金属粉芯焊丝CO2气体保护焊电弧物理特性分析

下面用金属粉芯焊丝进行CO₂气体保护焊试验，试验材料选取合伯特兄弟公司生产的牌号为MT80N1的金属粉芯焊丝，焊丝直径为φ1.2mm，试验的焊接参数设置为23V/190A、24.5V/190A、25V210、27V/240、30V/315、32V/332A、34V/329A、38.5V/339A、38.5V/373A、38.5V/410A，采用ZB-500型CO₂气体保护焊机，电源极性为直流反接，利用携带焊枪的自动行走小车进行CO₂气体保护焊自动焊接，试件用内径113mm、壁厚12mm、长450mm的碳钢管，采用拍摄速度2000f/s和1200f/s的高速摄影获取熔滴行为的可视化信息，用汉诺威分析仪获取电弧物理特性数据化信息，测试采样时间为10s。

1.无渣型金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊时的电弧物理特性

（1）无渣型金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊时电弧物理特性数字化信息的获取 合伯特兄弟公司生产的MT80N1金属粉芯焊丝适用于富氩气体保护焊，并不适合CO₂气体保护焊，为了增强对金属粉芯焊丝电弧物理特性的认识，特别安排该焊丝在CO₂气体保护条件下采用汉诺威分析仪进行测试分析。

在上述焊接参数下对MT80N1焊丝进行CO₂气体保护焊试验，得到的不同焊接参数下电弧电压、焊接电流波形图（截取其中的1s）如图8-1所示（只选取了其中的七幅）。

由图8-1可以看出，MT80N1焊丝进行CO₂气体保护焊时，当采用电弧电压为22～25V、焊接电流为180～210A的较小焊接参数焊接时（图8-1a～c），未出现密集均匀短路，表明焊接过程不稳定；当采用26～30V、240～330A较大电流焊接时，在波形图上（图8-1d、e）看到熔滴只发生偶然短路；而当采用更大的焊接参数时（32～35V、330～340A），则完全不发生短路，波形逐渐趋于平稳（图8-1f、g）。

图8-1 MT80N1金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊电弧电压、焊接电流波形图

a）13#—22.14V/183.22A b）01#—23.28V/194.90A c）02#—24.81V/212.95A

图8-1 MT80N1金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊电弧电压、焊接电流波形图（续）

d）03#—26.65V/238.10A e）05#—30.15V/332.13A f）06#—32.19V/328.25A g）14#—34.58V/338.67A

图8-2、图8-3是由汉诺威分析仪测试的上述各参数下电弧电压、焊接电流概率密度分布叠加图。由图8-2看出：电压概率密度分布曲线13#、01#、02#、03#、05#都存在着小驼峰曲线，说明在相应的焊接参数下还有短路发生，由图8-1a～e对应的波形可以清楚地看到这一点；13#、01#的曲线最分散，对应的焊接参数为22.14V/183.22A和23.28V/194.90A，小驼峰处于最高的位置，而同时又有高电压的概率密度分布，说明焊接过程中发生的短路概率最大；06#、14#的曲线都没有小驼峰，说明在所对应的焊接参数下焊接时不出现短路。

由图8-3看到05#、06#和14#曲线分布得很集中，说明在相应的大焊接参数时不发生短路，其余各参数下由于都存在短路，曲线都相当分散。

图8-2 MT80N1金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊不同焊接参数下电弧电压概率密度分布叠加图

13#—22.14V/183.22A 01#—23.28V/194.90A02#—24.81A/212.95 03#—28.65V/238.10A 05#—30.15V/332.13A 06#—32.19V/328.25A 14#—34.58V/338.67A

（本图的彩色图见附录F中图F-1a）

图8-3 MT80N1金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊不同焊接参数下焊接电流概率密度分布叠加图

13—22.14V/183.22A 01—23.28V/194.90A 02—24.81A/212.95 03—28.65V/238.10A 05—30.15V/332.13A 06—32.19V/328.25A 14—34.58V/338.67

（本图的彩色图见附录F中图F-1b）

根据对钛系药芯焊丝的研究，对于φ1.2mm焊丝，当采用电流超过320A的大焊接参数时（05#—30.15V/332.13A、06#—32.19V/328.25A、14#—34.58V/338.67），波形逐渐趋于平稳，短路电压概率趋于零，焊接电流的概率密度分布十分集中，基本上可以实现细熔滴过渡。那么MT80N1金属粉芯焊丝在相应的焊接参数下是否能形成细熔滴过渡，这还需要通过高速摄影进行观察分析来判断。

（2）无渣型金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊时电弧物理特性可视化信息的获取 采用高速摄影对熔滴行为进行观察与测试，得到如图8-4、图8-5所示的熔滴行为照片和如图8-6、图8-7所示的发生熔滴和熔池飞溅的照片，采用的焊接参数为：预置电压38.5V，送丝速度165dm/min和175dm/min，实际电流为340.33A和410.88A，焊接速度为34dm/min，气体流量20L/min，焊丝伸出长度为25mm。观察高速摄影照片发现，在这样的大电流条件下，熔滴和电弧的活动十分激烈，很难看到熔滴平稳过渡的画面，焊接过程十分不稳定，飞溅很大，单纯从趋于一条直线的波形上看，无论如何也想象不出熔滴进行了如此激烈的活动。

图8-4 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊高速摄影照片（一）

焊丝样品：MT80N1焊丝，φ1.2mm；焊接参数：38.5V/340A；拍摄速度：2000f/s。

图8-5 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊高速摄影照片（二）

焊丝样品：MT80N1焊丝，φ1.2mm；焊接参数：38.5V/410A；拍摄速度：2000f/s。

图8-6 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊发生熔滴飞溅的高速摄影照片

焊丝样品：MT80N1焊丝，φ1.2mm；焊接参数：38.5V/410A；拍摄速度：2000f/s。

图8-7 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊发生熔池飞溅的高速摄影照片

焊丝样品：MT80N1焊丝，φ1.2mm；焊接参数：38.5V/410A；拍摄速度：2000f/s。

显然MT80N1焊丝在CO₂气体保护焊的条件下，即使电流增大到400A，也不能形成细颗粒过渡，与在同参数下熔渣型药芯焊丝CO₂气体保护焊的良好工艺性的情况截然不同。由高速摄影统计的两个参数下熔滴过渡频率分别为44.8s^-1和64.8s^-1，飞溅频率分别达到38.7s^-1和57.8s^-1，飞溅十分猛烈，尤其是在38.5V/410A条件下，可以看到几乎每一次熔滴的过渡均发生熔滴或熔池的飞溅。由以上的试验可以得到这样的结论：MT80N1金属粉芯焊丝在CO₂气体保护焊时无论是在低焊接参数下，还是在大的焊接参数下，都不能获得稳定的焊接过程。

2.造渣型金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊的试验

为了使金属粉芯焊丝能适用于CO₂气体保护焊，在金属粉芯中加入一定量的造渣成分，形成造渣型金属粉芯焊丝。下面介绍SQC-01造渣型金属粉药芯焊丝样品CO₂气体保护焊时在不同焊接参数下对熔滴行为进行观察和测试的结果，试验条件与MT80N1金属粉芯焊丝相同。试验表明，当焊接参数为21V/60dm/min时，高速摄影清楚地显示，SQC-01焊丝样品熔滴过渡形态为粗大熔滴的排斥过渡，熔滴活动十分激烈，其电弧过程非常不稳定，在这一参数下每当熔滴长大与熔池接触时，由于送丝速度过慢，熔滴在熔池表面来不及铺展，就发生瞬时短路电爆炸飞溅，严重影响焊接工艺性。从图8-8a中看到的是瞬时短路电爆炸飞溅，在第5～9帧照片熔滴与熔池短路，短路时间大约4.2ms，接着第11～17帧照片发生了爆炸。从图8-8b看出，在第3～9帧照片发生短路，接着发生了爆炸，电爆炸过程相当猛烈，造成严重的飞溅，短路时间大约5.8ms，显然属于持续性的短路电爆炸飞溅。如此猛烈的电爆炸飞溅说明该焊丝在这一参数下的CO₂气体保护焊是不稳定的。由高速摄影统计的这一样品的熔滴过渡频率约为16.30s^-1。

图8-8 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊小参数时排斥过渡发生短路电爆炸飞溅的高速摄影照片

a）瞬时短路电爆炸飞溅 b）持续性短路电爆炸飞溅

焊丝样品：SQC-01造渣型金属粉芯焊丝，φ1.2mm；焊接参数：21V/60dm/min；拍摄速度：1200f/s。

当焊接参数增大至26V/90dm/min时，熔滴仍然保持着排斥过渡，但熔滴尺寸有所减小，过渡频率增大，超过20s^-1，焊接过程趋于稳定。图8-9所示为26V/90dm/min焊接参数下的熔滴行为特征，可以看出熔滴依然比较粗大，过渡形态仍为排斥过渡，在图中第33～45帧照片看到熔滴的整体从焊丝端部脱离过渡到熔池，过渡时没有与熔池发生短路，通过波形图判断熔滴过渡时大都不与熔池发生短路，显然发生短路电爆炸飞溅的概率大幅度减小了，与前者21V/60dm/min焊接参数时经常发生电爆炸飞溅的情况完全不同。

当焊接参数进一步增大到29V/120dm/min时（图8-10），熔滴进一步得到细化，过渡频率也进一步增大，统计的熔滴过渡频率超过50s^-1，熔滴过渡形态向细熔滴过渡转变，此时已看不到熔滴自身爆炸引起的飞溅现象，飞溅大多发生在熔池。

图8-9 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊小参数时排斥过渡的高速摄影照片

焊丝样品：SQC-01造渣型金属粉芯焊丝，φ1.2mm；焊接参数：26V/90dm/min；拍摄速度：1200f/s。

图8-10 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊较大参数时熔滴过渡的高速摄影照片

焊丝样品：SQC-01造渣型金属粉芯焊丝，φ1.2mm；焊接参数：29V/120dm/min；保护气体：100%CO₂；拍摄速度：1200f/s。

再进一步增大焊接参数至32V/150dm/min时，如图8-11所示，熔滴尺寸进一步变小，过渡频率进一步增大，接近60s^-1，但是发现飞溅现象有增大的趋势，如图8-12所示，飞溅物相当细小，飞溅过程被烟雾笼罩，这种飞溅的频繁发生使得焊接过程的稳定性得不到明显改善。

图8-11 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊大参数时熔滴过渡的高速摄影照片

焊丝样品：SQC-01造渣型金属粉芯焊丝，φ1.2mm；焊接参数：32V/150dm/min；拍摄速度：1200f/s。

图8-12 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊大参数时飞溅现象的高速摄影照片

焊丝样品：SQC-01造渣型金属粉芯焊丝，φ1.2mm；焊接参数：32V/150dm/min；拍摄速度：1200f/s。

当焊接参数继续增大到36V/200dm/min时，熔滴过渡频率超过60s^-1，实现细熔滴过渡（图8-13），飞溅明显减小，电弧稳定，应该说这是焊接过程较为理想的状态。

图8-13 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊大参数时实现细熔滴过渡的高速摄影照片

焊丝样品：SQC-01造渣型金属粉芯焊丝，φ1.2mm；焊接参数：36V/200dm/min；拍摄速度：1200f/s。

现再举另外两个适用于CO₂气体保护焊的造渣型金属粉芯焊丝的例子，试验焊丝样品名称为HSQC-01和HTEC-01。从如图8-14所示的电弧电压和焊接电流波形可以看出，在不大的焊接参数下，两种焊丝都具有典型的短路过渡特征，熔滴进行短路过渡，可以基本保证焊接过程的稳定。分析两种焊丝电弧物理特性参数的测试结果（表8-1），再对比一下图8-14所示的波形，以及图8-15、图8-16所示的电弧电压、焊接电流概率密度分布图和图8-17所示的短路频率分布图，可以看出两种焊丝样品的电弧物理特性是有区别的。由波形图看到HTEC-01焊丝短路比较密集；从图8-17短路频率分布图看出，HTEC-01焊丝短路频率分布比HSQC-01焊丝向左集中，HTEC-01焊丝短路时间大于1ms的短路频率f_sc=37.3s^-1比HSQC-01高得多，周期时间T_c=28.72ms，也比较短，周期变异系数ν（T_c）=43.40%，也比HSQC-01低一些。以上的试验结果表明HTEC-01焊丝焊接过程的稳定性好于HSQC-01焊丝。

这一试验说明，可用于CO₂气体保护焊的金属粉芯焊丝与普通熔渣型的药芯焊丝CO₂气体保护焊一样可以采用短路周期变异系数ν（T_c）为判据对金属粉芯焊丝进行工艺性评价。

图8-14 金属粉焊丝CO₂气体保护焊电弧电压和焊接电流波形图

a）HSQC-01金属粉芯焊丝φ1.2mm b）HTEC-01金属粉芯焊丝，φ1.2mm

表8-1 两种焊丝样品电弧物理特性参数的测试结果

注：分析仪参数设置：短路时间组宽ΔT₁=100μs，短路周期组宽ΔT_c=500μs，最小短路时间T_1min=1000μs，阈值电压U_th=15V。

3.CO₂气体保护焊金属粉芯焊丝熔化特点

与熔渣型的药芯焊丝有所不同，在CO₂气体保护焊条件下金属粉芯焊丝的熔化、熔滴过渡和电弧行为有其自身的特点。熔渣型的药芯焊丝在排斥过渡时熔滴的形成、长大和过渡往往偏向焊丝的一侧，处在熔滴的底部的电弧也因此而偏离焊丝轴心线运动，药芯中的造渣成分形成的渣柱处于焊芯的中心线，与熔滴基本不融合，并且单独向熔池过渡，这是药芯焊丝CO₂气体保护焊时排斥过渡的典型特征。而在CO₂气体保护焊条件下的MT80N1金属粉芯焊丝则完全看不到这样的情景。图8-18是MT80N1金属粉芯焊丝的熔化、熔滴过渡和电弧行为的高速摄影照片，从第1帧照片看出，电弧在焊丝端部熔滴下面燃烧着，由于钢皮的导电性好，弧根往往处于钢皮上，使钢皮的熔化速度超前于粉芯，于是粉芯形成的金属柱便暴露出来，且随着钢皮的熔化不断伸长，由于粉芯形成的金属柱具有导电性，因此电弧就可能由钢皮上转移到金属柱的底部燃烧（第2帧照片），电弧对粉芯的直接加热使粉芯金属柱迅速熔化变短（第3、4帧照片），并与上面的钢皮形成的熔滴合并形成较大的熔滴（第5帧照片），之后过渡到熔池（第6帧照片）。

图8-15 金属粉焊丝CO₂气体保护焊电压概率密度分布图

图8-16 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊焊接电流概率密度分布图

图8-17 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊短路频率分布图

图8-18 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊熔滴和电弧行为的高速摄影照片

焊丝样品：MT80N1焊丝，φ1.2mm；焊接参数：38.5V/410A；拍摄速度：2000f/s。

图8-19描述了金属粉芯焊丝焊接时同样的熔化特征，在第4帧照片看出，由于钢皮熔化得更快，使金属粉芯从焊芯端头伸出，钢皮形成的熔滴处在药芯柱的上部，电弧转移到药芯柱底部燃烧（第5帧照片），对药芯形成的金属柱进行加热，使其熔化，形成的液态金属流入熔池，金属柱自身逐渐缩短（第6、7帧照片），而此时电弧对钢皮的直接加热暂时停止，停留在焊丝端上部的熔滴也暂时不再长大，在钢皮上形成的熔滴随着焊丝的送进逐渐下移，当金属粉芯形成的金属柱完全被熔掉时，熔滴已下降至焊丝的底部（第8帧照片），之后熔滴进行了过渡（第9帧照片），接着又重复下一个过程。上述钢皮与药芯交替熔化的情况周而复始地出现，成为金属粉芯焊丝在大电流CO₂气体保护焊时的特征之一，这一特征随着焊接电流的增大而越发明显，交替熔化的现象造成电弧长度周期性改变，对焊接过程的稳定性有不利的影响。而在中、小电流焊接时，这种熔化特点不会明显地表现出来，因为电流较小时，钢皮的熔化速度减慢，钢皮上形成的过热熔滴对粉芯的热传导较为充分，加速了粉芯的熔化，使得钢皮超前熔化的程度减小，导致钢皮与金属粉芯的熔化趋于同步。

图8-19 金属粉芯焊丝CO₂气体保护焊熔滴和电弧行为的高速摄影照片

焊丝样品：MT80N1焊丝，φ1.2mm；焊接参数：38.5V/410A；拍摄速度：2000f/s。