孫咸

太原理工大學焊接材料研究所 山西太原 030024

1 序言

雖然說C O2氣體保護焊存在飛濺大、氣孔敏感、氧化性強等缺點，但多年來該工藝在普通鋼結(jié)構(gòu)制作中獲得了廣泛應用，并積累了豐富的經(jīng)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(tài)，滴狀過渡形態(tài)用的較少，噴射過渡沒有應用。有關純CO2氣體保護焊文獻數(shù)量頗豐，大多涉及短路過渡形態(tài)及其應用，很難發(fā)現(xiàn)談及非短路過渡的，更不用說探討噴射過渡的文獻了。

數(shù)十年以來，專業(yè)研究人員在控制CO2氣體保護焊飛濺方面取得了許多進展，但在具有高熔敷速率的純CO2氣體保護焊噴射過渡研究方面文獻罕見。另一方面，CO2氣體保護焊實現(xiàn)噴射過渡，不僅是焊接工藝方法的重大突破和進展，而且具有重要的技術和經(jīng)濟意義。為此，本文特意將純CO2氣體保護焊噴射過渡形態(tài)與CO2氣體保護焊熔滴過渡特點及對工藝質(zhì)量的影響相聯(lián)系，探討GMAW噴射過渡形成條件，分析純CO2氣體保護焊噴射過渡形成要素及可能途徑，并介紹純CO2氣體保護焊實現(xiàn)噴射過渡的突破性研究動態(tài)。該項研究對CO2氣體保護焊進一步推廣應用、CO2氣體保護條件下噴射過渡新工藝的創(chuàng)新研發(fā)，具有一定參考價值和理論意義。

2 CO2氣體保護焊熔滴過渡特點及常用熔滴過渡形態(tài)的工藝質(zhì)量

2.1 CO2氣體保護焊熔滴過渡特點

在純CO2氣體保護焊中，當弧長比較長時，電弧在熔滴下方呈現(xiàn)連續(xù)、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(wěn)定[1]。這是由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(chǎn)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。

圖1 CO2氣體保護焊的電弧及熔滴形態(tài)示意（弧長較長時）

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(xiàn)為斷續(xù)、活動、集中型。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(tài)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(jié)果。因此，該種熔滴過渡的主導力應當是熔滴的下表面張力。短路過渡中的焊接飛濺也是比較明顯的（見圖2b第4幀）。主要由于短路瞬間短路電流增長速度過快或過慢引起的。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。

圖3 CO2氣體保護焊短路過渡的電弧及熔滴形態(tài)示意

圖4 在約150A電流下使用φ1.2mm實芯焊絲時，短路的頻率與電弧電壓的關系

圖4 是實芯焊絲短路過渡頻率與電弧電壓關系實測結(jié)果[2]?？梢钥闯?，隨電弧電壓增大，短路次數(shù)曲線先升后降，在20V電弧電壓附近出現(xiàn)峰值。從焊接飛濺情況看，隨電弧電壓提高（15～20V），過渡頻率曲線上升，飛濺減??；電弧電壓到達20V時，過渡頻率最高，飛濺最??；繼續(xù)提高電弧電壓（20～30V），過渡頻率反而下降，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(wěn)定，熔滴尚未長太大之前，就發(fā)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不太劇烈，焊接飛濺減小。電弧電壓20V時過渡頻率最大，熔滴相對最小，電弧最穩(wěn)定，飛濺最小。電弧電壓繼續(xù)提高時，熔滴非軸向長大，電弧不穩(wěn)，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。

總體上看，純CO2氣體保護焊熔滴過渡具有三大特點：①弧根面積小，電弧集中。②大熔滴非軸向排斥過渡。③氧化性電弧，焊接飛濺大。

2.2 CO2氣體保護焊常用熔滴過渡形態(tài)及其工藝質(zhì)量

熔滴過渡形態(tài)決定工藝質(zhì)量。工藝質(zhì)量的主要指標包括：焊接飛濺、焊縫成形、氣孔傾向、全位置焊接適應性，以及接頭的力學性能等。純CO2氣體保護焊常用熔滴過渡形態(tài)有兩種：短路過渡形態(tài)和滴狀過渡形態(tài)。從表1可以看出，短路過渡因其低熱輸入，適于全位置和薄、厚板焊接的優(yōu)勢，獲得廣泛應用。不足之處是焊絲的熔敷速率相對較低、厚板焊接可能產(chǎn)生未熔合，以及焊接飛濺較大等問題。滴狀過渡形態(tài)的優(yōu)點是：電流大、焊絲粗、熔化速率高，適于厚板焊接。但全位置焊接工藝性相對較差，僅適于平焊或平角焊接，且飛濺大、氣孔敏感，工程應用受限。滴狀過渡形態(tài)的焊接電流范圍為200～500A，對于直徑1.0～1.6mm或更粗一點的焊絲，隨焊接電流增大，熔滴尺寸未被細化，且工藝明顯變差。并且電弧的氧化性及大熔滴非軸向排斥過渡特點難以改變。因此，有多篇文獻明確指出，純CO2氣體保護焊時，隨焊接電流增大，沒有轉(zhuǎn)變電流出現(xiàn)，難以實現(xiàn)噴射過渡形態(tài)[3-4]。

3 GMAW中熔滴噴射過渡形態(tài)形成條件

當電弧中充滿富Ar混合氣體時，等離子弧柱體積擴大，保證熔滴過渡的軸向性。而少量的活性氣體O2或CO2混入電弧，增加了電弧的氧化性，可降低熔滴表面張力。當焊接電流達到或超過轉(zhuǎn)變電流時，焊絲中高的電流密度使熔滴溫度升得很高，表面張力降低。與此同時，作用在熔滴上的電磁力也迅速提高，且很快大于熔滴的表面張力。在很強的電磁夾持力（收縮力）作用下，焊絲端熔化金屬變細形成所謂鉛筆尖狀，從鉛筆尖端不斷射出小于焊絲直徑的細熔滴。電磁夾持力猶如一個強有力的縮口，迅速分離熔滴，及時收縮焊絲端部，有效限制熔滴長大，致使熔滴以較高頻率穿越電弧過渡（見圖5）。

表1 純CO2氣體保護焊熔滴過渡形態(tài)的焊接工藝質(zhì)量對比

仔細觀察恒流噴射過渡可分為射滴噴射、射流噴射和旋轉(zhuǎn)噴射3個不同階段（見圖6）。第一階段，焊接電流盡管已經(jīng)達到或超過轉(zhuǎn)變電流，但超越數(shù)值不是太大，作用在熔滴上電磁夾持力的提高，以及作用在熔滴上表面張力的降低尚未達到最佳值，熔滴尺寸雖然小于焊絲直徑，過渡頻率也算較高，但從慢放的高速攝影視頻上，只是一連串珠式過渡，尚未形成熔滴流，此為射滴噴射過渡。第二階段，隨著電流繼續(xù)增大，在焊絲末端的筆尖處呈現(xiàn)出極細水流般的細滴流，此時轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鲊娚溥^渡。最后階段，不但在更大電流下，而且所用焊絲干伸長較長時，由于強磁場的作用，熔化金屬純粹是流動的，因此連續(xù)流體（stream ）是旋轉(zhuǎn)的，此為旋轉(zhuǎn)噴射過渡。

圖6 各種熔滴過渡形態(tài)下的電弧電壓與焊接電流[4-5]

歸納上述過程不難看出，GMAW噴射過渡的實現(xiàn)取決于三個要素：①富氬混合保護氣體。該電弧的特性使陽極斑點的面積始終大于載流截面面積，即電弧始終處在熔滴上方，從而導致熔滴過渡的軸向性[6]。②電磁力作用方向向下。電磁力作用方向與陽極斑點面積大小有關，當陽極斑點面積大于載流截面面積時其方向向下（見圖5）。在強電磁收縮力作用下，比焊絲直徑小得多的熔滴被分離，非常有利噴射過渡。③焊接電流等于或大于轉(zhuǎn)變電流。此時熔滴的表面張力變得足夠小，電磁力足夠大，電磁夾持力對焊絲鉛筆尖的極細熔滴不斷擠壓分離。速度非?？?，間隔非常小，熔滴來不及長大，迅速形成“金屬流”，穿越電弧進入熔池。①是必要條件，②和③是充分條件，三者缺一不可。

4 純CO2保護氣的GMAW熔滴噴射過渡形態(tài)形成要素分析

（1）分析保護氣體種類 純CO2在電弧中的理化特性：電場強度大，熱收縮效應大（CO2高溫分解吸熱），弧柱電位梯度大，致使電弧斑點面積小。在長弧焊時，盡管電弧在熔滴下方隨熔滴擺動飄移不定，但始終保持連續(xù)燃燒，呈現(xiàn)明顯的集中型電弧形態(tài)。集中型電弧使熔滴上的斑點壓力作用方向向上，再加上CO2分解膨脹產(chǎn)生的向上的氣動力，以及熔滴自身向上的表面張力，這幾種向上的作用力把正在長大的熔滴推離焊絲軸向，呈現(xiàn)明顯的大熔滴非軸向排斥過渡形態(tài)。只要CO2在電弧中的理化特性不改變，這種熔滴的非軸向性不會改變，大熔滴不會被細化，更不可能實現(xiàn)噴射過渡。

其中，實際邊際成本表示進口一單位中間品需要支付給國外中間品廠商的實際成本(以國外的單位勞動力來衡量)，imc表示使用一單位國內(nèi)中間品需要支付給本國中間品廠商的實際成本(以本國的單位勞動力來衡量)，本國的工資為w，εk表示本國與進口中間品來源地k的名義匯率(間接標價法)，wk表示進口目的k地的工資，F(xiàn)j表示本國出口到目的地j的固定成本。

（2）分析電磁力的作用方向 研究表明：熔滴上的電磁力作用方向與陽極斑點面積有關。當陽極斑點面積大于載流截面面積時，其方向向下，有利于熔滴過渡（見圖5）。純CO2焊接時，情況相反（見圖7），熔滴底部陽極斑點面積遠小于載流截面面積，電磁力作用方向只能向上，阻礙熔滴過渡，不利于形成細小熔滴的噴射過渡[6]。

圖7 100%CO2、滴狀過渡規(guī)范時，作用在熔滴上的電磁力方向[6]

（3）分析臨界轉(zhuǎn)變電流 純C O2焊接時，在200～500A之間，隨焊接電流增大，飛濺增大、成形惡化，但熔滴尺寸未被細化，也就是說，不會出現(xiàn)所謂臨界轉(zhuǎn)變電流，談不上實現(xiàn)噴射過渡。

綜上，實現(xiàn)噴射過渡形成條件三要素，缺一不可。然而，純CO2焊接時，與所謂噴射過渡三要素背道而馳，不存在任何噴射過渡有利要素。因此，按照常規(guī)思路，純CO2焊接基本上無望實現(xiàn)噴射過渡。然而，在當今“一切皆有可能”的高科技時代，也可能出現(xiàn)不可思議的奇跡，只是時間問題。

5 實現(xiàn)純CO2保護氣的GMAW熔滴噴射過渡形態(tài)的可能途徑及新進展

5.1 實現(xiàn)純CO2保護氣的GMAW熔滴噴射過渡形態(tài)的可能途徑

（1）采用混合氣體（80%Ar+20%CO2） 富Ar混合氣體保留了Ar氣在電弧下的某些重要特性，如等離子體弧柱擴大、細熔滴軸向過渡等；少量CO2的混入又引入活性氣體的特征，使其具有氧化性，克服了純Ar氣保護時表面張力大、液態(tài)金屬粘稠、電弧斑點易飄移、焊縫剖面不理想等問題。具備了噴射過渡形成三要素：熔滴過渡軸向性、電磁力方向向下、存在細熔滴轉(zhuǎn)變電流。但此法改變了純CO2焊接前提條件，與本文主題相悖。

（2）采用活性焊絲 所謂活性焊絲是指焊絲表面涂有活性元素的實芯焊絲。由于活性元素的電離電位低，提高了焊絲的電子發(fā)射能力，弧柱擴展，弧根面積擴大，熔滴的非軸向傾向有所抑制。但只有在富Ar混合氣體條件下才可獲得軸向噴射過渡，混合氣中CO2的含量最高可達30%，無鍍銅焊絲的轉(zhuǎn)變電流比鍍銅的低36A，見表2?？梢姡朔椒ㄈ孕枰淖兗僀O2焊接前提條件，也與本文主題相悖。

表2 不同富氬混合氣體時的轉(zhuǎn)變電流[7]

（3）采用T.I.M.E.焊接工藝 T.I.M.E.焊接工藝是在傳統(tǒng)MAG工藝基礎上開發(fā)的一種高熔敷率氣體保護焊新工藝。該工藝的主要特征是（見表3）：①采用四元混合保護氣體。主要有以下4種混合氣體： 0.5%O2+8%CO2+26.5%He+65%Ar；30%He+10%CO2+60%Ar；8%CO2+92%Ar+300×10-6NO；2%O2+25%CO2+26.5%He+余Ar。②高送絲速度。傳統(tǒng)MAG/MIG焊的送絲速度在5～16m/min之間，最高可達20m/min。而T.I.M.E.焊接工藝的最高送絲速度高達50m/min。③大的干伸長。傳統(tǒng)MAG/MIG焊的干伸長為1～15mm，而T.I.M.E.焊為20～35mm。④極高的焊絲表面質(zhì)量。為的是增加電導率，減小送絲波動性。⑤具有恒壓外特性的專用高性能焊接電源，采用水冷式導電嘴和噴嘴等裝置。⑥T.I.M.E.焊接工藝的熔滴過渡有短路過渡、噴射過渡及旋轉(zhuǎn)射流過渡三種形態(tài)。盡管被認為T.I.M.E.焊接工藝在MAG焊大電流禁區(qū)開拓了新的實際應用領域[9]。但是，該工藝的關鍵技術是采用四元混合保護氣體，這就改變了純CO2焊接的前提條件，與論文的主題相悖。

（4）采用波形控制脈沖電源技術 據(jù)文獻[10]介紹，在20世紀60年代中期，有人嘗試將脈沖噴射過渡形態(tài)應用于CO2焊接中。為了克服使用恒定電壓/電流產(chǎn)生“排斥滴狀過渡”形態(tài)，制作了一個電源，具有25Hz或50Hz可選的脈沖頻率、可調(diào)節(jié)的脈沖電流、可獨立調(diào)節(jié)的基值電流，以及一個150V、15A穩(wěn)定電源，以避免在低電流下長時間基值下的電弧熄滅。使用1.2mm鋼焊絲以3.8～13.5m/min的送絲速率和150～380A的相應平均電流進行試驗。在200～300A的中間電流范圍內(nèi)，如果電弧保持非常短，焊接可以在平焊位進行，因此過渡正好接觸熔池以減少飛濺。平均電流非常低時，由于低的熱輸入，熔池的快速凝固特性以及熔滴過渡的低頻率和不規(guī)則性，焊道嚴重不均勻。在非常高的平均電流下，相應較高的脈沖電流會產(chǎn)生過度的熔池攪動，在焊道邊緣處產(chǎn)生飛濺，以及連續(xù)的咬邊。它們的工作表明，與使用在相同平均電流范圍內(nèi)操作的簡單恒定電壓（CV）電源的滴狀過渡相比，對于CO2脈沖噴射過渡，可以找到適合的操作條件，給出了較好的結(jié)果。 然而，使用低成本CV電源的氬基混合氣體可以獲得更好的結(jié)果。在20世紀60年代和70年代，脈沖噴射CO2工藝并未廣泛使用。

表3 MAG和T.I.M.E.工藝的比較

到20世紀80年代中期，電源技術的重大改進引起了對脈沖CO2工藝新的興趣。日本研究人員采用可調(diào)方波電流波形來優(yōu)化該工藝行為。在平均電流約為250A（8m/min送絲速度）和約38Hz的脈沖頻率下，使用φ1.2mm焊絲及高速攝影觀察熔滴過渡行為，如圖8所示。大熔滴的過渡大約發(fā)生在脈沖周期的中段。復位的熔滴在脈沖周期的其余部分和基值周期期間形成。在圖9中，大電流下電弧中熔滴的變形是清晰可見的。在電磁夾持力產(chǎn)生熔滴頸縮的同時，大電流時收縮的CO2電弧對熔滴亦產(chǎn)生了向上大的壓力。由于CO2中熔滴過渡特性的緣故，CO2熔滴過渡顯示出很高的飛濺速度。其他研究人員也采用類似的技術報道了類似的行為。

圖8 熔滴行為脈沖波形實例

圖9 熔滴過渡的高速攝影

由于CO2工藝自身特點（壓縮電弧和熔滴排斥過渡），在過去幾十年中對該工藝行為的改進并沒有取得大的進展。電源技術和工藝建模方面的進一步發(fā)展尚未解決存在的問題。但是如果考慮成本因素超過其他因素（例如，焊道外觀、高穩(wěn)定性和焊后飛濺清除等）時，低成本的CO2工藝仍被生產(chǎn)中廣泛應用。

迄今為止，有關CO2焊接波形控制技術的研究文獻，大多針對短路過渡控制焊接飛濺的，很難找到針對純CO2噴射過渡的。早期（數(shù)十年前）有學者認為，采用脈沖技術的初衷在于用較小的焊接電流實現(xiàn)噴射過渡，但一些研究結(jié)果表明，采用脈沖噴射時所需的最低臨界電流與不加脈沖時相比差不多，所以認為實用價值不大。

5.2 實現(xiàn)純CO2保護氣的GMAW熔滴噴射過渡形態(tài)研究新進展

文獻[11]在先前Ar-CO2混合氣體的GMAW試驗中發(fā)現(xiàn)，滴狀到噴射過渡的電流隨著CO2量的增加而增加并且隨著較小的焊絲直徑而減小。這意味著高電流密度可能是實現(xiàn)噴射過渡的關鍵。然而，過高的電流密度可能導致不切實際的高焊接電流、導電嘴損壞（回燒）以及不穩(wěn)定電?。ㄅ懦膺^渡、旋轉(zhuǎn)過渡）的可能性。

采用全新的研究方法開展純C O2保護氣的GMAW實現(xiàn)噴射過渡探索性研究。使用恒壓焊接電源和下列參數(shù)：非常細（φ 0.5842mm）或更細的焊絲、約38.1m/min高送絲速度、正常（例如：250A）焊接電流、相當短（6.35mm或更短）的焊絲干伸長。預計電弧將完全包圍熔滴，獲得形成噴射過渡的重要條件。

為了實現(xiàn)這些條件，正在設計和構(gòu)建一個可以高速處理細焊絲、防止回燒，并承受帶有短干伸長的電弧高溫的新導電嘴?？梢蕴幚砑毢附z和高送進速率的一個新的送絲機構(gòu)正在設計中。這項挑戰(zhàn)不可能的重要研究，即使暫時沒有實現(xiàn)真正的噴射過渡，也將有助于發(fā)現(xiàn)新的、實用的熔滴過渡形態(tài)。

文獻[12]建立了GMAW模型，研究保護氣體成分對熔滴過渡形態(tài)的影響，計算熔滴脫離末端時電弧等離子體和工件（陰極）的溫度分布。分析了焊接電流和保護氣體對熔滴過渡形態(tài)的影響。使用純Ar保護氣體時，電弧中心溫度低，最大溫度在焊絲側(cè)面；而當保護氣中加入CO2后，電弧溫度變低但最大溫度在焊絲下方。這種溫度分布差異導致了電流密度的分布差異。純Ar時，電弧中心電導率較低，熔滴和焊絲末端附近的電流密度向上擴展，因而熔滴過渡形態(tài)為噴射過渡。而當保護氣體為CO2時，高電導率區(qū)域和高電流密度區(qū)域都集中在熔滴底部，致使熔滴過渡形態(tài)為滴狀過渡（見圖10）。當將模型中鐵蒸氣的電導率人為調(diào)低時發(fā)現(xiàn)，即使純CO2作為保護氣，熔滴過渡也為噴射過渡。因此，通過調(diào)整焊絲的元素成分來控制金屬蒸氣的電導率，便能在CO2保護氣氛下獲得噴射過渡形態(tài)。上述模擬研究新觀點，可能為挑戰(zhàn)不可能的“純CO2保護氣下噴射過渡”課題提供新思維。

圖10 保護氣體成分對電導率和電流密度的影響

6 結(jié)束語

1）純CO2氣體保護焊熔滴過渡具有三大特點：①弧根面積小，電弧集中。②大熔滴非軸向排斥過渡。③氧化性電弧，焊接飛濺大。

2）GMAW噴射過渡的實現(xiàn)取決于三個要素：①富氬混合保護氣體。②電磁力作用方向向下。③焊接電流等于或大于轉(zhuǎn)變電流。①是必要條件，②和③是充分條件，三者缺一不可。

3）純CO2焊接時，與所謂GMAW噴射過渡三要素背道而馳，不存在任何噴射過渡有利要素。按照常規(guī)思路，純CO2焊接基本上無望實現(xiàn)噴射過渡。

4）文中探討的采用富A r混合氣體、活性焊絲，以及T.I.M.E.焊接工藝，需要改變純CO2焊接前提條件，與本文主題相悖。采用波形控制脈沖電源技術后，轉(zhuǎn)變電流居高不下，與原先不加脈沖相比差不多，實用意義不大。

5）開展純CO2保護氣的GMAW噴射過渡探索性研究，有助于發(fā)現(xiàn)GMAW新型實用熔滴過渡形態(tài)。