熔滴过渡的影响因素分析及应用

摘 要：熔化极气体保护焊的三种熔滴过渡形式很重要也很抽象。在电弧燃烧的状态下，通过技术手段去观察熔滴的过渡状态，对企业来讲很困难，也实在没有必要这样做。但通过每种过渡形式外在的表现特征，分析它的影响因素，掌握它的自身特点和规律，最终达到能够熟练的控制和利用它才是最主要的。

关键词：熔滴过渡形式；短路过渡；颗粒过渡；射流过渡；焊丝伸出长度

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.003

在公司进行ASME认证的时候，因为无法很好的解释颗粒过渡和短路过渡的差异，必维的指导老师要我将已采用的熔化极气体保护焊（GMAW）改成焊条电弧焊（SMAW）。原因是两种熔滴过渡形式覆盖的厚度范围不一样，解释两者的不同成了熔化极气体保护焊绕不开的问题。最终的结果是我没有改焊接方法，公司也顺利通过了ASME认证，这件事促使我对熔滴过渡形式作了一些研究。

1 熔滴过渡形式的分类

对于熔化极气体保护焊来讲，熔滴从焊丝端转移到熔池有三种不同形式：短路过渡、颗粒过渡、射流过渡。

2 不同熔滴过渡形式的外在表现特征

对于不同的熔滴过渡形式在定义上的差异叫做内在的差异。这种内在的差异，因为熔滴过渡频率高、熔滴过渡频率高及高温和飞溅等恶劣的条件，如果不借助一定的科技手段（如高频摄像仪等），很难通过我们的肉眼观察清晰。但不同过渡形式之间外在的表现差异却有显著的不同。当熔滴呈短路过渡时，表现为：（1）电弧长度极短，此为短路过渡的前提，因为只有电弧够短，熔滴在焊丝末端长大形成中才能与熔池表面接触构成短路，电磁力将熔滴切断，完成短路过渡；（2）飞溅颗粒很细小，飞离电弧区后由于快速降温即从红热状态下消失，且飞溅明显减少；（3）熔池很窄，熔深浅；（4）采用实芯焊丝施焊，焊道表面很光亮、平整、美观；（5）从声音上，短路过渡听起来富有颗粒感，声音细而清脆。

如果将电压逐渐增大，电弧随之逐渐被拉长，熔滴过渡形式会从短路过渡向颗粒过渡转变。此时其外在表现特点为：飞溅和噪音明显增大，飞溅颗粒粗大，在红热状态下飞离远；焊后贴附在焊缝表面的熔渣增多，像二氧化碳气体保护焊焊缝表面会变得粗糙，颜色不再光亮而是发乌。

射流过渡表现出的特征是：电弧燃烧极其稳定，没有飞溅，噪音很小，听起来好像是耳边的风声，电弧具有很高的能量集中，对熔池有很强的冲击能力，焊件易烧穿。所以这种熔滴过渡形式适合于焊接较厚的抗过热能力强的焊件。

3 熔滴过渡形式的各种影响因素分析及应用

各种熔滴过渡形式之间的转变，很难找到一个参数上的临界值。这是因为其受到诸多因素的影响所致，并且影响因素相互之间都是相对的，往往是某一因素的变动，都会牵扯到其他因素的变动，才能完成从一种熔滴过渡到另一种熔滴过渡的转变。这些影响因素概括为：（1）保护气体种类；（2）焊丝伸出长度及焊丝规格、种类；（3）焊接参数；（4）设备工况的不同（受设备的容量及老化程度的影响，此影响因素不再讨论）。以下分别讨论各因素对熔滴过渡的影响作用：

3.1 保护气体

（1）CO2气体 采用CO2保护气时，难以形成熔滴的射流过渡，原因是CO2对电弧有很强的冷却作用。CO2从保护气罩中喷出，流经电弧区，特别是与弧柱区接触的CO2气体分子受到高能量的作用而吸热分解：，这一分解过程由于吸热使电弧受到强烈的冷却而被压缩，能量会变得更集中。在这个被进一步压缩的弧柱区的空间里，焊丝端部要进入弧柱区的熔滴受阻而变得拥挤，难以呈雾化的状态通过，最终形成较大的熔滴，形成典型的颗粒过渡。在此过程中，熔滴受到O原子等氧化性气体的强烈氧化，同时熔滴内部的脱氧剂也进行着剧烈的还原反应，部分熔滴在所难免的会形成熔滴爆破；熔滴还受到电磁力的作用，其方向是环绕电弧圆周指向弧柱中心，会使部分有相互接触的熔滴发生熔滴爆断；加之电弧吹力对熔滴的加速形成对熔池的冲击等因素，这些都造成颗粒过渡状态下的二氧化碳气体保护焊飞溅比较大。

当CO2分子在弧柱区分解形成的CO和O带着高能量运动到熔池附近时，此时由于阴极区温度的急剧降低，难以再提供维系CO和O继续存在的高能量，此时产生了二氧化碳分解的逆反应：，该逆反应是放热反应，CO和O将本身所蕴含的高能量又重新释放了出来，这部分能量对阴极区的熔池和母材的表面起到了加热的作用。这使得二氧化碳气体保护焊具有熔透能力强熔深大的特点。

（2）氦气（He）氦气对电弧也有强烈的冷却作用，但产生的原理与CO2不同。氦气是惰性气体，是单原子分子，在电弧的高温环境中，不发生化学反应，但它有很强的导热能力，这一点不同于二氧化碳。氦气这种强烈的对电弧的冷却作用也同样使熔滴难以形成稳定的射流过渡，并且它能更强烈的把热量从弧柱区转移到阴极区，形成对母材显著的加热作用，使电弧的熔合能力显著增强。这就是为什么在焊接纯铜时，采用He气保护的MIG焊可以采用不预热或较低预热温度的原因。所以采用上述的CO2和He芍制体保护的焊接，熔滴过渡只有短路过渡和颗粒过渡两种形式，不会出现射流过渡。

（3）氩气（Ar） 当熔化极气体保护焊采用氩气或氩气中加入不大于10%的二氧化碳气体时，在一定的焊接参数（电流、电压、焊丝伸出长度）下，能够形成稳定的射流过渡。此时电弧具有很高的能量和很强的冲击能力，所以适合于焊接较厚的抗过热能力强的焊件。这在铜的焊接中得到很好的应用，但在操作中要注意避免咬边。在纯铜的焊接中，当采用射流过渡时，由于液态铜的高流动性，在电弧的高能量冲击下，如操作不当，熔池边沿就会由于缺肉而形成咬边。

3.2 焊丝

（1）焊丝伸出长度 对熔化极气体保护焊来说这是一个重要的焊接要素。焊丝伸出长度是焊丝伸出导电嘴到形成电弧的焊丝端部的长度，一般要求在10～15倍的焊丝直径范围内。焊丝伸出长度对熔滴过渡影响非常大。焊丝端部从导电嘴伸出后便成为一段消耗电能的导体而与电弧串联。焊接中，如果忽略不计电源引出的电缆线及与工件连接触点等处的能量消耗，电源输出的总能量（W总），应该遵循欧姆定律分配给电弧（I2R弧）和焊丝伸出长度（I2R丝）：

，从上式可以看出，在电源输出的总能量（W总）不变的情况下，由于焊丝伸出长度的增加而电阻增大，消耗在焊丝伸出端的能量也会随着长度的增加而增加。而消耗在电弧的能量却随着伸出长度的增加而减少。当采用氩气保护，焊接参数为：电流240～260A，电压25～26V，焊丝伸出长度不长于20mm的条件下，熔滴过渡形式为稳定的射流过渡。随着焊丝伸出长度的增加，熔滴过渡形式会从射流过渡到颗粒过渡再到短路过渡逐渐转变。当焊丝伸出长度达到40mm以上时，熔滴呈短路过渡，但此时的电弧的熔化能力已经很弱，熔化的熔敷金属几乎是机械的堆砌在母材上，再加上电弧远离了保护气罩，保护效果变差，所以此时的焊接质量根本不能保证。可见焊丝伸出长度对焊接质量的影响非常大，在熔化极气体保护焊的工艺规程（WPS）中，必须规定出焊丝伸出长度的要求。

（2）焊丝直径 焊丝直径也是熔滴过渡形式的影响因素之一。当保护气体、焊丝种类、焊丝伸出长度、设备工况等因素一定的情况下，焊丝直径对熔滴过渡形式的影响是随着焊丝直径的减小，不同过渡形式之间的临界电流和电压值随之减小。焊丝直径越小，所能承载的焊接参数越小，越适合于短路过渡形式，效率低，适于对小而精细类的工件进行焊接。像φ0.8mm的焊丝，只用于短路过渡，并只适用于小型设备，如果采用顶推式送丝，焊枪把线不能太长，否则会由于送丝阻力大，焊丝刚性不足而容易打结，导致不能正常使用。

（3）药芯焊丝 如果熔化极气体保护焊是采用的药芯焊丝，其熔滴过渡形式除了要受上述因素的影响外，还要受到焊丝自身的药剂作用。举例简要说明，像E501T-1焊丝，由于其药剂中含有金红石，而金红石以氧化钛为主要成分，氧化钛对熔滴有细化作用，所以E501T-1焊丝的特点是熔滴以喷射过渡为主；而像E501T-5焊丝，其药剂以氧化钙-氟化物为主，由于该成分不具有对熔滴的细化作用，所以此类焊丝的特点是熔滴以粗颗粒过渡为主。由于药剂的成分繁多，其对熔滴过渡形式的影响在此只是点到为止。

3.3 焊接参数

单一的强调电压或单一的强调电流对熔滴过渡的影响是没有什么意义的，因为电流和电压必须在其它条件一定的情况下，合理匹配才能形成某种稳定的熔滴过渡形式。例如，当在短路过渡形式的状态下（如：电弧电压17～18V，电流100～120A），此时如果电弧电压不变，只增大电流来观察熔滴过渡的变化，你会发现在电流增加到一定程度，如大于160A时，焊丝端部会直接扎进熔池中，造成短路而使焊丝伸出端发生爆断，电弧根本就无法正常维系。所以电弧电压和电流必须匹配在合理的范围内，来谈熔滴过渡和送丝速度才有意义。一般送丝机上都有两个旋钮，一个是电弧电压，一个是送丝速度，这个送z速度实际上和焊接电流是关联的。在颗粒过渡或射流过渡的状态下，焊接电流值一般是电弧电压的7～10倍，调节范围要比电弧电压大得多，所以焊接电流是影响送丝速度的主要因素，而电弧电压却是影响送丝速度是否能有效维持电弧稳定的决定因素，二者相互依存，缺一不可。

综上所述，熔化极气体保护焊的各种熔滴过渡形式都是多种因素综合作用的结果。能够对其规律有一个客观的认识，最终能够掌握和运用它才是我们要达到的目的。

作者简介：梁修福（1972-），男，山东武城人，本科，工程师，主要研究方向：焊接、材料。