基于工程应用的无镀铜实心焊丝电弧行为探讨

（太原理工大学焊接材料研究所，山西太原030024）

0 前言

随着高效、自动化焊接方法的迅速发展，实心焊丝的用量越来越大。然而基于环保和健康前提的考虑，实心焊丝制造生产工艺的无镀铜环保化势在必行。所谓无镀铜焊丝，就是焊丝表面不再电镀铜元素，可是为了导电、防锈等目的，并不排斥焊丝表面涂有其他涂层的可能性。无镀铜焊丝可能有多种生产工艺及品种，包括原生态无镀铜焊丝[1]及其他环保方法生产的涂层焊丝。目前国产无镀铜焊丝之所以不能迅速推广应用，其主要原因是国产焊丝的质量即综合使用性能不过关，如导电嘴易损、送丝不稳等，影响效率和焊接质量。有关无镀铜焊丝的文献大多数以介绍焊丝的性能、生产工艺及焊丝优点为主，涉及工程应用的不多。即使在标题中出现“应用”字样的几篇文献，文中亦无具体结构应用说明等细节（如焊接参数、工艺要点、应用效果等）内容。反倒是国外有几篇应用文献介绍了国际名牌无镀铜焊丝的工程应用实例[2-3]，这也从一个方面回答了国产无镀铜焊丝的不成熟和未能大量推广应用的原因。另一方面，广大用户对无镀铜焊丝的关注度一直未减，不断有人提出一些质量问题，如无镀铜焊丝的品质究竟怎样，关键工艺性指标如何确定？国产焊丝质量与国外名牌有多大差距等。为此，论文从工程应用入手，把电参数与熔滴过渡形态相联系，探讨无镀铜焊丝电弧行为的关键工艺参数（电弧稳定性及焊接烟尘）及其影响因素。该项工作对于改进无镀铜焊丝工艺质量、促进工程应用、研制焊丝新品种，具有一定的参考价值和实用意义。

1 工程应用中的无镀铜焊丝熔滴过渡形态

1.1 工程应用实例

表1列出了2个无镀铜焊丝现场施工的应用实例。

表1 无镀铜焊丝工程应用工艺参数

第一例是混凝土泵车臂架焊接施工。臂架是混凝土泵车主要承载部件，必须有足够的强度和刚度。单节臂架的长度5～8 m，臂架为箱体式结构，主要由腹板、翼板及筋板组成，板厚4～10 mm，视承载力大小而定。河南森源重工有限公司选用BS700MCK2钢作为臂架材质、无镀铜OK AristoRod69焊丝作为填充材料，在执行表1实例（1）所示焊接工艺参数的同时，特别强调组装构件预留收缩余量、采用合理的组装和焊接顺序、正确选用焊接方法、焊接参数等工艺要点，基本解决了臂架焊接过程中的变形等工艺问题，提高了产品的质量。德国的普茨迈斯特（Putzmeister）公司生产的混凝土泵臂架长度16～62m，如图1所示，采用S690Q级钢板和OK AristoRod13.29无镀铜焊丝进行GMAW焊接生产。克服了之前使用镀铜焊丝质量不稳定，导致碎屑残留在送丝系统中的堆积，以及严重的焊接飞溅等问题[2]。

第二例是挖掘机结构件的机械手焊接。文献[5]介绍了20世纪90年代日本小松公司在美国的两家工厂，采用ER70S-6型焊丝的机械手在挖掘机焊接生产中的应用。在挖掘机结构件中，箱形结构的动臂和斗杆的自动焊比例最高，它们需要长距离多道焊。动臂长度4.11～5.08 m，斗杆尺寸也在一定范围内变化。所用材质为A36钢板，板厚12.7～76.2 mm，50%以上的钢板厚度为19.05～25.4 mm。采用 GMAW，保护气体为富氩[φ（Ar）80%+φ（CO2）20%]混合气体。在执行表1实例（2）所示焊接工艺参数，同时，特别强调严格控制板件装配尺寸公差等工艺要点，以保证产品的焊接质量。文献[2]介绍了 2006年意大利帕多瓦（Padua）的小松（Komatsu）公司在生产挖掘机时无镀铜焊丝的成功应用。设备的主要结构和底盘是在3条高度自动化生产线制造的，这些生产线由大量机器人焊接单元组成。无镀铜OK AristoRod12.50焊丝表现很好，焊丝直径1.2mm，焊接电流大于400A，送丝速度大于20m/min，焊枪的导丝管长达20 m，并伴有频繁的起弧-收弧。焊丝连续一贯的相同高性能保证了高效焊接的稳定性。没有出现送丝问题，焊缝质量一直满意，不但清洁，而且定位重复性好。

第一例是国内企业采用国产钢板和伊萨OK AristoRod69无镀铜焊丝的工程应用，而德国普茨迈斯特公司同样在混凝土泵臂架结构焊接中使用了伊萨OK AristoRod13.29无镀铜焊丝。前者的焊丝属于ER110S-G型，后者的焊丝则属于ER100S-G型。这是因为他们使用的钢材不同，所以匹配了不同型号的焊丝。但生产效果都很满意，显示了无镀铜焊丝的优越性。第二例是同一个挖掘机产品都用机器人生产，并且采用相同的工艺参数，无镀铜焊丝取代了镀铜焊丝后，焊丝的使用性能得到明显的提升：飞溅小、导电嘴寿命长、过程稳定、焊接质量可靠。遗憾的是，工程中所使用的无镀铜焊丝都是国外名牌公司的产品，很难查到有关国产无镀铜焊丝工程应用的文献报道。

图1 普茨迈斯特混凝土泵

1.2 焊接电参数与熔滴过渡形态间的关系

焊接电参数与熔滴过渡形态间的关系如表2所示。

表2 焊接电参数与焊丝熔滴过渡形态的关系

由表2可知，两种焊丝的熔滴过渡形态类型基本相同，即小电流时为短路过渡，中等电流时电弧电压相应提高，呈现粗熔滴滴状过渡，大电流、高弧压时呈现喷射过渡（达到或超过转变电流），更大电流时成形困难。两种焊丝过渡类型的电流范围可能存在差别，特别是转变电流不同，无镀铜焊丝的明显低于镀铜焊丝。两种焊丝的过渡形态所对应的焊丝工艺特征不尽相同。后者比前者有所改善。其可能的原因是：无镀铜焊丝涂层成分含有活性元素，改善电弧形态，细化熔滴，抑制CO2气体对电弧压缩引起的不利影响；表面防锈处理层负面作用轻微，还有送丝更加稳定等因素。至于焊接缺陷如气孔、未熔透、未熔合、咬边以及焊接裂纹等的产生，不仅与焊丝品质有关，更可能涉及焊接作业及其他辅助工艺等因素[6]。

施工现场选用的焊接参数（见表1）是经过实践证明好用且可靠的参数，既体现了该焊材工艺的高效、自动化特色，又保证具有优良或满意的工艺性。依据表2给出的关系，案例（1）使用的电流190～220 A、电压19～22 V，以及富氩混合保护气体，判定现场焊丝熔滴过渡形态为滴状过渡，电压在低限时可能有短路过渡。此时工艺性表现：电弧不太稳、飞溅较大、焊缝波纹较粗。案例（2）使用的电流400～430 A、电压 36～37 V，以及富氩混合保护气体，判定现场焊丝熔滴过渡形态可能为喷射过渡。此时工艺性表现：熔滴细、飞溅减小、成形良好。

无论是焊丝产品说明书还是工程施工指导性文件，都没有特别指出焊丝熔滴过渡形态选用的必要性，以及应当选用什么样的熔滴过渡形态。然而，熔滴过渡形态是客观存在的规律，遵循了这些规律，焊丝操作工艺就满意。有人甚至说，熔滴过渡形态是焊丝工艺性之纲，抓住了这个纲，工艺质量才有保障。可见，对于焊丝工艺质量而言，合理选用熔滴过渡形态具有重要的实用意义。焊丝获得满意熔滴过渡形态的条件：一是焊丝自身具备的，如熔滴尺寸小、焊丝水分少等要素；二是工艺参数合理匹配。二者缺一不可。工程上虽然更多关注的是产品质量、工程进展速度等问题，然而，并不排斥对先进理论的应用，并且往往是先进技术理论试验基地或新兴理论催生地。不同工程上所用焊接参数具有如此的规律性，不约而同地指向了共同的目标，亦指向了正确的熔滴过渡形态。这表明在工程施工指导性技术文件背后，熔滴过渡理论确实在起作用，它们的实用价值和理论意义应当是毋庸置疑的。

2 无镀铜焊丝的电弧稳定性

2.1 无镀铜焊丝与镀铜焊丝电弧稳定性比较

所谓电弧稳定性是指电弧在焊接过程中保持稳定放电燃烧的程度，即不产生断弧、跳跃、飘移和磁偏吹等现象的程度。影响电弧稳定性的因素包括焊接电源种类及特性、焊接电流、电弧电压、焊丝涂层质量、焊条药皮和焊剂成分以及电弧磁偏吹等，操作人员的熟练程度以及工件表面的清洁状态也会对电弧稳定性产生影响。对于GMAW方法而言，影响电弧稳定性还有一个重要因素，即焊枪送丝的质量和稳定性，将在下文讨论。施工现场对焊接电弧稳定性的判断主要有以下几种方法：一是在护目镜下直接观察电弧及熔滴过渡形态；二是通过观察电焊机上的电流、电压表指针摆动情况判断；三是利用波形图及其他仪器记录和分析电弧稳定性；四是通过操作人员手感和目视综合观察给出判断。

为了评价无镀铜焊丝的工艺性能，山东临工工程机械有限公司挑选操作经验丰富的焊工7人，采用如表3所示的焊接参数（2种焊丝，2种焊接电流，其余参数相同），在T型接头试板角焊缝烧焊，对ER50-6型号的镀铜焊丝和无镀铜焊丝进行工艺性对比试验[7]。通过焊工烧焊过程中的目测和手感，对焊丝作出定性的比较式评价。采用了3级评定方法：①好，表示无镀铜焊丝比镀铜焊丝优势明显；②相当，表示无镀铜焊丝与镀铜焊丝性能一样；③差，表示无镀铜焊丝比镀铜焊丝性能差。无镀铜焊丝与镀铜焊丝工艺性对比试验结果如表4所示。可以看出：a.当焊接电流I=260～320 A时，无镀铜焊丝的电弧稳定性好评占比最高达100%，其次是焊缝成形好评占比为85.71%，操作手感好评占比为57.14%（其中认为手感明显比镀铜焊丝好的4人，认为与镀铜焊丝一样的3人，没有人认为手感比镀铜焊丝差）。b.当焊接电流I=300～360 A时，好评占比达100%的有两项：电弧稳定性和焊缝成形（即分别有7人认为无镀铜焊丝的这两项指标比镀铜焊丝优势明显）。其次是操作手感好评占比为57.14%，再次是焊接烟尘好评占比为28.57%，最后是焊接飞溅好评占比为14.29%（1人认为无镀铜比镀铜飞溅明显小，6人认为无镀铜与镀铜飞溅一样）。c.采用大电流时，无镀铜焊丝的各项指标优势凸显，尤其是稳弧性和焊缝成形。d.两种焊接电流试验综合好评占比的结果表明，无镀铜焊丝的稳弧性和焊缝成形分别高达100%和92.86%，认为无镀铜焊丝操作手感明显好的达57.14%，无镀铜焊丝的焊接烟尘和焊接飞溅的综合好评占比分别为14.29%和7.14%，没有人认为无镀铜焊丝比镀铜焊丝的差。

表4所示结果与两种焊丝的熔滴过渡形态有关。根据表2中电参数与熔滴过渡形态关系，列出了实测两种焊丝的熔滴过渡形态和工艺特征分析，如表5所示。可以看出，在两种焊接电流时，镀铜焊丝熔滴均呈现非轴向排斥滴状过渡形态，这是因为GMAW使用φ（CO2）100%保护气体，电弧中熔滴底部阳极斑点面积远小于载流截面面积，电磁力作用方向向上，熔滴的表面张力和电磁力共同作用所致（见图2）[8]，况且φ（CO2）100%保护气体焊接并不存在转变电流，电流继续增大无法改变焊丝的非轴向排斥滴状过渡形态。在两种焊接电流时，无镀铜焊丝熔滴均呈现滴状过渡，这也是使用φ（CO2）100%保护气体导致的结果。然而无镀铜焊丝的工艺性比镀铜焊丝有明显改善（熔滴尺寸略小、过渡频率增大），这是因为无镀铜焊丝涂层成分中含有稳弧作用的活性元素及导电作用的其他元素等，在电弧中抑制了CO2的不利影响。

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表3 焊接参数

表4 无镀铜焊丝与镀铜焊丝工艺性对比[7]

表5 实测两种焊丝的熔滴过渡形态及工艺特征

图2 φ（CO2）100%、滴状过渡规范时，镀铜焊丝熔滴过渡形态示意[6]

2.2 无镀铜焊丝电弧稳定性影响因素

2.2.1 保护气体类型

不同保护气体下两种焊丝的电弧稳定性如表6所示。在主要焊接参数匹配条件下，φ（CO2）100%保护气焊接时，两种焊丝电弧都不稳，这是CO2气体的特性决定的。而无镀铜焊丝稳弧性稍有改善，这与焊丝涂层成分品质相关。采用φ（Ar）100%和φ（Ar）80%+φ（CO2）20%两种保护气体焊接时，两种焊丝电弧都很稳定，主要是由两种气体特性决定的。

2.2.2 焊丝涂层成分

焊丝涂层成分对稳弧性的影响如表7所示。

两种涂层焊丝在φ（CO2）100%保护气焊接时，无论电流大小，电弧都不稳定，这是CO2保护气特性决定的；尽管无镀铜焊丝的稳弧性有所改善，然而毕竟涂层成分对CO2保护气造成的电弧不稳控制有限，而不是完全改变。两种涂层焊丝在φ（Ar）80%+φ（CO2）20%保护气焊接时，电弧都变得稳定，而且均存在转变电流，可是无镀铜涂层焊丝的转变电流比镀铜涂层焊丝的小，其原因是 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合气体特性起到了重要作用，使其稳弧性变好，并存在转变电流，应当是无镀铜涂层的有效作用使其转变电流小于镀铜焊丝的。

表6 不同保护气体下2种焊丝的电弧稳定性

表7 焊丝涂层成分对稳弧性的影响

2.2.3 焊接参数

在φ（CO2）100%保护气条件下，工艺参数对电弧稳定性的影响如表8所示。在5种工艺参数中，影响明显的参数是焊接电流、电弧电压和电源极性。然而所有参数间的正确匹配亦是至关重要的，一旦匹配失当，稳弧性恶化，会严重影响焊丝工艺质量。

表8 工艺参数对2种焊丝电弧稳定性的影响（φ（CO2）100%保护气，焊丝直径1.2 mm）

（1）压紧滚轮结构设计。送丝机中送丝滚轮是向焊丝施加推力的关键零件，要求持续、稳定、均匀地压紧推送焊丝又不可把焊丝压扁，因此必须正确选材、合理设计送丝滚轮的结构形状和加工工艺。如果设计不合理或选材、加工工艺有问题，送丝滚轮一旦打滑或不均匀给力，电弧必然不稳。

（2）送丝滚轮压力调整。对于结构设计合理的送丝机滚轮，当压力调整不当，压力过大会把焊丝压扁，压力过小推力不足，送丝不稳也会影响稳弧性。鉴于无镀铜焊丝与镀铜焊丝涂层的性能不同，压紧轮施加压力应有所差别，前者压紧轮压力不可太大，压力太大容易破坏表面涂层，进而影响送丝，以致于粘结导电嘴。

（3）送丝滚轮上有污染物。当焊丝涂层与焊芯结合强度不太牢时，在送丝滚轮压力作用下有可能剥裂（而非剥落），进入导丝管后有可能剥落，在导丝管内聚集，增大送丝阻力，影响稳弧性。有资料显示，无镀铜焊丝的涂层比镀铜焊丝结合强度高，不容易在导丝管聚集碎屑，不会影响稳弧性[2]。

（4）送丝软管内径、长度及管内异物。送丝软管是把送丝滚轮出来的焊丝传输到焊枪导电嘴的传输通道零件，既有导向作用，又有增强焊丝刚性、防止弯折的保护作用。送丝软管是用弹簧钢绕制，能够保证通道畅通，平稳、匀速送丝。软管内径过小，焊丝与软管内壁间的接触面积增大，增加送丝阻力；软管内径过大，焊丝在软管内呈波浪形送进，同样会增大送丝阻力。这两种情况干扰甚至破坏焊丝平稳送进，进而影响稳弧性，因此软管内径与焊丝直径须保持一定关系，如表9所示。软管长度太长，也会增大送丝阻力。文献[2]表明，无镀铜焊丝的送丝软管可以长达20 m，焊丝的涂层质量和软管技术含量必有创新之处。送丝软管内异物多（如涂层碎屑等），同样影响稳弧性。

表9 软管内径与焊丝直径的关系

（5）导电嘴材质、规格。导电嘴是焊丝获得电源提供电流的关键零件。导电嘴的耐磨性与所用材质相关。生产应用表明，铬锆铜材质的导电嘴比紫铜材质的更耐磨。紫铜导电嘴导热快、易变形，导致送丝不畅，影响稳弧性。导电嘴的规格尺寸必须与使用的焊丝直径保持一定关系，如表10所示。导电嘴内径过大接触点小，导电和导向性不好，造成送丝不稳定；导电嘴内径过小则送丝阻力增加，送丝不畅，过程不稳定，电弧当然不稳。导电嘴严重磨损后，内径扩大，送丝必然不稳，稳弧性变差。有资料显示，无镀铜焊丝对导电嘴的磨损率较小（换言之，无镀铜焊丝用导电嘴寿命长），稳弧性比镀铜焊丝好，如图3所示[2]。

表10 导电嘴孔径与焊丝直径的关系

图3 导电嘴磨损

3 无镀铜焊丝的焊接烟尘

在熔化极气体保护焊（GMAW）过程中，实心焊丝在电弧中熔化、蒸发、凝固后产生的气态和极细微颗粒状物质（包括气体、烟雾、灰尘等），统称为焊接有害物质。焊接烟尘中存在大量可吸入物质，一旦进入人体会对健康产生危害。焊接烟尘是电弧行为的重要部分，也是无镀铜焊丝的一个关注点。文献[9]使用福尼斯（Fronius）电源和焊接机器人，采用表11所示的焊接参数进行熔化极气体保护焊，并收集3种焊丝焊接烟尘，实测其烟尘形成率（FFR）。

表11 试验焊丝使用的焊接参数

表12和图4是实测3种焊丝样品的烟尘形成率与铜含量间的关系[9]。可以看出，1号无镀铜样品中含铜量仅0.001%（微量），2号镀铜样品中含铜量为0.083%，3号镀铜样品中含铜量为0.13%。1号的烟尘形成率0.387 g/min，2号为0.495 g/min，3号为0.537 g/min。2、3号镀铜样品的烟尘形成率比无镀铜1号样品高，分别比1号净增加18.6%和38.8%，但烟尘形成率的增加与焊丝中铜含量的增加不成正比关系。

镀铜与无镀铜焊丝焊接烟尘排放率比较如图5所示。可以看出，当焊接电流250～300 A时，无镀铜SE-A50S焊丝铜烟尘的排放率几乎为0，而镀铜焊丝的铜烟尘的排放率高达4.9～5.3 mg/min。根据OSHA（职业安全与卫生管理局）标准，SE-A50S焊丝也有助于达到0.1 mg/m3的Cu烟气PEL（允许暴露水平）[3]。

表12 试验焊丝铜含量及烟尘形成率的增加

图4 烟尘形成率与试样铜含量的关系

图5 镀铜焊丝和SE-A50S焊丝的铜烟尘排放率

4 结论

（1）工程条件下，大电流、强规范（含高的电弧电压）施工，在富氩混合气体保护下，无镀铜焊丝的熔滴过渡形态是喷射过渡，但当电流较小、电弧电压较低时，可能为滴状过渡，甚至（电压很低时）是短路过渡形态。

（2）无镀铜焊丝涂层中的活性元素等物质，在电弧中抑制了CO2气体对稳弧性的不利影响，使无镀铜焊丝比镀铜焊丝具有更优异的稳弧性。

（3）在4种稳弧性影响因素中，不可低估送丝机和焊枪结构中几个关键零件可能带来的不利影响。

（4）无镀铜焊丝的含铜量几乎为0，镀铜焊丝的焊接烟尘形成率比无镀铜焊丝净增加18.6%和38.8%，但烟尘形成率的增加与焊丝中铜含量的增加不成正比关系。无镀铜SE-A50S焊丝铜烟尘的排放率几乎为0。