MPM焊接飛濺的影響因素及其防止措施

邱瑞斌

（華西能源工業(yè)股份有限公司，四川 自貢 643000）

0 前言

焊接飛濺的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：高溫鐵熔液以點(diǎn)滴狀、線段狀的形式向外飛濺而出。焊接飛濺的危害主要表現(xiàn)為：燒（燙）傷焊工的皮膚；引起火災(zāi)；飛濺物落到焊縫周圍母材的表面，降低表面質(zhì)量；焊后若不及時(shí)清理，會(huì)吸收空氣中的水分、附著塵土等，

膜式水冷壁管屏自動(dòng)焊（以下簡(jiǎn)稱MPM焊）一種高效率、低成本的焊接技術(shù)，它以CO2作為保護(hù)氣體（有時(shí)采用CO2+Ar的混合氣體）進(jìn)行焊接，可同時(shí)焊接12條或更多的焊縫，具有適用范圍廣、抗腐蝕能力強(qiáng)、便于監(jiān)控、且適用于大電流焊接等特點(diǎn)。采用該技術(shù)大大提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率（比焊條電弧焊高10~15倍，比半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊高2~3倍），降低了成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)條件。因此MPM焊在推廣應(yīng)用中，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。盡管MPM焊優(yōu)點(diǎn)眾多，但其焊接過(guò)程存在的飛濺大、易產(chǎn)生氣孔等缺點(diǎn)限制了MPM焊的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 焊接飛濺的特點(diǎn)和危害

加快金屬腐蝕；帶走部分金屬和能量，造成金屬材料和能源浪費(fèi)；焊后清理工作量加大[1]。

2MPM焊產(chǎn)生飛濺的原因

MPM焊采用短路過(guò)渡時(shí)，飛濺總是發(fā)生在短路小橋破斷的瞬間。飛濺的大小決定于焊接條件，它常常在很大范圍內(nèi)改變。一般認(rèn)為飛濺是短路小橋電爆炸的結(jié)果。當(dāng)熔滴與熔池接觸時(shí)，熔滴成為焊絲與熔池的連接橋梁，所以稱為液體小橋，并通過(guò)該小橋使電路短路。短路之后電流逐漸增加，小橋處的液體金屬在電磁收縮力的作用下急劇收縮，形成很細(xì)的縮頸。隨著電流的增加和縮頸的減小，小橋處的電流密度很快增加，對(duì)小橋急劇加熱，造成過(guò)剩能量的積聚，最后導(dǎo)致小橋發(fā)生氣化爆炸，同時(shí)引起金屬飛濺?？梢?jiàn)，要想杜絕MPM焊時(shí)的飛濺是不可能的，所以如何減少飛濺是值得研究的問(wèn)題。

2.1 焊接材料的因素引起的焊接飛濺

焊絲含碳量過(guò)高，在焊接過(guò)程中會(huì)因氧化還原作用劇烈而引起較大的飛濺，并產(chǎn)生氣孔。

目前國(guó)內(nèi)的CO2氣保焊焊絲多采用鍍銅作為保護(hù)層，并以化學(xué)鍍?yōu)橹鳌；瘜W(xué)鍍層結(jié)合強(qiáng)度低、鍍銅層不均勻、易掉銅屑，且鍍銅層易生銹、保存時(shí)間短。國(guó)內(nèi)焊絲銹蝕主要是基體與鍍銅層界面生銹。

2.2 保護(hù)氣體的因素引起的焊接飛濺

由于CO2氣體的氧化性，生成的CO不能及時(shí)逸出熔池，使熔池、熔滴中的CO氣體在電弧高溫作用下急劇膨脹而激烈爆炸形成飛濺。為了減少飛濺的產(chǎn)生，可以采用（Ar+CO2）混合氣體代替純CO2氣體，如加入20%~30%的氬氣。由于隨著含氬量的增加，電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡特點(diǎn)發(fā)生了改變，燃弧時(shí)電弧的弧根擴(kuò)展，熔滴的軸向性增強(qiáng)。一方面使得短路小橋出現(xiàn)在焊絲和熔池之間，熔滴容易與熔池匯合；另一方面，熔滴在軸向力的作用下，得到較均勻的短路過(guò)渡過(guò)程，短路峰值電流也不高，有利于減少飛濺率。

2.3 焊絲伸出長(zhǎng)度引起的焊接飛濺

MPM焊時(shí)，焊絲伸出長(zhǎng)度增加，焊絲上電阻增加，熔化速度增加快、生產(chǎn)率提高。但過(guò)大時(shí)，會(huì)發(fā)生焊絲過(guò)熱，使焊絲成段熔斷、造成飛濺，破壞焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，并使氣體保護(hù)效果下降；伸出長(zhǎng)度過(guò)小時(shí)，不但會(huì)阻擋焊工的視線，而且噴嘴易堵塞，同樣會(huì)破壞過(guò)程穩(wěn)定和降低氣體保護(hù)效果。通常焊絲伸出長(zhǎng)度以10~12倍焊絲直徑為宜，一般都在10~20 mm，焊接過(guò)程中應(yīng)盡可能維持焊絲伸出長(zhǎng)度不變。另外，施焊時(shí)在不影響焊工操作視線的情況下，應(yīng)盡可能采用短弧焊接，一般焊絲與熔池的距離（即電弧的長(zhǎng)度）為2~8 mm。電弧過(guò)長(zhǎng)，增大了噴嘴與焊件之間的距離，保護(hù)效果變差，易產(chǎn)生氣孔；電弧過(guò)短，焊絲與母材易碰撞發(fā)生短路，飛濺過(guò)大，焊接無(wú)法正常進(jìn)行。

2.4 由極點(diǎn)壓力引起的焊接飛濺

熔滴在極點(diǎn)壓力的作用下很容易形成飛濺。MPM焊采用直流正接時(shí)，熔滴會(huì)受到正離子的壓力（也可以說(shuō)是沖擊力），這一壓力比反接時(shí)大得多，此時(shí)熔滴變得粗大，飛濺明顯增加。

2.5 熔滴過(guò)渡方式引起的飛濺[2]

進(jìn)行短路過(guò)渡焊接時(shí)，短路電流增長(zhǎng)速度過(guò)小，發(fā)生大顆粒飛濺，甚至焊絲大段爆斷而使電弧熄滅；短路電流增長(zhǎng)速度過(guò)大，則產(chǎn)生大量小顆粒金屬飛濺。為了調(diào)節(jié)短路電流增長(zhǎng)速度，焊接回路中須串接一定數(shù)值的電感。目前市場(chǎng)上的一些整流焊機(jī)都能夠很好的控制這點(diǎn)。

2.6 弧焊電源動(dòng)特性引起的飛濺

弧焊電源的動(dòng)特性是指負(fù)載狀態(tài)發(fā)生突然變化時(shí)，電流響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程。對(duì)于MPM焊短路過(guò)渡來(lái)說(shuō)，由于存在金屬熔滴短路過(guò)渡，使負(fù)載狀態(tài)常在燃弧和短路之間切換。而且，從燃弧到短路以及從短路到燃弧的過(guò)渡過(guò)程對(duì)焊接飛濺影響明顯。焊機(jī)的動(dòng)特性直接影響焊接的飛濺量，因?yàn)楹笝C(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快慢影響短路電流的增長(zhǎng)率和峰值。如果動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度太快，短路電流增長(zhǎng)速度較快，峰值電流也高，很容易在短路液橋形成之前就引起爆斷和飛濺，這種飛濺的特點(diǎn)是頻率較高的小顆粒飛濺；如果動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度太慢，短路電流增長(zhǎng)速度較慢，峰值電流也低，電流的收縮力不足以保證短路液橋順利過(guò)渡，短路電流繼續(xù)增長(zhǎng)，當(dāng)短路電流能量積累到較大時(shí)，短路液橋爆斷并引起飛濺，這種飛濺的特點(diǎn)是頻率較低，顆粒較大[3]。

2.7 引起飛濺的其他原因

（1）焊接區(qū)域有油、銹、水分等污染會(huì)導(dǎo)致較大的飛濺。

（2）導(dǎo)電嘴與焊絲不匹配或?qū)щ娮炷p嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定，焊接飛濺加大。施焊前應(yīng)注意檢查導(dǎo)電嘴與焊絲是否匹配；導(dǎo)電嘴磨損嚴(yán)重時(shí)，及時(shí)更換導(dǎo)電嘴。

（3）送絲不均勻?qū)е潞附与娀o(wú)法穩(wěn)定，使焊接飛濺加劇。此時(shí)應(yīng)對(duì)送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，如送絲滾輪的壓緊度、送絲軟管是否被堵塞或存在急彎現(xiàn)象等。另外，通過(guò)改進(jìn)送絲系統(tǒng)，采用脈沖送絲代替常規(guī)的等速送絲，使熔滴在脈動(dòng)送進(jìn)的情況下與熔池發(fā)生短路，使短路過(guò)渡頻率與脈動(dòng)送絲的頻率基本一致，每個(gè)短路周期的電參數(shù)的重復(fù)性好，短路峰值電流均勻一致，其數(shù)值也不高，從而降低飛濺。

3 減少M(fèi)PM焊接飛濺的措施

3.1 正確選擇工藝參數(shù)

（1）焊接電流和電壓。

在CO2電弧中，對(duì)于每種直徑的焊絲，其飛濺率和焊接電流之間都存在一定的規(guī)律。在小電流區(qū)域（短路過(guò)渡區(qū)域）飛濺率較小，進(jìn)入大電流區(qū)域后（細(xì)顆粒過(guò)渡區(qū)域）飛濺率也較小，而中間區(qū)的飛濺率最大。電流小于150 A或大于300 A時(shí)飛濺率都較小，介于兩者之間的飛濺率較大[4]。

在選擇焊接電流時(shí)，盡可能避開(kāi)飛濺率高的電流區(qū)域。電流確定后再匹配適當(dāng)?shù)碾妷海源_保飛濺率最小，MPM焊采用直流反接有利于減少飛濺。

（2）焊槍角度。

焊槍垂直時(shí)飛濺量最小，傾斜角度越大，飛濺越多。焊槍前傾或后傾最好不要超過(guò)20°。

（3）焊絲伸出長(zhǎng)度。

焊絲伸出長(zhǎng)度對(duì)飛濺也有影響。焊絲伸出長(zhǎng)度要適當(dāng)，通常焊絲伸出長(zhǎng)度以10~12倍焊絲直徑為宜，一般都在10~20 mm，焊接過(guò)程中應(yīng)盡可能維持焊絲伸出長(zhǎng)度不變。電弧過(guò)長(zhǎng)，增大了噴嘴與焊件之間的距離，保護(hù)效果變差，易產(chǎn)生氣孔。電弧過(guò)短，焊絲與母材易碰撞發(fā)生短路，飛濺過(guò)大，焊接無(wú)法正常進(jìn)行。

（4）電源外特性。

MPM焊的弧焊電源應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膭?dòng)特性。

3.2 選用合適的焊絲材料和保護(hù)氣體成分

（1）盡可能選用含碳量低的鋼焊絲，以減小焊接過(guò)程中生成的CO氣體。實(shí)踐表明，當(dāng)焊絲中含碳量降低到0.04%時(shí)，可大大減少飛濺。

（2）采用管狀焊絲進(jìn)行焊接。由于管狀焊絲的藥芯中含有脫氧劑、穩(wěn)弧劑等造成氣-渣聯(lián)合保護(hù)，使焊接過(guò)程中非常穩(wěn)定，飛濺可明顯減小。

3.3 在長(zhǎng)弧焊時(shí)采用CO2混合氣作保護(hù)氣

雖然通過(guò)合理選擇規(guī)范參數(shù)以及采用潛弧方法等可降低飛濺率，但飛濺量仍然較大。在CO2氣體中加入一定數(shù)量的Ar氣，是減少顆粒過(guò)渡焊金屬飛濺最有效的方法。

在CO2氣體中加入Ar氣后，改變了純CO2氣體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。隨著Ar氣比例增大，飛濺逐漸減少。CO2+Ar混合氣體不僅克服了飛濺，也改善了焊縫成型，對(duì)焊縫溶深、焊縫高度和余高都有影響[5]。

當(dāng)φ（Ar）=60%時(shí)可明顯減小過(guò)渡熔滴尺寸，甚至得到噴射過(guò)渡，改善了熔滴過(guò)渡特性，減小金屬飛濺。

3.4 短路過(guò)渡焊接時(shí)限制金屬液橋爆斷能量

在短路過(guò)渡焊接時(shí)，合理選擇焊接電源特性并匹配合適的可調(diào)電流，當(dāng)采用不同直徑的焊絲焊接時(shí)均可調(diào)得合適的短路電流增長(zhǎng)速度。

3.5 采用低飛濺率焊絲

（1）對(duì)于實(shí)芯焊絲，在保證機(jī)械性能的前提下，盡可能降低其中含碳量，并添加適量的鈦、鋁等合金元素。無(wú)論顆粒過(guò)渡焊接或短路過(guò)渡焊接都可顯著減少由CO等氣體引起的飛濺[6]。

（2）采用以 Cs2CO3、K2CO3等物質(zhì)活化處理過(guò)的焊絲，進(jìn)行正極性焊接。

（3）采用藥芯焊絲。采用藥芯焊絲的金屬飛濺率約為實(shí)芯焊絲的1/3。

4 結(jié)論

MPM焊時(shí)產(chǎn)生飛濺的因素是多方面的。為了減少飛濺的產(chǎn)生，除選擇合適的焊接工藝參數(shù)、性能優(yōu)良的焊機(jī)及過(guò)硬的操作技能外，在焊接過(guò)程中應(yīng)注意觀察，積極分析飛濺產(chǎn)生的原因，遵循本研究提及的幾點(diǎn)措施，便能有效地控制飛濺缺陷，提高焊縫一次合格率，獲得滿意的焊接質(zhì)量。

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[1]段元波.基于DSP的CO2焊接飛濺控制系統(tǒng)研制[J].電焊機(jī)，2012，42（9）：51-53.

[3]劉衛(wèi)民.我國(guó)CO2焊機(jī)30年發(fā)展概述[J].電焊機(jī)，2001，31（1）：37-39.

[4]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]劉云龍.CO2氣體保護(hù)焊技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[6]黃幼仙.GMAW無(wú)鍍銅實(shí)芯焊接及其應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2012，42（10）：71-72.

[5]吳樹(shù)雄.焊絲選用指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.