焊絲直徑和保護(hù)氣體對GMAW熔滴過渡形態(tài)的影響

孫咸

（太原理工大學(xué)焊接材料研究所，山西太原030024）

焊絲直徑和保護(hù)氣體對GMAW熔滴過渡形態(tài)的影響

孫咸

（太原理工大學(xué)焊接材料研究所，山西太原030024）

綜述了焊絲直徑和保護(hù)氣體對GMAW熔滴過渡影響的新發(fā)現(xiàn)。研究表明，對于直徑小于0.90 mm焊絲，轉(zhuǎn)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(xì)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(fā)生轉(zhuǎn)變，是因?yàn)楹附z直徑不能明顯改變陽極斑點(diǎn)面積，電弧無法爬上熔滴。CO2對較細(xì)焊絲熔滴過渡轉(zhuǎn)變的影響，并未遵循隨著CO2含量的增大，轉(zhuǎn)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(hù)氣體時，排斥過渡仍占主導(dǎo)地位。

熔滴過渡形態(tài)；焊絲直徑；保護(hù)氣體；GMAW；轉(zhuǎn)變電流

0 前言

熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）以其高效、自動化程度高等優(yōu)勢在工業(yè)上獲得廣泛的應(yīng)用。焊絲直徑作為一種焊接參數(shù)，工程上在選用時更多考慮的是效率和焊接質(zhì)量問題。保護(hù)氣體種類的選用除了效率和焊接質(zhì)量外，焊接成本也在考慮之列。CO2氣體比Ar更富產(chǎn)、易獲得，且成本更低。但是純CO2氣體保護(hù)焊工藝質(zhì)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(zhì)量和效率，工業(yè)上將具有巨大的推廣價值[2-3]。工程上對于焊絲直徑的關(guān)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(hù)氣體的關(guān)注，一般需進(jìn)行工藝評定后擇優(yōu)選用。對于前者，很少關(guān)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(hù)氣體，在小于1 mm焊絲中會發(fā)生什么問題？凡此種種，從未見文獻(xiàn)報(bào)道。況且直徑小于1 mm焊絲熔滴過渡機(jī)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(tài)與影響因素相聯(lián)系，探討細(xì)焊絲直徑和保護(hù)氣體對熔滴過渡形態(tài)的影響。該項(xiàng)研究對GMAW的進(jìn)一步推廣應(yīng)用、焊接設(shè)備的創(chuàng)新研發(fā)，以及GMAW熔焊理論的拓展，具有一定的參考價值和實(shí)用意義。

1 GMAW熔滴過渡形態(tài)

1.1 GMAW電弧形態(tài)及熔滴過渡形態(tài)分類

GMAW短路時，會出現(xiàn)電弧瞬間熄滅，此時電弧形態(tài)屬于斷續(xù)、活動型。GMAW非短路時，電弧是在焊絲端頭整個截面上產(chǎn)生的，并未出現(xiàn)電弧瞬間熄滅，此時的電弧形態(tài)應(yīng)屬于連續(xù)、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(tài)：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(xù)地過渡到熔池中。φ（Ar）98%+φ（O2）2%保護(hù)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(wěn)，易產(chǎn)生飛濺。無論哪種保護(hù)氣體，在較小焊接電流時都能產(chǎn)生大滴過渡。②噴射過渡。發(fā)生在臨界電流以上，細(xì)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(hù)氣GMAW焊接鋼時的噴射過渡形態(tài)如圖1b所示[5]。噴射過渡非常穩(wěn)定、無飛濺。臨界電流值取決于焊絲的材料和直徑、保護(hù)氣體的成分等。③短路過渡。當(dāng)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(fā)生在細(xì)焊絲和小電流條件下。這種過渡形態(tài)產(chǎn)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(hù)氣GMAW焊接鋼時的熔滴過渡

1.2 GMAW熔滴過渡形態(tài)影響因素

（1）保護(hù)氣體類型。3種常用保護(hù)氣體GMAW焊絲熔滴過渡形態(tài)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(tài)。純CO2時，實(shí)心焊絲有2種過渡形態(tài)，藥芯焊絲只有1種；純Ar時，實(shí)心焊絲有2種過渡形態(tài)，藥芯焊絲電弧不穩(wěn)、成形不好；φ（Ar）80%＋φ（CO2）20%混合氣體時，實(shí)心焊絲和藥芯焊絲都在超過臨界電流后實(shí)現(xiàn)了細(xì)顆粒軸向噴射過渡形態(tài)。

（2）焊絲成分。實(shí)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(hù)氣體時，不同牌號實(shí)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(hù)氣時，臨界電流也有變化。從表1還可以推出，由于實(shí)心焊絲與藥芯焊絲成分不同，熔滴過渡形態(tài)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(tài)定會有差異。

表1 不同保護(hù)氣體下GMAW焊絲的熔滴過渡形態(tài)

表2 實(shí)心焊絲成分對臨界電流的影響（直徑φ1.2 mm）

（3）焊接參數(shù)。工藝參數(shù)對焊絲熔滴過渡形態(tài)的影響如表3所示，由表3可知，在涉及焊絲熔滴過渡形態(tài)的5種工藝參數(shù)中，關(guān)鍵參數(shù)是焊接電流和電弧電壓。所有參數(shù)間的正確匹配至關(guān)重要。一旦匹配失當(dāng)，熔滴過渡形態(tài)變異，會嚴(yán)重影響焊絲的工藝質(zhì)量。

表3 工藝參數(shù)對焊絲熔滴過渡形態(tài)的影響（純CO2氣保護(hù)）

2 焊絲直徑對GMAW熔滴過渡形態(tài)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(xiàn)出從大直徑、低頻率到小直徑、高頻率過渡的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變后出現(xiàn)了一個細(xì)熔滴區(qū)。發(fā)生熔滴轉(zhuǎn)變的區(qū)域稱為轉(zhuǎn)變區(qū)，發(fā)生轉(zhuǎn)變時的電流稱為臨界電流。對于直徑1.14 mm焊絲，轉(zhuǎn)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(tǒng)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(fā)生熔滴的從大到小的轉(zhuǎn)變，但是轉(zhuǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)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(xì)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(xì)有一定的限度，繼續(xù)減小焊絲直徑不能明顯改變陽極斑點(diǎn)面積，電弧無法爬上熔滴，因此不會發(fā)生過渡形態(tài)轉(zhuǎn)變[6]。

2.2 焊絲直徑對轉(zhuǎn)變電流的影響

焊絲直徑與臨界電流的關(guān)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?yàn)楹附z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(hù)氣時，2條曲線不盡相同。總趨勢是φ（Ar）90%+φ（CO2）10%保護(hù)氣的轉(zhuǎn)變電流高于φ（Ar）98%+φ（O2）2%的。這是因?yàn)椴煌瑲怏w介質(zhì)對電弧電場強(qiáng)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?？墒怯捎贏r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(xì)焊絲時未測出明顯的臨界電流。因?yàn)槿鄣纬叽绮恍∮诤附z直徑，不遵循一般較粗焊絲的熔滴轉(zhuǎn)變模式。

2.3 焊絲直徑對熔滴過渡轉(zhuǎn)變的機(jī)理

試驗(yàn)表明，當(dāng)電弧覆蓋熔滴表面時，粗滴狀向噴射過渡轉(zhuǎn)變發(fā)生。并有證據(jù)表明，當(dāng)電弧覆蓋整個熔滴時，從粗滴狀到噴射的過渡發(fā)生了。熔滴的電弧包絡(luò)將改變?nèi)鄣紊献饔昧Φ姆植?，直接影響過渡形態(tài)[6]。

圖2 不同焊絲的熔滴形態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)（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(guān)系（φ（Ar）90%+ φ（CO2）10%）

表4 焊絲直徑與轉(zhuǎn)變電流后熔滴的平均直徑

圖4 焊絲直徑與臨界電流的關(guān)系

焊絲直徑對從粗滴狀過渡到噴射過渡轉(zhuǎn)變有影響，如圖5a所示。在一個給定的電流和保護(hù)氣體成分時，電弧包覆點(diǎn)是位于最大焊絲熔滴下方。當(dāng)焊絲直徑減小時，由于電流密度保持不變，電弧包覆點(diǎn)爬上熔滴（陽極斑點(diǎn)面積擴(kuò)大）。當(dāng)焊絲直徑變得足夠小時，電弧包覆點(diǎn)移動到熔滴上方，導(dǎo)致熔滴從粗滴狀向噴射過渡的轉(zhuǎn)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(xù)減細(xì)超過一定范圍（見表4），直徑1.14 mm時可發(fā)生過渡轉(zhuǎn)變，但直徑小于0.90 mm，增大電流不發(fā)生轉(zhuǎn)變，因?yàn)槿鄣纬叽绮辉贉p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(diǎn)面積，電弧無法爬上熔滴，熔滴不被細(xì)化，沒有轉(zhuǎn)變發(fā)生（高速攝影照片不顯示電弧熔滴的包絡(luò)和噴射過渡特征）。這一最新發(fā)現(xiàn)可能為當(dāng)前脈沖技術(shù)研究領(lǐng)域提供新的課題。

圖5 焊絲直徑與熔滴過渡關(guān)系機(jī)理示意

3 保護(hù)氣體對細(xì)焊絲熔滴過渡形態(tài)的影響

在保護(hù)氣體中添加CO2導(dǎo)致電弧收縮，提高了轉(zhuǎn)變電流，同時降低了過渡頻率，當(dāng)CO2高達(dá)25%時，無論電流如何，排斥過渡是熔滴過渡的主導(dǎo)模式。據(jù)報(bào)道，當(dāng)CO2濃度從0增加到100%時，陽極斑點(diǎn)電流密度從7×103A/cm2增加到3.3×104A/cm2。計(jì)算表明，CO2電弧被更多地壓縮。隨著保護(hù)氣中CO2含量增大，3種較細(xì)焊絲轉(zhuǎn)變電流的變化趨勢如圖6所示?？梢钥闯觯瑢τ?.14 mm焊絲，曲線呈上揚(yáng)態(tài)勢，但上升幅度不大，僅從260 A增至333 A，對轉(zhuǎn)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(xì)焊絲熔滴過渡轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變電流提高（因?yàn)殛枠O斑點(diǎn)需要較大電流來包覆熔滴實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變）。在細(xì)焊絲中陽極斑點(diǎn)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(hù)氣體成分對轉(zhuǎn)變電流的影響

4種直徑焊絲在不同CO2含量保護(hù)氣焊接時的熔滴過渡形態(tài)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(wěn)定，工藝尚好；CO2含量超過20%時出現(xiàn)排斥與軸向混合過渡，甚至以排斥為主導(dǎo)，電弧不穩(wěn)、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(hù)氣體成分時，排斥過渡仍占主導(dǎo)地位。

對于直徑0.41 mm的超細(xì)焊絲，在φ（Ar）80%+ φ（CO2）20%時出現(xiàn)較粗焊絲更多的排斥過渡形態(tài)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該焊絲轉(zhuǎn)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(xiàn)象與以往的規(guī)律相悖（焊絲直徑減小后熔滴細(xì)化，可能導(dǎo)致電弧上爬到熔滴，迫使從大熔滴到噴射過渡轉(zhuǎn)變，如圖5a所示）。可以用圖5b予以解釋：實(shí)際上超細(xì)焊絲并未明顯改變陽極斑點(diǎn)面積，電弧無法爬上熔滴，因此沒有發(fā)生轉(zhuǎn)變。

表5 幾種混合保護(hù)氣體的熔滴過渡形態(tài)

4 結(jié)論

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

（2）對于直徑小于0.90 mm焊絲，轉(zhuǎn)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(tǒng)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(xì)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(fā)生轉(zhuǎn)變，熔滴尺寸不小于焊絲直徑，是因?yàn)楹附z直徑不能明顯改變陽極斑點(diǎn)面積，電弧無法爬上熔滴。這是該領(lǐng)域內(nèi)最新發(fā)現(xiàn)。

（4）CO2對較細(xì)焊絲熔滴過渡轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變電流提高。在細(xì)焊絲中陽極斑點(diǎn)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(hù)氣體成分時，排斥過渡仍占主導(dǎo)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(xiàn)引用格式：孫咸.焊絲直徑和保護(hù)氣體對GMAW熔滴過渡形態(tài)的影響[J].電焊機(jī)，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(xué)，對焊接材料軟件開發(fā)具有豐富經(jīng)驗(yàn)；獲國家科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)（2000年），省（部）級科技進(jìn)步一等獎2項(xiàng)，二等獎3項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文160多篇；1992年獲國務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼。E-mail：sunxian99@163.com。

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