CO₂氣體保護焊熔滴過渡與飛濺的關系

摘要：探討了CO2氣體保護焊熔滴過渡與飛濺的關系。結果表明，存在三種熔滴過渡形態：滴狀過渡、短路過渡和混合過渡形態。三種過渡形態的焊接飛濺形式各異，飛濺產生機理以熔滴內部爆炸和液橋爆炸為主因，影響因素中焊絲成分及電流、電壓、極性仍是關鍵因素。熔滴過渡形態與飛濺關系的內在聯系是熔滴的非軸向性、熔滴尺寸，以及熔滴中的氣體含量，三個參數數值高時焊接飛濺大，反之飛濺小。工程上多種控制熔滴過渡形態與飛濺關系的方案各具特色，其中應用最好的首推CMT工藝，已經為眾多企業贏得可觀的經濟效益。

關鍵詞：焊接飛濺;熔滴過渡;實心焊絲;CO2氣體保護焊

中圖分類號：TG444+.73，TG403 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）02-0006-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.02

0 前言

CO2氣體保護焊雖然存在飛濺大、氣孔敏感、氧化性強等缺點，但作為一種先進的高效、自動化焊接工藝方法， 多年來在普通鋼結構制作中獲得了廣泛應用，并積累了豐富的經驗，其主要原因是該工藝方法操作簡便、CO2氣體容易獲得、價格便宜。CO2氣體保護焊工藝的應用主要采用熔滴短路過渡形態，較少采用滴狀過渡形態。數十年以來，在CO2氣體保護焊工藝方面取得了許多進展，涉及短路過渡的文獻有之[1]，涉及焊接飛濺的文獻有之[2]，但專題性探討CO2氣體保護焊熔滴過渡與飛濺關系的文獻罕見。為此，作者基于多年的實踐經驗對相關文獻進行梳理、歸納，并引用文獻中部分試驗結果與數據，將CO2氣體保護焊熔滴過渡與飛濺形式相聯系，探討飛濺的影響因素及形成機理，進而論證CO2氣體保護焊熔滴過渡與飛濺的關系，并對工程應用中CO2氣體保護焊熔滴過渡形態與飛濺關系的控制解決方案展開綜合評述。該項研究對進一步完善CO2氣體保護焊熔滴過渡理論，揭示CO2氣體保護焊熔滴過渡形態與飛濺關系的內在聯系，并與工程解決方案相對接，促進控制焊接飛濺技術的新突破，提供了一定的理論分析基礎;對CO2氣體保護焊進一步推廣應用，具有一定參考價值和理論意義。

1 CO2氣體保護焊熔滴過渡形態及影響因素

1.1 CO2氣體保護焊熔滴過渡形態

1.1.1 滴狀過渡

在純CO2氣體保護焊中，當弧長較長時，電弧在熔滴下方呈現連續、活動、集中型（見圖1）。也就是電弧斑點面積比較小，而且隨焊絲端熔滴急速擺動而飄移不定，電弧不穩定[3]。這是CO2氣體在電弧中的理化特性決定的。由于CO2高溫分解吸熱，對電弧產生冷卻作用，造成電弧和斑點面積收縮（熱收縮效應），電流密度提高，電場強度也提高。

由圖1可知，熔滴粗大、不規則，呈非軸向排斥過渡形態，且過渡頻率較低。這都源于電弧中熔滴上的作用力。首先是熔滴下方的斑點壓力，由于熔滴下方的弧根面積小，斑點壓力方向向上;還有CO2高溫分解為CO+1/2O2氣體體積膨脹產生的向上的氣動力，2種向上的作用力再加上熔滴的表面張力，把正在長大的熔滴推離焊絲軸線（見圖1c）。非軸向大熔滴排斥過渡是熔滴的重力克服了若干向上反作用力的結果。因此，該種熔滴過渡的主導力應當是熔滴的重力。這種過渡形態的焊接飛濺較大，主要是因CO2的氧化性、CO2高溫分解的體積膨脹，以及大熔滴非軸向排斥過渡所引起的（見圖2b第3、4幀）。由于熔滴粗大，過渡頻率低，焊縫波紋較粗、成形差;加之CO2的氧化性、CO2的冷卻作用，以及焊縫熔深較大，焊縫中氣體逸出條件受限等因素，致使其對氣孔較為敏感。

1.1.2 短路過渡

當弧長比較短時，熔滴長大到一定程度就被迫與熔池金屬短路。但即使在即將過渡、尚未滅弧，或者短路后再引燃期間，熔滴下方的電弧仍呈現為斷續、活動、集中型（見圖3）。此時，熔滴的非軸向性傾向略有弱化，因為電弧較短，電弧電壓較低，熔滴活動的空間和時間受到限制，熔滴很快就與液態熔池接觸，如圖3所示。熔滴的短路過渡是熔滴的向下表面張力（與熔池金屬熔合后）克服向上的表面張力的結果。因此，該種熔滴過渡的主導力應當是熔滴的向下表面張力。短路過渡中的焊接飛濺也比較明顯（圖2a第4幀）。主要原因是短路瞬間短路電流增長速度過大或過小引起的。同樣由于熔滴粗大，過渡頻率低，以及CO2的冷卻作用，焊縫成形波紋較粗且余高較大。短路過渡的氣孔敏感性亦不可小覷。

1.1.3 混合過渡

當弧長為中等長度時，CO2電弧中可能出現兩種過渡形態共存現象，即滴狀過渡和短路過渡，但二者比例隨機變化。

在中等長度弧長時，由于焊接電流相應變化，如φ1.2 mm焊絲，電流180～250 A、電弧電壓22～26 V時，電流較小時，熔滴粗大，發生短路過渡的幾率較大;隨著電流增大，熔滴被細化，短路過渡的比例減少。既然有短路發生，混合過渡時熔滴下方的電弧形態就呈現為斷續、活動、集中型。這種過渡形態焊絲的工藝質量繼承了前兩種過渡形態的問題，即飛濺大、成形差、對氣孔敏感。

1.2 CO2氣體保護焊熔滴過渡形態影響因素

1.2.1 焊絲成分的影響

如前所述，CO2高溫分解為CO+1/2O2，電弧中存在CO2、CO和O2三種氣體。CO既不溶于金屬，也不參與反應;CO2和O2使Fe和Mn（合金元素）氧化燒損。為此采用高Mn、高Si聯合脫氧方式。典型的低碳鋼用實心焊絲ER49-1（H08Mn2SiA）化學成分如表1所示。含C量小于0.10%和增加脫氧元素，以減少CO氣體，防止熔滴中氣體膨脹引起飛濺。即使如此，CO2保護焊電弧特性所決定的非軸向排斥主流過渡形態依然是無法改變的。但是一種在焊絲表面涂有低電離活性元素的所謂活性焊絲，可以提高焊絲的電子發射能力，使弧柱擴展，弧根面積擴大，對焊絲的非軸向排斥傾向有所抑制[5]。

1.2.2 工藝因素的影響

由于純CO2滴狀過渡形態的飛濺大、工藝質量很差，工程應用很少，論文主要討論純CO2短路過渡的工藝因素影響。由表2可知，在涉及的多種工藝參數中，關鍵參數是焊接電流、電弧電壓、電源極性及其匹配。一旦匹配失當，熔滴過渡形態惡化，或嚴重影響焊接工藝質量。

2 CO2氣體保護焊焊接飛濺及影響因素

2.1 飛濺類型及產生機理

2.1.1 飛濺類型

滴狀過渡時電弧電壓較高，焊絲端懸掛的大熔滴在電弧中不停地運動，此時存在下列幾種飛濺形式（見圖4a～4e）：圖4a是熔池或熔滴析出氣體引起的柱狀隆起飛濺;圖4b是懸浮于電弧空間的熔化金屬發生爆炸引起的飛濺;圖4c是電弧推力熔滴上撓產生的大顆粒飛濺;圖4d是熔滴在電弧空間形成串聯電弧，兩個推力作用下產生的大顆粒飛濺;圖4e是熔滴脫離焊絲之際“熔斷作用”引起的飛濺。

短路過渡時電弧電壓較低，熔滴與熔池金屬接觸發生短路時，熔滴向下的表面張力將液態熔滴從焊絲末端拉斷進入熔池，這期間存在下列幾種飛濺形式（見圖4f～4h）：圖4f是短路過渡時短路“液橋”的“熔斷作用”引起的飛濺;圖4g是大熔滴短路后在引燃時，由大電流產生的電弧力引起過渡金屬的飛濺;圖4h是在潛弧狀態下，短路后再引燃時，熔池整體顯著隆起而產生的飛濺。

混合過渡電弧電壓介于滴狀與短路過渡之間，既有大滴狀過渡又有短路過渡，它們各自的飛濺形式（見圖4）都可能在混合過渡形態中出現。

2.1.2 飛濺產生機理

（1）滴狀過渡時的飛濺。焊絲與熔池不接觸，主要是大熔滴中形成的飛濺，兩個原因：一是熔滴內部氣體膨脹;二是被排斥大熔滴頸縮處電流密度過大，“熔斷作用”引起的大顆粒飛濺。

（2）短路過渡時的飛濺。焊絲與熔池接觸，發生短路時，短路電流突然增大，在焊絲與熔池之間“液橋”的溫度急劇升高，熱量被聚集，“液橋”被氣化并發生爆炸。

總之，純CO2焊接飛濺的產生與該方法的焊接冶金特性、熔滴過渡形態及焊接參數的不適當密不可分。前者CO2在高溫分解的CO以及氣體的體積膨脹是引起飛濺的必要條件，而后者（熔滴過渡及焊接參數）則是充分條件。二者缺一不可。

2.2 CO2氣體保護焊接飛濺影響因素

2.2.1 焊絲成分的影響

文獻[4]研究了焊絲中的微量元素對飛濺產生的影響。結果表明，在300 A電流和合適的電壓時，由于焊絲中添加Ti的強脫氧作用具有抑制短路爆炸的效果，隨Ti含量增大（W1增至W4），飛濺率明顯降低（見圖5）;由于短路次數減少，當含Ti量較高時（如W3、W4），隨電弧電壓在適用范圍（31～35 V）升高，飛濺率也在下降（見圖5）。與其他添加物相比，焊絲中添加K具有穩定電弧的作用，使其飛濺率變得最?。ㄒ妶D6）;同時，在31～35 V范圍提高電弧電壓時，它的穩弧作用使得飛濺率進一步減?。ㄒ妶D6）。相反，焊絲中添加REM或Ca，可能抵消了焊絲中Ti強脫氧作用的發揮，熔滴長得較大，熔滴內氣體較多，由于電弧擴展和伴隨熔滴的爆炸分離，會導致大顆粒飛濺增加（見圖6、圖7）。

焊絲成分對飛濺的影響如表3所示。由表3可知，對于鍍銅實心焊絲，含碳量的降低以及強脫氧元素的采用，可以抑制焊接飛濺;對于無鍍銅實心焊絲，由于非鍍銅涂層成分的多樣性，有穩弧方面的活性元素，也有導電方面的其他元素等，可以抑制CO2焊接時電流密度高、電弧被壓縮、熔滴被排斥、易長大等不利影響，使得飛濺減小約25%，而且也是顆粒細小的飛濺占多數（見圖8[7]）。如果采用藥芯焊絲，它的冶金反應有利于穩定電弧、細化熔滴，對于減小飛濺的控制更加有效[6]。

2.2.2 工藝因素的影響

CO2焊接短路過渡時的常用規范參數如表4和圖9所示。對于φ1.2 mm焊絲，焊接電流為120～250 A、電弧電壓為20～26 V時，熔滴過渡形態為短路過渡和混合過渡。鑒于CO2電源特性所決定的焊接電流與電弧電壓的關系，即隨焊接電流增大電弧電壓適當提高的匹配關系，分析CO2焊接電流對飛濺的影響，如圖10所示。以φ1.2 mm為例可以看出，焊接電流在120～250 A范圍增加時，飛濺明顯增大。這是因為焊接電流增大時電弧電壓隨之升高，電弧中大熔滴排斥現象加劇，電弧更加不穩，大熔滴飛濺嚴重。

電弧電壓對飛濺的影響如圖11所示[8]?？梢钥闯?，隨電弧電壓增大，短路次數曲線先升后降，在20 V電弧電壓附近出現峰值。從熔滴尺寸看，隨電流增大熔滴被細化。從焊接飛濺情況看，隨電弧電壓升高（15～20 V），過渡頻率曲線上升，飛濺減小;電弧電壓到達20 V時，熔滴最細，過渡頻率最高，飛濺最小;繼續提高電弧電壓（20～30 V），過渡頻率反而下降，熔滴粗化，飛濺增大。這是因為隨著電弧電壓在一定范圍適度提高，電弧較穩定，熔滴尚未長太大之前就發生短路，過渡頻率提高，此時無論是熔滴還是熔池中的冶金反應都不太劇烈，焊接飛濺減小。電弧電壓20 V時過渡頻率最大，熔滴相對最小，電弧最穩，飛濺最小。電弧電壓繼續提高時，熔滴非軸向長大，電弧不穩，熔滴或熔池冶金反應劇烈，焊接飛濺增大。熔滴過渡頻率的先升后降趨勢是由電源特性決定的。

此外，焊絲干伸長太長或太短、直流正極性、焊絲直徑增大，以及回路電感量過小或過大，都會導致飛濺增大（見表2）。除了表2所列焊接參數影響之外，焊工的操作技術，如焊槍角度等因素對飛濺亦有一定影響。總之，CO2焊接飛濺是多因素影響結果，然而關鍵工藝因素仍然是焊接電流、電弧電壓以及電源極性。

3 CO2氣體保護焊熔滴過渡形態與飛濺的關系

CO2氣體保護焊接常用的焊接規范內有兩種熔滴過渡形態，即短路過渡和混合過渡（短路+滴狀）。CO2氣體保護焊接熔滴過渡與飛濺的關系如表5所示。可以看出，混合過渡時的總飛濺率比短路過渡的更大。這是因為混合過渡形態時熔滴尺寸很大，熔滴的非軸向性更加劇烈，電弧更加不穩，產生飛濺的形式更多所致。

兩種熔滴過渡形態與飛濺關系的內在聯系是熔滴尺寸、熔滴的非軸向性，以及熔滴中的氣體含量。三個參數數值高時焊接飛濺大，反之飛濺小。熔滴的非軸向性是CO2保護氣體性質所決定的;熔滴尺寸受控于熔滴的非軸向性及焊接規范參數;熔滴中的氣體含量受控于焊絲成分及CO2焊接電弧中的冶金反應;熔滴爆炸傾向受控于回路串聯電感量。這些指標的變化直接影響飛濺的形成。

4 工程應用中CO2氣體保護焊熔滴過渡與飛濺關系的控制方案

從工程上大量使用的工藝特征上看，CO2氣體保護焊熔滴過渡與飛濺關系的控制可以歸納為表6所列幾種方案。方案①是開發使用含有稀土（ERM）或活化元素的焊絲。可以在焊絲中加入稀土（REM）或K、Na、Ba、Ti活化元素，或在焊絲涂層加入活性元素，增大弧根面積，改善電弧穩定性，減弱或限制熔滴的非軸向性，細化熔滴，減少短路次數，減少熔滴中氣體含量，消除了短路爆炸和氣體膨脹爆炸引起的飛濺。方案②是采用藥芯焊絲。在藥芯中加入K、Na等穩弧劑和加入Mn、Ti、Si等脫氧劑，電流較大（電壓相應提高）時熔滴的非軸向性減弱，熔滴被細化，同時考慮熔滴沿渣柱過渡特性，焊接飛濺明顯減小。方案③采用STT（表面張力過渡）工藝技術。STT（表面張力過渡）工藝是美國林肯電氣推出的、基于高速逆變技術、電流控制的全位置焊接新工藝。該工藝的特點是：對熔滴與熔池接觸和熔滴脫離焊絲端部瞬間的短路電流進行精確控制，利用表面張力進行熔滴過渡。消除了熔滴的非軸向性，熔滴被細化，熔滴中的氣體含量很少，飛濺率非常低，飛濺減少了90%左右[9]。方案④采用CMT（冷金屬過渡）工藝技術。CMT（冷金屬過渡）工藝是奧地利Fonius公司開發的一種低熱輸入焊接工藝。該工藝的特點是將熔滴的過渡過程與運動相結合，即在熔滴短路時，電源輸出電流幾乎為零，同時焊絲回抽幫助熔滴脫落（過渡），消除了熔滴的非軸向性，熔滴被細化，熔滴中的氣體含量很少。不僅實現熔滴“冷”過渡，大大降低了焊接過程的熱輸入，而且真正實現了無飛濺焊接[10]。方案⑤采用磁控CO2技術。所謂磁控CO2短路焊接技術，是采用外加磁場對CO2焊接電弧進行控制，改善電弧形態、促進熔滴過渡的一種新工藝。該工藝的特點是：外加磁場產生的洛倫茲力促使電弧旋轉，改變電弧特性，有效控制熔滴的非軸向性，提高電弧的挺度和穩定性，使熔滴細化，降低短路峰值電流，在最佳外加磁場強度范圍（見圖12），飛濺率可減少10%～50%或以上（平均減少26%）[11]。

在工程應用方面，盡管相關研究報道中涉及到了方案①，但未形成標準或定型產品，推廣應用信息不多。方案②藥芯焊絲已被廣泛應用，但施工現場幾乎沒有采用短路過渡形態的，因為該焊絲的短路過渡形態飛濺比滴狀過渡更大，其工藝質量比后者差[12]。方案③STT（表面張力過渡）工藝存在兩大缺點：一是STT的平均能量較低，熔深很淺，厚板焊接能量不足，僅適于20 mm以下板的焊接;二是所使用的焊接規范范圍較窄，如使用φ1.2 mm焊絲，焊接電流大于180 A，焊絲干伸長變化較大時，飛濺量增加，焊接穩定性被破壞。國外應用較多，國內應用的報道文獻不多。方案④CMT（冷金屬過渡）工藝主要用于0.3～3.0 mm薄板的焊接，且送絲系統較昂貴，但由于具有完全的無飛濺、熱輸入小、變形小、焊接速度快、節能高效等獨特優勢，特別適合汽車零部件一類薄板結構的焊接，已為眾多企業贏得可觀的經濟效益[13]。方案⑤磁控CO2短路焊接技術的研究型文獻不少，但工業生產應用文獻鮮見。文獻[14]認為，磁控對電弧及熔滴的作用機理十分復雜、難以控制，該項目仍需進行深入研究。

5? ?結論

（1）CO2氣體保護焊存在三種熔滴過渡形態：弧長較長時的滴狀過渡、弧長較短時的短路過渡，以及中等弧長時的混合過渡形態。短路過渡影響因素中焊絲成分及電流、電壓、極性是關鍵因素。

（2）三種過渡形態的焊接飛濺形式各異，飛濺產生機理以熔滴內部爆炸和液橋爆炸為主因，影響因素中焊絲成分及電流、電壓、極性仍是關鍵因素。

（3）熔滴過渡形態與飛濺關系的內在聯系是熔滴的非軸向性、熔滴尺寸，以及熔滴中的氣體含量。三個參數數值高時焊接飛濺大，反之飛濺小。

（4）工程上可供選用的多種控制熔滴過渡形態與飛濺關系的方案各具特色，其中應用最好的首推CMT工藝，已為眾多企業贏得可觀的經濟效益。

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