熔化极气体保护电弧焊的熔滴过渡及冶金特性探究

1.熔滴过渡及其影响因素

GMAW熔滴过渡的形式是影响电弧稳定性的主要因素之一，通常可分为3种，分别为短路过渡（short circuiting transfer）、喷射过渡（spray transfer）及粗滴过渡（globular transfer）。影响熔滴过渡的因素很多，其中主要有电流大小和种类、电弧电压、焊丝直径与成分、保护气体及焊丝伸出长度等。焊接电流与电弧电压对熔滴过渡的影响如图1-5-2所示。

（1）短路过渡 短路过渡是指焊丝端部的熔滴与熔池短路接触，由于强烈过热和电磁收缩的作用使熔滴爆断，直接向熔池过渡的形式。

短路过渡是在使用细直径焊丝（直径≤1.2mm）及较小的焊接电流与电弧电压条件下发生的。短路过渡过程及相应的焊接电流与电弧电压波形如图1-5-3所示。电弧引燃后，焊丝迅速熔化形成电弧空间，熔滴悬浮在焊丝端头，如图1-5-3e所示；此时为防止电弧不稳定及在短路前发生熔滴

图1-5-2 焊接电流与电弧电压对熔滴过渡的影响

图1-5-3 短路过渡过程示意图及波形图

t₁—燃弧时间 t₂—短路时间 t₃—电压恢复时间 T—焊接循环周期 I_max—短路峰值电流 I_min—最小电流 I_f—平均焊接电流 U_f—平均电弧电压

过渡，保持较小的电弧电压是必要的。随着焊丝不断熔化，熔滴不断长大且因焊丝熔化速度降低，熔滴迅速接近熔池，如图1-5-3f、g所示。

当熔滴与熔池接触发生短路时，电弧熄灭，如图1-5-3h、a所示；此时电弧电压骤然下降接近于零，在焊丝与熔池之间形成金属柱，如图1-5-3b、c所示。随着短路电流的急剧上升，强烈的电磁收缩及表面张力使金属液柱形成缩颈，即“小桥”，如图1-5-3d所示。当短路电流达到一定值时，“小桥”因过热汽化迅速爆断，电弧电压重新恢复到空载电压以上，电弧重新引燃并重复上述过程。熔滴过渡只发生在焊丝与熔池接触的瞬间，而在电弧空间则不发生熔滴过渡。

短路过程中“小桥”爆断会产生焊接飞溅。短路电流上升速度过高将产生较大的飞溅，需要采取一些方法来限制短路电流，例如在焊接回路中使用电感线圈来抑制电流上升速度，不同直径的焊丝使用的回路电感值不同。此外还可采取波形控制法、能量控制法等电弧控制技术来降低焊接飞溅，详见5.5.1节。

为稳定焊接过程，要求熔滴越小、过渡越快越好，即短路频率越高越好。高频率的短路过渡，产生的飞溅细小，不会粘到工件上，对稳定焊接过程是有利的。通常短路的频率为20～200次/s。

电弧电压对短路过渡的频率有重要的影响，如图1-5-4所示。对于直径为0.8～1.6mm的焊丝，CO₂焊时最佳的电弧电压为20V左右。

图1-5-4 电弧电压对短路过渡频率的影响

图1-5-5 Ar-CO₂混合比对短路过渡频率的影响

保护气体成分是影响短路过渡频率的重要因素之一，它对弧柱电场强度及熔化金属的表面张力大小均产生影响。当保护气体的成分发生变化时，电弧形态随之发生变化，影响熔滴过渡的表面张力也随之发生变化，从而引起短路过渡频率的变化。Ar-CO₂气体混合比对短路过渡频率的影响如图1-5-5所示。

短路过渡形式因其熔池小且凝固速度快、焊道熔深较小及焊接变形小，特别适合焊接薄板以及全位置焊接，也可用于较大间隙的搭桥焊接。

（2）喷射过渡 喷射过渡是指熔滴呈细小颗粒并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式，熔滴直径等于或小于焊丝直径，如图1-5-6所示。

喷射过渡是在高电流、高电压及合适的保护气体成分条件下发生的。当电流超过某一临界电流后，电磁力和等离子流力促使熔滴摆脱焊丝端部液态金属表面张力的束缚，呈小滴状以每秒几十滴甚至几百滴的速度过渡到熔池中。应当说明的是，当电流刚达到或超过临界电流时，熔滴直径与焊丝直径相当，熔滴高速射向熔池，形成喷射过渡；随着电流的继续增加，熔滴变得更细小，沿弧柱轴向形成高速液体流束射向熔池，这种过渡形式为喷射过渡。熔滴过渡频率与焊接电流的关系如图1-5-7所示。

图1-5-6 喷射过渡示意图

图1-5-7 对熔滴过渡频率与焊接电流的关系

影响临界电流大小的因素主要有焊丝成分、保护气体成分、焊丝直径及焊丝伸出长度等。一般导电性好的焊丝其临界电流值低一些，如图1-5-8所示。保护气体成分对产生喷射过渡有很大的影响。使用纯氩或在纯氩中加入少量的CO₂、O₂的混合气体时，临界电流较低，易得到完全的喷射过渡。随着混合气体中CO₂或O₂的比例的增加，临界电流越来越大，实现喷射过渡越来越困难。使用纯CO₂不能得到完全的喷射过渡。保护气体成分对临界电流的影响分别如图1-5-9、图1-5-10所示。相同材质的焊丝直径越大，其临界电流越大；焊丝伸出长度越小，其临界电流越大。焊丝直径及其伸出长度对临界电流的影响如图1-5-11所示。

电弧电压必须足够高才能形成喷射过渡。喷射过渡形式因无短路过程、电弧非常稳定、飞溅小、焊道熔深大（指状）、焊缝成形好及焊丝熔化效率高等特别适合在水平位置焊接厚板。

（3）粗滴过渡 粗滴过渡是指熔滴以较大颗粒、在重力作用下脱离焊丝通过电弧空间向熔池过渡的形式，熔滴尺寸大于焊丝直径。

图1-5-8 几种焊丝的临界电流

1—低碳钢（99%Ar+1%O₂，体积分数） 2—钛（Ar） 3—不锈钢99%Ar+1%O₂，体积分数） 4—铜（Ar） 5—铝合金（Ar） 6—铝（Ar）

图1-5-9 Ar-CO₂气体混合比例对临界电流的影响

图1-5-10 Ar-O₂气体混合比例 对临界电流的影响

图1-5-11 焊丝直径及伸出长度对临界电流的影响（低碳钢、99%Ar+1%CO₂（体积分数）、直流反接、弧长6mm）

在较小焊接电流时，无论使用何种保护气体，均能产生粗滴过渡。当保护气体为惰性气体或在惰性气体中加入了少量的活性气体时，若电流小于临界电流及电压高于短路过渡时的电压，能得到粗滴过渡。这种过渡形式飞溅较大且易产生未熔合、未焊透等焊接缺陷，实际生产应用受到限制。

无论是短路过渡、喷射过渡，还是使用惰性气体或惰性气体中加入了少量的活性气体时产生的粗滴过渡，熔滴过渡的轨迹都是沿着焊丝轴向的；但当使用CO₂作为保护气体时，若焊接电流及电压超过短路过渡的范围，则产生非轴向的粗滴过渡，其原因是阻碍熔滴过渡的力使熔滴偏离焊丝轴线，如图1-5-12所示。阻碍熔滴过渡的力包括电磁收缩力、电子撞击力及斑点外金属蒸气的反作用力。因为斑点只占熔滴底部的局部区域，阻碍熔滴过渡的力支撑熔滴且使熔滴在脱离焊丝之前就偏离轴线，甚至上翘，所以熔滴脱离焊丝后，一般不能沿焊丝轴向过渡。非轴向过渡的过程很不稳定，极易产生飞溅且焊缝成形不良，无法用于焊接生产。

图1-5-12 非轴向大滴过渡示意图

图1-5-13 CO₂焊潜弧状态的熔滴过渡

使用直径1.6mm以上的粗丝，在较大的电流和较低的电压CO₂焊时，形成潜弧状态能得到稳定的焊接过程，如图1-5-13所示。此时焊丝伸入到工件表面以下，电弧深入到熔池底部，排开液态金属形成空腔，在空腔内形成潜弧状态。潜弧状态是一个稳定的状态，熔池金属包围了电弧，电弧的热量更充分地加热焊丝和母材，电弧空间充满了金属蒸气，电弧电场强度降低。焊丝表面的阴极斑点由集中向分散变化，即电弧将由焊丝端头向上爬。由于电弧形态的改变，改变了焊丝端头的受热及受力条件，从而形成了喷射过渡形式。电弧被熔池凹坑所包围，飞溅金属大都被凹坑内壁所捕获，实际上飞溅很少。潜弧焊熔深大、熔敷效率高，已广泛用于较厚工件的焊接。

2.冶金特性

（1）CO₂气体高温氧化性及其对合金元素过渡的影响　在电弧高温的作用下，CO₂分解成CO及原子态O，具有强烈的氧化性：

因而CO₂焊过程中，电弧气氛中同时存在着CO₂、CO和O三种成分。温度越高，CO₂分解度越大，CO₂分解度与温度的关系如图1-5-14所示。在这三种成分中，CO在高温下既不溶解于金属，又不与金属发生反应，但CO₂与O能与铁及其他合金元素，如C、Mn、Si、Cr、Ni、Ti等发生化学反应，烧损这些合金元素，使过渡到焊缝中的合金元素减少，从而影响焊缝的性能。

图1-5-14 CO₂分解度与温度的关系

焊接区域的温度极不均匀，在不同的位置发生不同的冶金反应。在温度较高的电弧空间和接近电弧的熔池中将发生如下反应：

在远离电弧温度较低的熔池中将发生如下反应：

式中 [ ]——表示液态金属的反应物；

（ ）——表示渣中的反应产物。

因此高温下CO₂及其分解的氧均具有强烈的氧化性。随着温度的提高，其氧化性增强。

（2）CO₂焊的脱氧措施CO₂焊电弧强烈的氧化性，使铁及合金元素发生了烧损。虽然生成的SiO₂、MnO等会浮到熔池表面形成熔渣，但过渡到焊缝中的合金元素减少，将降低焊缝金属力学性能；同时反应过程中产生了CO气体，会增大飞溅并可能残留在焊缝中形成气孔。

CO₂焊必须采取必要的脱氧措施。通常在焊丝中加入足够数量的脱氧元素，这些脱氧元素与氧的亲合力比Fe、C大，能优先与氧发生反应并还原FeO。常用的脱氧元素是Si和Mn，其脱氧反应为

脱氧产物SiO₂、MnO能结合成复合化合物MnO·SiO₂，其熔点为1543K，密度为3.6g/cm³，能够聚集成大块浮在熔池表面，凝固后在焊缝表面形成少量焊渣。单独采用Si脱氧时，生成的SiO₂熔点高且颗粒小，不易从熔池中浮出，易引起焊缝夹渣；而单独使用Mn脱氧，其脱氧能力小，生成的MnO密度大，也不易从熔池中浮出。因此采用Si和Mn联合脱氧效果更好。

加入到焊丝中的Si和Mn，在焊接过程中一部分用于脱氧还原FeO，一部分被直接氧化和蒸发掉，其余部分作为合金元素过渡到焊缝中。为达到良好的脱氧及合金化效果，焊丝中Si和Mn的比例必须适当。常用焊丝ER49—1中Mn的质量分数为1.80%～2.10%、Si的质量分数为0.65%～0.95%；焊丝ER50—6中，Mn的质量分数为1.40%～1.85%、Si的质量分数为0.80%～1.15%。

表1-5-2给出了CO₂焊时一部分元素的过渡系数。Al、Ti是最活泼的元素，从表1-5-2可以看出Al、Ti比Si和Mn过渡系数小很多，在焊接过程中更易被氧化。因此有一些焊丝中还加入了Al和Ti等元素进行先期脱氧，从而减少Si和Mn的烧损。Ti除了能先期脱氧外，加入适量时还能稳定电弧、减少飞溅及细化晶粒，从而改善焊缝的力学性能。

表1-5-2 各种元素CO₂焊时的过渡系数

（3）CO₂焊焊缝的气孔及防止措施焊缝产生气孔的主要原因是在熔池中存在着过饱和的气体，随着熔池的凝固，若这些气体来不及逸出就会在焊缝内形成气孔，从而显著降低焊缝的力学性能。CO₂焊焊缝可能产生的气孔主要有一氧化碳气孔、氢气孔和氮气孔3种。

1）一氧化碳气孔的来源有三个方面：一是电弧高温条件下CO₂分解产生的CO气体，见式（1-5-1）。二是若脱氧元素不足，会有更多的FeO进入熔池中。从式（1-5-9）可知，在熔池中FeO可与C发生反应生成CO。这个反应通常在凝固的后期反应更为激烈，如熔池的尾部。由于熔池温度较低的区域已开始凝固，CO气体不易逸出，从而在焊缝中形成气孔。三是CO₂气体中混入CO杂质，在焊接过程中有可能进入熔池。

如果焊丝中有充足的脱氧元素，如Si、Mn、Al、Ti等，则脱氧元素将先与FeO反应（见式（1-5-10）、式（1-5-11）），从而防止CO的产生。从式（1-5-9）可知，限制焊丝中C的含量有利于防止CO气孔。CO₂焊用焊丝在设计时，充分考虑到了这些因素的作用。因此实际生产过程中，只要正确选择焊丝，焊丝中的脱氧元素就会先与FeO发生反应，从而有效地防止CO气孔。

通常CO气孔产生在焊缝金属内部，沿结晶方向分布，呈条虫状，表面光滑。

2）氢可以溶解在液态金属中。当熔池中存在被溶解的氢时，在熔池金属凝固的瞬间，氢的溶解度急剧减少，若这些气体来不及从熔池中逸出，则会残留在焊缝中形成气孔。

电弧中氢的来源主要有两方面：一是来自焊丝与工件表面的水、油污、锈与漆等；二是来自CO₂气体中所含的水分。在电弧高温下，油污、锈及水分均能分解产生氢。CO₂气体中含水量与焊缝金属的氢含量的关系见表1-5-3。随着CO₂气体含水量的增加，焊缝金属的氢含量也增加。为防止产生氢气孔，一方面在焊前应清理工件表面水、油污与锈等杂质，并防止焊丝被沾污和生锈；另一方面应对CO₂气体提纯与干燥。试验表明：当CO₂气体的纯度（体积分数）达到99.11%以上时就能得到无氢气孔的焊缝。大部分国家规定，焊接用CO₂气体纯度（体积分数）不低于99.5%。

此外，工艺上采取加大焊接电流，降低焊接速度也能减少氢气孔。

表1-5-3 CO₂气体中含水量与焊缝金属的氢含量的关系

需要说明的是，CO₂焊实际上是一种低氢的焊接方法，其熔敷金属含氢量比焊条电弧焊、埋弧焊要低得多，见表1-5-4。这是因为CO₂焊电弧气氛具有强烈的氧化性，CO₂分解出的氧原子可与进入焊接区的氢原子结合形成不能溶解在熔池中的羟基，从而削弱了氢的有害作用。因此只要焊前对焊丝及工件表面的油污、铁锈等杂质清理干净，同时使用的CO₂气体纯度（体积分数）不低于99.5%，一般不会产生氢气孔，可以得到低氢甚至超低氢的焊缝。焊缝中扩散氢含量是产生冷裂纹的重要因素之一，对低合金钢采用CO₂焊是有利的。

氢气孔常产生在焊缝的表面，断面多为螺钉状，气孔内壁光滑。

表1-5-4 焊接碳钢时熔敷金属含氢量

3）氮气孔是CO₂焊最易出现的气孔。如果焊接过程中气体保护不良，空气中的氮就会侵入电弧和熔池，熔池冷却凝固前来不及逸出就会在焊缝中形成气孔。气体流量过小或过大、喷嘴内飞溅太多引起流量变小且不均匀、焊接过程中有侧风及喷嘴到工件之间距离过大等因素都可以引起氮气孔，应根据具体产生的原因采取相应的措施解决，如调节保护气体到合适的流量、及时清理喷嘴内飞溅、采取防侧风措施及降低喷嘴高度等。

氮气的另一个来源是不纯的CO₂气体。若CO₂气体中有较多的氮气，也会在焊缝中产生氮气孔。选用含Al、Ti的焊丝利用其固氮作用可防止氮气孔。

氮气孔通常出现在焊缝表面，呈蜂窝状，或者以弥散形式的微气孔分布在焊缝金属中。

（4）CO₂焊的飞溅问题CO₂焊一个突出的问题是飞溅。在小电流短路过渡时，由于飞溅颗粒小，一般不易粘在工件表面，可能不需要清理，其危害不大；但在粗滴过渡或粗丝大电流焊接时，飞溅多且颗粒大，其有害作用增大。一是易粘在工件表面且难以去除，增加了清理飞溅的工序和清理时间；二是明显增加焊丝及电能消耗；三是可能会因粘在导电嘴和喷嘴表面引起送丝和送气不畅，引起熄弧并中断焊接过程，产生气孔。这些危害降低了生产效率，增加了焊接成本。

1）产生飞溅的原因 产生飞溅的原因主要有以下几个方面：

①一氧化碳（CO）气体膨胀爆破产生的飞溅。焊接过程中，熔滴熔池中的碳被氧化成CO气体。随着温度的升高，CO气体膨胀外逸，若此时受到阻碍就会使熔滴熔池发生爆破，从而产生大量飞溅。

②阴极斑点压力引起的飞溅。一般发生在直流正极性的情况下，此时工件接正极，焊丝接负极，正离子从工件飞向焊丝末端以较大的冲击力撞击熔滴，电极斑点压力大。若长弧焊接，焊丝末端易形成粗大熔滴并产生非轴向过渡，易产生大颗粒的飞溅。正因为如此，CO₂焊通常采用直流反接，焊接过程中电子撞击熔滴，产生的飞溅较小。

③短路过渡不正常引起的飞溅。电弧燃烧转为短路时，电流迅速增大，如果短路电流增长速度过快或太慢，都会产生大量的飞溅。短路电流增长速度适宜时可以减少飞溅，同时短路过渡稳定性也最佳，这需要焊机有良好的动特性。

图1-5-15 CO₂焊电弧电压对飞溅率的影响（焊丝直径2mm）

④焊接参数不当引起的飞溅。电弧电压过高对飞溅影响很大。电弧电压过高，焊接电流小，弧长增大，易引起焊丝末端熔滴长大，电弧不稳定，会引起较大的飞溅。可见适宜的电弧电压与焊接电流才能保证飞溅最小。CO₂焊电弧电压对飞溅率的影响如图1-5-15所示。

熄弧时若焊丝末端形成大的熔球，则再次引弧时将产生较大飞溅。此外，磁偏吹、焊丝直径、保护气体成分及焊枪角度等对飞溅都有影响。

2）减少飞溅的措施 根据对CO₂焊产生飞溅原因的分析，一般采取以下措施来减少飞溅：

①正确地选择焊接电流与电弧电压。焊接电流处于正常短路过渡和喷射过渡范围内时飞溅均较小，而在大滴过渡时飞溅较大。因此，选择焊接电流时应注意避开飞溅率较大的区域，同时焊接电流与电弧电压应有适宜的匹配。

②选择合适的保护气体。纯CO₂气体保护时，飞溅较大。对于飞溅要求严格时，可以使用混合气体。以氩气与CO₂混合气体为例，通常在100A焊接电流以下短路过渡时，CO₂气体中加入50%的氩气（体积分数），飞溅明显改善；随着加入氩气的增加，飞溅还会进一步降低。

③选择含碳量低的焊丝或活化焊丝。选择含碳量低的焊丝，能减少焊接过程中产生的CO气体，从而减少飞溅。活化焊丝因在焊丝的表面涂有一层很薄的碱金属、碱土金属或其化合物，可以提高焊丝的电子发射能力，焊接过程更稳定。药芯焊丝焊接时，飞溅比实心焊丝低很多。

④采用直流反极性进行焊接。一般短路过渡及长弧焊接时，选择直流反极性接法。这时电弧稳定，飞溅最小。因此CO₂焊应用最多的就是直流反接。但在高速CO₂焊、堆焊及铸铁补焊时，使用直流正接时为减少飞溅宜使用活化焊丝。

⑤选择合适的电感值。为减少飞溅，通常在焊接回路串入一直流电感，来限制短路时的电流增长速度。电感越大，短路电流增长速度越小。焊丝直径越大，短路电流增长速度越大。细焊丝熔化速度快，熔滴过渡的周期短，因此需要较大的电流增长速度，电感值应调小一些。粗焊丝焊接时，情况正好相反，电感值应调大一些。

⑥采用具有电流波形控制功能的电源，适当控制短路电流上升斜率，可以减少飞溅。选择具有消熔球功能（FTT）的焊机将有助于控制熄弧时熔球的尺寸，减少再引弧时的飞溅。

⑦采用药芯焊丝可显著减少飞溅。

（5）MIG焊及MAG焊的冶金特点 与CO₂焊相比，MIG焊及MAG焊因电弧空间无氧化性或氧化性相对较低，对合金元素的烧损相对少一些，因此合金元素的过渡系数较大。混合气体中CO₂含量的变化对合金元素的过渡系数的影响如图1-5-16所示，可见随着CO₂含量的增加，合金元素的过渡系数减小。

保护气体为纯氩时，电弧漂移不稳定，焊缝容易产生气孔。通常在纯氩中加入少量的活性气体，如O₂或者CO₂，不仅电弧稳定，减少气孔而且临界电流较低，易得到喷射过渡，飞溅减少。在短路过程时，氩气在电弧中的电场强度比CO₂低，电弧的阳极斑点面积容易扩展，熔滴受力均匀。短路时，电磁力和表面张力均促使熔滴向熔池过渡，短路时间短且短路峰值电流小，飞溅也比CO₂焊少。

图1-5-16 Ar-CO₂混合气体中CO₂含量对合金元素过渡系数的影响

图1-5-17 Ar-CO₂不同混合比时的飞溅率（焊丝直径1.2mm，焊接电流350A）

MAG焊时，冶金反应生成的CO少、短路电流峰值降低，因此飞溅比CO₂焊少。氩与CO₂混合气体不同混合比的飞溅率如图1-5-17所示。在测试的几种混合气体中，采用Ar 80%+CO₂20%（体积分数），保护气体时，飞溅率最低。

欧美多采用Ar 90%+CO₂10%（体积分数）的混合气体，可以进一步降低喷射过渡的临界电流和飞溅率。