電弧中金屬蒸氣與GMAW熔滴過渡形態的關系

孫 咸

(太原理工大學 材料科學與工程學院，太原 030024)

熔化極氣體保護焊(GMAW)已經成為工業各領域不可或缺的焊接工藝方法。熔滴過渡形態對焊接工藝質量和穩定性有重要影響。使用Ar或Ar+20%CO2混合氣體，在大電流下可以獲得熔滴的噴射過渡形態，但采用純CO2保護氣體時，即使在大電流下也不會發生噴射過渡[1-2]。然而，文獻[3]報道了一種添加稀土金屬焊絲、直流正接(DCEN)CO2保護氣體焊接時獲得了噴射過渡形態。為了提高對熔滴過渡現象的控制，有必要進一步闡明GMAW中的熔滴過渡現象，包括焊絲與電弧等離子體之間的相互作用。建立數值模型將焊絲尖端金屬蒸氣與電弧等離子體性質相聯系，成為研究GMAW的強大工具。文獻[4]報道，可以通過控制金屬蒸氣的電導率來調節熔滴過渡現象，從而獲得純CO2保護氣體時的噴射過渡。考慮到電弧中金屬蒸氣對電弧特性的重要影響以及與熔滴過渡形態之間關系的復雜性[5]，繼續探索電弧等離子體電導率的未知規律，對于推動該項新技術的工程應用仍然是迫切的。為此，論文從典型研究案例入手，以相關數值模擬或試驗研究文獻結果為分析對象，將電弧中金屬蒸氣特性與電弧等離子體中心的電導率相聯系，探討電弧中金屬蒸氣改變熔滴過渡形態的機理，分析電弧中蒸氣電導率的影響因素。該項工作對于進一步揭示電弧中金屬蒸氣與熔滴過渡形態間的關系、推動相關理論發展、促進工程應用，具有一定參考價值和研究意義。

1 金屬蒸氣參數與GMAW熔滴過渡形態關系

1.1 涉及電弧金屬蒸氣與GMAW熔滴過渡形態關系的研究實例

表1列出了5個涉及電弧金屬蒸氣與GMAW熔滴過渡形態關系的研究實例。第1例是采用數值模擬探討保護氣體和金屬蒸氣中心電導率對GMAW熔滴過渡現象的影響。結果表明，可以通過控制金屬蒸氣的電導率來調節熔滴過渡現象。第2例使用獲得的圖像，測量弧長并討論弧長和電弧電壓之間的關系。結果表明，對于低電流值，測量的焊接電壓隨著電弧長度的增加而增加；然而，對于高電流值，即使測量的電弧長度變短，電弧電壓也會增加。認為，高焊接電流值時電弧電壓的增加是由于焊絲蒸發的增加降低了等離子體溫度，從而降低了電弧等離子體的電導率。第3例將試驗和數值方法結合起來討論了金屬蒸氣對GMAW工藝噴射過渡和脈沖焊熔滴過渡形態的影響。結果表明，變化的氣化率不僅對電弧特性而且對填充焊絲處電弧的附著有很大影響。在許多情況下，電弧區域中的金屬蒸氣濃度對電弧特性和熔滴過渡的影響比不同的保護氣體成分(如氧氣、氫氣或氦氣)更大。第4例介紹了金屬蒸氣影響的熔化極氣體保護焊(GMAW)中氬弧等離子體的計算模型。證實了溫度和電流密度的徑向分布中中心最小值出現。結果表明，中心最小值是金屬蒸氣強烈輻射發射的結果。發現金屬蒸氣的其他影響，例如來自焊絲的相對冷蒸氣氣流和對增加電導率的影響不太顯著。第5例探討了金屬蒸氣對GMAW電弧溫度的影響。結果表明，金屬蒸氣對電弧等離子體有兩個強烈影響：1)整個電弧的溫度降低，2)在電弧軸附近形成局部溫度最小值。檢驗了與薄鋁板焊接相關的參數。對于采用較高電流的焊接，增加的輻射發射會導致距離焊絲較遠處的局部溫度最低。

表1 涉及金屬蒸氣與GMAW熔滴過渡形態關系的研究實例的工藝參數及項目要點Table 1 Process parameters and project points of research examples involving the relationship between metal vapor and GMAW droplet transfer mode

1.2 金屬蒸氣參數與GMAW熔滴過渡形態關系

表2為模擬計算出的保護氣體與金屬蒸氣參數(中心區電導率、電流密度分布)和熔滴過渡形態的關系(焊絲直徑1.2 mm、焊接電流300 A).可以看出：1)采用Ar保護氣體時，等離子體中心區電導率變低，4 000 S/m左右，電流密度最大值4.1×107A/m2，分布在熔滴和固態焊絲附近，導電通路在懸垂熔滴附近向上擴展(爬升)，預期的熔滴過渡形態為噴射過渡，如圖1(a)[4]所示；2)采用CO2保護氣體時，最高電導率(7 540 S/m)區域集中在熔滴最下方，最大電流密度(9.9×107A/m2)也集中在熔滴底部邊緣，導電通路集中在懸垂熔滴的底部邊緣，預期的熔滴過渡形態為滴狀過渡，如圖1(c)[4]所示；3)采用Ar+20%CO2混合氣體時，等離子體中心區電導率居中(6 000 S/m左右，最大6 380 S/m)，電流密度最大值6.9×107A/m2，分布介于Ar和CO2之間，導電通路在懸垂熔滴附近向上擴展(爬升幅度小于純Ar)，預期的熔滴過渡形態為噴射過渡，如圖1(b)[4]所示。

表2 保護氣體與鐵蒸氣電導率和熔滴過渡形態間的關系[4]Table 2 Relationship between shielding gas and iron vapor conductivity and droplet transfer mode

2 金屬蒸氣改變熔滴過渡形態的機理

2.1 金屬蒸氣與等離子體中心電導率的關系

表3[4]列出了GMAW中虛擬金屬蒸氣與等離子體中心電導率的關系。圖2為金屬蒸氣電導率對電弧等離子體電流密度分布的影響[4]。圖3為焊絲金屬蒸氣電導率對熔滴和電弧等離子體行為的影響[4]。可以看出，采用Ar保護氣體時，當低電導率的虛擬金屬蒸氣混入電弧等離子體時，電弧等離子體中心的電導率變低(低于4 000 S/m)，熔滴附近的導電通路向上擴展(爬升)，最大電流密度(4.8×107A/m2)位于熔滴一側(圖2(a))，熔滴過渡形態為射流噴射過渡(圖3(a)[4])；當使用高電導率的虛擬金屬蒸氣混入電弧等離子體時，電弧等離子體中心的電導率不低(高于4 000 S/m)，熔滴附近的導電通路向上擴展(爬升)不多，最大電流密度(4.5×107A/m2)位于熔滴底部(圖2(b))，熔滴過渡形態為射滴噴射過渡(圖3(b)[4])；采用CO2保護氣體時，當低電導率的虛擬金屬蒸氣混入電弧等離子體時，電弧等離子體的中心具有低電導率(約為2 000 S/m)，導電通路因此向上擴展(爬升)，最大電流密度(5.1×107A/m2)不會集中在懸垂熔滴的底部邊緣(圖4(a)[4])，熔滴過渡形態為射滴型噴射過渡；當高電導率的虛擬金屬蒸氣混入電弧等離子體時，電弧等離子體的中心具有高電導率(大于5 000 S/m)，導電通路集中在懸垂熔滴的底部，最大電流密度(8.1×107A/m2)集中在懸垂熔滴的底部邊緣(圖4(b)[4])，熔滴過渡形態為滴狀過渡。

表3 進入不同保護氣體GMAW電弧等離子體中心的不同電導率的虛擬蒸氣對熔滴過渡形態的影響Table 3 Effects of pseudo metal vapor with different conductivity entering arc plasma center in GMAW with different shielding gases on droplet transfer modes

(電弧電流：300 A；熔滴溫度：3 000 K)(計算所得)圖1 保護氣體對鐵蒸氣電導率和電流密度分布的影響[4]Fig.1 Infuence of shielding gas on electrical conductivity and current density distribution with iron vapor

2.2 金屬蒸氣改變熔滴過渡形態的機理

金屬蒸氣改變導電通路的機理分析見表4.圖5是作用在熔滴上的力的示意圖[10]。圖6是熔滴溫度對電弧等離子體溫度的影響[4]。

圖5 作用在熔滴上的力[10]Fig.5 Forces acting on droplet

從表4可以看出，無論采用哪種保護氣體，Fe蒸氣混入電弧等離子體均使其溫度降低(金屬蒸氣強烈輻射發射和金屬蒸氣流入對流動的影響[9]).然而電弧等離子體中心的電導率大小卻不同，CO2為保護氣時電弧等離子體中心的電導率高，Ar或Ar+20%CO2為保護氣時電弧等離子體中心的電導率低。因此導致電弧中導電通路部位不同：CO2為保護氣時導電通路位于熔滴底部邊緣，而Ar或Ar+20%CO2為保護氣時導電通路擴展向上爬升。這樣作用在熔滴上的主導力發生變化：前者(CO2為保護氣)電磁力和斑點壓力方向向上，阻礙熔滴過渡，熔滴呈滴狀過渡形態；后者(Ar或Ar+20%CO2為保護氣)電磁力和斑點壓力方向向下，促使熔滴過渡，熔滴呈噴射過渡形態。

保護氣體：Ar；電弧電流：300 A圖3 焊絲金屬蒸氣電導率對熔滴和電弧等離子體行為的影響[4]Fig.3 Infuence of electrical conductivity of metal vapor from wire electrode on droplet and arc plasma behavior

保護氣體：CO2；電弧電流：300 A；熔滴溫度：3 000 K；E.C.：電導率圖4 金屬蒸氣電導率對電弧等離子體電流密度分布的影響Fig.4 Infuence of electrical conductivity of metal vapor on the current density distribution in arc plasma

表4 金屬蒸氣改變導電通路機理Table 4 Mechanism of metal vapor changing current path

可以從以下3方面分析金屬蒸氣改變GMAW熔滴過渡形態機理。

1)電弧氛圍的變化。金屬蒸氣(Fe)混入電弧等離子體，降低了電弧等離子體中心的電導率，有利于焊絲端頭陽極斑點面積擴展[11]，即，使電弧爬升到熔滴上方(圖1(a))，于是滿足了GMAW噴射過渡形成3要素之保護氣體氛圍條件[12]。不難看出，金屬蒸氣的混入，完全改變了電弧的氛圍。有文獻[7]認為，電弧區域中的金屬蒸氣濃度對電弧特性和熔滴過渡的影響比不同的保護氣體成分(如氧氣、氫氣或氦氣)更大。

2)作用在熔滴上力的變化。由于金屬蒸氣混入等離子體，電弧氛圍發生了質的變化，作用在熔滴上的力的變化及熔滴過渡形成條件如表5、表6所示。可以看出，在Ar或Ar+20%CO2，以及具有低電導率金屬蒸氣CO2保護氣條件下，除了熔滴的表面張力Fσ和氣體排斥力Fq是熔滴過渡的阻力之外，其余的如電磁力Fem、等離子流力Fd、斑點壓力Fb，甚至熔滴重力Fg均為熔滴過渡的驅動力。滿足了電磁力作用方向向下條件[12]。

電弧電流：300 A圖6 熔滴溫度對電弧等離子體溫度的影響[4]Fig.6 Infuence of droplet temperature on temperature of arc plasma

表5 使用CO2、Ar及具有低電導率金屬蒸氣的CO2氣體保護焊接時作用在熔滴上力的變化Table 5 Changes in the force acting on the droplet when using CO2,Ar,and CO2 gas shielded welding with metal vapor with low conductivity

表6 3種保護氣體GMAW熔滴過渡形成的力學條件Table 6 Mechanical conditions of droplet transfer formation when three kinds of shielding gas GMAW are used

3)轉變電流。由于低電導率金屬蒸氣致使電弧中的導電通路爬升，作用在熔滴上的主導力呈現有利熔滴過渡方向，熔滴被細化；隨焊接電流增大，必然會出現熔滴直徑小于焊絲直徑的“轉變電流”。滿足了實現噴射過渡所需的存在轉變電流的條件[12]。

3 電弧中金屬蒸氣電導率的影響因素

3.1 保護氣體的影響

可以借助于表2采用反推法進行分析。當使用Ar保護氣體時，在電弧等離子體中獲得了低電導率(4 000 S/m左右)的金屬蒸氣，最大電流密度(4.1×107A/m2)分布在熔滴和固態焊絲附近，導電通路在懸垂熔滴附近向上擴展(爬升)，熔滴特細，過渡頻率特高，熔滴呈射流噴射過渡形態。當使用CO2保護氣體時，在電弧等離子體中獲得了高電導率(8 000 S/m左右)的金屬蒸氣，最大電流密度(9.9×107A/m2)集中在熔滴底部邊緣，導電通路集中在懸垂熔滴的底部邊緣，熔滴粗大，過渡頻率低，熔滴呈非軸向滴狀過渡形態。當使用Ar+20%CO2混合保護氣體時，在電弧等離子體中獲得了居中電導率(6 000 S/m左右)的金屬蒸氣，最大電流密度(6.9×107A/m2)分布介于Ar和CO2之間，導電通路在懸垂熔滴附近向上擴展(爬升幅度小于純Ar)，熔滴被細化，過渡頻率較高，熔滴呈射滴噴射過渡形態。可以看出，保護氣體類型對金屬蒸氣的影響，主要通過對電弧等離子體電導率數值的影響，進而影響熔滴過渡形態。Ar保護氣體時電弧等離子體電導率數值較低，CO2保護氣體時電弧等離子體電導率數值較高，Ar+20%CO2混合保護氣體時電弧等離子體電導率數值居中，導致了不同的熔滴過渡形態。

3.2 電弧溫度的影響

圖7[4]是2種保護氣體中不同濃度Fe蒸氣時電導率隨溫度變化的關系。可以看出，無論在Ar還是CO2保護氣體中，Fe蒸氣電導率隨溫度升高的2條曲線變化基本一致，Ar+10%Fe和CO2+10%Fe蒸氣的電導率隨溫度升高的2條曲線亦是單調上升趨勢。也就是說，Fe蒸氣電導率隨溫度升高的特性不因保護氣體種類而變化。這是由于電弧溫度升高Fe蒸氣電離度增大所致[13]。另一方面，隨電弧溫度的提高，金屬蒸氣的蒸發率增大，蒸發輻射發射增加和金屬蒸氣流入對流動的影響，不僅導致整個電弧溫度降低，而且導致等離子體中心局部溫度出現最小值[9]，致使等離子體中心電導率降低，導電通路在懸垂熔滴附近向上擴展(爬升)。最終電弧溫度的提升有利于熔滴過渡形態改善。

圖7 不同Fe蒸氣濃度時電導率與溫度的關系Fig.7 Relationship between electrical conductivity and temperature with different Fe vapor concentration

一種采用純CO2保護氣體的所謂潛弧熔化極氣體保護焊(BA-GMAW)見圖8[14]、圖9[15]，該方法就是利用大電流下潛入熔池內的電弧溫度升高，焊絲尖端Fe蒸氣蒸發率增大，致使電弧等離子體中心電導率下降，進而導致電弧導電通路部位擴展(爬升)，熔滴細化，實現噴射過渡的典型案例。

圖8 明弧焊接與潛弧焊接的區別Fig.8 Difference between open arc welding and welding with “buried arc”

圖9 潛入熔池電弧的剖面圖Fig.9 Sectional image of arc buried into molten pool

3.3 焊絲化學成分的影響

GMAW焊絲中主要元素的電離電位見表7[12].鐵基GMAW實心焊絲化學成分中Fe含量較藥芯焊絲中加入低電離電位元素K、Na以后，由于K、Na元素低的電離電位，使得電弧中電離度增大進而使等離子體中的電導率增大。然而，有文獻指出[16]，Fe蒸氣的輻射發射很強烈，降低了電弧溫度，減弱了K、Na增大電離度致使電導率提升的作用及影響。文獻[17]采用在φ1.2 mm的YGW-11基礎上添加稀土金屬(ERM)的實心焊絲，研究了不同極性與焊絲組合下，100 A和300 A電流時的電弧行為。圖10[17]是不同極性/焊絲組合的電弧和熔滴行為的比較。可以看出，1)在W0(ERM為0)焊絲焊接中，直流反接(DCEP)100 A下，呈短路過渡形態(弧長很短，電弧電壓低，極易發生短路過渡)；在300 A下呈滴狀過渡形態；直流正接(DCEN)100 A和300 A，熔滴受到電弧力排斥劇烈波動，熔滴粗大，為焊絲直徑的3倍。2)W5焊絲(含質量分數0.33‰ ERM)焊接中，直流正接(DCEN)100 A時，雖然熔滴粗大，但電弧集中在熔滴下部，抑制了熔滴搖擺；300 A電流時，形成了以焊絲尖端為頂的圓錐形電弧，熔滴呈軸向過渡，熔滴尺寸被細化到1.2 mm左右。

圖10 不同極性/焊絲組合的電弧和熔滴行為的比較Fig.10 Comparison of arc and droplet behavior with various polarity/wire combinations

表7 GMAW焊絲中主要元素的電離電位Table 7 Ionization potential of main elements in welding wire for GMAW

高，其余元素如Si、Mn、Cr、Ni、Mo的電離電位差距不大，其金屬蒸氣的電導率與Fe比較接近，從成分上看不出對電弧等離子體電導率有大的影響。但是圖11[17]是2種實心焊絲(W0和W5)在CO2氣體保護焊接中的電弧現象原理示意。表8是2種焊絲在CO2氣體保護焊接中熔滴過渡的力學條件比較。可以看出，1)采用W0焊絲、直流反接(DCEP)焊接時，阻礙熔滴過渡的力大于促進熔滴過渡的力，電弧等離子體呈圓柱形；由于電弧等離子體中心電導率高，電弧的導電通路位于焊絲底部，熔滴粗大，呈非軸向排斥過渡形態。2)采用W5焊絲、直流正接(DCEN)焊接時，促進熔滴過渡的力大于阻礙熔滴過渡的力，電弧等離子體呈錐形，電弧的導電通路位于熔滴上方，熔滴被細化，呈連續噴射過渡形態。這是由于W5焊絲中含有ERM，這些ERM的電子逸出功比較低(約為3 V)，而且ERM容易被氧化，根據“陰極斑點粘著作用”理論[10]，陰極斑點具有自動尋找低逸出功氧化膜的傾向，陰極斑點具有自動跳向溫度高、熱發射性能強物質上的特性。因此，在圖11(b)看到了電弧擴展、電弧導電通路爬升至熔滴上方、電弧等離子體呈現圓錐形等一系列電弧現象。

表8 2種焊絲CO2氣體保護焊接中熔滴過渡的力學條件比較Table 8 Comparison of the mechanical conditions of droplet transfer in CO2 gas shielded welding with two welding wires

圖11 CO2氣體保護電弧焊中的電弧現象原理Fig.11 Principle of arc phenomena in CO2 gas shielded arc welding

4 金屬蒸氣控制熔滴過渡方法及工程應用評價

數值模擬研究預測[4]，可以通過控制金屬蒸氣的電導率來調節熔滴過渡現象。然而，卻很少看到在GMAW中被使用的報道(更不用說成功的工程應用案例了)。可能的原因是控制電弧中金屬蒸氣的電導率非常復雜，尚未取得突破性成果或關鍵性試驗數據。從金屬蒸氣的影響因素來看，采用Ar或Ar+20%CO2保護氣體時比較容易實現大電流噴射過渡；然而采用純CO2保護氣體時，幾乎不可能實現大電流噴射過渡[13，18-19]。采用改變焊絲成分，雖然有焊絲中加入ERM，在CO2氣體保護焊中、直流正接(DCEN)時出現了細化熔滴噴射過渡形態的案例[5，17]，但文獻并未闡明CO2氣體保護焊直流正接(DCEN)時含有稀土金屬蒸氣對形成噴射過渡的機理，而且缺乏大面積的推廣應用案例。實心焊絲主要化學成分蒸氣的電導率與Fe元素比較接近，無法大幅降低電弧等離子體中心的電導率；藥芯焊絲中的K、Na低電離電位元素對電弧等離子體中心的電導率的影響，被Fe蒸氣的影響所抑制。采用提高電弧溫度的方法是值得關注的研究方向。此前文中已經提及的潛弧焊工藝，可以算是提高電弧溫度，控制金屬蒸氣電導率來調節熔滴過渡現象的成功案例，其關鍵技術是必須有效控制穩弧性。此外，還可以采用雙絲雙弧GMAW(純CO2保護氣)，以及其他電弧(不含Ar或Ar+20%CO2保護氣體)+GMAW(純CO2保護氣)復合工藝方法。通過控制金屬蒸氣的電導率來調節熔滴過渡現象，實現純CO2保護氣體時的噴射過渡，尚需進一步研究其中的關鍵技術。

5 結論

1)在大電流和相應焊接參數及不同保護氣體中焊接時，電弧等離子體中心蒸氣的電導率不同，致使電導通路部位各異，最終促成了不同的(射流、射滴和滴狀)熔滴過渡形態。

2)金屬蒸氣降低了電弧等離子體中心的電導率，使電弧中電導通路擴展，作用在熔滴上的主導力方向有利熔滴過渡，完全滿足了熔滴噴射過渡形成條件。

3)保護氣體類型、電弧溫度以及焊絲成分對金屬蒸氣的影響，主要取決于其對電弧等離子體電導率變化的影響。

4)通過控制金屬蒸氣的電導率來調節熔滴過渡現象，實現純CO2保護氣體時的噴射過渡，尚需進一步研究其中的關鍵技術。