焊絲直徑和保護氣體對GMAW熔滴過渡形態的影響

孫咸

（太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024）

焊絲直徑和保護氣體對GMAW熔滴過渡形態的影響

孫咸

（太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024）

綜述了焊絲直徑和保護氣體對GMAW熔滴過渡影響的新發現。研究表明，對于直徑小于0.90 mm焊絲，轉變電流后熔滴的平均直徑并未小于原來的焊絲直徑。隨著焊絲直徑的減小，臨界電流呈減小趨勢，但超細焊絲未測出這種趨勢。直徑小于0.90 mm的焊絲，增大電流不發生轉變，是因為焊絲直徑不能明顯改變陽極斑點面積，電弧無法爬上熔滴。CO2對較細焊絲熔滴過渡轉變的影響，并未遵循隨著CO2含量的增大，轉變電流提高的一般焊絲的模式。無論焊絲直徑如何，用含30﹪以上的CO2保護氣體時，排斥過渡仍占主導地位。

熔滴過渡形態；焊絲直徑；保護氣體；GMAW；轉變電流

0 前言

熔化極氣體保護焊（GMAW）以其高效、自動化程度高等優勢在工業上獲得廣泛的應用。焊絲直徑作為一種焊接參數，工程上在選用時更多考慮的是效率和焊接質量問題。保護氣體種類的選用除了效率和焊接質量外，焊接成本也在考慮之列。CO2氣體比Ar更富產、易獲得，且成本更低。但是純CO2氣體保護焊工藝質量差，飛濺很大[1]。如果改用含有大量CO2的混合氣體，并且能保證焊接質量和效率，工業上將具有巨大的推廣價值[2-3]。工程上對于焊絲直徑的關注僅限于直徑1.2～1.6 mm的焊絲，常與焊縫位置、工件尺寸等匹配使用；對于保護氣體的關注，一般需進行工藝評定后擇優選用。對于前者，很少關注焊絲直徑小于1 mm的工藝行為；對于后者，配套直徑1.2～1.6 mm的焊絲的那些保護氣體，在小于1 mm焊絲中會發生什么問題？凡此種種，從未見文獻報道。況且直徑小于1 mm焊絲熔滴過渡機理是否還遵循已有理論？這些都是未知。為此，本研究特意將熔滴過渡形態與影響因素相聯系，探討細焊絲直徑和保護氣體對熔滴過渡形態的影響。該項研究對GMAW的進一步推廣應用、焊接設備的創新研發，以及GMAW熔焊理論的拓展，具有一定的參考價值和實用意義。

1 GMAW熔滴過渡形態

1.1 GMAW電弧形態及熔滴過渡形態分類

GMAW短路時，會出現電弧瞬間熄滅，此時電弧形態屬于斷續、活動型。GMAW非短路時，電弧是在焊絲端頭整個截面上產生的，并未出現電弧瞬間熄滅，此時的電弧形態應屬于連續、活動型[4]。焊絲端部熔化金屬過渡到熔池中，有3種基本過渡形態：大滴過渡、噴射過渡和短路過渡。①大滴過渡。熔滴的直徑接近或大于焊絲直徑，在重力作用下，脫離焊絲非連續地過渡到熔池中。φ（Ar）98%+φ（O2）2%保護氣GMAW焊接鋼時的大滴過渡情況如圖1a所示[5]。大滴過渡通常不平穩，易產生飛濺。無論哪種保護氣體，在較小焊接電流時都能產生大滴過渡。②噴射過渡。發生在臨界電流以上，細小的熔滴在電磁力作用下沿著焊絲軸線以較高頻率和速度通過電弧空間。φ（Ar）98%+φ（O2）2%保護氣GMAW焊接鋼時的噴射過渡形態如圖1b所示[5]。噴射過渡非常穩定、無飛濺。臨界電流值取決于焊絲的材料和直徑、保護氣體的成分等。③短路過渡。當焊絲與熔池接觸時，焊絲端部的熔化金屬在表面張力作用下脫離焊絲過渡到熔池中。短路過渡發生在細焊絲和小電流條件下。這種過渡形態產生小而快速凝固的焊接熔池，適合于焊接薄板、全位置焊接和有較寬間隙的搭橋焊。

圖1 φ（Ar）98%+φ（O2）2%保護氣GMAW焊接鋼時的熔滴過渡

1.2 GMAW熔滴過渡形態影響因素

（1）保護氣體類型。3種常用保護氣體GMAW焊絲熔滴過渡形態對比如表1所示。由表1可知，2類焊絲、3種氣體共有6種過渡形態。純CO2時，實心焊絲有2種過渡形態，藥芯焊絲只有1種；純Ar時，實心焊絲有2種過渡形態，藥芯焊絲電弧不穩、成形不好；φ（Ar）80%＋φ（CO2）20%混合氣體時，實心焊絲和藥芯焊絲都在超過臨界電流后實現了細顆粒軸向噴射過渡形態。

（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：①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；②加入活性氣體成分后，臨界電流普遍減小（個別亦有增大者，如H18-8和H08Mn2Si）；③同一焊絲不同保護氣時，臨界電流也有變化。從表1還可以推出，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，過渡形態定會有差異。

表1 不同保護氣體下GMAW焊絲的熔滴過渡形態

表2 實心焊絲成分對臨界電流的影響（直徑φ1.2 mm）

（3）焊接參數。工藝參數對焊絲熔滴過渡形態的影響如表3所示，由表3可知，在涉及焊絲熔滴過渡形態的5種工藝參數中，關鍵參數是焊接電流和電弧電壓。所有參數間的正確匹配至關重要。一旦匹配失當，熔滴過渡形態變異，會嚴重影響焊絲的工藝質量。

表3 工藝參數對焊絲熔滴過渡形態的影響（純CO2氣保護）

2 焊絲直徑對GMAW熔滴過渡形態的影響

2.1 焊接電流對熔滴尺寸的影響

由圖2可知，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，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變成小于焊絲的直徑，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的焊絲，雖然也發生熔滴的從大到小的轉變，但是轉變后熔滴的平均直徑并未變得小于原來的焊絲直徑（見圖3、表4）。熔滴直徑小于焊絲直徑的傳統噴射過渡定義不再適用于小直徑焊絲[6]。

由圖3和表4可知，轉變電流后，除了直徑1.14 mm焊絲熔滴平均直徑略變小，其余細焊絲熔滴平均直徑并未減小，而是有所增大。其原因可能是焊絲直徑的減小，對熔滴變細有一定的限度，繼續減小焊絲直徑不能明顯改變陽極斑點面積，電弧無法爬上熔滴，因此不會發生過渡形態轉變[6]。

2.2 焊絲直徑對轉變電流的影響

焊絲直徑與臨界電流的關系如圖4所示，由圖4可知：①隨著焊絲直徑的增大，臨界電流呈上升趨勢。這是因為焊絲直徑大，則電流密度小，熔化焊絲所需的熱量增加，形成噴射過渡的臨界電流值也隨之增大。②不同保護氣時，2條曲線不盡相同。總趨勢是φ（Ar）90%+φ（CO2）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、熔滴表面張力的影響不同。在Ar中加入O2和CO2使熔滴表面張力降低，都可降低臨界電流值。可是由于Ar中加入φ（CO2）10%氣體的氧化作用弱于Ar中加入φ（O2）2%，因此前者的臨界電流值高于后者。③超細焊絲時未測出明顯的臨界電流。因為熔滴尺寸不小于焊絲直徑，不遵循一般較粗焊絲的熔滴轉變模式。

2.3 焊絲直徑對熔滴過渡轉變的機理

試驗表明，當電弧覆蓋熔滴表面時，粗滴狀向噴射過渡轉變發生。并有證據表明，當電弧覆蓋整個熔滴時，從粗滴狀到噴射的過渡發生了。熔滴的電弧包絡將改變熔滴上作用力的分布，直接影響過渡形態[6]。

圖2 不同焊絲的熔滴形態轉變區（φ（Ar）90%+φ（CO2）10%）

圖3 焊絲直徑與噴射過渡熔滴平均直徑的關系（φ（Ar）90%+ φ（CO2）10%）

表4 焊絲直徑與轉變電流后熔滴的平均直徑

圖4 焊絲直徑與臨界電流的關系

焊絲直徑對從粗滴狀過渡到噴射過渡轉變有影響，如圖5a所示。在一個給定的電流和保護氣體成分時，電弧包覆點是位于最大焊絲熔滴下方。當焊絲直徑減小時，由于電流密度保持不變，電弧包覆點爬上熔滴（陽極斑點面積擴大）。當焊絲直徑變得足夠小時，電弧包覆點移動到熔滴上方，導致熔滴從粗滴狀向噴射過渡的轉變，其明顯特征是熔滴直徑小于焊絲直徑。但是焊絲直徑繼續減細超過一定范圍（見表4），直徑1.14 mm時可發生過渡轉變，但直徑小于0.90 mm，增大電流不發生轉變，因為熔滴尺寸不再減小（不小于焊絲直徑）。此時（見圖5b）焊絲直徑不能明顯改變陽極斑點面積，電弧無法爬上熔滴，熔滴不被細化，沒有轉變發生（高速攝影照片不顯示電弧熔滴的包絡和噴射過渡特征）。這一最新發現可能為當前脈沖技術研究領域提供新的課題。

圖5 焊絲直徑與熔滴過渡關系機理示意

3 保護氣體對細焊絲熔滴過渡形態的影響

在保護氣體中添加CO2導致電弧收縮，提高了轉變電流，同時降低了過渡頻率，當CO2高達25%時，無論電流如何，排斥過渡是熔滴過渡的主導模式。據報道，當CO2濃度從0增加到100%時，陽極斑點電流密度從7×103A/cm2增加到3.3×104A/cm2。計算表明，CO2電弧被更多地壓縮。隨著保護氣中CO2含量增大，3種較細焊絲轉變電流的變化趨勢如圖6所示。可以看出，對于1.14 mm焊絲，曲線呈上揚態勢，但上升幅度不大，僅從260 A增至333 A，對轉變電流影響效果甚微；對于0.58 mm和0.90 mm焊絲，曲線基本不升，尤其是0.58 mm焊絲，甚至略有下降。后2種焊絲的情況表明，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，即隨著CO2含量增大，電流密度提高，電弧被壓縮，轉變電流提高（因為陽極斑點需要較大電流來包覆熔滴實現轉變）。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[6]。

圖6 保護氣體成分對轉變電流的影響

4種直徑焊絲在不同CO2含量保護氣焊接時的熔滴過渡形態如表5所示。由表5可知，對于前3種焊絲，CO2含量為20%時，熔滴呈軸向過渡，電弧穩定，工藝尚好；CO2含量超過20%時出現排斥與軸向混合過渡，甚至以排斥為主導，電弧不穩、飛濺大，工藝變差。無論焊絲直徑如何，用含有30%以上的CO2保護氣體成分時，排斥過渡仍占主導地位。

對于直徑0.41 mm的超細焊絲，在φ（Ar）80%+ φ（CO2）20%時出現較粗焊絲更多的排斥過渡形態。試驗研究發現，該焊絲轉變后的熔滴直徑并不隨焊絲直徑按比例減少，只是熔滴大小較均勻。這種現象與以往的規律相悖（焊絲直徑減小后熔滴細化，可能導致電弧上爬到熔滴，迫使從大熔滴到噴射過渡轉變，如圖5a所示）。可以用圖5b予以解釋：實際上超細焊絲并未明顯改變陽極斑點面積，電弧無法爬上熔滴，因此沒有發生轉變。

表5 幾種混合保護氣體的熔滴過渡形態

4 結論

（1）GMAW非短路時，電弧形態應屬于連續、活動型；熔滴有3種基本過渡形態：大滴過渡、噴射過渡和短路過渡。影響GMAW熔滴過渡形態的因素主要是保護氣體種類、焊絲成分和焊接參數。

（2）對于直徑小于0.90 mm焊絲，轉變電流以后熔滴的平均直徑并未變得小于原來的焊絲直徑，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。隨著焊絲直徑減小，臨界電流呈減小趨勢，但超細焊絲未測出這種趨勢。

（3）對于直徑小于0.90 mm的焊絲，增大電流不發生轉變，熔滴尺寸不小于焊絲直徑，是因為焊絲直徑不能明顯改變陽極斑點面積，電弧無法爬上熔滴。這是該領域內最新發現。

（4）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，即隨著CO2含量的增大，轉變電流提高。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。

（5）無論焊絲直徑如何，用含有30%以上CO2保護氣體成分時，排斥過渡仍占主導地位。

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Effect of electrode diameters and shielding gases on droplet transfer form in GMAW

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

In this paper，a new discovery of the influence of electrode diameter and shielding gas on the GMAW droplet transfer was reviewed.The results show that the average droplet diameters do not become smaller than the electrode diameters after the transition current，for the electrode with less than 0.90 mm diameter.As the electrode diameter decreases，the critical current shows a decreasing trend，but the trend of this kind of change is not detected in the superfine electrode.For with diameter less than 0.90 mm，transition does not occur when the current increases，because the electrode diameter can not change the anode spot area obviously，arc can not climb up the molten droplets.The effect of CO2on the transition of the droplet transfer in the fine electrode does not follow the normal electrode transfer mode that the transition current is increased as the CO2content increases.Repelled transfer is dominant with shielding gas compositions containing more than 30%CO2regardless of electrode diameter.

droplet transfer form；electrode diameter；shielding gas；gas metal arc welding；transition current

TG421

C

1001－2303（2017）08－0009-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.02

本文參考文獻引用格式：孫咸.焊絲直徑和保護氣體對GMAW熔滴過渡形態的影響[J].電焊機，2017，47（08）：9-14.

2017-04-10

孫 咸（1968—），男，教授，主要從事焊接材料及金屬焊接性方面的研究和教學，對焊接材料軟件開發具有豐富經驗；獲國家科技進步二等獎1項（2000年），省（部）級科技進步一等獎2項，二等獎3項，發表學術論文160多篇；1992年獲國務院頒發的政府特殊津貼。E-mail：sunxian99@163.com。

本文參考文獻引用格式：孫咸.焊絲直徑和保護氣體對GMAW熔滴過渡形態的影響[J].電焊機，2017，47（08）：9-14.