（太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024）

0 前言

串聯GMAW是單絲GMAW的延伸工藝，具有焊接速度快、熔敷速率高、抗氣孔、熱輸入低等一系列優(yōu)點，適用于汽車、軌道交通、造船、鍋爐制造、工程機械、建筑機械、煤礦機械等領域，已經有一些工程應用的報道，具有廣闊的應用前景[1-2]。但該工藝并非盡善盡美，在一些情況下，在串聯GMAW焊縫的焊趾處發(fā)現了一種所謂冷搭接（Cold lap，亦可譯為冷隔）微區(qū)未熔合缺陷[3]。該缺陷尺寸小、難檢測，但屬于帶缺口類缺陷，可能對焊接結構的疲勞壽命產生不利影響。迄今為止，有關冷搭接缺陷的研究，國外文獻非常有限，而國內研究未見報道。鑒于串聯GMAW工藝方法的先進性和推廣價值，繼續(xù)開展有效防止冷搭接缺陷產生的研究，不僅對工程應用十分必要，而且具有一定的理論研究意義。為此，本研究首次將冷搭接的形態(tài)、性質與其形成機理相聯系，探討串聯GMAW熔焊行為與冷搭接形成間的關系及冷搭接控制原理。該項研究對深入了解串聯GMAW工藝的熔焊原理，全面提升串聯GMAW焊縫質量，具有一定的參考意義和實用價值。

1 串聯GMAW焊縫中冷搭接的形態(tài)及性質

1.1 串聯GMAW焊縫中冷搭接的形態(tài)、種類

采用φ1.2 mm實心碳錳鋼焊絲（G3Si1 EN ISO 14341－A）和 φ（Ar）92%＋φ（CO2）8%混合保護氣體,以單道水平位置對I型坡口對接接頭（間隙0～1 mm）冷成型鋼板 S355 MC（EN 10149－2）進行雙絲串聯GMAW焊接（前絲和后絲保持一定角度及距離）。每條焊縫長約300 mm。焊前對母材進行噴砂處理。每個電源的保護氣流量恒定在15 L/min。電源極性為直流反接。試驗用材料的化學成分及焊接工藝參數分別見表1和表2[3]。

表1 母材和焊絲的化學成分[3] %

表2 焊接工藝參數[3]

使用放大鏡沿焊縫縱向焊趾部位進行宏觀檢查（見圖1），并對可疑部位切片、制樣進行顯微金相（光學和掃描電鏡）分析。發(fā)現了3種形態(tài)的冷搭接缺陷[3]。第一種，飛濺物位置非?？拷钢翰⑴c焊縫相連時形成的冷搭接，此時L＜R（見圖2a）。通常它在焊趾處呈半圓形，尺寸可以從幾毫米到10μm不等。第二種，所謂的焊瘤冷搭接，是由熔池中熔化金屬的局部溢流而在母材上沒有將其熔化引起的。通常，焊瘤冷搭接在縱軸和橫軸都可能有幾毫米的焊趾處呈半橢圓形（見圖2b）。第三種，所謂的飛濺－焊瘤冷搭接，是前兩種冷搭接的組合（見圖2c）。當L＞R（從焊趾到飛濺中心的距離（L）大于飛濺半徑（R）時）焊趾附近的飛濺與焊縫金屬的局部溢流相連而形成。通常情況下，它呈現蠕蟲狀，距離焊趾幾毫米。統(tǒng)計結果顯示，飛濺冷搭接的幾率大于焊瘤冷搭接。

圖1 焊接試樣的宏觀照片及接頭形式

1.2 串聯GMAW焊縫中冷搭接的性質及定義

試樣可疑部位的切片顯微分析顯示，焊趾處冷搭接的性質或物理本質是微小區(qū)域未熔合（見圖3）。與其他焊接缺陷，如咬邊相比較，首先外觀上看不見；況且該缺陷尺寸較小（一般在0.01～1.5 mm范圍內），且又不是貫穿性缺陷，采用常規(guī)的無損檢測（NDT）方法探測的可能性也非常低。然而，焊趾處冷搭接的微小區(qū)域未熔合缺陷會給結構的安全使用帶來隱患，因為冷搭接的微小區(qū)域未熔合顯然是焊趾處一個缺口，在交變載荷下可能引發(fā)裂紋，嚴重影響結構的疲勞壽命。

圖2 不同類型冷搭接示意

圖3 焊趾處的微小未熔合

冷搭接（Cold Lap）是學術界一個較新術語，在國內外焊接缺陷相關標準中尚未查到，只有極少文獻提及。雖然ISO標準[4]提到過一個“Overlap”缺陷（見表3），并將其定義為“過多的焊縫金屬覆蓋母材金屬表面，但沒有和母材熔合”。其中，被稱為新列入缺陷代號*5061是Toe overlap，即焊趾焊瘤，可以理解為焊趾處的未熔合?？墒窃诖朔诸愔胁⑽唇o出缺陷大小的規(guī)定，也沒有指出缺陷的種類。新國家標準GB/T6417.1-2005涉及冷搭接的表述與ISO標準完全相同[5]。

表3 ISO缺陷的分類[4]

文獻[2]將冷搭接定義為大約平行于母板表面焊趾處微區(qū)的未熔合缺陷，大致有3種類型：飛濺冷搭接、焊瘤冷搭接及飛濺-焊瘤冷搭接，如表3所示。在ISO標準[4]中提到的Overlap（焊瘤）缺陷只可能是冷搭接形態(tài)之一。

2 串聯GMAW焊縫中冷搭接的形成機理

2.1 飛濺冷搭接形成機理

當一定尺寸的飛濺落在焊縫坡口邊，該飛濺物與母材之間被氧化物所填充，處于未熔合狀態(tài)，當熔化的焊縫金屬與飛濺物相連后，飛濺物部分仍保持未熔合狀態(tài)（見圖2a）。它的生成條件：①位于坡口邊緣的飛濺物；②飛濺物下方被氧化物所填充；③熔化的焊縫金屬與坡口邊緣的飛濺物相連。

2.2 焊瘤冷搭接形成機理

焊瘤冷搭接的形成與焊瘤的形成有關。首先，當焊縫邊緣不整齊、不規(guī)則時，尤其在雙絲串聯GMAW高速焊接時，根據所謂“瑞利不穩(wěn)定”原理[6]，甚至會出現焊縫的駝峰（焊瘤）現象。實際上它是由焊縫中熔化金屬流體溢出到坡口表面形成。這部分溢出物下方也被氧化物所填充，即焊瘤冷搭接與母材間也是未熔合狀態(tài)（見圖2b）。

焊瘤冷搭接形成條件：①焊縫邊緣不整齊、不規(guī)則；②形成的焊瘤與母材接觸處存在氧化物，不可能熔合。

2.3 飛濺-焊瘤冷搭接形成機理

當坡口邊緣已經存在飛濺物，同時焊縫金屬流體溢出形成的焊瘤正好與飛濺物相遇時，便形成了飛濺與焊瘤組合式冷搭接。該冷搭接的特征是L＞R（見圖2c），即焊趾到飛濺中心距離L大于飛濺物半徑R。外觀呈蠕蟲狀，距離焊趾幾毫米。

飛濺-焊瘤冷搭接形成條件：①坡口邊緣存在一定尺寸的飛濺物；②存在形成焊瘤的過程；③形成焊瘤的過程恰好與飛濺物相遇。

綜上可以看出，焊接飛濺和熔化金屬的溢流是形成冷搭接的必要條件，但冷搭接的形成是一個復雜的過程與現象，在焊接過程中是否實際形成，還要考慮其他因素的影響。

3 串聯GMAW焊縫中冷搭接的影響因素

3.1 飛濺物與母材金屬之間氧化物的影響[3]

圖4是直徑1.8 mm飛濺放大50倍后橫斷面照片，圖中有A、B、C三個未熔合區(qū)。圖5是3個未熔合區(qū)的顯微照片?？梢钥闯?，有3個孔隙區(qū)，即未熔合區(qū)。除了C區(qū)域或多或少被完全填充外，未熔合的主要部分是空的。這些填充物的主要元素見表4。定量分析顯示，填充物是Mn和Si的氧化物。圖6是未熔合區(qū)域的掃描電子顯微照片?？梢钥闯?，其中有Fe、C和Mn、Si氧化物等物質及孔隙。分析上面實測資料認為，飛濺物表面被來自焊絲中脫氧元素形成的氧化物所包覆，落在焊趾處后，在飛濺物與母材金屬之間的界面處形成了一層絕緣層，不僅阻止熱量傳遞，而且阻止飛濺物與母材表面的充分熔合。

圖4 飛濺與母材金屬界面的橫斷面

表4 A、B、C未熔合區(qū)中的主要元素

圖5 3個未熔合區(qū)的顯微照片

圖6 3個未熔合區(qū)域的掃描電子顯微照片

3.2 飛濺物、母材及溢出金屬溫度的影響

首先，將飛濺物直徑和飛濺的距離（飛濺的中心與焊縫中心線間的距離）作為飛濺的溫度指標。飛行距離較短，尺寸較大的飛濺物，在撞擊母材金屬表面時，可能有較高溫度。反之，可能有較低溫度。同時引入未熔合比率（多個未熔合長度之和與飛濺物直徑之比）來表示飛濺與母材金屬間的熔合。比值大，表明未熔合傾向大。試驗表明，直徑小于1.0 mm的小飛濺物，具有100%的未熔合比率。隨著飛濺尺寸的增加，未熔合比率線性減小。不難看出，飛濺物的溫度對冷搭接的形成有重要影響：飛濺物溫度高，未熔合比率減小，冷搭接生成傾向小。

對于直徑在1.0～2.0 mm之間較大的飛濺物，預熱溫度較高，熔合較好；對于直徑小于1.0 mm較小的飛濺物，在所有預熱溫度下，未熔合比率都較高（高達89%～100%），溫度影響較小。

試驗表明，隨著預熱溫度的升高，導致焊瘤冷搭接形成數量減小。但是，預熱溫度和焊瘤冷搭接深度（焊縫橫向尺寸）之間，未發(fā)現清楚的相互關系。

3.3 母材表面狀況的影響

有研究指出，母材表面的氧化物（鐵銹）會增加冷搭接形成的趨勢。這是由于被破壞的表面使界面中的空氣滯留更容易，從而增強未熔合形成。因此在焊前需對母材表面進行清潔處理，而且需要控制表面粗糙度。

3.4 保護氣體的影響

保護氣體的特性明顯影響串聯GMAW熔滴過渡形態(tài)。純Ar保護焊時，盡管熔滴可能是軸向過渡，也可出現轉變電流，但存在電極斑點易飄移、電弧不穩(wěn)定現象。純CO2保護氣體焊接時，熔滴呈非軸向排斥過渡形態(tài)，不存在轉變電流，此時電弧不穩(wěn)、飛濺大。Ar－CO2混合氣體焊接時，隨混合氣體中CO2含量的減少，熔滴的非軸向過渡傾向被減小，甚至可能出現轉變電流。但混合氣體中CO2含量增大時，不僅熔滴的非軸向過渡傾向增大，而且飛濺增大，穩(wěn)弧性變差[7]。另一方面，隨著混合氣體中CO2含量的增大，電弧氧化性增強，極易形成氧化物。以上兩方面均為冷搭接形成創(chuàng)造了有利條件。

3.5 焊接參數及參數匹配的影響

為了研究串聯GMAW時焊接參數與冷搭接形成之間的關系，設計了表2中所列的試驗方案?？梢钥闯?，前絲電壓為30～33 V，變化幅度不大；后絲電壓為27～36 V，有一定變化。在8個試驗中前后絲的焊接電流均有所變化，有的前大后小，有的前小后大。這樣設置是期望通過焊接參數的變化影響過程穩(wěn)定性，進而引發(fā)熔池波動或飛濺，在不同流體流動性和潤濕性條件下，觀察冷搭接出現的幾率或特征。然而，試驗結果不盡如人意。換言之，發(fā)現冷搭接數量與焊接參數之間沒有相關性。這可能由幾方面原因所造成。首先，為了獲得無其他缺陷（如無氣孔）的焊縫，試驗參數的設置畢竟是有限的，可能沒有包含冷搭接形成的最優(yōu)條件。其次，不同參數之間復雜、強烈的相互作用，使其難以找到冷搭接數量與參數之間的關系。第三，缺少更多、更科學的試驗方法。最后，受到技術條件的限制，如缺乏有效、可靠的無損檢測方法，存在漏檢可能性。綜上，在目前試驗條件下，沒有發(fā)現焊接參數與冷搭接數量之間的相關性，但不等于焊接參數與冷搭接數量之間不存在任何相關性。

3.6 工藝方法及操作技術的影響

基于串聯DMAW方法（見圖7）自身的特性，如雙電源、雙絲、雙弧、大電流，在不影響焊接質量的前提下，提高了焊接速度和熔敷效率。然而，在一些情況下會出現雙弧電磁干擾、磁偏吹等現象，影響焊接過程的穩(wěn)定性，導致熔池波動或飛濺，進而影響熔化金屬流動性和潤濕性，不僅可能破壞良好成形，而且可能促成冷搭接缺陷形成。有文獻介紹，在串聯GMAW中，采用獨特的輸出波形，如脈沖，可以更好控制焊接熔池和電弧相互作用，減少兩弧之間的電弧干擾和電弧偏吹，減少飛濺控制熱輸入，控制熔池邊緣潤濕性、物理輪廓、側壁熔深等焊道特性?？傊?，改善電弧的穩(wěn)定性會對減少冷搭接缺陷的形成創(chuàng)造有利條件[8]。

圖7 串聯GMAW工藝原理示意

4 串聯GMAW熔焊原理與冷搭接間的關系

從冶金原理分析串聯GMAW熔焊行為對焊趾冷搭接的影響時，主要從6個方面入手，如表5所示。首先，熔池形態(tài)。雙電弧形成一個被拉長的幾何形狀焊接熔池，熔池的波動可能導致熔池熔化金屬關系的熔焊原理實質，主要集中在兩點：一是電弧穩(wěn)定性；二是熔池作用力的平衡性。前者涉及飛濺、熔滴沖擊力等電弧行為，后者則關系到熔池溢流、焊縫成形等冶金原理。二者相輔相成、相得益彰。溢流，為冷搭接形成創(chuàng)造條件；甚至受到所謂“瑞利不穩(wěn)定”原理干擾，嚴重影響焊縫正常成形。第二，電弧穩(wěn)定性。電弧穩(wěn)定時，熔滴呈軸向過渡形態(tài)，飛濺小，電弧壓力與金屬靜壓力處于平衡狀態(tài)，可抑制溢流發(fā)生，減少冷搭接的形成。反之冷搭接形成傾向增大。第三，熔滴過渡形態(tài)。熔滴呈非軸向過渡時，熔滴的側向沖擊力將導致熔體溢流，同時飛濺增大，增大了冷搭接形成傾向。反之，冷搭接缺陷減小。第四，電弧氛圍。電弧中氧化性強烈時，熔滴為非軸向排斥過渡形態(tài)，電弧不穩(wěn)、飛濺大，冷搭接傾向大。反之，冷搭接傾向小。第五，熔池溢流。熔池在多種作用力平衡下波動，當波動太強烈時，平衡失衡，出現溢流，這是冷搭接形成的必要條件。最后，熔池作用力。當電弧壓力與金屬靜壓力處于平衡狀態(tài)時，不發(fā)生溢流，冷搭接傾向小。反之，冷搭接傾向大。

歸納起來，串聯GMAW熔焊行為與冷搭接形成

表5 串聯GMAW熔焊行為與冷搭接間的關系

圖8 大電流電弧焊中的電弧壓力和金屬靜壓之間的平衡示意[6]

5 串聯GMAW焊縫中冷搭接的控制原理

根據冷搭接缺陷形成機理及影響因素，應從4方面入手對其進行控制（見圖9）。首先，采用富氬混合氣體進行焊接。富氬混合氣體電弧中氧化性較弱，一方面氧化物生成數量較少，同時保護氣中CO2成分的減少，熔滴過渡從滴狀變?yōu)檩S向噴射過渡形態(tài)（當電流達到或超過轉變電流時），導致電弧穩(wěn)定、飛濺減小，進入飛濺物與母材界面的氧化物幾率減小，最終冷搭接形成傾向減小。其次，焊前對坡口附近母材表面進行清潔處理并預熱工件。清除坡口附近表面存在的氧化物或水分的目的，是從機理上消除冷搭接與母材界面的氧化物；預熱提高母材溫度有利于焊縫金屬與母材的熔合，防止焊瘤缺陷的產生，也減少了冷搭接缺陷的形成。第三，控制熔滴過渡形態(tài)。熔滴過渡形態(tài)好，電弧穩(wěn)定、飛濺小，落在焊趾處的飛濺數量減少；同時穩(wěn)弧后熔池波動減小，導致飛濺冷搭接和焊瘤冷搭接形成傾向減小。最后，采用獨特的輸出波形電源，如脈沖波形等技術?？梢垣@得穩(wěn)定的焊接過程，熔池波動和飛濺雙減少，有助于從機制上抑制兩種主要類型冷搭接缺陷的形成。誠然，以上僅是限制冷搭接缺陷數量和尺寸的幾個可能的工藝途徑，目前尚無完全避免串聯GMAW中冷搭接形成的有效方法，此項工作的更大突破尚需深入的研究。

圖9 串聯GMAW焊趾冷搭接控制原理

6 結論

（1）在串聯GMAW焊縫焊趾處發(fā)現了3種形態(tài)的冷搭接，切片顯微分析顯示，這些冷搭接的性質屬于焊趾微區(qū)未熔合缺陷；在交變載荷下可能引發(fā)裂紋，影響結構的疲勞壽命。

（2）焊接飛濺和熔化金屬的溢流是形成冷搭接的必要條件，而飛濺物、母材及溢出金屬的溫度則是形成冷搭接的充分條件，二者缺一不可。

（3）在冷搭接缺陷6大影響因素中，飛濺物與母材間的氧化物、保護氣體是冷搭接形成的內在因素，其余基本屬于外在因素。尚未發(fā)現焊接參數與冷搭接數量之間的相關性。

（4）根據冶金學原理建立了串聯GMAW熔焊行為與冷搭接形成的關系，其要點是電弧穩(wěn)定性和熔池作用力的平衡性遭受破壞時，冷搭接缺陷形成傾向增大。

（5）提出了限制冷搭接缺陷數量和尺寸的4個可能的工藝途徑，此項工作的更大突破尚需深入的研究。