纯CO2保护气的GMAW熔滴喷射过渡研究进展

孙咸

太原理工大学焊接材料研究所 山西太原 030024

1 序言

虽然说C O2气体保护焊存在飞溅大、气孔敏感、氧化性强等缺点，但多年来该工艺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，滴状过渡形态用的较少，喷射过渡没有应用。有关纯CO2气体保护焊文献数量颇丰，大多涉及短路过渡形态及其应用，很难发现谈及非短路过渡的，更不用说探讨喷射过渡的文献了。

数十年以来，专业研究人员在控制CO2气体保护焊飞溅方面取得了许多进展，但在具有高熔敷速率的纯CO2气体保护焊喷射过渡研究方面文献罕见。另一方面，CO2气体保护焊实现喷射过渡，不仅是焊接工艺方法的重大突破和进展，而且具有重要的技术和经济意义。为此，本文特意将纯CO2气体保护焊喷射过渡形态与CO2气体保护焊熔滴过渡特点及对工艺质量的影响相联系，探讨GMAW喷射过渡形成条件，分析纯CO2气体保护焊喷射过渡形成要素及可能途径，并介绍纯CO2气体保护焊实现喷射过渡的突破性研究动态。该项研究对CO2气体保护焊进一步推广应用、CO2气体保护条件下喷射过渡新工艺的创新研发，具有一定参考价值和理论意义。

2 CO2气体保护焊熔滴过渡特点及常用熔滴过渡形态的工艺质量

2.1 CO2气体保护焊熔滴过渡特点

在纯CO2气体保护焊中，当弧长比较长时，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[1]。这是由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。

图1 CO2气体保护焊的电弧及熔滴形态示意（弧长较长时）

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。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下表面张力。短路过渡中的焊接飞溅也是比较明显的（见图2b第4帧）。主要由于短路瞬间短路电流增长速度过快或过慢引起的。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。

图3 CO2气体保护焊短路过渡的电弧及熔滴形态示意

图4 在约150A电流下使用φ1.2mm实芯焊丝时，短路的频率与电弧电压的关系

图4 是实芯焊丝短路过渡频率与电弧电压关系实测结果[2]。可以看出，随电弧电压增大，短路次数曲线先升后降，在20V电弧电压附近出现峰值。从焊接飞溅情况看，随电弧电压提高（15～20V），过渡频率曲线上升，飞溅减小；电弧电压到达20V时，过渡频率最高，飞溅最小；继续提高电弧电压（20～30V），过渡频率反而下降，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不太剧烈，焊接飞溅减小。电弧电压20V时过渡频率最大，熔滴相对最小，电弧最稳定，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。

总体上看，纯CO2气体保护焊熔滴过渡具有三大特点：①弧根面积小，电弧集中。②大熔滴非轴向排斥过渡。③氧化性电弧，焊接飞溅大。

2.2 CO2气体保护焊常用熔滴过渡形态及其工艺质量

熔滴过渡形态决定工艺质量。工艺质量的主要指标包括：焊接飞溅、焊缝成形、气孔倾向、全位置焊接适应性，以及接头的力学性能等。纯CO2气体保护焊常用熔滴过渡形态有两种：短路过渡形态和滴状过渡形态。从表1可以看出，短路过渡因其低热输入，适于全位置和薄、厚板焊接的优势，获得广泛应用。不足之处是焊丝的熔敷速率相对较低、厚板焊接可能产生未熔合，以及焊接飞溅较大等问题。滴状过渡形态的优点是：电流大、焊丝粗、熔化速率高，适于厚板焊接。但全位置焊接工艺性相对较差，仅适于平焊或平角焊接，且飞溅大、气孔敏感，工程应用受限。滴状过渡形态的焊接电流范围为200～500A，对于直径1.0～1.6mm或更粗一点的焊丝，随焊接电流增大，熔滴尺寸未被细化，且工艺明显变差。并且电弧的氧化性及大熔滴非轴向排斥过渡特点难以改变。因此，有多篇文献明确指出，纯CO2气体保护焊时，随焊接电流增大，没有转变电流出现，难以实现喷射过渡形态[3-4]。

3 GMAW中熔滴喷射过渡形态形成条件

当电弧中充满富Ar混合气体时，等离子弧柱体积扩大，保证熔滴过渡的轴向性。而少量的活性气体O2或CO2混入电弧，增加了电弧的氧化性，可降低熔滴表面张力。当焊接电流达到或超过转变电流时，焊丝中高的电流密度使熔滴温度升得很高，表面张力降低。与此同时，作用在熔滴上的电磁力也迅速提高，且很快大于熔滴的表面张力。在很强的电磁夹持力（收缩力）作用下，焊丝端熔化金属变细形成所谓铅笔尖状，从铅笔尖端不断射出小于焊丝直径的细熔滴。电磁夹持力犹如一个强有力的缩口，迅速分离熔滴，及时收缩焊丝端部，有效限制熔滴长大，致使熔滴以较高频率穿越电弧过渡（见图5）。

表1 纯CO2气体保护焊熔滴过渡形态的焊接工艺质量对比

仔细观察恒流喷射过渡可分为射滴喷射、射流喷射和旋转喷射3个不同阶段（见图6）。第一阶段，焊接电流尽管已经达到或超过转变电流，但超越数值不是太大，作用在熔滴上电磁夹持力的提高，以及作用在熔滴上表面张力的降低尚未达到最佳值，熔滴尺寸虽然小于焊丝直径，过渡频率也算较高，但从慢放的高速摄影视频上，只是一连串珠式过渡，尚未形成熔滴流，此为射滴喷射过渡。第二阶段，随着电流继续增大，在焊丝末端的笔尖处呈现出极细水流般的细滴流，此时转变为射流喷射过渡。最后阶段，不但在更大电流下，而且所用焊丝干伸长较长时，由于强磁场的作用，熔化金属纯粹是流动的，因此连续流体（stream ）是旋转的，此为旋转喷射过渡。

图6 各种熔滴过渡形态下的电弧电压与焊接电流[4-5]

归纳上述过程不难看出，GMAW喷射过渡的实现取决于三个要素：①富氩混合保护气体。该电弧的特性使阳极斑点的面积始终大于载流截面面积，即电弧始终处在熔滴上方，从而导致熔滴过渡的轴向性[6]。②电磁力作用方向向下。电磁力作用方向与阳极斑点面积大小有关，当阳极斑点面积大于载流截面面积时其方向向下（见图5）。在强电磁收缩力作用下，比焊丝直径小得多的熔滴被分离，非常有利喷射过渡。③焊接电流等于或大于转变电流。此时熔滴的表面张力变得足够小，电磁力足够大，电磁夹持力对焊丝铅笔尖的极细熔滴不断挤压分离。速度非常快，间隔非常小，熔滴来不及长大，迅速形成“金属流”，穿越电弧进入熔池。①是必要条件，②和③是充分条件，三者缺一不可。

4 纯CO2保护气的GMAW熔滴喷射过渡形态形成要素分析

（1）分析保护气体种类 纯CO2在电弧中的理化特性：电场强度大，热收缩效应大（CO2高温分解吸热），弧柱电位梯度大，致使电弧斑点面积小。在长弧焊时，尽管电弧在熔滴下方随熔滴摆动飘移不定，但始终保持连续燃烧，呈现明显的集中型电弧形态。集中型电弧使熔滴上的斑点压力作用方向向上，再加上CO2分解膨胀产生的向上的气动力，以及熔滴自身向上的表面张力，这几种向上的作用力把正在长大的熔滴推离焊丝轴向，呈现明显的大熔滴非轴向排斥过渡形态。只要CO2在电弧中的理化特性不改变，这种熔滴的非轴向性不会改变，大熔滴不会被细化，更不可能实现喷射过渡。

其中，实际边际成本表示进口一单位中间品需要支付给国外中间品厂商的实际成本(以国外的单位劳动力来衡量)，imc表示使用一单位国内中间品需要支付给本国中间品厂商的实际成本(以本国的单位劳动力来衡量)，本国的工资为w，εk表示本国与进口中间品来源地k的名义汇率(间接标价法)，wk表示进口目的k地的工资，Fj表示本国出口到目的地j的固定成本。

（2）分析电磁力的作用方向 研究表明：熔滴上的电磁力作用方向与阳极斑点面积有关。当阳极斑点面积大于载流截面面积时，其方向向下，有利于熔滴过渡（见图5）。纯CO2焊接时，情况相反（见图7），熔滴底部阳极斑点面积远小于载流截面面积，电磁力作用方向只能向上，阻碍熔滴过渡，不利于形成细小熔滴的喷射过渡[6]。

图7 100%CO2、滴状过渡规范时，作用在熔滴上的电磁力方向[6]

（3）分析临界转变电流 纯C O2焊接时，在200～500A之间，随焊接电流增大，飞溅增大、成形恶化，但熔滴尺寸未被细化，也就是说，不会出现所谓临界转变电流，谈不上实现喷射过渡。

综上，实现喷射过渡形成条件三要素，缺一不可。然而，纯CO2焊接时，与所谓喷射过渡三要素背道而驰，不存在任何喷射过渡有利要素。因此，按照常规思路，纯CO2焊接基本上无望实现喷射过渡。然而，在当今“一切皆有可能”的高科技时代，也可能出现不可思议的奇迹，只是时间问题。

5 实现纯CO2保护气的GMAW熔滴喷射过渡形态的可能途径及新进展

5.1 实现纯CO2保护气的GMAW熔滴喷射过渡形态的可能途径

（1）采用混合气体（80%Ar+20%CO2） 富Ar混合气体保留了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；少量CO2的混入又引入活性气体的特征，使其具有氧化性，克服了纯Ar气保护时表面张力大、液态金属粘稠、电弧斑点易飘移、焊缝剖面不理想等问题。具备了喷射过渡形成三要素：熔滴过渡轴向性、电磁力方向向下、存在细熔滴转变电流。但此法改变了纯CO2焊接前提条件，与本文主题相悖。

（2）采用活性焊丝 所谓活性焊丝是指焊丝表面涂有活性元素的实芯焊丝。由于活性元素的电离电位低，提高了焊丝的电子发射能力，弧柱扩展，弧根面积扩大，熔滴的非轴向倾向有所抑制。但只有在富Ar混合气体条件下才可获得轴向喷射过渡，混合气中CO2的含量最高可达30%，无镀铜焊丝的转变电流比镀铜的低36A，见表2。可见，此方法仍需要改变纯CO2焊接前提条件，也与本文主题相悖。

表2 不同富氩混合气体时的转变电流[7]

（3）采用T.I.M.E.焊接工艺 T.I.M.E.焊接工艺是在传统MAG工艺基础上开发的一种高熔敷率气体保护焊新工艺。该工艺的主要特征是（见表3）：①采用四元混合保护气体。主要有以下4种混合气体： 0.5%O2+8%CO2+26.5%He+65%Ar；30%He+10%CO2+60%Ar；8%CO2+92%Ar+300×10-6NO；2%O2+25%CO2+26.5%He+余Ar。②高送丝速度。传统MAG/MIG焊的送丝速度在5～16m/min之间，最高可达20m/min。而T.I.M.E.焊接工艺的最高送丝速度高达50m/min。③大的干伸长。传统MAG/MIG焊的干伸长为1～15mm，而T.I.M.E.焊为20～35mm。④极高的焊丝表面质量。为的是增加电导率，减小送丝波动性。⑤具有恒压外特性的专用高性能焊接电源，采用水冷式导电嘴和喷嘴等装置。⑥T.I.M.E.焊接工艺的熔滴过渡有短路过渡、喷射过渡及旋转射流过渡三种形态。尽管被认为T.I.M.E.焊接工艺在MAG焊大电流禁区开拓了新的实际应用领域[9]。但是，该工艺的关键技术是采用四元混合保护气体，这就改变了纯CO2焊接的前提条件，与论文的主题相悖。

（4）采用波形控制脉冲电源技术 据文献[10]介绍，在20世纪60年代中期，有人尝试将脉冲喷射过渡形态应用于CO2焊接中。为了克服使用恒定电压/电流产生“排斥滴状过渡”形态，制作了一个电源，具有25Hz或50Hz可选的脉冲频率、可调节的脉冲电流、可独立调节的基值电流，以及一个150V、15A稳定电源，以避免在低电流下长时间基值下的电弧熄灭。使用1.2mm钢焊丝以3.8～13.5m/min的送丝速率和150～380A的相应平均电流进行试验。在200～300A的中间电流范围内，如果电弧保持非常短，焊接可以在平焊位进行，因此过渡正好接触熔池以减少飞溅。平均电流非常低时，由于低的热输入，熔池的快速凝固特性以及熔滴过渡的低频率和不规则性，焊道严重不均匀。在非常高的平均电流下，相应较高的脉冲电流会产生过度的熔池搅动，在焊道边缘处产生飞溅，以及连续的咬边。它们的工作表明，与使用在相同平均电流范围内操作的简单恒定电压（CV）电源的滴状过渡相比，对于CO2脉冲喷射过渡，可以找到适合的操作条件，给出了较好的结果。 然而，使用低成本CV电源的氩基混合气体可以获得更好的结果。在20世纪60年代和70年代，脉冲喷射CO2工艺并未广泛使用。

表3 MAG和T.I.M.E.工艺的比较

到20世纪80年代中期，电源技术的重大改进引起了对脉冲CO2工艺新的兴趣。日本研究人员采用可调方波电流波形来优化该工艺行为。在平均电流约为250A（8m/min送丝速度）和约38Hz的脉冲频率下，使用φ1.2mm焊丝及高速摄影观察熔滴过渡行为，如图8所示。大熔滴的过渡大约发生在脉冲周期的中段。复位的熔滴在脉冲周期的其余部分和基值周期期间形成。在图9中，大电流下电弧中熔滴的变形是清晰可见的。在电磁夹持力产生熔滴颈缩的同时，大电流时收缩的CO2电弧对熔滴亦产生了向上大的压力。由于CO2中熔滴过渡特性的缘故，CO2熔滴过渡显示出很高的飞溅速度。其他研究人员也采用类似的技术报道了类似的行为。

图8 熔滴行为脉冲波形实例

图9 熔滴过渡的高速摄影

由于CO2工艺自身特点（压缩电弧和熔滴排斥过渡），在过去几十年中对该工艺行为的改进并没有取得大的进展。电源技术和工艺建模方面的进一步发展尚未解决存在的问题。但是如果考虑成本因素超过其他因素（例如，焊道外观、高稳定性和焊后飞溅清除等）时，低成本的CO2工艺仍被生产中广泛应用。

迄今为止，有关CO2焊接波形控制技术的研究文献，大多针对短路过渡控制焊接飞溅的，很难找到针对纯CO2喷射过渡的。早期（数十年前）有学者认为，采用脉冲技术的初衷在于用较小的焊接电流实现喷射过渡，但一些研究结果表明，采用脉冲喷射时所需的最低临界电流与不加脉冲时相比差不多，所以认为实用价值不大。

5.2 实现纯CO2保护气的GMAW熔滴喷射过渡形态研究新进展

文献[11]在先前Ar-CO2混合气体的GMAW试验中发现，滴状到喷射过渡的电流随着CO2量的增加而增加并且随着较小的焊丝直径而减小。这意味着高电流密度可能是实现喷射过渡的关键。然而，过高的电流密度可能导致不切实际的高焊接电流、导电嘴损坏（回烧）以及不稳定电弧（排斥过渡、旋转过渡）的可能性。

采用全新的研究方法开展纯C O2保护气的GMAW实现喷射过渡探索性研究。使用恒压焊接电源和下列参数：非常细（φ 0.5842mm）或更细的焊丝、约38.1m/min高送丝速度、正常（例如：250A）焊接电流、相当短（6.35mm或更短）的焊丝干伸长。预计电弧将完全包围熔滴，获得形成喷射过渡的重要条件。

为了实现这些条件，正在设计和构建一个可以高速处理细焊丝、防止回烧，并承受带有短干伸长的电弧高温的新导电嘴。可以处理细焊丝和高送进速率的一个新的送丝机构正在设计中。这项挑战不可能的重要研究，即使暂时没有实现真正的喷射过渡，也将有助于发现新的、实用的熔滴过渡形态。

文献[12]建立了GMAW模型，研究保护气体成分对熔滴过渡形态的影响，计算熔滴脱离末端时电弧等离子体和工件（阴极）的温度分布。分析了焊接电流和保护气体对熔滴过渡形态的影响。使用纯Ar保护气体时，电弧中心温度低，最大温度在焊丝侧面；而当保护气中加入CO2后，电弧温度变低但最大温度在焊丝下方。这种温度分布差异导致了电流密度的分布差异。纯Ar时，电弧中心电导率较低，熔滴和焊丝末端附近的电流密度向上扩展，因而熔滴过渡形态为喷射过渡。而当保护气体为CO2时，高电导率区域和高电流密度区域都集中在熔滴底部，致使熔滴过渡形态为滴状过渡（见图10）。当将模型中铁蒸气的电导率人为调低时发现，即使纯CO2作为保护气，熔滴过渡也为喷射过渡。因此，通过调整焊丝的元素成分来控制金属蒸气的电导率，便能在CO2保护气氛下获得喷射过渡形态。上述模拟研究新观点，可能为挑战不可能的“纯CO2保护气下喷射过渡”课题提供新思维。

图10 保护气体成分对电导率和电流密度的影响

6 结束语

1）纯CO2气体保护焊熔滴过渡具有三大特点：①弧根面积小，电弧集中。②大熔滴非轴向排斥过渡。③氧化性电弧，焊接飞溅大。

2）GMAW喷射过渡的实现取决于三个要素：①富氩混合保护气体。②电磁力作用方向向下。③焊接电流等于或大于转变电流。①是必要条件，②和③是充分条件，三者缺一不可。

3）纯CO2焊接时，与所谓GMAW喷射过渡三要素背道而驰，不存在任何喷射过渡有利要素。按照常规思路，纯CO2焊接基本上无望实现喷射过渡。

4）文中探讨的采用富A r混合气体、活性焊丝，以及T.I.M.E.焊接工艺，需要改变纯CO2焊接前提条件，与本文主题相悖。采用波形控制脉冲电源技术后，转变电流居高不下，与原先不加脉冲相比差不多，实用意义不大。

5）开展纯CO2保护气的GMAW喷射过渡探索性研究，有助于发现GMAW新型实用熔滴过渡形态。