CO₂气体保护焊熔滴过渡与飞溅的关系

摘要：探讨了CO2气体保护焊熔滴过渡与飞溅的关系。结果表明，存在三种熔滴过渡形态：滴状过渡、短路过渡和混合过渡形态。三种过渡形态的焊接飞溅形式各异，飞溅产生机理以熔滴内部爆炸和液桥爆炸为主因，影响因素中焊丝成分及电流、电压、极性仍是关键因素。熔滴过渡形态与飞溅关系的内在联系是熔滴的非轴向性、熔滴尺寸，以及熔滴中的气体含量，三个参数数值高时焊接飞溅大，反之飞溅小。工程上多种控制熔滴过渡形态与飞溅关系的方案各具特色，其中应用最好的首推CMT工艺，已经为众多企业赢得可观的经济效益。

关键词：焊接飞溅;熔滴过渡;实心焊丝;CO2气体保护焊

中图分类号：TG444+.73，TG403 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）02-0006-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.02

0 前言

CO2氣体保护焊虽然存在飞溅大、气孔敏感、氧化性强等缺点，但作为一种先进的高效、自动化焊接工艺方法， 多年来在普通钢结构制作中获得了广泛应用，并积累了丰富的经验，其主要原因是该工艺方法操作简便、CO2气体容易获得、价格便宜。CO2气体保护焊工艺的应用主要采用熔滴短路过渡形态，较少采用滴状过渡形态。数十年以来，在CO2气体保护焊工艺方面取得了许多进展，涉及短路过渡的文献有之[1]，涉及焊接飞溅的文献有之[2]，但专题性探讨CO2气体保护焊熔滴过渡与飞溅关系的文献罕见。为此，作者基于多年的实践经验对相关文献进行梳理、归纳，并引用文献中部分试验结果与数据，将CO2气体保护焊熔滴过渡与飞溅形式相联系，探讨飞溅的影响因素及形成机理，进而论证CO2气体保护焊熔滴过渡与飞溅的关系，并对工程应用中CO2气体保护焊熔滴过渡形态与飞溅关系的控制解决方案展开综合评述。该项研究对进一步完善CO2气体保护焊熔滴过渡理论，揭示CO2气体保护焊熔滴过渡形态与飞溅关系的内在联系，并与工程解决方案相对接，促进控制焊接飞溅技术的新突破，提供了一定的理论分析基础;对CO2气体保护焊进一步推广应用，具有一定参考价值和理论意义。

1 CO2气体保护焊熔滴过渡形态及影响因素

1.1 CO2气体保护焊熔滴过渡形态

1.1.1 滴状过渡

在纯CO2气体保护焊中，当弧长较长时，电弧在熔滴下方呈现连续、活动、集中型（见图1）。也就是电弧斑点面积比较小，而且随焊丝端熔滴急速摆动而飘移不定，电弧不稳定[3]。这是CO2气体在电弧中的理化特性决定的。由于CO2高温分解吸热，对电弧产生冷却作用，造成电弧和斑点面积收缩（热收缩效应），电流密度提高，电场强度也提高。

由图1可知，熔滴粗大、不规则，呈非轴向排斥过渡形态，且过渡频率较低。这都源于电弧中熔滴上的作用力。首先是熔滴下方的斑点压力，由于熔滴下方的弧根面积小，斑点压力方向向上;还有CO2高温分解为CO+1/2O2气体体积膨胀产生的向上的气动力，2种向上的作用力再加上熔滴的表面张力，把正在长大的熔滴推离焊丝轴线（见图1c）。非轴向大熔滴排斥过渡是熔滴的重力克服了若干向上反作用力的结果。因此，该种熔滴过渡的主导力应当是熔滴的重力。这种过渡形态的焊接飞溅较大，主要是因CO2的氧化性、CO2高温分解的体积膨胀，以及大熔滴非轴向排斥过渡所引起的（见图2b第3、4帧）。由于熔滴粗大，过渡频率低，焊缝波纹较粗、成形差;加之CO2的氧化性、CO2的冷却作用，以及焊缝熔深较大，焊缝中气体逸出条件受限等因素，致使其对气孔较为敏感。

1.1.2 短路过渡

当弧长比较短时，熔滴长大到一定程度就被迫与熔池金属短路。但即使在即将过渡、尚未灭弧，或者短路后再引燃期间，熔滴下方的电弧仍呈现为断续、活动、集中型（见图3）。此时，熔滴的非轴向性倾向略有弱化，因为电弧较短，电弧电压较低，熔滴活动的空间和时间受到限制，熔滴很快就与液态熔池接触，如图3所示。熔滴的短路过渡是熔滴的向下表面张力（与熔池金属熔合后）克服向上的表面张力的结果。因此，该种熔滴过渡的主导力应当是熔滴的向下表面张力。短路过渡中的焊接飞溅也比较明显（图2a第4帧）。主要原因是短路瞬间短路电流增长速度过大或过小引起的。同样由于熔滴粗大，过渡频率低，以及CO2的冷却作用，焊缝成形波纹较粗且余高较大。短路过渡的气孔敏感性亦不可小觑。

1.1.3 混合过渡

当弧长为中等长度时，CO2电弧中可能出现两种过渡形态共存现象，即滴状过渡和短路过渡，但二者比例随机变化。

在中等长度弧长时，由于焊接电流相应变化，如φ1.2 mm焊丝，电流180～250 A、电弧电压22～26 V时，电流较小时，熔滴粗大，发生短路过渡的几率较大;随着电流增大，熔滴被细化，短路过渡的比例减少。既然有短路发生，混合过渡时熔滴下方的电弧形态就呈现为断续、活动、集中型。这种过渡形态焊丝的工艺质量继承了前两种过渡形态的问题，即飞溅大、成形差、对气孔敏感。

1.2 CO2气体保护焊熔滴过渡形态影响因素

1.2.1 焊丝成分的影响

如前所述，CO2高温分解为CO+1/2O2，电弧中存在CO2、CO和O2三种气体。CO既不溶于金属，也不参与反应;CO2和O2使Fe和Mn（合金元素）氧化烧损。为此采用高Mn、高Si联合脱氧方式。典型的低碳钢用实心焊丝ER49-1（H08Mn2SiA）化学成分如表1所示。含C量小于0.10%和增加脱氧元素，以减少CO气体，防止熔滴中气体膨胀引起飞溅。即使如此，CO2保护焊电弧特性所决定的非轴向排斥主流过渡形态依然是无法改变的。但是一种在焊丝表面涂有低电离活性元素的所谓活性焊丝，可以提高焊丝的电子发射能力，使弧柱扩展，弧根面积扩大，对焊丝的非轴向排斥倾向有所抑制[5]。

1.2.2 工艺因素的影响

由于纯CO2滴状过渡形态的飞溅大、工艺质量很差，工程应用很少，论文主要讨论纯CO2短路过渡的工艺因素影响。由表2可知，在涉及的多种工艺参数中，关键参数是焊接电流、电弧电压、电源极性及其匹配。一旦匹配失当，熔滴过渡形态恶化，或严重影响焊接工艺质量。

2 CO2气体保护焊焊接飞溅及影响因素

2.1 飞溅类型及产生机理

2.1.1 飞溅类型

滴状过渡时电弧电压较高，焊丝端悬挂的大熔滴在电弧中不停地运动，此时存在下列几种飞溅形式（见图4a～4e）：图4a是熔池或熔滴析出气体引起的柱状隆起飞溅;图4b是悬浮于电弧空间的熔化金属发生爆炸引起的飞溅;图4c是电弧推力熔滴上挠产生的大颗粒飞溅;图4d是熔滴在电弧空间形成串联电弧，两个推力作用下产生的大颗粒飞溅;图4e是熔滴脱离焊丝之际“熔断作用”引起的飞溅。

短路过渡时电弧电压较低，熔滴与熔池金属接触发生短路时，熔滴向下的表面张力将液态熔滴从焊丝末端拉断进入熔池，这期间存在下列几种飞溅形式（见图4f～4h）：图4f是短路过渡时短路“液桥”的“熔断作用”引起的飞溅;图4g是大熔滴短路后在引燃时，由大电流产生的电弧力引起过渡金属的飞溅;图4h是在潜弧状态下，短路后再引燃时，熔池整体显著隆起而产生的飞溅。

混合过渡电弧电压介于滴状与短路过渡之间，既有大滴状过渡又有短路过渡，它们各自的飞溅形式（见图4）都可能在混合过渡形态中出现。

2.1.2 飞溅产生机理

（1）滴状过渡时的飞溅。焊丝与熔池不接触，主要是大熔滴中形成的飞溅，两个原因：一是熔滴内部气体膨胀;二是被排斥大熔滴颈缩处电流密度过大，“熔断作用”引起的大颗粒飞溅。

（2）短路过渡时的飞溅。焊丝与熔池接触，发生短路时，短路电流突然增大，在焊丝与熔池之间“液桥”的温度急剧升高，热量被聚集，“液桥”被气化并发生爆炸。

总之，纯CO2焊接飞溅的产生与该方法的焊接冶金特性、熔滴过渡形态及焊接参数的不适当密不可分。前者CO2在高温分解的CO以及气体的体积膨胀是引起飞溅的必要条件，而后者（熔滴过渡及焊接参数）则是充分条件。二者缺一不可。

2.2 CO2气体保护焊接飞溅影响因素

2.2.1 焊丝成分的影响

文献[4]研究了焊丝中的微量元素对飞溅产生的影响。结果表明，在300 A电流和合适的电压时，由于焊丝中添加Ti的强脱氧作用具有抑制短路爆炸的效果，随Ti含量增大（W1增至W4），飞溅率明显降低（见图5）;由于短路次数减少，当含Ti量较高时（如W3、W4），随电弧电压在适用范围（31～35 V）升高，飞溅率也在下降（见图5）。与其他添加物相比，焊丝中添加K具有稳定电弧的作用，使其飞溅率变得最小（见图6）;同时，在31～35 V范围提高电弧电压时，它的稳弧作用使得飞溅率进一步减小（見图6）。相反，焊丝中添加REM或Ca，可能抵消了焊丝中Ti强脱氧作用的发挥，熔滴长得较大，熔滴内气体较多，由于电弧扩展和伴随熔滴的爆炸分离，会导致大颗粒飞溅增加（见图6、图7）。

焊丝成分对飞溅的影响如表3所示。由表3可知，对于镀铜实心焊丝，含碳量的降低以及强脱氧元素的采用，可以抑制焊接飞溅;对于无镀铜实心焊丝，由于非镀铜涂层成分的多样性，有稳弧方面的活性元素，也有导电方面的其他元素等，可以抑制CO2焊接时电流密度高、电弧被压缩、熔滴被排斥、易长大等不利影响，使得飞溅减小约25%，而且也是颗粒细小的飞溅占多数（见图8[7]）。如果采用药芯焊丝，它的冶金反应有利于稳定电弧、细化熔滴，对于减小飞溅的控制更加有效[6]。

2.2.2 工艺因素的影响

CO2焊接短路过渡时的常用规范参数如表4和图9所示。对于φ1.2 mm焊丝，焊接电流为120～250 A、电弧电压为20～26 V时，熔滴过渡形态为短路过渡和混合过渡。鉴于CO2电源特性所决定的焊接电流与电弧电压的关系，即随焊接电流增大电弧电压适当提高的匹配关系，分析CO2焊接电流对飞溅的影响，如图10所示。以φ1.2 mm为例可以看出，焊接电流在120～250 A范围增加时，飞溅明显增大。这是因为焊接电流增大时电弧电压随之升高，电弧中大熔滴排斥现象加剧，电弧更加不稳，大熔滴飞溅严重。

电弧电压对飞溅的影响如图11所示[8]。可以看出，随电弧电压增大，短路次数曲线先升后降，在20 V电弧电压附近出现峰值。从熔滴尺寸看，随电流增大熔滴被细化。从焊接飞溅情况看，随电弧电压升高（15～20 V），过渡频率曲线上升，飞溅减小;电弧电压到达20 V时，熔滴最细，过渡频率最高，飞溅最小;继续提高电弧电压（20～30 V），过渡频率反而下降，熔滴粗化，飞溅增大。这是因为随着电弧电压在一定范围适度提高，电弧较稳定，熔滴尚未长太大之前就发生短路，过渡频率提高，此时无论是熔滴还是熔池中的冶金反应都不太剧烈，焊接飞溅减小。电弧电压20 V时过渡频率最大，熔滴相对最小，电弧最稳，飞溅最小。电弧电压继续提高时，熔滴非轴向长大，电弧不稳，熔滴或熔池冶金反应剧烈，焊接飞溅增大。熔滴过渡频率的先升后降趋势是由电源特性决定的。

此外，焊丝干伸长太长或太短、直流正极性、焊丝直径增大，以及回路电感量过小或过大，都会导致飞溅增大（见表2）。除了表2所列焊接参数影响之外，焊工的操作技术，如焊枪角度等因素对飞溅亦有一定影响。总之，CO2焊接飞溅是多因素影响结果，然而关键工艺因素仍然是焊接电流、电弧电压以及电源极性。

3 CO2气体保护焊熔滴过渡形态与飞溅的关系

CO2气体保护焊接常用的焊接规范内有两种熔滴过渡形态，即短路过渡和混合过渡（短路+滴状）。CO2气体保护焊接熔滴过渡与飞溅的关系如表5所示。可以看出，混合过渡时的总飞溅率比短路过渡的更大。这是因为混合过渡形态时熔滴尺寸很大，熔滴的非轴向性更加剧烈，电弧更加不稳，产生飞溅的形式更多所致。

两种熔滴过渡形态与飞溅关系的内在联系是熔滴尺寸、熔滴的非轴向性，以及熔滴中的气体含量。三个参数数值高时焊接飞溅大，反之飞溅小。熔滴的非轴向性是CO2保护气体性质所决定的;熔滴尺寸受控于熔滴的非轴向性及焊接规范参数;熔滴中的气体含量受控于焊丝成分及CO2焊接电弧中的冶金反应;熔滴爆炸倾向受控于回路串联电感量。这些指标的变化直接影响飞溅的形成。

4 工程应用中CO2气体保护焊熔滴过渡与飞溅关系的控制方案

从工程上大量使用的工艺特征上看，CO2气体保护焊熔滴过渡与飞溅关系的控制可以归纳为表6所列几种方案。方案①是开发使用含有稀土（ERM）或活化元素的焊丝。可以在焊丝中加入稀土（REM）或K、Na、Ba、Ti活化元素，或在焊丝涂层加入活性元素，增大弧根面积，改善电弧稳定性，减弱或限制熔滴的非轴向性，细化熔滴，减少短路次数，减少熔滴中气体含量，消除了短路爆炸和气体膨胀爆炸引起的飞溅。方案②是采用药芯焊丝。在药芯中加入K、Na等稳弧剂和加入Mn、Ti、Si等脱氧剂，电流较大（电压相应提高）时熔滴的非轴向性减弱，熔滴被细化，同时考虑熔滴沿渣柱过渡特性，焊接飞溅明显减小。方案③采用STT（表面张力过渡）工艺技术。STT（表面张力过渡）工艺是美国林肯电气推出的、基于高速逆变技术、电流控制的全位置焊接新工艺。该工艺的特点是：对熔滴与熔池接触和熔滴脱离焊丝端部瞬间的短路电流进行精确控制，利用表面张力进行熔滴过渡。消除了熔滴的非轴向性，熔滴被细化，熔滴中的气体含量很少，飞溅率非常低，飞溅减少了90%左右[9]。方案④采用CMT（冷金属过渡）工艺技术。CMT（冷金属过渡）工艺是奥地利Fonius公司开发的一种低热输入焊接工艺。该工艺的特点是将熔滴的过渡过程与运动相结合，即在熔滴短路时，电源输出电流几乎为零，同时焊丝回抽帮助熔滴脱落（过渡），消除了熔滴的非轴向性，熔滴被细化，熔滴中的气体含量很少。不仅实现熔滴“冷”过渡，大大降低了焊接过程的热输入，而且真正实现了无飞溅焊接[10]。方案⑤采用磁控CO2技术。所谓磁控CO2短路焊接技术，是采用外加磁场对CO2焊接电弧进行控制，改善电弧形态、促进熔滴过渡的一种新工艺。该工艺的特点是：外加磁场产生的洛伦兹力促使电弧旋转，改变电弧特性，有效控制熔滴的非轴向性，提高电弧的挺度和稳定性，使熔滴细化，降低短路峰值电流，在最佳外加磁场强度范围（见图12），飞溅率可减少10%～50%或以上（平均减少26%）[11]。

在工程应用方面，尽管相关研究报道中涉及到了方案①，但未形成標准或定型产品，推广应用信息不多。方案②药芯焊丝已被广泛应用，但施工现场几乎没有采用短路过渡形态的，因为该焊丝的短路过渡形态飞溅比滴状过渡更大，其工艺质量比后者差[12]。方案③STT（表面张力过渡）工艺存在两大缺点：一是STT的平均能量较低，熔深很浅，厚板焊接能量不足，仅适于20 mm以下板的焊接;二是所使用的焊接规范范围较窄，如使用φ1.2 mm焊丝，焊接电流大于180 A，焊丝干伸长变化较大时，飞溅量增加，焊接稳定性被破坏。国外应用较多，国内应用的报道文献不多。方案④CMT（冷金属过渡）工艺主要用于0.3～3.0 mm薄板的焊接，且送丝系统较昂贵，但由于具有完全的无飞溅、热输入小、变形小、焊接速度快、节能高效等独特优势，特别适合汽车零部件一类薄板结构的焊接，已为众多企业赢得可观的经济效益[13]。方案⑤磁控CO2短路焊接技术的研究型文献不少，但工业生产应用文献鲜见。文献[14]认为，磁控对电弧及熔滴的作用机理十分复杂、难以控制，该项目仍需进行深入研究。

5   结论

（1）CO2气体保护焊存在三种熔滴过渡形态：弧长较长时的滴状过渡、弧长较短时的短路过渡，以及中等弧长时的混合过渡形态。短路过渡影响因素中焊丝成分及电流、电压、极性是关键因素。

（2）三种过渡形态的焊接飞溅形式各异，飞溅产生机理以熔滴内部爆炸和液桥爆炸为主因，影响因素中焊丝成分及电流、电压、极性仍是关键因素。

（3）熔滴过渡形态与飞溅关系的内在联系是熔滴的非轴向性、熔滴尺寸，以及熔滴中的气体含量。三个参数数值高时焊接飞溅大，反之飞溅小。

（4）工程上可供选用的多种控制熔滴过渡形态与飞溅关系的方案各具特色，其中应用最好的首推CMT工艺，已为众多企业赢得可观的经济效益。

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