基于工程應用的CW-GMAW 熔滴過渡形態表征

孫咸

（太原理工大學焊接材料研究所，太原 030024）

0 前言

熔化極氣體保護焊(GMAW)工藝以其低成本和高生產率優勢，在涉及制造和金屬表面磨損零件修復的工業領域獲得了廣泛應用。為了進一步提高生產率，減少零件修復中的成本和耗費時間，進而開發了添加冷絲的熔化極氣體保護焊（Cold wire gas metal arc welding,CW-GMAW）工藝[1]。從附加焊頭送進的焊絲被熔池熔化增加了熔敷速率和熔敷量（焊縫尺寸），同時降低了熔池溫度，減小了熔深和熔合比（稀釋率），使該工藝具有焊接接頭性能改善及堆焊焊道質量提升等優點[2-3]。國內對該工藝的關注度比不上國外。國外相關文獻主要涉及工藝方法比較、焊接參數、焊縫幾何形狀、熱效率、殘余應力、接頭的組織性能等，亦不乏熔滴過渡形態方面的?？紤]到該工藝中新參數（如冷絲送進速率比R(%)、電極焊絲送進速率ν1等）對電弧穩定性比較敏感，必然會對熔滴過渡形態產生新的影響，繼續開展電參數新變量及其影響的研究，對于推進該工藝廣泛成功應用仍然是迫切的[1]。為此，論文從該工藝的工程應用入手，以國外近年發表的相關文獻試驗結果為分析對象，將焊接電參數與熔滴過渡形態相聯系，探討CWGMAW 中的電弧特性、熔滴過渡機理，以及熔滴過渡影響因素。該項工作對于進一步揭示CW-GMAW工藝熔滴過渡機理、改善焊接工藝質量，促進工程應用，以及研制焊絲新品種，具有一定參考價值和實用意義。

1 工程應用中的CW-GMAW 熔滴過渡形態

1.1 工程應用實例

圖1 和圖2 分別為CW-GMAW 工藝和整體結構示意圖。CW-GMAW 工藝所需設備類似于GMAW，但是為了給電弧中提供恒定的焊絲送進，增加了一個附加的焊頭和焊搶上的一個支撐卡。從附加焊頭送進的、非通電冷絲，被焊縫熔池中的熱量熔化，無需第二個電源，并提供了從GMAW 到CW-GMAW 的簡單轉換。

圖1 CW-GMAW 工藝示意圖[2]

圖2 CW-GMAW 工藝的整體結構[3]

表1[2,4-6]列出了4 個工程應用中的CW-GMAW工藝參數及項目要點。第1 例是CW-GMAW 工藝在ASTM A131 船舶結構鋼堆焊，涉及焊接殘余應力的應用。項目比較了CW-GMAW 工藝與傳統GMAW工藝焊接殘余應力的分布，驗證了CW-GMAW 工藝具有減少熱量，降低焊接殘余應力的優點。第2 例是CW-GMAW 工藝在ASTM A131 Gr.A 船舶結構鋼對接接頭焊接（45° V 形坡口），涉及接頭力學性能的應用。項目采用相同的焊接工藝參數，比較了與CWGMAW，DCW-GMAW（Double cold wire gas metal arc welding,DCW-GMAW）和GMAW 3 種工藝接頭的力學性能。結果顯示：CW-GMAW 和DCW-GMAW 工藝接頭的力學性能優于傳統GMAW 的。第3 例是CW-GMAW 工藝在汽車用薄板DP600 鋼搭接接頭焊接，涉及電弧穩定性、焊接變形、顯微組織和顯微硬度的應用。結果表明：傳統GMAW 工藝焊縫容易出氣孔和焊接變形更大，而CW-GMAW 工藝以其較低的焊縫稀釋率，以及電弧位置的差異克服了GMAW工藝的不足。第4 例是CW-GMAW 工藝在AISI 1 020碳素鋼上用2 種熱輸入規范堆焊鎳基高溫合金熔敷層的應用。結果表明：由于CW-GMAW 工藝焊縫對母材稀釋率的減少，增加了接頭部分熔合區的厚度和硬度值。相反，熱輸入的提高，焊縫稀釋率變大，且抵消了該工藝增加接頭部分熔合區的厚度和硬度值的上述優點。

表1 工程應用中的CW-GMAW 工藝參數及項目要點

表1 中案例所用的焊接工藝參數，體現了焊接方法和焊接材料高效、自動化特色及優良滿意的工藝性，從中亦可分析、判斷相應的電弧和熔滴過渡形態。多數實例采用25 V 以上的電弧電壓、200～250 A 焊接電流，以及富氬混合保護氣體時，熔滴的過渡形態可以判定為滴狀過渡。當采用大于25 V（甚至大于34 V）電弧電壓、300～350 A 焊接電流，以及富氬混合保護氣體時，熔滴的過渡形態可以判定為噴射過渡。唯有實例3，采用17 V 電弧電壓、105～115 A 焊接電流，以及富氬混合保護氣體時，可以判定為短路過渡形態。短路過渡時，會出現電弧瞬間熄滅現象，此時電弧形態屬于斷續、活動型。非短路過渡時，電弧是在電極焊絲端頭整個端面上產生的，并未出現電弧瞬間熄滅現象，此時的電弧形態屬于連續、活動型。CW-GMAW 工藝電弧的穩定性及熔滴過渡形態涉及電極焊絲送進速度和冷絲送進速率比R的影響，將在隨后討論。

1.2 焊接電參數與熔滴過渡形態的關系

與標準GMAW 工藝相比，CW-GMAW 工藝電參數與熔滴過渡的關系較為復雜。因為后者添加了一根非通電的冷絲，對電弧和熔滴過渡產生了一系列影響。具體來講，見表2[7]。①當電極焊絲送進速度ν1=7.87 m/min，冷絲送進速率比R=20%（電流I=270 A）時，熔滴直徑大于焊絲直徑，呈滴狀過渡形態（圖3(a)）；冷絲送進速率比R=80%（I=274 A）時，熔滴直徑小于焊絲直徑，呈噴射過渡形態（圖3(b)）；冷絲送進速率比R=140%（I=275 A）時，熔滴直徑小于焊絲直徑，雖然仍是噴射過渡形態，但時而發生短路電弧不穩（圖3(c)）。這是由于在ν1=7.87 m/min 時，隨R的逐漸提高（20%，80%，140%），作用在熔滴上的電磁力Fem也增大，陽極斑點面積增大，熔滴被細化所致；當R=80%（I=274 A）時，轉變為標準噴射過渡形態。而當R=140%（I=275 A）時，由于電弧能量不足以立即熔化更多的冷絲，部分冷絲從熔池中沖出，使電弧電壓降至10 V 以下，發生短路，電弧不穩，工藝變差。②當電極焊絲送進速度ν1=8.38 m/min，冷絲送進速率比R變化（20%，80%，140%），隨送進速率比R增大，焊接電流增大，熔滴被細化。當R=20%（I=279 A）時，呈滴狀過渡；當R=80%（I=283 A）時，呈噴射過渡；當R=140%（I=299 A）時，雖呈噴射過渡，但時有短路發生，電弧不穩。其參數與過渡形態關系的內在原因與1 號試驗大致相同。

表2 焊接電參數與CW-GMAW 熔滴過渡形態的關系[7]

圖3 電極焊絲送進速度v1 為7.87 m/min 時CW-GMAW 工藝的高速攝影圖像（試驗條件：電極焊絲送進速度v1 為7.87 m/min，電弧電壓為28 V，焊接速度為63.5 cm/min，焊絲伸出長度為17 mm）[7]

圖5 電極焊絲送進速度v1 為8.38 m/min 時CW-GMAW 工藝的高速攝影圖像（試驗條件：電極焊絲送進速度v1 為8.38 m/min，電弧電壓為29 V，焊接速度為63.5 cm/min，焊絲伸出長度為17 mm）[7]

圖6 電極焊絲送進速度v1 為8.38 m/min 時CW-GMAW 波形圖（試驗條件：電極焊絲送進速度v1 為8.38 m/min）[7]

可以看出，CW-GMAW 工藝轉變電流的控制比標準GMAW 工藝要復雜。標準GMAW 工藝轉變電流主要取決于電極焊絲送進速度ν1（焊接電流），而CW-GMAW 工藝轉變電流則主要取決于2 個參數，即電極焊絲送進速度ν1（焊接電流）和冷絲送進速率比R，以及其組合。采用相同工藝參數與標準GMAW工藝相比時，CW-GMAW 工藝的滴狀過渡到噴射過渡轉變電流的水平降低了4%～7%[7]。這是由于在CWGMAW 工藝中，冷絲在電弧中產生了較高的金屬蒸氣，電離度升高，電弧等離子體的電阻隨冷絲送進速率比R增大而降低，電流密度升高，熔滴上的電磁力Fem增大，對焊絲端頭的夾持作用力增大，焊絲端頭直徑變細，熔滴被細化所致。

2 CW-GMAW 中的電弧特性及其機理

不同冷絲送進速率比（R）時CW-GMAW 工藝電弧位置變化示意如圖7 所示[8]?？梢钥闯?，在該工藝中隨冷絲送進速率比R的提高，電弧的位置主要有3種狀態：第1 種，當R＜60%時，電弧處于工件的垂直位置，冷絲在電弧內部被熔化（圖7(a)）；第2 種，當R=60%～80%時，電弧偏向冷絲部分移動，此時電弧仍附著在工件上，但有部分電弧開始爬升到冷絲上（圖7(b)）；第3 種，當R≥100%時，電弧向冷絲發生較大的偏轉，完全固定在冷絲上（圖7(c)）。

圖7 不同冷絲送進時冷絲的電弧位置[8]

電弧軌跡的這種變化可以用2 種效應來解釋，即自由電子路徑和電弧吹力效應。自由電子路徑效應與較低電阻中電流流動有關（即電流通過電阻最小的路徑）。電弧吹力效應則是由橫向磁場的存在引起的。當R＜60%時，電弧的能量足以熔化送入電弧的冷絲，冷絲隨進隨熔，電弧穩定，不會發生偏移（圖7(a)）。當R=60%～80%時，隨冷絲送進速度的增高，電弧能量顯得不足以完全熔化所送進的冷絲；此時進入電弧未被及時熔化的部分冷絲上已經附著了電?。ㄒ呀泿щ姡?，考慮到冷絲在電弧中產生了較多的金屬蒸氣，電弧電阻被減小，依據“電流在導體中通過最容易的路徑”原理，電弧將偏向冷絲一側，發生了電弧的偏轉（圖7(b)）。當R≥100%時，電弧的能量更不足以完全熔化送入電弧的冷絲，進入電弧中的冷絲變長，依據“電流通過電阻最小路徑”原理，電弧以更大角度偏向冷絲一側（圖7(c)）。

圖8[9]為短路條件下作為焊絲送進函數的電弧偏轉。圖9[9]為隨著滴狀參數時的冷絲質量分數的增加，電弧逐漸向冷絲偏轉。圖10[9]說明了隨著噴射過渡條件時冷絲質量分數的增加，電弧逐漸固定到冷絲上。

圖8 在短路情況下，電弧爬升到冷焊絲上[9]

圖9 在滴狀過渡條件下，電弧偏轉到冷焊絲上[9]

圖10 在噴射過渡條件下，電弧偏轉到冷絲上[9]

綜上所述，由于向電弧中加入冷絲，CW-GMAW工藝電弧形態發生了下列變化：隨冷絲送進速率比增高，①電弧發生了位移，即從垂直于工件到逐漸附著在冷絲上，最終偏向冷絲；②電弧弧長由長變短；③當R達140%時，電弧甚至發生短路，破壞了連續性。電弧形態的上述變化，與冷絲送進速率比增高，以及冷絲在電弧中產生大量金屬蒸氣時弧柱電阻下降有關[7]。

3 CW-GMAW 熔滴過渡影響因素

3.1 保護氣體類型的影響

采用3 種保護氣體時CW-GMAW 與GMAW 工藝中熔滴過渡形態的對比分析見表3?？梢钥闯?，CWGMAW 與GMAW 工藝的熔滴過渡形態類型基本接近。具體來說，純CO2保護時，只可能形成短路過渡和非軸向排斥大滴狀過渡形態，不可能形成噴射過渡形態。這是由于CW-GMAW 工藝僅僅是GMAW工藝的變體，其工藝本質未發生大的改變。電弧中添加1 根不導電的冷絲后，對于噴射過渡形成3 要素（富氬混合保護氣體；電磁力作用方向向下；存在轉變電流[10]）仍無法滿足。純Ar 保護氣體時，主要有軸向滴狀和噴射過渡2 種過渡形態，但滴狀向噴射過渡的轉變電流可能比GMAW 低一些。富氬混合保護氣體時，主要的過渡形態為軸向滴狀和噴射過渡，亦可能有較少的短路過渡。后者（純Ar 和富氬混合氣體）的噴射過渡形態及轉變電流，是由于CWGMAW 工藝繼承了GMAW 工藝特性，隨冷絲送進速率比R的增加，電弧形態及位置發生向冷絲一側偏移，電弧弧長變短，弧柱電阻減小，電磁力Fem增大，熔滴細化所致。

表3 保護氣體類型與熔滴過渡形態間的關系

保護氣體類型對熔滴過渡的影響，CW-GMAW與GMAW 工藝基本接近。富氬混合保護氣體時，CWGMAW 工藝轉變電流IC比GMAW 降低了4%～7%，是由于弧柱電阻減小，電磁力Fem增大，熔滴細化所致。

3.2 焊絲涂層成分的影響

焊絲涂層成分對熔滴過渡形態影響見表4?？梢钥闯?，在GMAW 條件下，非鍍銅涂層焊絲熔滴過渡的轉變電流較低。這是因為非鍍銅涂層成分含有穩弧方面的活性元素，也含有導電方面的其他元素等，在電弧中能抑制CO2增多時，電流密度提高，電弧被壓縮，熔滴被排斥、易長大等不利影響，比較容易獲得噴射過渡，而且飛濺很小。即便有也是顆粒細小的飛濺占多數[11]。在CW-GMAW 條件下，鍍銅與非鍍銅涂層焊絲的熔滴過渡形態分別與GMAW 條件下的接近，即鍍銅涂層焊絲為大滴狀過渡，其轉變電流比GMAW 略低一點（IC＜275 A）；而非鍍銅涂層焊絲為細滴狀噴射過渡，其轉變電流比GMAW 略低一些（IC＜234 A）。這是CW-GMAW 工藝填加冷絲后，弧柱電阻減小，熔滴電磁力增大，熔滴細化的結果。

表4 涂層成分對熔滴過渡形態的影響（焊絲直徑?1.2 mm，焊接電流260 A，電弧電壓31 V）

3.3 工藝參數的影響

2 種焊接方法工藝參數對熔滴過渡形態影響的對比結果見表5。對于標準GMAW 工藝，電參數的影響如下：①焊絲直徑。焊絲直徑減小時轉變電流降低了。這是由于焊絲直徑小，電阻熱增大，則電流密度大，熔化焊絲所需的熱量減少，形成噴射過渡的轉變電流也隨之減小。②焊接電流。隨焊接電流提高，穩弧性改善，熔滴被細化，焊接電流等于或大于轉變電流時實現噴射過渡。這是由于隨電流增大，作用于熔滴的電磁力Fem增大，對焊絲端熔滴的夾持效應使焊絲端的直徑變細，表面張力減小，熔滴細化所致。③電弧電壓。隨著焊接電流增大，電弧電壓升高，這是GMAW 電源特性決定的。它不是影響熔滴過渡的獨立參數，卻是影響噴射過渡形成的必要參數。適當升高電弧電壓是匹配轉變電流所必需的。④焊絲伸出長度。焊絲伸出長度取決于過程穩定性和所需的熔滴過渡形態。隨焊絲伸出長度增長，轉變電流呈下降趨勢。這是由于隨焊絲伸出長度變長，電阻增大，電阻熱使焊絲的溫度升高，焊絲端熔滴易于形成并脫離焊絲，所需轉變電流減小。⑤焊接速度。對穩弧性、熔滴軸向性、熔滴尺寸、過渡頻率等影響不大；作為一個不可或缺的匹配參數，適當提高焊接速度是匹配轉變電流所必須的。⑥電源極性。由于直流正接法（DCEN）電弧不穩、熔滴粗、熔滴過渡頻率低、飛濺大、成形差等，不利轉變電流減低，所以工程應用中GMAW 總是采用直流反接法（DCEP）施焊。

表5 焊接工藝參數對熔滴過渡形態的影響（富氬混合氣保護，焊絲直徑?1.2 mm）

對于CW-GMAW 工藝，初步分析認為，焊接參數對熔滴過渡形態的影響規律與GMAW 工藝大致相近，但文獻[12]表明，在電源極性影響中與GMAW 的影響相悖，即直流正接（DCEN）電弧穩定性優于直流反接（DCEP）的。這是由于冷絲送進可以抑制DCEN 焊接中電弧爬升引起的熔滴排斥不穩定所致。同時也注意到，在焊接電參數影響方面更為復雜。因為涉及該工藝中的新參數冷絲送進速率比R，連同電極焊絲送進速度ν1，以及它們的匹配等對熔滴過渡形態的影響。

總體上看，焊接參數中影響最明顯的是焊接電流、電弧電壓和電源極性（關于保護氣體類型的影響已經在上文（表3）中討論過）。然而，所有參數間的正確匹配亦是不可或缺的。一旦匹配失當，其影響規律就會變異，將嚴重影響焊接工藝及焊縫質量穩定性。關于CW-GMAW 工藝帶來新參數（例如冷絲送進速率比R，電極焊絲送進速度ν1，以及它們的匹配等）對電弧行為及熔滴過渡形態的影響，尚需進一步研究。

4 結論

（1）在大電流、強規范、富氬混合氣體保護下，CWGMAW 工藝的熔滴過渡形態呈噴射過渡；當電流較小、電弧電壓較低時，可能為滴狀過渡，甚至在弧壓很低時呈現短路過渡形態。

（2）CW-GMAW 工藝電弧發生偏向冷絲的位移，弧長變短甚至發生短路，與冷絲送進速率比增高，以及冷絲在電弧中產生大量金屬蒸氣時弧柱電阻下降有關。

（3）保護氣體類型對CW-GMAW 與GMAW 工藝熔滴過渡的影響基本接近，相同工藝參數下富氬混合保護氣體時，前者轉變電流比后者降低了4%～7%。

（4）焊絲涂層成分對CW-GMAW 與GMAW 工藝熔滴過渡的影響基本接近，但前者轉變電流比后者略低一些。

（5）焊接參數對CW-GMAW 和GMAW 工藝熔滴過渡形態的影響規律大致相近，但前者因涉及冷絲送進速率比R和電極焊絲送進速度ν1，以及它們的匹配等，使焊接電流的影響更為復雜。