孫 咸

（太原理工大學(xué)焊接材料研究所，山西太原030024）

熔化極氣體保護(hù)焊用焊絲與保護(hù)氣體的匹配關(guān)系

孫 咸

（太原理工大學(xué)焊接材料研究所，山西太原030024）

綜述了GMAW兩類焊絲與3種保護(hù)氣體匹配關(guān)系。結(jié)果表明，焊絲對(duì)保護(hù)氣體的匹配工藝特征各異，其中，兩種焊絲對(duì)Ar+CO2的匹配工藝都顯示最佳。在焊絲與保護(hù)氣匹配關(guān)系下，實(shí)現(xiàn)噴射過渡的條件是：陽極斑點(diǎn)面積足夠大，電磁力方向向下，焊接電流超過臨界電流，三者缺一不可。對(duì)于實(shí)心焊絲，Ar＋CO2富氬混合氣體工藝的適應(yīng)性更好。對(duì)于藥芯焊絲，Ar＋CO2富氬混合氣體工藝的適應(yīng)性與100％CO2保護(hù)氣相當(dāng)。工程應(yīng)用表明，純CO2和Ar＋CO2富氬混合氣體對(duì)兩種焊絲都能獲得符合要求的焊接接頭，后者的工藝性可能更好一些，但氣孔（壓坑）敏感性更大些。

實(shí)心與藥芯焊絲；焊接用保護(hù)氣體；熔化極氣體保護(hù)焊；熔滴過渡形態(tài)；匹配關(guān)系

0 前言

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）在諸多重要工程應(yīng)用中充分展示了高效、自動(dòng)化優(yōu)勢。業(yè)內(nèi)人士對(duì)GMAW工藝的關(guān)注度一直未減。除設(shè)備條件之外，GMAW工藝還必須具備兩個(gè)要件，即專用焊絲和保護(hù)氣體。雖然國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每一種焊絲都標(biāo)明了與之匹配的外加保護(hù)氣體類型[1-4]，如果不執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)，焊絲的工藝質(zhì)量效果難以保證，可能出現(xiàn)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。然而，關(guān)于專用焊絲和外加保護(hù)氣體的選擇，盡管國內(nèi)外相關(guān)報(bào)道不少，但有關(guān)焊絲與保護(hù)氣體兼顧，且特別關(guān)注匹配性的文獻(xiàn)鮮見。專用焊絲與外加保護(hù)氣體的匹配關(guān)系并非標(biāo)準(zhǔn)上所規(guī)定那么簡單。且隨硬件設(shè)備（含控制系統(tǒng)軟件）的改進(jìn)或換代，以及新焊絲品種不斷推出，涉及焊絲與保護(hù)氣體匹配關(guān)系的技術(shù)問題也隨之出現(xiàn)[5-6]。另一方面，關(guān)于專用焊絲與保護(hù)氣體匹配關(guān)系的熔滴過渡機(jī)理探討，迄今為止，深入研究較少。因此，繼續(xù)開展GMAW焊絲與保護(hù)氣體間工藝匹配關(guān)系的研究非常必要。在此特意將焊絲、保護(hù)氣體匹配關(guān)系與焊絲的工藝特征相聯(lián)系，探討焊絲與保護(hù)氣體匹配關(guān)系的熔滴過渡機(jī)理及匹配關(guān)系的工藝適應(yīng)性。該項(xiàng)研究對(duì)GMAW工藝中焊絲和外加保護(hù)氣體的合理選用、焊接結(jié)構(gòu)工藝評(píng)定，以及焊絲研制和新品種開發(fā)，具有一定的參考價(jià)值和實(shí)用意義。

1 熔化極氣體保護(hù)焊用焊絲和保護(hù)氣體的類型及工藝特征

按制造方法或結(jié)構(gòu)形狀，熔化極氣體保護(hù)焊用焊絲可分為實(shí)心焊絲和藥芯焊絲兩大類。實(shí)心焊絲的細(xì)分種類很多，主要以化學(xué)成分和力學(xué)性能區(qū)別。藥芯焊絲又可分為氣保護(hù)和自保護(hù)兩大類，小的類別以成分、力學(xué)性能和熔渣性質(zhì)劃分。這些氣體保護(hù)焊用焊絲的型號(hào)、牌號(hào)、成分和性能由國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[1-4]。

熔化極氣體保護(hù)焊常用保護(hù)氣體主要有三種：CO2氣體、Ar氣和Ar＋CO2混合氣體。其主要特性分別為：①CO2氣體是一種無色、無味的氣體，相對(duì)密度比空氣大得多，即在氣態(tài)時(shí)它的重量約為空氣重量的1.5倍，而且電離勢低（比Ar氣的低）和導(dǎo)熱性高（見表1）。常溫下CO2氣體很穩(wěn)定，屬于惰性氣體，但在高溫下（約5 000 K）幾乎能全部分解，形成一氧化碳（CO）、氧氣（O2）和一些獨(dú)立的氧原子（O），具有很強(qiáng)的氧化性。②Ar氣是無色、無味、不可燃?xì)怏w，比空氣重25％。它既不與金屬起化學(xué)作用，也不溶解于金屬中，是一種惰性氣體?？梢员苊夂缚p金屬中合金元素?zé)龘p及由此帶來的其他焊接缺陷，使得焊接冶金容易控制。Ar氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，而且是單原子氣體，高溫時(shí)不分解吸熱，所以在Ar氣中燃燒的電弧熱量損失較少。Ar氣電離勢低（15.76 eV）（見表1），易于引燃電弧，而且電弧一旦引燃，燃燒就很穩(wěn)定。③Ar＋CO2混合氣體實(shí)際上是富氬混合氣體，國標(biāo)規(guī)定的混合氣體中Ar與CO2的比例，通常為（75％～80％）∶（25％～20％）（以下同指該比例）。富氬使Ar氣在電弧下的某些重要特性，如等離子體弧柱擴(kuò)大、細(xì)熔滴軸向過渡等被保留；少量CO2的混入又引入活性氣體特征，使其具有氧化性，克服了純氬保護(hù)焊接時(shí)表面張力大、液態(tài)金屬粘稠、電極斑點(diǎn)易飄移、焊縫剖面形狀不理想等問題。

表1 保護(hù)氣體的幾項(xiàng)性能指標(biāo)

3種保護(hù)氣體下兩種焊絲的工藝特征如表2所示?？梢钥闯?，對(duì)于實(shí)心焊絲，采用100％CO2時(shí)，雖然熔敷效率高，但操作工藝性差，主要是飛濺大；采用100％Ar時(shí)，操作工藝雖然很好，但熔深較淺；采用Ar＋CO2混合氣體時(shí)，操作工藝很滿意，熔深獲得改善，綜合工藝性最好。3種氣體都對(duì)氣孔敏感。對(duì)于藥芯焊絲，采用100％CO2時(shí)，操作工藝性比實(shí)心焊絲大有改善，具體講，飛濺減小了，成形美觀了，但鈦型渣系焊絲對(duì)氣孔（壓坑）比較敏感；采用100％Ar時(shí)，電弧變異、成形惡化；采用Ar＋CO2混合氣體時(shí)，飛濺最小、成形美觀，綜合工藝性最好，但對(duì)氣孔敏感性未減。

從工藝特性角度評(píng)價(jià)匹配關(guān)系，3種保護(hù)氣體對(duì)實(shí)心焊絲的匹配性均不錯(cuò)，其中，Ar＋CO2混合氣體工藝最佳，100％CO2應(yīng)用也很廣，各具優(yōu)勢。3種保護(hù)氣體對(duì)藥芯焊絲的匹配性差別較大。其中，100％CO2工藝略差，而Ar＋CO2混合氣體工藝最佳，100％Ar不推薦FCAW使用。

2 熔化極氣體保護(hù)焊用焊絲與保護(hù)氣體匹配關(guān)系的熔滴過渡機(jī)理

由表3可知，針對(duì)3種不同的保護(hù)氣體，實(shí)心焊絲實(shí)現(xiàn)噴射過渡主要取決于三個(gè)因素：①陽極斑點(diǎn)面積等于或大于載流截面面積；②電磁力作用方向向下；③焊接電流等于或大于臨界電流。①是必要條件，②③是充分條件，三者缺一不可。三者變化其一，過渡形態(tài)隨之而變。100％CO2時(shí)，前兩條對(duì)過渡不利，結(jié)果形成大顆粒非軸向排斥過渡形態(tài)（見圖1）。對(duì)于藥芯焊絲，雖然焊絲結(jié)構(gòu)與實(shí)心不同，焊芯包有各種藥粉（含一定量的K、Na等低電離電位元素），電弧中焊絲端出現(xiàn)渣柱及陽極斑點(diǎn)的微擴(kuò)，然而上述影響熔滴過渡的三要素仍在起作用。100％CO2時(shí)，盡管熔滴尺寸或陽極斑點(diǎn)的微擴(kuò)有利于過渡，但由于前兩個(gè)主導(dǎo)因素沒有改變，仍然維持大顆粒非軸向排斥過渡形態(tài)，只是操作工藝性比實(shí)心焊絲有明顯改善（見圖4）。

表2 不同保護(hù)氣體下焊絲的工藝特征

表3 不同保護(hù)氣體下焊絲的熔滴過渡機(jī)理

圖1100 ％CO2、滴狀過渡規(guī)范時(shí)，實(shí)心焊絲熔滴過渡形態(tài)示意

圖2100 ％Ar，大于臨界電流時(shí)，實(shí)心焊絲熔滴過渡形態(tài)示意[5]

從熔滴過渡機(jī)理角度評(píng)價(jià)匹配關(guān)系，三種保護(hù)氣體中實(shí)心焊絲過渡機(jī)理規(guī)律性很強(qiáng)，三要素缺一不可。要素的變化主要受電弧中氣體理化特性及其變化控制。其中100％CO2時(shí)可能有兩種過渡形態(tài)：短路過渡和滴狀過渡。小電流、低電壓時(shí)通常形成短路過渡；大電流、相應(yīng)高電壓時(shí)，形成粗滴狀過渡。三種保護(hù)氣體中藥芯焊絲過渡機(jī)理規(guī)律性也較明顯，三要素缺一不可。此時(shí)要素的變化不僅受電弧中氣體理化特性及其變化控制，而且受焊絲結(jié)構(gòu)變化影響。其中100％CO2時(shí)操作工藝性改善明顯，但三要素的作用遠(yuǎn)大于藥粉的影響，非軸向排斥過渡形態(tài)難以被改變。100％Ar時(shí)，焊絲結(jié)構(gòu)因素起關(guān)鍵作用：渣柱太長，陽極斑點(diǎn)無法形成，過渡條件徹底被破壞。Ar＋CO2的情況是20％CO2改變了純氬電弧特性，使其具有氧化性，克服了純氬保護(hù)焊接時(shí)表面張力大、液態(tài)金屬粘稠、電弧斑點(diǎn)易飄移等問題，形成了細(xì)顆粒軸向噴射過渡形態(tài)?？傊腔旌蠚怏w完全具備三要素的結(jié)果。

圖3 Ar＋CO2、等于或大于轉(zhuǎn)變電流時(shí)，滴狀向噴射過渡轉(zhuǎn)變示意

圖4100 ％CO2時(shí)，藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)示意

3 熔化極氣體保護(hù)焊用焊絲與保護(hù)氣體匹配關(guān)系工藝適應(yīng)性評(píng)估

3種保護(hù)氣體對(duì)兩種焊絲匹配關(guān)系的工藝適應(yīng)性簡要評(píng)估如表4所示。

表4 焊絲與保護(hù)氣體匹配關(guān)系的焊接工藝適應(yīng)性

對(duì)于實(shí)心焊絲，用得較早、較多的首推100CO2；最近幾十年，隨著Ar＋CO2混合氣體氣源的方便供應(yīng)，這類保護(hù)氣體的用量越來越多。100％Ar只在一定范圍內(nèi)，如活潑性金屬的焊接中應(yīng)用。100％CO2的問題是電弧不穩(wěn)、飛濺大、氣孔敏感。但成本低，一般要求的構(gòu)件工藝適應(yīng)性依然不錯(cuò)。Ar＋CO2，除了個(gè)別情況下對(duì)氣孔敏感外，操作工藝上已有很大改善，工藝適應(yīng)性良好。100％Ar存在的問題比較明顯，除了特定活潑金屬外，大多數(shù)原有的金屬或合金均采用富氬混合氣體。

對(duì)于藥芯焊絲，首先是100％CO2，總體評(píng)價(jià)比較好。無論是碳鋼、低合金鋼，還是高合金、不銹鋼，以及其他鋼種，該保護(hù)氣FCAW焊接工藝已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，并獲得了滿意的效果。從中國藥芯焊絲3個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)看[2-4]，在規(guī)定的幾十種藥芯焊絲中，標(biāo)明外加保護(hù)氣體為100％CO2的已經(jīng)占了相當(dāng)?shù)谋壤?。國外?biāo)準(zhǔn)亦有類似情況。100％CO2保護(hù)氣的不足之處是：①電弧形態(tài)尚不十分理想，雖然屬于連續(xù)型電弧形態(tài)，但隨熔滴在焊絲端急速擺動(dòng)發(fā)生電弧遷移，活動(dòng)性太強(qiáng)烈。②熔滴過渡形態(tài)也不盡如人意，典型的非軸向排斥過渡，熔滴尺寸大、過渡頻率低，產(chǎn)生飛濺幾率大，盡管比實(shí)心焊絲已有較大改善，但在一些情況下，比如在堿性渣系條件下，焊接飛濺仍然比較大。③有一些品種的藥芯焊絲，比如鈦型渣系的藥芯焊絲，氣孔（壓坑）敏感性較嚴(yán)重，主要與熔滴中攜帶的氫和進(jìn)入熔池中的氫總量，以及氣體從液態(tài)金屬逸出條件等因素有關(guān)。

第二是100％Ar。該氣體一般不單獨(dú)作為藥芯焊絲的保護(hù)氣使用，而是在Ar＋CO2混合氣中以富氬組分出現(xiàn)。這是因?yàn)榧儦迨沟描F基金屬藥芯焊絲的電弧和熔滴過渡變異，比如電弧中焊絲的鋼皮過早熔化，藥芯形成的渣柱太長，可能成段落入熔池；還有等離子體弧柱范圍增大且難以控制，導(dǎo)致焊縫成形惡化。因此100％Ar不適用于藥芯焊絲焊接工藝。唯一例外的是在GB/T47853—1999《不銹鋼藥芯焊絲》中，型號(hào)為E×××T15-5的這類藥芯焊絲，作為填充焊絲，只能用于鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）方法，它的保護(hù)氣體是100％Ar。

第三是Ar＋CO2。在中國現(xiàn)有的3個(gè)藥芯焊絲國家標(biāo)準(zhǔn)中，推薦使用的Ar＋CO2混合氣體的含量為φ（Ar）（75％～80％）＋φ（CO2）（25％～20％），這種保護(hù)氣對(duì)FCAW焊接工藝的有利作用見上文所述?？梢哉f，其應(yīng)用面之廣、規(guī)定的品種之多，對(duì)FCAW焊接工藝的適應(yīng)性完全可以與100％CO2保護(hù)氣媲美。國外的情況也大體如此。雖然Ar＋CO2混合氣體使其熔滴改為軸向過渡（見圖5）[7]，而且熔滴細(xì)化、過渡頻率提高，然而氣孔（壓坑）敏感性[8]對(duì)這種保護(hù)氣的進(jìn)一步快速推廣是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖5 送絲速度和電弧電壓相同條件下，不同保護(hù)氣電弧下的熔滴過渡形態(tài)

4 熔化極氣體保護(hù)焊用焊絲與保護(hù)氣體匹配關(guān)系的工程應(yīng)用

表5列出了4個(gè)GMAW工程應(yīng)用實(shí)例。第一例是河南省鍋爐壓力容器安全控制研究院，對(duì)大直徑厚壁管道藥芯焊絲富氬混合氣體保護(hù)焊工藝進(jìn)行的試驗(yàn)[8]。試件為φ508 mm×38.1 mm的A333Gr.6管材，在壁厚38.1 mm厚的圓管環(huán)向開40°U型坡口，根部間隙1.5 mm，鈍邊1.5 mm。采用GTAW打底+ FCAW填充、蓋面多層焊接工藝，其中FCAW方法的工藝參數(shù)見表5中實(shí)例①。在合理選擇保護(hù)氣體流量、焊接電流、電弧電壓、焊接速度，以及其他必要輔助參數(shù)或技術(shù)條件下，該工藝獲得的焊縫表面成形好、飛濺小、效率高，焊縫質(zhì)量好；接頭的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，使用性能好。該工藝的焊接性適用于場站大直徑厚壁管道焊接。文獻(xiàn)[8]還指出了氣孔和夾渣缺陷的預(yù)防措施。

第二例是西安核設(shè)備有限公司針對(duì)AP1000支撐部件，對(duì)A588GrB鋼焊接工藝進(jìn)行的研究[9]。試板尺寸為600 mm×150 mm×38 mm，開60°雙V型坡口，根部間隙和鈍邊分別為2mm和0.5mm。采用SAW、SMAW和FCAW三種焊接方法進(jìn)行焊接，其中FCAW方法的工藝參數(shù)見表5中實(shí)例②。通過焊前50℃預(yù)熱工件、小的焊接熱輸入等合理工藝參數(shù)，采用100％CO2保護(hù)FCAW獲得了滿意的接頭質(zhì)量。焊后消除應(yīng)力熱處理（620℃±15℃）×10 h，能有效提高焊縫和熱影響區(qū)的沖擊性能。

第三例是中核集團(tuán)中國核電工程有限公司采用FCAW在核電站安全殼鋼襯里的應(yīng)用[10]。焊接用鋼為20HR＋Q235B，板厚6 mm，對(duì)接焊縫，1G（水平）位置。采用FCAW、SMAW等方法焊接，其中FCAW方法的工藝參數(shù)見表5中實(shí)例③。通過工藝參數(shù)合理選用、焊接變形控制等技術(shù)運(yùn)用，成功進(jìn)行了安全殼鋼襯里結(jié)構(gòu)焊接，焊縫一次合格率達(dá)97％，節(jié)約了成本，縮短了工期。該工藝對(duì)核電站安全殼鋼襯里的焊接既可行又可靠。

第四例是針對(duì)液壓支架結(jié)構(gòu)件用Q690高強(qiáng)鋼特點(diǎn)，鐵法煤業(yè)集團(tuán)機(jī)械制造公司進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)研究[11]。試板尺寸為300 mm×150 mm× 20 mm，45°單V型坡口，反面清根雙面接頭。采用具有等強(qiáng)匹配實(shí)心焊絲、富氬混合保護(hù)氣體的GMAW方法，在執(zhí)行表5中實(shí)例④所示的焊接工藝要點(diǎn)制作試板，同時(shí)強(qiáng)調(diào)焊接熱輸入、預(yù)熱及層間溫度的控制，確定執(zhí)行消除應(yīng)力回火溫度為520℃±20℃。結(jié)果表明，擬定的焊接工藝已成功地應(yīng)用于液壓支架結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。

表5 不同保護(hù)氣的GMAW工程應(yīng)用工藝參數(shù)

5 結(jié)論

（1）兩種焊絲對(duì)3種保護(hù)氣體的匹配工藝特征各異，其中，對(duì)Ar+CO2的匹配工藝都顯示最佳。

（2）在所探討的焊絲與保護(hù)氣匹配關(guān)系下，實(shí)現(xiàn)噴射過渡的條件是：陽極斑點(diǎn)面積足夠大，電磁力方向向下，焊接電流超過臨界電流。三者缺一不可。

（3）對(duì)于實(shí)心焊絲，Ar＋CO2富氬混合氣體工藝的適應(yīng)性更好。對(duì)于藥芯焊絲，Ar＋CO2富氬混合氣體工藝的適應(yīng)性與100％CO2保護(hù)氣相當(dāng)。

（4）工程應(yīng)用表明，純CO2和Ar＋CO2富氬混合氣體對(duì)兩種焊絲都能獲得符合要求的焊接接頭，后者的工藝性更好些，但氣孔（壓坑）敏感性更大些。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲GB/T8110-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)碳鋼藥芯焊絲GB/T10045-2001[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)低合金鋼藥芯焊絲GB/T17493-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼藥芯焊絲GB/T17853-1999[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[5]Yelistratov A.Exploring the Forces that Shape Droplets during Gas Metal Arc Welding[J].Welding Journal，2013，92（5）：48-52.

[6]Soderstrom E J，Mendez P F.Metal transfer during GMAW with thin electrodes and Ar-CO2shielding gas mixtures[J]. Welding Journal，2008，87（5）：124-133.

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[9]李鵬飛，吳兵兵，郗峰波，等.A588Gr.B鋼焊接工藝研究[J].焊接，2012（8）：53-56.

[10]王宇欣，郭利峰.藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊在核電站安全殼鋼襯里的應(yīng)用[J].焊接，2012（11）：59-63.

[11]高明霞，張明達(dá).液壓支架結(jié)構(gòu)低合金高強(qiáng)度鋼板Q690焊接工藝研究[J].金屬加工（熱加工），2010（20）：49-51.

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

獻(xiàn)

孫咸.熔化極氣體保護(hù)焊用焊絲與保護(hù)氣體的匹配關(guān)系[J].電焊機(jī)，2017，47（1）：38-43.

2016-07-04；

2016-09-21

孫咸（1941—），男，山西孝義人，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)工作。