药芯焊丝CO2气体保护焊熔滴的表面张力过渡

1.药芯焊丝CO₂气体保护焊熔滴的表面张力过渡的特点

当电流较小时药芯焊丝CO₂气体保护焊形成典型的排斥过渡，而当焊丝送进速度增大、电流进一步增大时，如果此时电压设置较低，则熔滴在没有长大到很大尺寸时便与熔池接触短路，在熔池的表面张力作用下，迅速向熔池过渡，这就形成了表面张力过渡。当然在形成金属桥之后大的短路电流所产生的电磁收缩力也会促使金属桥破断，促进表面张力过渡的实现。图5-15是表面张力过渡时熔滴的受力状态示意图，可以看出当熔滴与熔池接触时，在焊丝与熔池之间形成金属液桥，由于熔池金属表面张力的作用，会使颈缩以下液桥金属被拉入熔池，完成熔滴的过渡。

与排斥过渡时的短路过渡不同，表面张力过渡是在熔滴没有长大的条件下形成的短路过渡，即熔滴在没有长大到自由尺寸时，与熔池形成桥接短路，之后在表面张力的作用下实现过渡。因而表面张力过渡时具有较低的电弧电压、足够大的送丝速度、很高的过渡频率等特征。

表面张力过渡可以看作是介于大熔滴的排斥过渡与细熔滴过渡二者之间的一种过渡形态，下面将举若干实例说明表面张力过渡的形成条件。表面张力过渡现象同样可以发生在实心焊丝CO₂气体保护焊过程中。图5-16是实心焊丝表面张力过渡过程的高速摄影照片，可以看出第3、4帧照片熔滴与熔池发生短路，很快形成液桥（第5～8帧照片），进行熔滴的过渡，至第10帧图片熔滴过渡完成，接着电弧重新引燃。熔滴从短路到过渡完成约经过3～4ms。

图5-17是药芯焊丝表面张力过渡的高速摄影照片。试验焊丝样品编号7DW100，预置电压为24.7V，焊接电流为210A，拍摄速度为2000f/s，测试的熔滴过渡频率f_tr=25.6s^-1。由图看出这是一个平稳的表面张力过渡过程，熔滴在第12帧照片与熔池接触，到第15帧照片完成了过渡，过渡时间不到2ms，过渡时没有发生电爆炸飞溅。

图5-15 CO₂气体保护焊熔滴表面张力过渡过程受力示意图

F_r—CO₂气体排斥力 F_e—电磁力 Fσ—表面张力 I—电流方向

通过高速摄影对该焊丝焊接过程进行的观察表明，在电弧电压24.7V、焊接电流210A的条件下，虽然熔滴过渡形态已经出现表面张力过渡，但是整个测试过程中大熔滴排斥过渡的特征仍然十分明显，排斥过渡仍然是基本的过渡形态。这时过渡频率还不够高，为25～28s^-1，熔滴存在的时间较长，熔滴尺寸较大，同时由于电流较小，送丝速度还不够快，较大的熔滴在刚一接触熔池表面时，没有能快速地进入熔池，在熔池表面发生爆炸，造成飞溅，图5-18就是这样的例子，由图看到，在熔滴与熔池相接触的瞬间（第4帧照片），熔滴很快发生电爆炸，爆炸和产生的飞溅过程（第7～18帧照片）持续了约6ms，电爆炸过后，熔滴接着进行了过渡（第19～24帧照片）。

图5-16 CO₂气体保护焊熔滴表面张力过渡形态的高速摄影照片（拍摄速度：2000f/s）

焊丝样品：实心焊丝HT04.07.02，φ1.2mm；焊接参数：24.6V/134A。

图5-17 药芯焊丝CO₂气体保护焊表面张力过渡的高速摄影照片

焊丝样品：7DW10004.03.18，φ1.2mm；焊接参数：24.7V/210A；拍摄速度：2000f/s。

看来熔滴在由排斥过渡向表面张力过渡转变时，有时还经过一个不稳定的表面张力过渡阶段，它是属于粗熔滴排斥过渡与表面张力过渡之间的状况，这时由于较大熔滴与熔池的频繁接触，增大了发生电爆炸的机会。

图5-18 药芯焊丝CO₂气体保护焊表面张力过渡时发生电爆炸飞溅的高速摄影照片

焊丝样品：7DW100030318，焊丝直径：φ1.2mm；焊接参数：24.7V/210A；拍摄速度：2000f/s。

图5-19是15DW100样品在31V/210A条件下试验的高速摄影照片，与图5-18相比可知：电流相同，电压由24.7V提高到31V，熔滴在焊丝端部停留时间增长，尺寸增大，排斥过渡特征更加明显，表面张力过渡形态进一步减少，排斥过渡成为主要的过渡形态，测试的过渡频率仅为25.7s^-1。

图5-19 药芯焊丝CO₂气体保护焊时具有排斥过渡特征的高速摄影照片

焊丝样品：15DW10004.05.21，φ1.2mm；焊接参数：31V/210A；拍摄速度：2000f/s。

进一步增大电流时，可观察到熔滴以表面张力过渡为主。12DW100样品在28V/240A的条件下测试，熔滴过渡频率增大了，达到37.1s^-1，飞溅频率为13.4s^-1。图5-20是该样品表面张力过渡的高速摄影照片，看出过渡过程由第35～70帧照片，大约为17.5ms，然而在这一参数下，还不能说实现了表面张力过渡的最稳定状态，因为在这过程中也经常会出现不稳定的过渡。

图5-20 药芯焊丝CO₂气体保护焊形成不稳定的表面张力过渡高速摄影照片（一）

焊丝样品：12DW100040609，φ1.2mm；焊接参数：28V/240A；拍摄速度：2000f/s。

在31V/240A条件下测试编号为16DW100的药芯焊丝样品，得到的结果是：熔滴过渡形态主要为表面张力过渡，过渡频率为39.1s^-1，但尚未实现较为完全的表面张力过渡，仍然有相当多的排斥过渡；飞溅形式以熔池飞溅为主，熔滴与熔池接触时偶然发生电爆炸飞溅，统计的飞溅频率为19.9s^-1。图5-21是该样品表面张力过渡的高速摄影照片，照片中看出从第3帧照片开始发生桥接，至第7帧照片完成了过渡，第8帧照片电弧重新引燃，过渡过程只有约2.5ms。

图5-21 药芯焊丝CO₂气体保护焊表面张力过渡的高速摄影照片

焊丝样品：16DW10004.06.23；φ1.2mm；焊接参数：31V/240A；拍摄速度：2000f/s。

在31V/240A的条件下进行的试验表明：尽管这时熔滴过渡形态基本上是以表面张力过渡为主，电爆炸飞溅也较少发生，但是试验的电弧电压较高，弧长较大（图5-22），可以观察到在焊丝的熔化过程中，形成的熔滴仍然比较粗大，增大了焊接过程的不稳定性。

图5-22 药芯焊丝CO₂气体保护焊形成不稳定的表面张力过渡高速摄影照片（二）

焊丝样品：16DW10004.05.23，焊丝直径：φ1.2mm；焊接参数：31V/240A；拍摄速度：2000f/s。

作者从21V/260A参数下进行的试验看到：由于电压的设定比较低，电流比较大，送丝速度较快，熔滴在远未长大到自由尺寸前就与熔池短路桥接，并在表面张力的作用下被拉向熔池，形成高频率的表面张力过渡，过渡频率高达41.1s^-1。在这一参数下尽管实现了表面张力过渡，但电压的设置较低，参数匹配不合理，短路电爆炸飞溅较多，还出现一次强烈的电爆炸飞溅，焊接过程同样不十分稳定，没有形成表面张力过渡的最好状态。

在更大电流的条件下理想的表面张力过渡才明显地表现出来。作者曾用2DW100焊丝样品分别在30V/320A和32V/300A进行试验，证实熔滴形成了稳定的表面张力过渡。图5-23是2DW100焊丝样品在30V/320A较大参数下形成表面张力过渡的高速摄影照片，图中引用了36帧照片，记录了18ms过程，发现其间进行了两次表面张力过渡，分别发生在第2～4帧和第22～26帧照片，每次过渡时间不大于3ms，熔滴发生短路过渡过程时间短暂。

图5-23 药芯焊丝CO₂气体保护焊稳定的表面张力过渡的高速摄影照片（一）

焊丝样品：2DW10007.05.27，φ1.2mm；焊接参数：30V/320A；拍摄速度：2000f/s。

由图5-23看出，在大焊接参数下，熔滴的尺寸已经非常小了，当其长到不太大尺寸时就与熔池桥接，并在很短的时间内完成了熔滴过渡。对这一样品摄影全过程0.5s统计的熔滴过渡频率超过40.5s^-1，电爆炸飞溅的概率也很小，实现了稳定的表面张力过渡形态。

图5-24是两幅典型表面张力过渡的高速摄影照片，对样品拍摄时统计的熔滴过渡频率超过50s^-1，估计熔滴平均直径不超过1.5mm。

以上关于药芯焊丝CO₂气体保护焊表面张力过渡的试验结果见表5-3。由以上的试验可以得到这样的规律：在作者的试验条件下，对于直径为φ1.2mm的药芯焊丝，在合适的电压条件下，焊接电流增大到200A以上时，熔滴出现表面张力过渡；但电流不超过240A时，熔滴过渡的基本形态还是以排斥过渡为主，这时的熔滴过渡频率一般为26～35s^-1；当电流增大到240A以上时排斥过渡逐渐降低到次要的地位，表面张力过渡成为熔滴过渡的主要形态，但是这时熔滴尺寸还不够细小，熔滴在短路时引起的熔池激烈动荡或电爆炸飞溅，影响表面张力过渡过程的稳定性。在30V/300A或更大的参数下，熔滴进一步细化，熔滴过渡频率超过40s^-1，过程稳定，飞溅减小，形成完全的表面张力过渡。

图5-24 药芯焊丝CO₂气体保护焊稳定的表面张力过渡的高速摄影照片（二）

焊丝样品：φ1.2mm；焊接参数：21V/60dm/min；拍摄速度：2000f/s。

表5-3 药芯焊丝CO₂气体保护焊表面张力过渡的试验结果

2.药芯焊丝CO₂气体保护焊焊接参数对形成表面张力过渡的影响

由以上的分析可知：当焊接电流增大到一定值时，是否形成表面张力过渡还要取决于设置的焊接电压；如果当电流较大而电压的设置比较高，则不能形成表面张力过渡。显然焊接参数的合理设置，对表面张力过渡形成至关重要。

作者的学生杨林曾做过如下试验^[19]：选择KFX焊丝为样品，设置焊接电流240A，电弧电压由28V逐渐增大至37V，采用汉诺威分析仪进行测试。图5-25～图5-27分别为当预置的电弧电压在28～37V变动时，得到的KFX药芯焊丝电弧电压、焊接电流的概率密度分布图和电弧电压、焊接电流波形图。当预置的电弧电压在28～37V变动时，得到的平均电压、平均电流、不同短路时间的频率及平均短路时间T₁等相关电弧物理特性参数见表5-4。

由图5-25看出：当设置的电弧电压很高（如35V、36V）（曲线KFX-28、KFX-29）、实际电弧电压超过31V时（表5-4），焊接时不发生短路，小驼峰曲线处于很低的位置，表5-4中显示短路频率趋于零。图5-26中电流概率密度分布曲线十分集中。图5-27中没有短路波形；电压设置由高逐渐变低时，小驼峰曲线逐渐增高，表明短路的趋势增大，当电压设置为31V、实际电压27.75V时（曲线KFX-24），波形图显示只有少量短路；而当电压设置为30V、实际电压为26.97V时（曲线KFX-23），表面张力过渡的趋势明显增大，从表5-4中看出短路频率增高，图5-27中显现出短路波形特征；设置的电压再降低，短路频率进一步增高，波形图中短路十分密集，至设置电压28V、实际电压为25.28V时（曲线KFX-21）实现了完全的表面张力过渡。

图5-25 药芯焊丝CO₂气体保护焊电弧电压概率密度分布叠加图

焊丝样品：KFX，φ1.2mm；设置焊接参数：I=240A，U=28～37V。

（本图的彩色图见附录D中图D-2a）

图5-26 药芯焊丝CO₂气体保护焊焊接电流概率密度分布叠加图

焊丝样品：KFX，φ1.2mm；设置焊接参数：I=240A，U=28～37V。

（本图的彩色图见附录D中图D-2b）

图5-27 药芯焊丝CO₂气体保护焊电弧电压、焊接电流波形图

焊丝样品：KFX，φ1.2mm；焊接参数：I=240A，U=28～37V。

表5-4 KFX焊丝预置焊接电压28V～37V时得到的相关的电弧物理特性参数

① 测试时间5s。分析仪设置：分析仪设置短路时间组宽ΔT₁=10μs，燃弧时间、加权燃弧时间、短路周期时间组宽ΔT₂、ΔT₃、ΔT_c=500μs，最小短路时间T_1min=2000μs，阈值电压U_th=16V。

3.药芯焊丝CO₂气体保护焊表面张力过渡的波形分析

本书第2章提到在焊条电弧焊条件下熔滴的短路行为分为A型、B型和C型短路，指出：A型短路是熔滴正常的短路行为，即短路时伴随着熔滴的过渡，特征是短路的持续时间较长，熔滴与熔池形成桥接，过渡的熔滴较大；B型短路是持续时间较短、不大于1ms的短路行为，通常把B型短路认为是瞬时短路，瞬时短路是熔滴在非常短的时间与熔池相接触而不发生熔滴金属的过渡^[20，21]，B型短路是出现在A型短路之前的瞬间频繁的短路行为；而C型短路则具有A型和B型两种短路的特征，既有短时间频繁短路特征，又伴有熔滴的过渡。

图5-28 药芯焊丝CO₂气体保护焊表面张力过渡时的高速摄影与波形同步测试结果对照图

焊丝样品：No4DW1000；焊接参数：24V/210A；拍摄速度：2000f/s。

图5-28是药芯焊丝CO₂气体保护焊表面张力过渡时的高速摄影与波形同步测试结果对照图，图中记录了CO₂气体保护焊表面张力过渡时的一次典型短路过程，描述了0.277～0.285s（8ms）内由燃弧、短路、熔滴的过渡及电弧重燃的全过程。照片的最上方标注的是第1、5、9帧和第12帧照片对应的时间点，由于拍摄速度为2000f/s，照片之间的时间间隔为0.5ms，由此可以确定每一帧照片的时间点。图中每帧照片所对应的波形位置可以由照片的时间点的数值和波形图中时间坐标确定，电压波形图中各重要的时间点所对应的照片用箭头指示。由高速摄影照片第1～3帧看到，电弧保持燃弧状态，从波形图上看这一段时间是0.277～0.279s，从第5帧照片开始，熔滴与熔池发生短路，随之熔滴开始进行过渡，直至过渡完成，照片是第5～13帧，其时间段是0.280～0.284s，过程约4ms。由电压、电流波形看到，在0.279s处电压曲线陡降，而电流的波形则开始上升，经0.004s后至0.283s处电流曲线上升至最高点后又迅速下降，而电压则迅速提升，至0.284s时电压基本上又恢复到短路前的水平。

由测试结果看出，电压波形具有典型的A型短路特征，在测试的时间段内，短路过程持续了4ms，熔滴进行了平稳的表面张力过渡，过程中未产生电爆炸飞溅。可以说明表面张力过渡是以A型短路为基础的。

图5-29为一组A型和B型短路同时存在的短路波形图，看到波形图中有三次短路，分别发生在0.355～0.356s、0.362～0.363s和0.369～0.373s。从选取的对应高速摄影单帧照片看出，前两次的短路熔滴与熔池只是发生了短暂的接触，但都未发生熔滴的过渡，而第三次短路过程时间约2ms，此时熔滴进行了过渡。图5-29的短路现象表明前面的两次短路是属于瞬时B型短路，而最后的短路是A型短路。这一幅短路波形图片与E5015焊条电弧焊时波形特征很相似。

图5-29 具有A型和B型短路的波形与高速摄影同步测试结果对照图

焊丝样品：No4DW1000；焊接参数：24V/210A；拍摄速度：2000f/s。

图5-30是No4DW-100焊丝样品熔滴行为高速摄影与电压、电流波形同步测试结果对照图。从图中电压波形看出，焊丝在测试的时间内发生两次瞬间短路，分别为0.792～0.794s和0.795～0.797s，时间都没超过1ms，熔滴的两次过渡都没有发生电爆炸飞溅。由对应的高速摄影照片看出：前面的一次短路，熔滴先是与熔池接触（第4帧照片），电弧中断，至第8帧照片电弧重新引燃，在这一期间焊丝端部的熔滴只是与熔池接触了一下，并没有发生过渡；而熔滴的第二次短路过程虽然波形上看与前者很相似，但在第9帧照片看到熔滴与熔池发生了接触短路并开始熔滴的过渡，至第12帧过渡完成，电弧重新引燃。显然，波形图中显示的短路行为，前者属于B型短路，而后者即实现了熔滴的过渡，从时间属性上又具有瞬时性的特征，很像是C型短路。这里的B型短路与C型短路在波形图上看很难区别，这也许正是CO₂气体保护焊波形的特点。

图5-30 药芯焊丝CO₂气体保护焊短路波形与熔滴行为高速摄影同步测试结果对照图

焊丝样品：No4DW-100；焊接参数：24V/210A；拍摄速度：2000f/s。

图5-30的波形分析实例说明，对于CO₂气体保护焊来说，不能简单地用波形图判断是C型还是B型短路，因为哪怕是瞬间的短路过程都有可能伴随着熔滴的过渡，照片中两次的瞬间短路却发生了不同的情况，前者没有发生熔滴的过渡过程，而后者则伴随有熔滴的过渡。波形图中的短路频率不能反映实际的熔滴过渡频率，或者说用短路波形图不能准确统计实际的熔滴过渡频率。这不仅由于有些短路不意味着过渡，更因为更多的时候熔滴的过渡在波形图中未能反映出来，在实际熔滴过渡过程中，并不是每次熔滴的过渡都发生了短路。

4.熔滴的表面张力过渡的形成条件

通过以上的叙述，对表面张力过渡的形成条件可以做这样的归纳：药芯焊丝CO₂气体保护焊要想实现表面张力过渡，首先是要采用较大焊接电流，以保证形成足够大的电磁收缩力，为熔滴从焊丝端部脱离和熔滴的过渡提供强大动力，同时大电流能有效地细化熔滴尺寸，使桥接短路过渡过程尽可能缩短，保持熔体的平稳过渡，减小飞溅发生的概率；其次要有足够大的送丝速度，保证对熔化金属供给，促使形成短路过渡；另外要设置比较低的电压，压缩熔滴过渡的空间，促使熔滴在没来得及长得最大时与熔池桥接短路。显然表面张力过渡时送丝速度、熔滴过渡频率、熔滴颗粒大小及较低电压的设置至关重要，它们之间存在一定关系。

假定焊丝为实心焊丝，熔化的焊丝全部形成熔滴过渡到熔池，熔滴呈圆球形，这时送丝速度、熔滴过渡频率、熔滴颗粒大小之间的关系可以用下式描述，它表示焊丝送进的金属量与过渡的金属量的平衡：

（d_w/2）²πv=（4/3）π（D_m/2）³f_tr

式中 d_w——焊丝直径（mm）；

D_m——熔滴直径（mm）；

v——送丝速度（mm/s）；

f_tr——熔滴短路频率（s^-1）。

上式描述的是实心焊丝的情况，如果是药芯焊丝，则应考虑填充率ψ和焊接过程中的金属的损失率η，则上式写成

（1-ψ）（1-η）（d_w/2）²πv=（4/3）π（D_m/2）³f_tr

设药芯焊丝填充率ψ≈15%，焊接过程中的金属的损失率η≈10%，焊丝直径为φ1.2mm，化简后的表达式为：

v=0.36D³_mf_tr（dm/min）

由以上公式推算出当过渡频率f_tr≈40～45s^-1、熔滴直径D_m≈φ1.5～φ1.9mm时，送丝速度v≈55～98dm/min。熔滴直径、过渡频率、送丝速度之间关系的计算数据见表5-5，作为表面张力过渡形成条件的参考，例如熔滴直径为1.7mm，熔滴过渡频率为45s^-1，则送丝速度应为80.0dm/min。

为了保证形成表面张力过渡，要求电弧长度小于熔滴直径，如熔滴平均直径为φ1.9mm，那么电弧长度不应大于1.9mm，而电压的设置是保证得到合适的弧长、实现表面张力过渡的重要条件。由于熔滴在焊丝端部受着排斥力的作用，熔滴往往偏离焊丝的轴线，使得弧长增大，考虑熔滴偏斜这一因素，设置的电压显然要更低一些。

表5-5 表面张力过渡时熔滴直径、过渡频率、送丝速度之间关系的计算值