梁修福++王言瑋

摘 要：熔化極氣體保護(hù)焊的三種熔滴過(guò)渡形式很重要也很抽象。在電弧燃燒的狀態(tài)下，通過(guò)技術(shù)手段去觀察熔滴的過(guò)渡狀態(tài)，對(duì)企業(yè)來(lái)講很困難，也實(shí)在沒(méi)有必要這樣做。但通過(guò)每種過(guò)渡形式外在的表現(xiàn)特征，分析它的影響因素，掌握它的自身特點(diǎn)和規(guī)律，最終達(dá)到能夠熟練的控制和利用它才是最主要的。

關(guān)鍵詞：熔滴過(guò)渡形式；短路過(guò)渡；顆粒過(guò)渡；射流過(guò)渡；焊絲伸出長(zhǎng)度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.003

在公司進(jìn)行ASME認(rèn)證的時(shí)候，因?yàn)闊o(wú)法很好的解釋顆粒過(guò)渡和短路過(guò)渡的差異，必維的指導(dǎo)老師要我將已采用的熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）改成焊條電弧焊（SMAW）。原因是兩種熔滴過(guò)渡形式覆蓋的厚度范圍不一樣，解釋兩者的不同成了熔化極氣體保護(hù)焊繞不開(kāi)的問(wèn)題。最終的結(jié)果是我沒(méi)有改焊接方法，公司也順利通過(guò)了ASME認(rèn)證，這件事促使我對(duì)熔滴過(guò)渡形式作了一些研究。

1 熔滴過(guò)渡形式的分類

對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊來(lái)講，熔滴從焊絲端轉(zhuǎn)移到熔池有三種不同形式：短路過(guò)渡、顆粒過(guò)渡、射流過(guò)渡。

2 不同熔滴過(guò)渡形式的外在表現(xiàn)特征

對(duì)于不同的熔滴過(guò)渡形式在定義上的差異叫做內(nèi)在的差異。這種內(nèi)在的差異，因?yàn)槿鄣芜^(guò)渡頻率高、熔滴過(guò)渡頻率高及高溫和飛濺等惡劣的條件，如果不借助一定的科技手段（如高頻攝像儀等），很難通過(guò)我們的肉眼觀察清晰。但不同過(guò)渡形式之間外在的表現(xiàn)差異卻有顯著的不同。當(dāng)熔滴呈短路過(guò)渡時(shí)，表現(xiàn)為：（1）電弧長(zhǎng)度極短，此為短路過(guò)渡的前提，因?yàn)橹挥须娀蚨?，熔滴在焊絲末端長(zhǎng)大形成中才能與熔池表面接觸構(gòu)成短路，電磁力將熔滴切斷，完成短路過(guò)渡；（2）飛濺顆粒很細(xì)小，飛離電弧區(qū)后由于快速降溫即從紅熱狀態(tài)下消失，且飛濺明顯減少；（3）熔池很窄，熔深淺；（4）采用實(shí)芯焊絲施焊，焊道表面很光亮、平整、美觀；（5）從聲音上，短路過(guò)渡聽(tīng)起來(lái)富有顆粒感，聲音細(xì)而清脆。

如果將電壓逐漸增大，電弧隨之逐漸被拉長(zhǎng)，熔滴過(guò)渡形式會(huì)從短路過(guò)渡向顆粒過(guò)渡轉(zhuǎn)變。此時(shí)其外在表現(xiàn)特點(diǎn)為：飛濺和噪音明顯增大，飛濺顆粒粗大，在紅熱狀態(tài)下飛離遠(yuǎn)；焊后貼附在焊縫表面的熔渣增多，像二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊縫表面會(huì)變得粗糙，顏色不再光亮而是發(fā)烏。

射流過(guò)渡表現(xiàn)出的特征是：電弧燃燒極其穩(wěn)定，沒(méi)有飛濺，噪音很小，聽(tīng)起來(lái)好像是耳邊的風(fēng)聲，電弧具有很高的能量集中，對(duì)熔池有很強(qiáng)的沖擊能力，焊件易燒穿。所以這種熔滴過(guò)渡形式適合于焊接較厚的抗過(guò)熱能力強(qiáng)的焊件。

3 熔滴過(guò)渡形式的各種影響因素分析及應(yīng)用

各種熔滴過(guò)渡形式之間的轉(zhuǎn)變，很難找到一個(gè)參數(shù)上的臨界值。這是因?yàn)槠涫艿街T多因素的影響所致，并且影響因素相互之間都是相對(duì)的，往往是某一因素的變動(dòng)，都會(huì)牽扯到其他因素的變動(dòng)，才能完成從一種熔滴過(guò)渡到另一種熔滴過(guò)渡的轉(zhuǎn)變。這些影響因素概括為：（1）保護(hù)氣體種類；（2）焊絲伸出長(zhǎng)度及焊絲規(guī)格、種類；（3）焊接參數(shù)；（4）設(shè)備工況的不同（受設(shè)備的容量及老化程度的影響，此影響因素不再討論）。以下分別討論各因素對(duì)熔滴過(guò)渡的影響作用：

3.1 保護(hù)氣體

（1）CO2氣體 采用CO2保護(hù)氣時(shí)，難以形成熔滴的射流過(guò)渡，原因是CO2對(duì)電弧有很強(qiáng)的冷卻作用。CO2從保護(hù)氣罩中噴出，流經(jīng)電弧區(qū)，特別是與弧柱區(qū)接觸的CO2氣體分子受到高能量的作用而吸熱分解：，這一分解過(guò)程由于吸熱使電弧受到強(qiáng)烈的冷卻而被壓縮，能量會(huì)變得更集中。在這個(gè)被進(jìn)一步壓縮的弧柱區(qū)的空間里，焊絲端部要進(jìn)入弧柱區(qū)的熔滴受阻而變得擁擠，難以呈霧化的狀態(tài)通過(guò)，最終形成較大的熔滴，形成典型的顆粒過(guò)渡。在此過(guò)程中，熔滴受到O原子等氧化性氣體的強(qiáng)烈氧化，同時(shí)熔滴內(nèi)部的脫氧劑也進(jìn)行著劇烈的還原反應(yīng)，部分熔滴在所難免的會(huì)形成熔滴爆破；熔滴還受到電磁力的作用，其方向是環(huán)繞電弧圓周指向弧柱中心，會(huì)使部分有相互接觸的熔滴發(fā)生熔滴爆斷；加之電弧吹力對(duì)熔滴的加速形成對(duì)熔池的沖擊等因素，這些都造成顆粒過(guò)渡狀態(tài)下的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊飛濺比較大。

當(dāng)CO2分子在弧柱區(qū)分解形成的CO和O帶著高能量運(yùn)動(dòng)到熔池附近時(shí)，此時(shí)由于陰極區(qū)溫度的急劇降低，難以再提供維系CO和O繼續(xù)存在的高能量，此時(shí)產(chǎn)生了二氧化碳分解的逆反應(yīng)：，該逆反應(yīng)是放熱反應(yīng)，CO和O將本身所蘊(yùn)含的高能量又重新釋放了出來(lái)，這部分能量對(duì)陰極區(qū)的熔池和母材的表面起到了加熱的作用。這使得二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊具有熔透能力強(qiáng)熔深大的特點(diǎn)。

（2）氦氣（He）氦氣對(duì)電弧也有強(qiáng)烈的冷卻作用，但產(chǎn)生的原理與CO2不同。氦氣是惰性氣體，是單原子分子，在電弧的高溫環(huán)境中，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但它有很強(qiáng)的導(dǎo)熱能力，這一點(diǎn)不同于二氧化碳。氦氣這種強(qiáng)烈的對(duì)電弧的冷卻作用也同樣使熔滴難以形成穩(wěn)定的射流過(guò)渡，并且它能更強(qiáng)烈的把熱量從弧柱區(qū)轉(zhuǎn)移到陰極區(qū)，形成對(duì)母材顯著的加熱作用，使電弧的熔合能力顯著增強(qiáng)。這就是為什么在焊接純銅時(shí)，采用He氣保護(hù)的MIG焊可以采用不預(yù)熱或較低預(yù)熱溫度的原因。所以采用上述的CO2和He兩種氣體保護(hù)的焊接，熔滴過(guò)渡只有短路過(guò)渡和顆粒過(guò)渡兩種形式，不會(huì)出現(xiàn)射流過(guò)渡。

（3）氬氣（Ar） 當(dāng)熔化極氣體保護(hù)焊采用氬氣或氬氣中加入不大于10%的二氧化碳?xì)怏w時(shí)，在一定的焊接參數(shù)（電流、電壓、焊絲伸出長(zhǎng)度）下，能夠形成穩(wěn)定的射流過(guò)渡。此時(shí)電弧具有很高的能量和很強(qiáng)的沖擊能力，所以適合于焊接較厚的抗過(guò)熱能力強(qiáng)的焊件。這在銅的焊接中得到很好的應(yīng)用，但在操作中要注意避免咬邊。在純銅的焊接中，當(dāng)采用射流過(guò)渡時(shí)，由于液態(tài)銅的高流動(dòng)性，在電弧的高能量沖擊下，如操作不當(dāng)，熔池邊沿就會(huì)由于缺肉而形成咬邊。

3.2 焊絲

（1）焊絲伸出長(zhǎng)度 對(duì)熔化極氣體保護(hù)焊來(lái)說(shuō)這是一個(gè)重要的焊接要素。焊絲伸出長(zhǎng)度是焊絲伸出導(dǎo)電嘴到形成電弧的焊絲端部的長(zhǎng)度，一般要求在10～15倍的焊絲直徑范圍內(nèi)。焊絲伸出長(zhǎng)度對(duì)熔滴過(guò)渡影響非常大。焊絲端部從導(dǎo)電嘴伸出后便成為一段消耗電能的導(dǎo)體而與電弧串聯(lián)。焊接中，如果忽略不計(jì)電源引出的電纜線及與工件連接觸點(diǎn)等處的能量消耗，電源輸出的總能量（W總），應(yīng)該遵循歐姆定律分配給電?。↖2R?。┖秃附z伸出長(zhǎng)度（I2R絲）：

，從上式可以看出，在電源輸出的總能量（W總）不變的情況下，由于焊絲伸出長(zhǎng)度的增加而電阻增大，消耗在焊絲伸出端的能量也會(huì)隨著長(zhǎng)度的增加而增加。而消耗在電弧的能量卻隨著伸出長(zhǎng)度的增加而減少。當(dāng)采用氬氣保護(hù)，焊接參數(shù)為：電流240～260A，電壓25～26V，焊絲伸出長(zhǎng)度不長(zhǎng)于20mm的條件下，熔滴過(guò)渡形式為穩(wěn)定的射流過(guò)渡。隨著焊絲伸出長(zhǎng)度的增加，熔滴過(guò)渡形式會(huì)從射流過(guò)渡到顆粒過(guò)渡再到短路過(guò)渡逐漸轉(zhuǎn)變。當(dāng)焊絲伸出長(zhǎng)度達(dá)到40mm以上時(shí)，熔滴呈短路過(guò)渡，但此時(shí)的電弧的熔化能力已經(jīng)很弱，熔化的熔敷金屬幾乎是機(jī)械的堆砌在母材上，再加上電弧遠(yuǎn)離了保護(hù)氣罩，保護(hù)效果變差，所以此時(shí)的焊接質(zhì)量根本不能保證?？梢?jiàn)焊絲伸出長(zhǎng)度對(duì)焊接質(zhì)量的影響非常大，在熔化極氣體保護(hù)焊的工藝規(guī)程（WPS）中，必須規(guī)定出焊絲伸出長(zhǎng)度的要求。

（2）焊絲直徑 焊絲直徑也是熔滴過(guò)渡形式的影響因素之一。當(dāng)保護(hù)氣體、焊絲種類、焊絲伸出長(zhǎng)度、設(shè)備工況等因素一定的情況下，焊絲直徑對(duì)熔滴過(guò)渡形式的影響是隨著焊絲直徑的減小，不同過(guò)渡形式之間的臨界電流和電壓值隨之減小。焊絲直徑越小，所能承載的焊接參數(shù)越小，越適合于短路過(guò)渡形式，效率低，適于對(duì)小而精細(xì)類的工件進(jìn)行焊接。像φ0.8mm的焊絲，只用于短路過(guò)渡，并只適用于小型設(shè)備，如果采用頂推式送絲，焊槍把線不能太長(zhǎng)，否則會(huì)由于送絲阻力大，焊絲剛性不足而容易打結(jié)，導(dǎo)致不能正常使用。

（3）藥芯焊絲 如果熔化極氣體保護(hù)焊是采用的藥芯焊絲，其熔滴過(guò)渡形式除了要受上述因素的影響外，還要受到焊絲自身的藥劑作用。舉例簡(jiǎn)要說(shuō)明，像E501T-1焊絲，由于其藥劑中含有金紅石，而金紅石以氧化鈦為主要成分，氧化鈦對(duì)熔滴有細(xì)化作用，所以E501T-1焊絲的特點(diǎn)是熔滴以噴射過(guò)渡為主；而像E501T-5焊絲，其藥劑以氧化鈣-氟化物為主，由于該成分不具有對(duì)熔滴的細(xì)化作用，所以此類焊絲的特點(diǎn)是熔滴以粗顆粒過(guò)渡為主。由于藥劑的成分繁多，其對(duì)熔滴過(guò)渡形式的影響在此只是點(diǎn)到為止。

3.3 焊接參數(shù)

單一的強(qiáng)調(diào)電壓或單一的強(qiáng)調(diào)電流對(duì)熔滴過(guò)渡的影響是沒(méi)有什么意義的，因?yàn)殡娏骱碗妷罕仨氃谄渌鼦l件一定的情況下，合理匹配才能形成某種穩(wěn)定的熔滴過(guò)渡形式。例如，當(dāng)在短路過(guò)渡形式的狀態(tài)下（如：電弧電壓17～18V，電流100～120A），此時(shí)如果電弧電壓不變，只增大電流來(lái)觀察熔滴過(guò)渡的變化，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在電流增加到一定程度，如大于160A時(shí)，焊絲端部會(huì)直接扎進(jìn)熔池中，造成短路而使焊絲伸出端發(fā)生爆斷，電弧根本就無(wú)法正常維系。所以電弧電壓和電流必須匹配在合理的范圍內(nèi)，來(lái)談熔滴過(guò)渡和送絲速度才有意義。一般送絲機(jī)上都有兩個(gè)旋鈕，一個(gè)是電弧電壓，一個(gè)是送絲速度，這個(gè)送絲速度實(shí)際上和焊接電流是關(guān)聯(lián)的。在顆粒過(guò)渡或射流過(guò)渡的狀態(tài)下，焊接電流值一般是電弧電壓的7～10倍，調(diào)節(jié)范圍要比電弧電壓大得多，所以焊接電流是影響送絲速度的主要因素，而電弧電壓卻是影響送絲速度是否能有效維持電弧穩(wěn)定的決定因素，二者相互依存，缺一不可。

綜上所述，熔化極氣體保護(hù)焊的各種熔滴過(guò)渡形式都是多種因素綜合作用的結(jié)果。能夠?qū)ζ湟?guī)律有一個(gè)客觀的認(rèn)識(shí)，最終能夠掌握和運(yùn)用它才是我們要達(dá)到的目的。

作者簡(jiǎn)介：梁修福（1972-），男，山東武城人，本科，工程師，主要研究方向：焊接、材料。