熔化极气体保护焊用焊丝与保护气体的匹配关系

孙 咸

（太原理工大学焊接材料研究所，山西太原030024）

熔化极气体保护焊用焊丝与保护气体的匹配关系

孙 咸

（太原理工大学焊接材料研究所，山西太原030024）

综述了GMAW两类焊丝与3种保护气体匹配关系。结果表明，焊丝对保护气体的匹配工艺特征各异，其中，两种焊丝对Ar+CO2的匹配工艺都显示最佳。在焊丝与保护气匹配关系下，实现喷射过渡的条件是：阳极斑点面积足够大，电磁力方向向下，焊接电流超过临界电流，三者缺一不可。对于实心焊丝，Ar＋CO2富氩混合气体工艺的适应性更好。对于药芯焊丝，Ar＋CO2富氩混合气体工艺的适应性与100％CO2保护气相当。工程应用表明，纯CO2和Ar＋CO2富氩混合气体对两种焊丝都能获得符合要求的焊接接头，后者的工艺性可能更好一些，但气孔（压坑）敏感性更大些。

实心与药芯焊丝；焊接用保护气体；熔化极气体保护焊；熔滴过渡形态；匹配关系

0 前言

随着我国工业化进程的迅猛发展，熔化极气体保护焊（GMAW）在诸多重要工程应用中充分展示了高效、自动化优势。业内人士对GMAW工艺的关注度一直未减。除设备条件之外，GMAW工艺还必须具备两个要件，即专用焊丝和保护气体。虽然国家标准对每一种焊丝都标明了与之匹配的外加保护气体类型[1-4]，如果不执行该标准，焊丝的工艺质量效果难以保证，可能出现不能达到标准规定的技术指标。然而，关于专用焊丝和外加保护气体的选择，尽管国内外相关报道不少，但有关焊丝与保护气体兼顾，且特别关注匹配性的文献鲜见。专用焊丝与外加保护气体的匹配关系并非标准上所规定那么简单。且随硬件设备（含控制系统软件）的改进或换代，以及新焊丝品种不断推出，涉及焊丝与保护气体匹配关系的技术问题也随之出现[5-6]。另一方面，关于专用焊丝与保护气体匹配关系的熔滴过渡机理探讨，迄今为止，深入研究较少。因此，继续开展GMAW焊丝与保护气体间工艺匹配关系的研究非常必要。在此特意将焊丝、保护气体匹配关系与焊丝的工艺特征相联系，探讨焊丝与保护气体匹配关系的熔滴过渡机理及匹配关系的工艺适应性。该项研究对GMAW工艺中焊丝和外加保护气体的合理选用、焊接结构工艺评定，以及焊丝研制和新品种开发，具有一定的参考价值和实用意义。

1 熔化极气体保护焊用焊丝和保护气体的类型及工艺特征

按制造方法或结构形状，熔化极气体保护焊用焊丝可分为实心焊丝和药芯焊丝两大类。实心焊丝的细分种类很多，主要以化学成分和力学性能区别。药芯焊丝又可分为气保护和自保护两大类，小的类别以成分、力学性能和熔渣性质划分。这些气体保护焊用焊丝的型号、牌号、成分和性能由国家标准规定[1-4]。

熔化极气体保护焊常用保护气体主要有三种：CO2气体、Ar气和Ar＋CO2混合气体。其主要特性分别为：①CO2气体是一种无色、无味的气体，相对密度比空气大得多，即在气态时它的重量约为空气重量的1.5倍，而且电离势低（比Ar气的低）和导热性高（见表1）。常温下CO2气体很稳定，属于惰性气体，但在高温下（约5 000 K）几乎能全部分解，形成一氧化碳（CO）、氧气（O2）和一些独立的氧原子（O），具有很强的氧化性。②Ar气是无色、无味、不可燃气体，比空气重25％。它既不与金属起化学作用，也不溶解于金属中，是一种惰性气体。可以避免焊缝金属中合金元素烧损及由此带来的其他焊接缺陷，使得焊接冶金容易控制。Ar气的导热系数很小，而且是单原子气体，高温时不分解吸热，所以在Ar气中燃烧的电弧热量损失较少。Ar气电离势低（15.76 eV）（见表1），易于引燃电弧，而且电弧一旦引燃，燃烧就很稳定。③Ar＋CO2混合气体实际上是富氩混合气体，国标规定的混合气体中Ar与CO2的比例，通常为（75％～80％）∶（25％～20％）（以下同指该比例）。富氩使Ar气在电弧下的某些重要特性，如等离子体弧柱扩大、细熔滴轴向过渡等被保留；少量CO2的混入又引入活性气体特征，使其具有氧化性，克服了纯氩保护焊接时表面张力大、液态金属粘稠、电极斑点易飘移、焊缝剖面形状不理想等问题。

表1 保护气体的几项性能指标

3种保护气体下两种焊丝的工艺特征如表2所示。可以看出，对于实心焊丝，采用100％CO2时，虽然熔敷效率高，但操作工艺性差，主要是飞溅大；采用100％Ar时，操作工艺虽然很好，但熔深较浅；采用Ar＋CO2混合气体时，操作工艺很满意，熔深获得改善，综合工艺性最好。3种气体都对气孔敏感。对于药芯焊丝，采用100％CO2时，操作工艺性比实心焊丝大有改善，具体讲，飞溅减小了，成形美观了，但钛型渣系焊丝对气孔（压坑）比较敏感；采用100％Ar时，电弧变异、成形恶化；采用Ar＋CO2混合气体时，飞溅最小、成形美观，综合工艺性最好，但对气孔敏感性未减。

从工艺特性角度评价匹配关系，3种保护气体对实心焊丝的匹配性均不错，其中，Ar＋CO2混合气体工艺最佳，100％CO2应用也很广，各具优势。3种保护气体对药芯焊丝的匹配性差别较大。其中，100％CO2工艺略差，而Ar＋CO2混合气体工艺最佳，100％Ar不推荐FCAW使用。

2 熔化极气体保护焊用焊丝与保护气体匹配关系的熔滴过渡机理

由表3可知，针对3种不同的保护气体，实心焊丝实现喷射过渡主要取决于三个因素：①阳极斑点面积等于或大于载流截面面积；②电磁力作用方向向下；③焊接电流等于或大于临界电流。①是必要条件，②③是充分条件，三者缺一不可。三者变化其一，过渡形态随之而变。100％CO2时，前两条对过渡不利，结果形成大颗粒非轴向排斥过渡形态（见图1）。对于药芯焊丝，虽然焊丝结构与实心不同，焊芯包有各种药粉（含一定量的K、Na等低电离电位元素），电弧中焊丝端出现渣柱及阳极斑点的微扩，然而上述影响熔滴过渡的三要素仍在起作用。100％CO2时，尽管熔滴尺寸或阳极斑点的微扩有利于过渡，但由于前两个主导因素没有改变，仍然维持大颗粒非轴向排斥过渡形态，只是操作工艺性比实心焊丝有明显改善（见图4）。

表2 不同保护气体下焊丝的工艺特征

表3 不同保护气体下焊丝的熔滴过渡机理

图1100 ％CO2、滴状过渡规范时，实心焊丝熔滴过渡形态示意

图2100 ％Ar，大于临界电流时，实心焊丝熔滴过渡形态示意[5]

从熔滴过渡机理角度评价匹配关系，三种保护气体中实心焊丝过渡机理规律性很强，三要素缺一不可。要素的变化主要受电弧中气体理化特性及其变化控制。其中100％CO2时可能有两种过渡形态：短路过渡和滴状过渡。小电流、低电压时通常形成短路过渡；大电流、相应高电压时，形成粗滴状过渡。三种保护气体中药芯焊丝过渡机理规律性也较明显，三要素缺一不可。此时要素的变化不仅受电弧中气体理化特性及其变化控制，而且受焊丝结构变化影响。其中100％CO2时操作工艺性改善明显，但三要素的作用远大于药粉的影响，非轴向排斥过渡形态难以被改变。100％Ar时，焊丝结构因素起关键作用：渣柱太长，阳极斑点无法形成，过渡条件彻底被破坏。Ar＋CO2的情况是20％CO2改变了纯氩电弧特性，使其具有氧化性，克服了纯氩保护焊接时表面张力大、液态金属粘稠、电弧斑点易飘移等问题，形成了细颗粒轴向喷射过渡形态。总之是混合气体完全具备三要素的结果。

图3 Ar＋CO2、等于或大于转变电流时，滴状向喷射过渡转变示意

图4100 ％CO2时，药芯焊丝熔滴过渡形态示意

3 熔化极气体保护焊用焊丝与保护气体匹配关系工艺适应性评估

3种保护气体对两种焊丝匹配关系的工艺适应性简要评估如表4所示。

表4 焊丝与保护气体匹配关系的焊接工艺适应性

对于实心焊丝，用得较早、较多的首推100CO2；最近几十年，随着Ar＋CO2混合气体气源的方便供应，这类保护气体的用量越来越多。100％Ar只在一定范围内，如活泼性金属的焊接中应用。100％CO2的问题是电弧不稳、飞溅大、气孔敏感。但成本低，一般要求的构件工艺适应性依然不错。Ar＋CO2，除了个别情况下对气孔敏感外，操作工艺上已有很大改善，工艺适应性良好。100％Ar存在的问题比较明显，除了特定活泼金属外，大多数原有的金属或合金均采用富氩混合气体。

对于药芯焊丝，首先是100％CO2，总体评价比较好。无论是碳钢、低合金钢，还是高合金、不锈钢，以及其他钢种，该保护气FCAW焊接工艺已经被广泛应用，并获得了满意的效果。从中国药芯焊丝3个国家标准看[2-4]，在规定的几十种药芯焊丝中，标明外加保护气体为100％CO2的已经占了相当的比例。国外标准亦有类似情况。100％CO2保护气的不足之处是：①电弧形态尚不十分理想，虽然属于连续型电弧形态，但随熔滴在焊丝端急速摆动发生电弧迁移，活动性太强烈。②熔滴过渡形态也不尽如人意，典型的非轴向排斥过渡，熔滴尺寸大、过渡频率低，产生飞溅几率大，尽管比实心焊丝已有较大改善，但在一些情况下，比如在碱性渣系条件下，焊接飞溅仍然比较大。③有一些品种的药芯焊丝，比如钛型渣系的药芯焊丝，气孔（压坑）敏感性较严重，主要与熔滴中携带的氢和进入熔池中的氢总量，以及气体从液态金属逸出条件等因素有关。

第二是100％Ar。该气体一般不单独作为药芯焊丝的保护气使用，而是在Ar＋CO2混合气中以富氩组分出现。这是因为纯氩使得铁基金属药芯焊丝的电弧和熔滴过渡变异，比如电弧中焊丝的钢皮过早熔化，药芯形成的渣柱太长，可能成段落入熔池；还有等离子体弧柱范围增大且难以控制，导致焊缝成形恶化。因此100％Ar不适用于药芯焊丝焊接工艺。唯一例外的是在GB/T47853—1999《不锈钢药芯焊丝》中，型号为E×××T15-5的这类药芯焊丝，作为填充焊丝，只能用于钨极惰性气体保护焊（GTAW）方法，它的保护气体是100％Ar。

第三是Ar＋CO2。在中国现有的3个药芯焊丝国家标准中，推荐使用的Ar＋CO2混合气体的含量为φ（Ar）（75％～80％）＋φ（CO2）（25％～20％），这种保护气对FCAW焊接工艺的有利作用见上文所述。可以说，其应用面之广、规定的品种之多，对FCAW焊接工艺的适应性完全可以与100％CO2保护气媲美。国外的情况也大体如此。虽然Ar＋CO2混合气体使其熔滴改为轴向过渡（见图5）[7]，而且熔滴细化、过渡频率提高，然而气孔（压坑）敏感性[8]对这种保护气的进一步快速推广是一个严峻的挑战。

图5 送丝速度和电弧电压相同条件下，不同保护气电弧下的熔滴过渡形态

4 熔化极气体保护焊用焊丝与保护气体匹配关系的工程应用

表5列出了4个GMAW工程应用实例。第一例是河南省锅炉压力容器安全控制研究院，对大直径厚壁管道药芯焊丝富氩混合气体保护焊工艺进行的试验[8]。试件为φ508 mm×38.1 mm的A333Gr.6管材，在壁厚38.1 mm厚的圆管环向开40°U型坡口，根部间隙1.5 mm，钝边1.5 mm。采用GTAW打底+ FCAW填充、盖面多层焊接工艺，其中FCAW方法的工艺参数见表5中实例①。在合理选择保护气体流量、焊接电流、电弧电压、焊接速度，以及其他必要辅助参数或技术条件下，该工艺获得的焊缝表面成形好、飞溅小、效率高，焊缝质量好；接头的力学性能满足标准要求，使用性能好。该工艺的焊接性适用于场站大直径厚壁管道焊接。文献[8]还指出了气孔和夹渣缺陷的预防措施。

第二例是西安核设备有限公司针对AP1000支撑部件，对A588GrB钢焊接工艺进行的研究[9]。试板尺寸为600 mm×150 mm×38 mm，开60°双V型坡口，根部间隙和钝边分别为2mm和0.5mm。采用SAW、SMAW和FCAW三种焊接方法进行焊接，其中FCAW方法的工艺参数见表5中实例②。通过焊前50℃预热工件、小的焊接热输入等合理工艺参数，采用100％CO2保护FCAW获得了满意的接头质量。焊后消除应力热处理（620℃±15℃）×10 h，能有效提高焊缝和热影响区的冲击性能。

第三例是中核集团中国核电工程有限公司采用FCAW在核电站安全壳钢衬里的应用[10]。焊接用钢为20HR＋Q235B，板厚6 mm，对接焊缝，1G（水平）位置。采用FCAW、SMAW等方法焊接，其中FCAW方法的工艺参数见表5中实例③。通过工艺参数合理选用、焊接变形控制等技术运用，成功进行了安全壳钢衬里结构焊接，焊缝一次合格率达97％，节约了成本，缩短了工期。该工艺对核电站安全壳钢衬里的焊接既可行又可靠。

第四例是针对液压支架结构件用Q690高强钢特点，铁法煤业集团机械制造公司进行了焊接工艺评定试验研究[11]。试板尺寸为300 mm×150 mm× 20 mm，45°单V型坡口，反面清根双面接头。采用具有等强匹配实心焊丝、富氩混合保护气体的GMAW方法，在执行表5中实例④所示的焊接工艺要点制作试板，同时强调焊接热输入、预热及层间温度的控制，确定执行消除应力回火温度为520℃±20℃。结果表明，拟定的焊接工艺已成功地应用于液压支架结构件的生产。

表5 不同保护气的GMAW工程应用工艺参数

5 结论

（1）两种焊丝对3种保护气体的匹配工艺特征各异，其中，对Ar+CO2的匹配工艺都显示最佳。

（2）在所探讨的焊丝与保护气匹配关系下，实现喷射过渡的条件是：阳极斑点面积足够大，电磁力方向向下，焊接电流超过临界电流。三者缺一不可。

（3）对于实心焊丝，Ar＋CO2富氩混合气体工艺的适应性更好。对于药芯焊丝，Ar＋CO2富氩混合气体工艺的适应性与100％CO2保护气相当。

（4）工程应用表明，纯CO2和Ar＋CO2富氩混合气体对两种焊丝都能获得符合要求的焊接接头，后者的工艺性更好些，但气孔（压坑）敏感性更大些。

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家标准气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝GB/T8110-2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家标准碳钢药芯焊丝GB/T10045-2001[S].北京：中国标准出版社，2001.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家标准低合金钢药芯焊丝GB/T17493-2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家标准不锈钢药芯焊丝GB/T17853-1999[S].北京：中国标准出版社，1999.

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Matching relationships between welding wire and shielding gas for GMAW

SUN Xian
（Institute of Welding Consumables，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The matching relations between two types of welding wires and three kinds of shielding gases for GMAW were discussed in this paper.The results show that the matching process characteristics of welding wire to shielding gas are different，in which，the matching process of two kinds of welding wire to Ar+CO2rich argon gas mixture shows the best.Under the matching relation between welding wire and shielding gas,the conditions to achieve the spray transfer are as follows：the anode spot area is large enough，the electromagnetic force direction is downward，and the welding current exceeds the critical current.Three are indispensable.For solid wires,the process adaptability of Ar+CO2rich argon gas mixture is better；for flux cored wire，the process adaptability of Ar+CO2rich argon gas mixture is equivalent to 100％CO2shielding gas.The engineering applications show that pure CO2and Ar+CO2rich argon gas mixture using two kinds of welding wire can get satisfactory welded joints，the latter usability may be better，but the porosity(press hole)sensitivity is greater.

solid and flux cored wire；shielding gas for welding；gas metal arc welding；droplet transfer mode；matching relationship

TG422

A

1001－2303（2017）01－0038-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.07

献

孙咸.熔化极气体保护焊用焊丝与保护气体的匹配关系[J].电焊机，2017，47（1）：38-43.

2016-07-04；

2016-09-21

孙咸（1941—），男，山西孝义人，教授，主要从事焊接材料及金属焊接性方面的研究和教学工作。