性能和熔渣性質劃分。這些氣體保護焊用焊絲的型號、牌號、成分和性能由國家標準規定[1-4]。

熔化極氣體保護焊常用保護氣體主要有三種：CO2氣體、Ar氣和Ar＋CO2混合氣體。其主要特性分別為：①CO2氣體是一種無色、無味的氣體，相對密度比空氣大得多，即在氣態時它的重量約為空氣重量的1.5倍，而且電離勢低（比Ar氣的低）和導熱性高（見表1）。常溫下CO2氣體很穩定，屬于惰性氣體，但在高溫下（約5 000 K）幾乎能全部分解，形成一氧化碳（CO）、氧氣（O2）和一些獨立的氧原子（O），具有很強的氧化性。②Ar氣是無色、無味、不可燃氣體，比空氣重25％。它既不與金屬起化學作用，也不溶解于金屬中，是一種惰性氣體。可以避免焊縫金屬中合金元素燒損及由此帶來的其他焊接缺陷，使得焊接冶金容易控制。Ar氣的導熱系數很小，而且是單原子氣體，高溫時不分解吸熱，所以在Ar氣中燃燒的電弧熱量損失較少。Ar氣電離勢低（15.76 eV）（見表1），易于引燃電弧，而且電弧一旦引燃，燃燒就很穩定。③Ar＋CO2混合氣體實際上是富氬混合氣體，國標規定的混合氣體中Ar與CO2的比例，通常為（75％～80％）∶（25％～20％）（以下同指該比例）。富氬使Ar氣在電弧下的某些重要特性，如等離子體弧柱擴大、細熔滴軸向過渡等被保留；少量CO2的混入又引入活性氣體特征，使其具有氧化性，克服了純氬保護焊接時表面張力大、液態金屬粘稠、電極斑點易飄移、焊縫剖面形狀不理想等問題。

表1 保護氣體的幾項性能指標

3種保護氣體下兩種焊絲的工藝特征如表2所示。可以看出，對于實心焊絲，采用100％CO2時，雖然熔敷效率高，但操作工藝性差，主要是飛濺大；采用100％Ar時，操作工藝雖然很好，但熔深較淺；采用Ar＋CO2混合氣體時，操作工藝很滿意，熔深獲得改善，綜合工藝性最好。3種氣體都對氣孔敏感。對于藥芯焊絲，采用100％CO2時，操作工藝性比實心焊絲大有改善，具體講，飛濺減小了，成形美觀了，但鈦型渣系焊絲對氣孔（壓坑）比較敏感；采用100％Ar時，電弧變異、成形惡化；采用Ar＋CO2混合氣體時，飛濺最小、成形美觀，綜合工藝性最好，但對氣孔敏感性未減。

從工藝特性角度評價匹配關系，3種保護氣體對實心焊絲的匹配性均不錯，其中，Ar＋CO2混合氣體工藝最佳，100％CO2應用也很廣，各具優勢。3種保護氣體對藥芯焊絲的匹配性差別較大。其中，100％CO2工藝略差，而Ar＋CO2混合氣體工藝最佳，100％Ar不推薦FCAW使用。

2 熔化極氣體保護焊用焊絲與保護氣體匹配關系的熔滴過渡機理

由表3可知，針對3種不同的保護氣體，實心焊絲實現噴射過渡主要取決于三個因素：①陽極斑點面積等于或大于載流截面面積；②電磁力作用方向向下；③焊接電流等于或大于臨界電流。①是必要條件，②③是充分條件，三者缺一不可。三者變化其一，過渡形態隨之而變。100％CO2時，前兩條對過渡不利，結果形成大顆粒非軸向排斥過渡形態（見圖1）。對于藥芯焊絲，雖然焊絲結構與實心不同，焊芯包有各種藥粉（含一定量的K、Na等低電離電位元素），電弧中焊絲端出現渣柱及陽極斑點的微擴，然而上述影響熔滴過渡的三要素仍在起作用。100％CO2時，盡管熔滴尺寸或陽極斑點的微擴有利于過渡，但由于前兩個主導因素沒有改變，仍然維持大顆粒非軸向排斥過渡形態，只是操作工藝性比實心焊絲有明顯改善（見圖4）。

表2 不同保護氣體下焊絲的工藝特征

表3 不同保護氣體下焊絲的熔滴過渡機理

圖1100 ％CO2、滴狀過渡規范時，實心焊絲熔滴過渡形態示意

圖2100 ％Ar，大于臨界電流時，實心焊絲熔滴過渡形態示意[5]

從熔滴過渡機理角度評價匹配關系，三種保護氣體中實心焊絲過渡機理規律性很強，三要素缺一不可。要素的變化主要受電弧中氣體理化特性及其變化控制。其中100％CO2時可能有兩種過渡形態：短路過渡和滴狀過渡。小電流、低電壓時通常形成短路過渡；大電流、相應高電壓時，形成粗滴狀過渡。三種保護氣體中藥芯焊絲過渡機理規律性也較明顯，三要素缺一不可。此時要素的變化不僅受電弧中氣體理化特性及其變化控制，而且受焊絲結構變化影響。其中100％CO2時操作工藝性改善明顯，但三要素的作用遠大于藥粉的影響，非軸向排斥過渡形態難以被改變。100％Ar時，焊絲結構因素起關鍵作用：渣柱太長，陽極斑點無法形成，過渡條件徹底被破壞。Ar＋CO2的情況是20％CO2改變了純氬電弧特性，使其具有氧化性，克服了純氬保護焊接時表面張力大、液態金屬粘稠、電弧斑點易飄移等問題，形成了細顆粒軸向噴射過渡形態。總之是混合氣體完全具備三要素的結果。

圖3 Ar＋CO2、等于或大于轉變電流時，滴狀向噴射過渡轉變示意

圖4100 ％CO2時，藥芯焊絲熔滴過渡形態示意

3 熔化極氣體保護焊用焊絲與保護氣體匹配關系工藝適應性評估

3種保護氣體對兩種焊絲匹配關系的工藝適應性簡要評估如表4所示。

表4 焊絲與保護氣體匹配關系的焊接工藝適應性

對于實心焊絲，用得較早、較多的首推100CO2；最近幾十年，隨著Ar＋CO2混合氣體氣源的方便供應，這類保護氣體的用量越來越多。100％Ar只在一定范圍內，如活潑性金屬的焊接中應用。100％CO2的問題是電弧不穩、飛濺大、氣孔敏感。但成本低，一般要求的構件工藝適應性依然不錯。Ar＋CO2，除了個別情況下對氣孔敏感外，操作工藝上已有很大改善，工藝適應性良好。100％Ar存在的問題比較明顯，除了特定活潑金屬外，大多數原有的金屬或合金均采用富氬混合氣體。

對于藥芯焊絲，首先是100％CO2，總體評價比較好。無論是碳鋼、低合金鋼，還是高合金、不銹鋼，以及其他鋼種，該保護氣FCAW焊接工藝已經被廣泛應用，并獲得了滿意的效果。從中國藥芯焊絲3個國家標準看[2-4]，在規定的幾十種藥芯焊絲中，標明外加保護氣體為100％CO2的已經占了相當的比例。國外標準亦有類似情況。100％CO2保護氣的不足之處是：①電弧形態尚不十分理想，雖然屬于連續型電弧形態，但隨熔滴在焊絲端急速擺動發生電弧遷移，活動性太強烈。②熔滴過渡形態也不盡如人意，典型的非軸向排斥過渡，熔滴尺寸大、過渡頻率低，產生飛濺幾率大，盡管比實心焊絲已有較大改善，但在一些情況下，比如在堿性渣系條件下，焊接飛濺仍然比較大。③有一些品種的藥芯焊絲，比如鈦型渣系的藥芯焊絲，氣孔（壓坑）敏感性較嚴重，主要與熔滴中攜帶的氫和進入熔池中的氫總量，以及氣體從液態金屬逸出條件等因素有關。

第二是100％Ar。該氣體一般不單獨作為藥芯焊絲的保護氣使用，而是在Ar＋CO2混合氣中以富氬組分出現。這是因為純氬使得鐵基金屬藥芯焊絲的電弧和熔滴過渡變異，比如電弧中焊絲的鋼皮過早熔化，藥芯形成的渣柱太長，可能成段落入熔池；還有等離子體弧柱范圍增大且難以控制，導致焊縫成形惡化。因此100％Ar不適用于藥芯焊絲焊接工藝。唯一例外的是在GB/T47853—1999《不銹鋼藥芯焊絲》中，型號為E×××T15-5的這類藥芯焊絲，作為填充焊絲，只能用于鎢極惰性氣體保護焊（GTAW）方法，它的保護氣體是100％Ar。

第三是Ar＋CO2。在中國現有的3個藥芯焊絲國家標準中，推薦使用的Ar＋CO2混合氣體的含量為φ（Ar）（75％～80％）＋φ（CO2）（25％～20％），這種保護氣對FCAW焊接工藝的有利作用見上文所述。可以說，其應用面之廣、規定的品種之多，對FCAW焊接工藝的適應性完全可以與100％CO2保護氣媲美。國外的情況也大體如此。雖然Ar＋CO2混合氣體使其熔滴改為軸向過渡（見圖5）[7]，而且熔滴細化、過渡頻率提高，然而氣孔（壓坑）敏感性[8]對這種保護氣的進一步快速推廣是一個嚴峻的挑戰。

圖5 送絲速度和電弧電壓相同條件下，不同保護氣電弧下的熔滴過渡形態

4 熔化極氣體保護焊用焊絲與保護氣體匹配關系的工程應用

表5列出了4個GMAW工程應用實例。第一例是河南省鍋爐壓力容器安全控制研究院，對大直徑厚壁管道藥芯焊絲富氬混合氣體保護焊工藝進行的試驗[8]。試件為φ508 mm×38.1 mm的A333Gr.6管材，在壁厚38.1 mm厚的圓管環向開40°U型坡口，根部間隙1.5 mm，鈍邊1.5 mm。采用GTAW打底+ FCAW填充、蓋面多層焊接工藝，其中FCAW方法的工藝參數見表5中實例①。在合理選擇保護氣體流量、焊接電流、電弧電壓、焊接速度，以及其他必要輔助參數或技術條件下，該工藝獲得的焊縫表面成形好、飛濺小、效率高，焊縫質量好；接頭的力學性能滿足標準要求，使用性能好。該工藝的焊接性適用于場站大直徑厚壁管道焊接。文獻[8]還指出了氣孔和夾渣缺陷的預防措施。

第二例是西安核設備有限公司針對AP1000支撐部件，對A588GrB鋼焊接工藝進行的研究[9]。試板尺寸為600 mm×150 mm×38 mm，開60°雙V型坡口，根部間隙和鈍邊分別為2mm和0.5mm。采用SAW、SMAW和FCAW三種焊接方法進行焊接，其中FCAW方法的工藝參數見表5中實例②。通過焊前50℃預熱工件、小的焊接熱輸入等合理工藝參數，采用100％CO2保護FCAW獲得了滿意的接頭質量。焊后消除應力熱處理（620℃±15℃）×10 h，能有效提高焊縫和熱影響區的沖擊性能。

第三例是中核集團中國核電工程有限公司采用FCAW在核電站安全殼鋼襯里的應用[10]。焊接用鋼為20HR＋Q235B，板厚6 mm，對接焊縫，1G（水平）位置。采用FCAW、SMAW等方法焊接，其中FCAW方法的工藝參數見表5中實例③。通過工藝參數合理選用、焊接變形控制等技術運用，成功進行了安全殼鋼襯里結構焊接，焊縫一次合格率達97％，節約了成本，縮短了工期。該工藝對核電站安全殼鋼襯里的焊接既可行又可靠。

第四例是針對液壓支架結構件用Q690高強鋼特點，鐵法煤業集團機械制造公司進行了焊接工藝評定試驗研究[11]。試板尺寸為300 mm×150 mm× 20 mm，45°單V型坡口，反面清根雙面接頭。采用具有等強匹配實心焊絲、富氬混合保護氣體的GMAW方法，在執行表5中實例④所示的焊接工藝要點制作試板，同時強調焊接熱輸入、預熱及層間溫度的控制，確定執行消除應力回火溫度為520℃±20℃。結果表明，擬定的焊接工藝已成功地應用于液壓支架結構件的生產。

表5 不同保護氣的GMAW工程應用工藝參數

5 結論

（1）兩種焊絲對3種保護氣體的匹配工藝特征各異，其中，對Ar+CO2的匹配工藝都顯示最佳。

（2）在所探討的焊絲與保護氣匹配關系下，實現噴射過渡的條件是：陽極斑點面積足夠大，電磁力方向向下，焊接電流超過臨界電流。三者缺一不可。

（3）對于實心焊絲，Ar＋CO2富氬混合氣體工藝的適應性更好。對于藥芯焊絲，Ar＋CO2富氬混合氣體工藝的適應性與100％CO2保護氣相當。

（4）工程應用表明，純CO2和Ar＋CO2富氬混合氣體對兩種焊絲都能獲得符合要求的焊接接頭，后者的工藝性更好些，但氣孔（壓坑）敏感性更大些。

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.中華人民共和國國家標準氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲GB/T8110-2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.中華人民共和國國家標準碳鋼藥芯焊絲GB/T10045-2001[S].北京：中國標準出版社，2001.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.中華人民共和國國家標準低合金鋼藥芯焊絲GB/T17493-2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.中華人民共和國國家標準不銹鋼藥芯焊絲GB/T17853-1999[S].北京：中國標準出版社，1999.

[5]Yelistratov A.Exploring the Forces that Shape Droplets during Gas Metal Arc Welding[J].Welding Journal，2013，92（5）：48-52.

[6]Soderstrom E J，Mendez P F.Metal transfer during GMAW with thin electrodes and Ar-CO2shielding gas mixtures[J]. Welding Journal，2008，87（5）：124-133.

[7]Myers T.Choosing a Shielding Gas for FCAW[J].Welding Journal，2010，89（3）：30-33.

[8]陳國喜，李永贊.大直徑厚壁管道藥芯焊絲富氬混合氣體保護焊工藝試驗[J].焊接，2012（8）：57-60.

[9]李鵬飛，吳兵兵，郗峰波，等.A588Gr.B鋼焊接工藝研究[J].焊接，2012（8）：53-56.

[10]王宇欣，郭利峰.藥芯焊絲CO2氣體保護焊在核電站安全殼鋼襯里的應用[J].焊接，2012（11）：59-63.

[11]高明霞，張明達.液壓支架結構低合金高強度鋼板Q690焊接工藝研究[J].金屬加工（熱加工），2010（20）：49-51.

Matching relationships between welding wire and shielding gas for GMAW

SUN Xian
（Institute of Welding Consumables，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The matching relations between two types of welding wires and three kinds of shielding gases for GMAW were discussed in this paper.The results show that the matching process characteristics of welding wire to shielding gas are different，in which，the matching process of two kinds of welding wire to Ar+CO2rich argon gas mixture shows the best.Under the matching relation between welding wire and shielding gas,the conditions to achieve the spray transfer are as follows：the anode spot area is large enough，the electromagnetic force direction is downward，and the welding current exceeds the critical current.Three are indispensable.For solid wires,the process adaptability of Ar+CO2rich argon gas mixture is better；for flux cored wire，the process adaptability of Ar+CO2rich argon gas mixture is equivalent to 100％CO2shielding gas.The engineering applications show that pure CO2and Ar+CO2rich argon gas mixture using two kinds of welding wire can get satisfactory welded joints，the latter usability may be better，but the porosity(press hole)sensitivity is greater.

solid and flux cored wire；shielding gas for welding；gas metal arc welding；droplet transfer mode；matching relationship

TG422

A

1001－2303（2017）01－0038-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.07

獻

孫咸.熔化極氣體保護焊用焊絲與保護氣體的匹配關系[J].電焊機，2017，47（1）：38-43.

2016-07-04；

2016-09-21

孫咸（1941—），男，山西孝義人，教授，主要從事焊接材料及金屬焊接性方面的研究和教學工作。