基于工程應用的無鍍銅實心焊絲電弧行為探討

（太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024）

0 前言

隨著高效、自動化焊接方法的迅速發展，實心焊絲的用量越來越大。然而基于環保和健康前提的考慮，實心焊絲制造生產工藝的無鍍銅環保化勢在必行。所謂無鍍銅焊絲，就是焊絲表面不再電鍍銅元素，可是為了導電、防銹等目的，并不排斥焊絲表面涂有其他涂層的可能性。無鍍銅焊絲可能有多種生產工藝及品種，包括原生態無鍍銅焊絲[1]及其他環保方法生產的涂層焊絲。目前國產無鍍銅焊絲之所以不能迅速推廣應用，其主要原因是國產焊絲的質量即綜合使用性能不過關，如導電嘴易損、送絲不穩等，影響效率和焊接質量。有關無鍍銅焊絲的文獻大多數以介紹焊絲的性能、生產工藝及焊絲優點為主，涉及工程應用的不多。即使在標題中出現“應用”字樣的幾篇文獻，文中亦無具體結構應用說明等細節（如焊接參數、工藝要點、應用效果等）內容。反倒是國外有幾篇應用文獻介紹了國際名牌無鍍銅焊絲的工程應用實例[2-3]，這也從一個方面回答了國產無鍍銅焊絲的不成熟和未能大量推廣應用的原因。另一方面，廣大用戶對無鍍銅焊絲的關注度一直未減，不斷有人提出一些質量問題，如無鍍銅焊絲的品質究竟怎樣，關鍵工藝性指標如何確定？國產焊絲質量與國外名牌有多大差距等。為此，論文從工程應用入手，把電參數與熔滴過渡形態相聯系，探討無鍍銅焊絲電弧行為的關鍵工藝參數（電弧穩定性及焊接煙塵）及其影響因素。該項工作對于改進無鍍銅焊絲工藝質量、促進工程應用、研制焊絲新品種，具有一定的參考價值和實用意義。

1 工程應用中的無鍍銅焊絲熔滴過渡形態

1.1 工程應用實例

表1列出了2個無鍍銅焊絲現場施工的應用實例。

表1 無鍍銅焊絲工程應用工藝參數

第一例是混凝土泵車臂架焊接施工。臂架是混凝土泵車主要承載部件，必須有足夠的強度和剛度。單節臂架的長度5～8 m，臂架為箱體式結構，主要由腹板、翼板及筋板組成，板厚4～10 mm，視承載力大小而定。河南森源重工有限公司選用BS700MCK2鋼作為臂架材質、無鍍銅OK AristoRod69焊絲作為填充材料，在執行表1實例（1）所示焊接工藝參數的同時，特別強調組裝構件預留收縮余量、采用合理的組裝和焊接順序、正確選用焊接方法、焊接參數等工藝要點，基本解決了臂架焊接過程中的變形等工藝問題，提高了產品的質量。德國的普茨邁斯特（Putzmeister）公司生產的混凝土泵臂架長度16～62m，如圖1所示，采用S690Q級鋼板和OK AristoRod13.29無鍍銅焊絲進行GMAW焊接生產?？朔酥笆褂缅冦~焊絲質量不穩定，導致碎屑殘留在送絲系統中的堆積，以及嚴重的焊接飛濺等問題[2]。

第二例是挖掘機結構件的機械手焊接。文獻[5]介紹了20世紀90年代日本小松公司在美國的兩家工廠，采用ER70S-6型焊絲的機械手在挖掘機焊接生產中的應用。在挖掘機結構件中，箱形結構的動臂和斗桿的自動焊比例最高，它們需要長距離多道焊。動臂長度4.11～5.08 m，斗桿尺寸也在一定范圍內變化。所用材質為A36鋼板，板厚12.7～76.2 mm，50%以上的鋼板厚度為19.05～25.4 mm。采用 GMAW，保護氣體為富氬[φ（Ar）80%+φ（CO2）20%]混合氣體。在執行表1實例（2）所示焊接工藝參數，同時，特別強調嚴格控制板件裝配尺寸公差等工藝要點，以保證產品的焊接質量。文獻[2]介紹了 2006年意大利帕多瓦（Padua）的小松（Komatsu）公司在生產挖掘機時無鍍銅焊絲的成功應用。設備的主要結構和底盤是在3條高度自動化生產線制造的，這些生產線由大量機器人焊接單元組成。無鍍銅OK AristoRod12.50焊絲表現很好，焊絲直徑1.2mm，焊接電流大于400A，送絲速度大于20m/min，焊槍的導絲管長達20 m，并伴有頻繁的起弧-收弧。焊絲連續一貫的相同高性能保證了高效焊接的穩定性。沒有出現送絲問題，焊縫質量一直滿意，不但清潔，而且定位重復性好。

第一例是國內企業采用國產鋼板和伊薩OK AristoRod69無鍍銅焊絲的工程應用，而德國普茨邁斯特公司同樣在混凝土泵臂架結構焊接中使用了伊薩OK AristoRod13.29無鍍銅焊絲。前者的焊絲屬于ER110S-G型，后者的焊絲則屬于ER100S-G型。這是因為他們使用的鋼材不同，所以匹配了不同型號的焊絲。但生產效果都很滿意，顯示了無鍍銅焊絲的優越性。第二例是同一個挖掘機產品都用機器人生產，并且采用相同的工藝參數，無鍍銅焊絲取代了鍍銅焊絲后，焊絲的使用性能得到明顯的提升：飛濺小、導電嘴壽命長、過程穩定、焊接質量可靠。遺憾的是，工程中所使用的無鍍銅焊絲都是國外名牌公司的產品，很難查到有關國產無鍍銅焊絲工程應用的文獻報道。

圖1 普茨邁斯特混凝土泵

1.2 焊接電參數與熔滴過渡形態間的關系

焊接電參數與熔滴過渡形態間的關系如表2所示。

表2 焊接電參數與焊絲熔滴過渡形態的關系

由表2可知，兩種焊絲的熔滴過渡形態類型基本相同，即小電流時為短路過渡，中等電流時電弧電壓相應提高，呈現粗熔滴滴狀過渡，大電流、高弧壓時呈現噴射過渡（達到或超過轉變電流），更大電流時成形困難。兩種焊絲過渡類型的電流范圍可能存在差別，特別是轉變電流不同，無鍍銅焊絲的明顯低于鍍銅焊絲。兩種焊絲的過渡形態所對應的焊絲工藝特征不盡相同。后者比前者有所改善。其可能的原因是：無鍍銅焊絲涂層成分含有活性元素，改善電弧形態，細化熔滴，抑制CO2氣體對電弧壓縮引起的不利影響；表面防銹處理層負面作用輕微，還有送絲更加穩定等因素。至于焊接缺陷如氣孔、未熔透、未熔合、咬邊以及焊接裂紋等的產生，不僅與焊絲品質有關，更可能涉及焊接作業及其他輔助工藝等因素[6]。

施工現場選用的焊接參數（見表1）是經過實踐證明好用且可靠的參數，既體現了該焊材工藝的高效、自動化特色，又保證具有優良或滿意的工藝性。依據表2給出的關系，案例（1）使用的電流190～220 A、電壓19～22 V，以及富氬混合保護氣體，判定現場焊絲熔滴過渡形態為滴狀過渡，電壓在低限時可能有短路過渡。此時工藝性表現：電弧不太穩、飛濺較大、焊縫波紋較粗。案例（2）使用的電流400～430 A、電壓 36～37 V，以及富氬混合保護氣體，判定現場焊絲熔滴過渡形態可能為噴射過渡。此時工藝性表現：熔滴細、飛濺減小、成形良好。

無論是焊絲產品說明書還是工程施工指導性文件，都沒有特別指出焊絲熔滴過渡形態選用的必要性，以及應當選用什么樣的熔滴過渡形態。然而，熔滴過渡形態是客觀存在的規律，遵循了這些規律，焊絲操作工藝就滿意。有人甚至說，熔滴過渡形態是焊絲工藝性之綱，抓住了這個綱，工藝質量才有保障。可見，對于焊絲工藝質量而言，合理選用熔滴過渡形態具有重要的實用意義。焊絲獲得滿意熔滴過渡形態的條件：一是焊絲自身具備的，如熔滴尺寸小、焊絲水分少等要素；二是工藝參數合理匹配。二者缺一不可。工程上雖然更多關注的是產品質量、工程進展速度等問題，然而，并不排斥對先進理論的應用，并且往往是先進技術理論試驗基地或新興理論催生地。不同工程上所用焊接參數具有如此的規律性，不約而同地指向了共同的目標，亦指向了正確的熔滴過渡形態。這表明在工程施工指導性技術文件背后，熔滴過渡理論確實在起作用，它們的實用價值和理論意義應當是毋庸置疑的。

2 無鍍銅焊絲的電弧穩定性

2.1 無鍍銅焊絲與鍍銅焊絲電弧穩定性比較

所謂電弧穩定性是指電弧在焊接過程中保持穩定放電燃燒的程度，即不產生斷弧、跳躍、飄移和磁偏吹等現象的程度。影響電弧穩定性的因素包括焊接電源種類及特性、焊接電流、電弧電壓、焊絲涂層質量、焊條藥皮和焊劑成分以及電弧磁偏吹等，操作人員的熟練程度以及工件表面的清潔狀態也會對電弧穩定性產生影響。對于GMAW方法而言，影響電弧穩定性還有一個重要因素，即焊槍送絲的質量和穩定性，將在下文討論。施工現場對焊接電弧穩定性的判斷主要有以下幾種方法：一是在護目鏡下直接觀察電弧及熔滴過渡形態；二是通過觀察電焊機上的電流、電壓表指針擺動情況判斷；三是利用波形圖及其他儀器記錄和分析電弧穩定性；四是通過操作人員手感和目視綜合觀察給出判斷。

為了評價無鍍銅焊絲的工藝性能，山東臨工工程機械有限公司挑選操作經驗豐富的焊工7人，采用如表3所示的焊接參數（2種焊絲，2種焊接電流，其余參數相同），在T型接頭試板角焊縫燒焊，對ER50-6型號的鍍銅焊絲和無鍍銅焊絲進行工藝性對比試驗[7]。通過焊工燒焊過程中的目測和手感，對焊絲作出定性的比較式評價。采用了3級評定方法：①好，表示無鍍銅焊絲比鍍銅焊絲優勢明顯；②相當，表示無鍍銅焊絲與鍍銅焊絲性能一樣；③差，表示無鍍銅焊絲比鍍銅焊絲性能差。無鍍銅焊絲與鍍銅焊絲工藝性對比試驗結果如表4所示?？梢钥闯觯篴.當焊接電流I=260～320 A時，無鍍銅焊絲的電弧穩定性好評占比最高達100%，其次是焊縫成形好評占比為85.71%，操作手感好評占比為57.14%（其中認為手感明顯比鍍銅焊絲好的4人，認為與鍍銅焊絲一樣的3人，沒有人認為手感比鍍銅焊絲差）。b.當焊接電流I=300～360 A時，好評占比達100%的有兩項：電弧穩定性和焊縫成形（即分別有7人認為無鍍銅焊絲的這兩項指標比鍍銅焊絲優勢明顯）。其次是操作手感好評占比為57.14%，再次是焊接煙塵好評占比為28.57%，最后是焊接飛濺好評占比為14.29%（1人認為無鍍銅比鍍銅飛濺明顯小，6人認為無鍍銅與鍍銅飛濺一樣）。c.采用大電流時，無鍍銅焊絲的各項指標優勢凸顯，尤其是穩弧性和焊縫成形。d.兩種焊接電流試驗綜合好評占比的結果表明，無鍍銅焊絲的穩弧性和焊縫成形分別高達100%和92.86%，認為無鍍銅焊絲操作手感明顯好的達57.14%，無鍍銅焊絲的焊接煙塵和焊接飛濺的綜合好評占比分別為14.29%和7.14%，沒有人認為無鍍銅焊絲比鍍銅焊絲的差。

表4所示結果與兩種焊絲的熔滴過渡形態有關。根據表2中電參數與熔滴過渡形態關系，列出了實測兩種焊絲的熔滴過渡形態和工藝特征分析，如表5所示?？梢钥闯?，在兩種焊接電流時，鍍銅焊絲熔滴均呈現非軸向排斥滴狀過渡形態，這是因為GMAW使用φ（CO2）100%保護氣體，電弧中熔滴底部陽極斑點面積遠小于載流截面面積，電磁力作用方向向上，熔滴的表面張力和電磁力共同作用所致（見圖2）[8]，況且φ（CO2）100%保護氣體焊接并不存在轉變電流，電流繼續增大無法改變焊絲的非軸向排斥滴狀過渡形態。在兩種焊接電流時，無鍍銅焊絲熔滴均呈現滴狀過渡，這也是使用φ（CO2）100%保護氣體導致的結果。然而無鍍銅焊絲的工藝性比鍍銅焊絲有明顯改善（熔滴尺寸略小、過渡頻率增大），這是因為無鍍銅焊絲涂層成分中含有穩弧作用的活性元素及導電作用的其他元素等，在電弧中抑制了CO2的不利影響。

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表3 焊接參數

表4 無鍍銅焊絲與鍍銅焊絲工藝性對比[7]

表5 實測兩種焊絲的熔滴過渡形態及工藝特征

圖2 φ（CO2）100%、滴狀過渡規范時，鍍銅焊絲熔滴過渡形態示意[6]

2.2 無鍍銅焊絲電弧穩定性影響因素

2.2.1 保護氣體類型

不同保護氣體下兩種焊絲的電弧穩定性如表6所示。在主要焊接參數匹配條件下，φ（CO2）100%保護氣焊接時，兩種焊絲電弧都不穩，這是CO2氣體的特性決定的。而無鍍銅焊絲穩弧性稍有改善，這與焊絲涂層成分品質相關。采用φ（Ar）100%和φ（Ar）80%+φ（CO2）20%兩種保護氣體焊接時，兩種焊絲電弧都很穩定，主要是由兩種氣體特性決定的。

2.2.2 焊絲涂層成分

焊絲涂層成分對穩弧性的影響如表7所示。

兩種涂層焊絲在φ（CO2）100%保護氣焊接時，無論電流大小，電弧都不穩定，這是CO2保護氣特性決定的；盡管無鍍銅焊絲的穩弧性有所改善，然而畢竟涂層成分對CO2保護氣造成的電弧不穩控制有限，而不是完全改變。兩種涂層焊絲在φ（Ar）80%+φ（CO2）20%保護氣焊接時，電弧都變得穩定，而且均存在轉變電流，可是無鍍銅涂層焊絲的轉變電流比鍍銅涂層焊絲的小，其原因是 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體特性起到了重要作用，使其穩弧性變好，并存在轉變電流，應當是無鍍銅涂層的有效作用使其轉變電流小于鍍銅焊絲的。

表6 不同保護氣體下2種焊絲的電弧穩定性

表7 焊絲涂層成分對穩弧性的影響

2.2.3 焊接參數

在φ（CO2）100%保護氣條件下，工藝參數對電弧穩定性的影響如表8所示。在5種工藝參數中，影響明顯的參數是焊接電流、電弧電壓和電源極性。然而所有參數間的正確匹配亦是至關重要的，一旦匹配失當，穩弧性惡化，會嚴重影響焊絲工藝質量。

表8 工藝參數對2種焊絲電弧穩定性的影響（φ（CO2）100%保護氣，焊絲直徑1.2 mm）

（1）壓緊滾輪結構設計。送絲機中送絲滾輪是向焊絲施加推力的關鍵零件，要求持續、穩定、均勻地壓緊推送焊絲又不可把焊絲壓扁，因此必須正確選材、合理設計送絲滾輪的結構形狀和加工工藝。如果設計不合理或選材、加工工藝有問題，送絲滾輪一旦打滑或不均勻給力，電弧必然不穩。

（2）送絲滾輪壓力調整。對于結構設計合理的送絲機滾輪，當壓力調整不當，壓力過大會把焊絲壓扁，壓力過小推力不足，送絲不穩也會影響穩弧性。鑒于無鍍銅焊絲與鍍銅焊絲涂層的性能不同，壓緊輪施加壓力應有所差別，前者壓緊輪壓力不可太大，壓力太大容易破壞表面涂層，進而影響送絲，以致于粘結導電嘴。

（3）送絲滾輪上有污染物。當焊絲涂層與焊芯結合強度不太牢時，在送絲滾輪壓力作用下有可能剝裂（而非剝落），進入導絲管后有可能剝落，在導絲管內聚集，增大送絲阻力，影響穩弧性。有資料顯示，無鍍銅焊絲的涂層比鍍銅焊絲結合強度高，不容易在導絲管聚集碎屑，不會影響穩弧性[2]。

（4）送絲軟管內徑、長度及管內異物。送絲軟管是把送絲滾輪出來的焊絲傳輸到焊槍導電嘴的傳輸通道零件，既有導向作用，又有增強焊絲剛性、防止彎折的保護作用。送絲軟管是用彈簧鋼繞制，能夠保證通道暢通，平穩、勻速送絲。軟管內徑過小，焊絲與軟管內壁間的接觸面積增大，增加送絲阻力；軟管內徑過大，焊絲在軟管內呈波浪形送進，同樣會增大送絲阻力。這兩種情況干擾甚至破壞焊絲平穩送進，進而影響穩弧性，因此軟管內徑與焊絲直徑須保持一定關系，如表9所示。軟管長度太長，也會增大送絲阻力。文獻[2]表明，無鍍銅焊絲的送絲軟管可以長達20 m，焊絲的涂層質量和軟管技術含量必有創新之處。送絲軟管內異物多（如涂層碎屑等），同樣影響穩弧性。

表9 軟管內徑與焊絲直徑的關系

（5）導電嘴材質、規格。導電嘴是焊絲獲得電源提供電流的關鍵零件。導電嘴的耐磨性與所用材質相關。生產應用表明，鉻鋯銅材質的導電嘴比紫銅材質的更耐磨。紫銅導電嘴導熱快、易變形，導致送絲不暢，影響穩弧性。導電嘴的規格尺寸必須與使用的焊絲直徑保持一定關系，如表10所示。導電嘴內徑過大接觸點小，導電和導向性不好，造成送絲不穩定；導電嘴內徑過小則送絲阻力增加，送絲不暢，過程不穩定，電弧當然不穩。導電嘴嚴重磨損后，內徑擴大，送絲必然不穩，穩弧性變差。有資料顯示，無鍍銅焊絲對導電嘴的磨損率較小（換言之，無鍍銅焊絲用導電嘴壽命長），穩弧性比鍍銅焊絲好，如圖3所示[2]。

表10 導電嘴孔徑與焊絲直徑的關系

圖3 導電嘴磨損

3 無鍍銅焊絲的焊接煙塵

在熔化極氣體保護焊（GMAW）過程中，實心焊絲在電弧中熔化、蒸發、凝固后產生的氣態和極細微顆粒狀物質（包括氣體、煙霧、灰塵等），統稱為焊接有害物質。焊接煙塵中存在大量可吸入物質，一旦進入人體會對健康產生危害。焊接煙塵是電弧行為的重要部分，也是無鍍銅焊絲的一個關注點。文獻[9]使用福尼斯（Fronius）電源和焊接機器人，采用表11所示的焊接參數進行熔化極氣體保護焊，并收集3種焊絲焊接煙塵，實測其煙塵形成率（FFR）。

表11 試驗焊絲使用的焊接參數

表12和圖4是實測3種焊絲樣品的煙塵形成率與銅含量間的關系[9]?？梢钥闯觯?號無鍍銅樣品中含銅量僅0.001%（微量），2號鍍銅樣品中含銅量為0.083%，3號鍍銅樣品中含銅量為0.13%。1號的煙塵形成率0.387 g/min，2號為0.495 g/min，3號為0.537 g/min。2、3號鍍銅樣品的煙塵形成率比無鍍銅1號樣品高，分別比1號凈增加18.6%和38.8%，但煙塵形成率的增加與焊絲中銅含量的增加不成正比關系。

鍍銅與無鍍銅焊絲焊接煙塵排放率比較如圖5所示。可以看出，當焊接電流250～300 A時，無鍍銅SE-A50S焊絲銅煙塵的排放率幾乎為0，而鍍銅焊絲的銅煙塵的排放率高達4.9～5.3 mg/min。根據OSHA（職業安全與衛生管理局）標準，SE-A50S焊絲也有助于達到0.1 mg/m3的Cu煙氣PEL（允許暴露水平）[3]。

表12 試驗焊絲銅含量及煙塵形成率的增加

圖4 煙塵形成率與試樣銅含量的關系

圖5 鍍銅焊絲和SE-A50S焊絲的銅煙塵排放率

4 結論

（1）工程條件下，大電流、強規范（含高的電弧電壓）施工，在富氬混合氣體保護下，無鍍銅焊絲的熔滴過渡形態是噴射過渡，但當電流較小、電弧電壓較低時，可能為滴狀過渡，甚至（電壓很低時）是短路過渡形態。

（2）無鍍銅焊絲涂層中的活性元素等物質，在電弧中抑制了CO2氣體對穩弧性的不利影響，使無鍍銅焊絲比鍍銅焊絲具有更優異的穩弧性。

（3）在4種穩弧性影響因素中，不可低估送絲機和焊槍結構中幾個關鍵零件可能帶來的不利影響。

（4）無鍍銅焊絲的含銅量幾乎為0，鍍銅焊絲的焊接煙塵形成率比無鍍銅焊絲凈增加18.6%和38.8%，但煙塵形成率的增加與焊絲中銅含量的增加不成正比關系。無鍍銅SE-A50S焊絲銅煙塵的排放率幾乎為0。