純CO2保護(hù)氣的GMAW熔滴噴射過渡研究進(jìn)展

孫咸

太原理工大學(xué)焊接材料研究所 山西太原 030024

1 序言

雖然說C O2氣體保護(hù)焊存在飛濺大、氣孔敏感、氧化性強(qiáng)等缺點(diǎn)，但多年來該工藝在普通鋼結(jié)構(gòu)制作中獲得了廣泛應(yīng)用，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，其主要原因是該工藝方法操作簡(jiǎn)便、CO2氣體容易獲得、價(jià)格便宜。CO2氣體保護(hù)焊工藝的應(yīng)用，主要采用熔滴短路過渡形態(tài)，滴狀過渡形態(tài)用的較少，噴射過渡沒有應(yīng)用。有關(guān)純CO2氣體保護(hù)焊文獻(xiàn)數(shù)量頗豐，大多涉及短路過渡形態(tài)及其應(yīng)用，很難發(fā)現(xiàn)談及非短路過渡的，更不用說探討噴射過渡的文獻(xiàn)了。

數(shù)十年以來，專業(yè)研究人員在控制CO2氣體保護(hù)焊飛濺方面取得了許多進(jìn)展，但在具有高熔敷速率的純CO2氣體保護(hù)焊噴射過渡研究方面文獻(xiàn)罕見。另一方面，CO2氣體保護(hù)焊實(shí)現(xiàn)噴射過渡，不僅是焊接工藝方法的重大突破和進(jìn)展，而且具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。為此，本文特意將純CO2氣體保護(hù)焊噴射過渡形態(tài)與CO2氣體保護(hù)焊熔滴過渡特點(diǎn)及對(duì)工藝質(zhì)量的影響相聯(lián)系，探討GMAW噴射過渡形成條件，分析純CO2氣體保護(hù)焊噴射過渡形成要素及可能途徑，并介紹純CO2氣體保護(hù)焊實(shí)現(xiàn)噴射過渡的突破性研究動(dòng)態(tài)。該項(xiàng)研究對(duì)CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)一步推廣應(yīng)用、CO2氣體保護(hù)條件下噴射過渡新工藝的創(chuàng)新研發(fā)，具有一定參考價(jià)值和理論意義。

2 CO2氣體保護(hù)焊熔滴過渡特點(diǎn)及常用熔滴過渡形態(tài)的工藝質(zhì)量

2.1 CO2氣體保護(hù)焊熔滴過渡特點(diǎn)

在純CO2氣體保護(hù)焊中，當(dāng)弧長(zhǎng)比較長(zhǎng)時(shí)，電弧在熔滴下方呈現(xiàn)連續(xù)、活動(dòng)、集中型（見圖1）。也就是電弧斑點(diǎn)面積比較小，而且隨焊絲端熔滴急速擺動(dòng)而飄移不定，電弧不穩(wěn)定[1]。這是由CO2氣體在電弧中的理化特性決定的。由于CO2高溫分解吸熱，對(duì)電弧產(chǎn)生冷卻作用，造成電弧和斑點(diǎn)面積收縮（熱收縮效應(yīng)），電流密度提高，電場(chǎng)強(qiáng)度也提高。

圖1 CO2氣體保護(hù)焊的電弧及熔滴形態(tài)示意（弧長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)）

當(dāng)弧長(zhǎng)比較短時(shí)，熔滴長(zhǎng)大到一定程度就被迫與熔池金屬短路。但即使在即將過渡、尚未滅弧，或者短路后再引燃期間，熔滴下方的電弧仍呈現(xiàn)為斷續(xù)、活動(dòng)、集中型。此時(shí)，熔滴的非軸向性傾向略有弱化，因?yàn)殡娀≥^短，電弧電壓較低，熔滴活動(dòng)的空間和時(shí)間受到限制，熔滴很快就與液態(tài)熔池接觸，如圖3所示。熔滴的短路過渡是熔滴的向下表面張力（與熔池金屬熔合后）克服向上的表面張力的結(jié)果。因此，該種熔滴過渡的主導(dǎo)力應(yīng)當(dāng)是熔滴的下表面張力。短路過渡中的焊接飛濺也是比較明顯的（見圖2b第4幀）。主要由于短路瞬間短路電流增長(zhǎng)速度過快或過慢引起的。同樣由于熔滴粗大，過渡頻率低，以及CO2的冷卻作用，焊縫成形波紋較粗且余高較大。短路過渡的氣孔敏感性亦不可小覷。

圖3 CO2氣體保護(hù)焊短路過渡的電弧及熔滴形態(tài)示意

圖4 在約150A電流下使用φ1.2mm實(shí)芯焊絲時(shí)，短路的頻率與電弧電壓的關(guān)系

圖4 是實(shí)芯焊絲短路過渡頻率與電弧電壓關(guān)系實(shí)測(cè)結(jié)果[2]。可以看出，隨電弧電壓增大，短路次數(shù)曲線先升后降，在20V電弧電壓附近出現(xiàn)峰值。從焊接飛濺情況看，隨電弧電壓提高（15～20V），過渡頻率曲線上升，飛濺減小；電弧電壓到達(dá)20V時(shí)，過渡頻率最高，飛濺最小；繼續(xù)提高電弧電壓（20～30V），過渡頻率反而下降，飛濺增大。這是因?yàn)殡S著電弧電壓在一定范圍適度提高，電弧較穩(wěn)定，熔滴尚未長(zhǎng)太大之前，就發(fā)生短路，過渡頻率提高，此時(shí)無(wú)論是熔滴還是熔池中的冶金反應(yīng)不太劇烈，焊接飛濺減小。電弧電壓20V時(shí)過渡頻率最大，熔滴相對(duì)最小，電弧最穩(wěn)定，飛濺最小。電弧電壓繼續(xù)提高時(shí)，熔滴非軸向長(zhǎng)大，電弧不穩(wěn)，熔滴或熔池冶金反應(yīng)劇烈，焊接飛濺增大。熔滴過渡頻率的先升后降趨勢(shì)是由電源特性決定的。

總體上看，純CO2氣體保護(hù)焊熔滴過渡具有三大特點(diǎn)：①弧根面積小，電弧集中。②大熔滴非軸向排斥過渡。③氧化性電弧，焊接飛濺大。

2.2 CO2氣體保護(hù)焊常用熔滴過渡形態(tài)及其工藝質(zhì)量

熔滴過渡形態(tài)決定工藝質(zhì)量。工藝質(zhì)量的主要指標(biāo)包括：焊接飛濺、焊縫成形、氣孔傾向、全位置焊接適應(yīng)性，以及接頭的力學(xué)性能等。純CO2氣體保護(hù)焊常用熔滴過渡形態(tài)有兩種：短路過渡形態(tài)和滴狀過渡形態(tài)。從表1可以看出，短路過渡因其低熱輸入，適于全位置和薄、厚板焊接的優(yōu)勢(shì)，獲得廣泛應(yīng)用。不足之處是焊絲的熔敷速率相對(duì)較低、厚板焊接可能產(chǎn)生未熔合，以及焊接飛濺較大等問題。滴狀過渡形態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是：電流大、焊絲粗、熔化速率高，適于厚板焊接。但全位置焊接工藝性相對(duì)較差，僅適于平焊或平角焊接，且飛濺大、氣孔敏感，工程應(yīng)用受限。滴狀過渡形態(tài)的焊接電流范圍為200～500A，對(duì)于直徑1.0～1.6mm或更粗一點(diǎn)的焊絲，隨焊接電流增大，熔滴尺寸未被細(xì)化，且工藝明顯變差。并且電弧的氧化性及大熔滴非軸向排斥過渡特點(diǎn)難以改變。因此，有多篇文獻(xiàn)明確指出，純CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，隨焊接電流增大，沒有轉(zhuǎn)變電流出現(xiàn)，難以實(shí)現(xiàn)噴射過渡形態(tài)[3-4]。

3 GMAW中熔滴噴射過渡形態(tài)形成條件

當(dāng)電弧中充滿富Ar混合氣體時(shí)，等離子弧柱體積擴(kuò)大，保證熔滴過渡的軸向性。而少量的活性氣體O2或CO2混入電弧，增加了電弧的氧化性，可降低熔滴表面張力。當(dāng)焊接電流達(dá)到或超過轉(zhuǎn)變電流時(shí)，焊絲中高的電流密度使熔滴溫度升得很高，表面張力降低。與此同時(shí)，作用在熔滴上的電磁力也迅速提高，且很快大于熔滴的表面張力。在很強(qiáng)的電磁夾持力（收縮力）作用下，焊絲端熔化金屬變細(xì)形成所謂鉛筆尖狀，從鉛筆尖端不斷射出小于焊絲直徑的細(xì)熔滴。電磁夾持力猶如一個(gè)強(qiáng)有力的縮口，迅速分離熔滴，及時(shí)收縮焊絲端部，有效限制熔滴長(zhǎng)大，致使熔滴以較高頻率穿越電弧過渡（見圖5）。

表1 純CO2氣體保護(hù)焊熔滴過渡形態(tài)的焊接工藝質(zhì)量對(duì)比

仔細(xì)觀察恒流噴射過渡可分為射滴噴射、射流噴射和旋轉(zhuǎn)噴射3個(gè)不同階段（見圖6）。第一階段，焊接電流盡管已經(jīng)達(dá)到或超過轉(zhuǎn)變電流，但超越數(shù)值不是太大，作用在熔滴上電磁夾持力的提高，以及作用在熔滴上表面張力的降低尚未達(dá)到最佳值，熔滴尺寸雖然小于焊絲直徑，過渡頻率也算較高，但從慢放的高速攝影視頻上，只是一連串珠式過渡，尚未形成熔滴流，此為射滴噴射過渡。第二階段，隨著電流繼續(xù)增大，在焊絲末端的筆尖處呈現(xiàn)出極細(xì)水流般的細(xì)滴流，此時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鲊娚溥^渡。最后階段，不但在更大電流下，而且所用焊絲干伸長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，由于強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，熔化金屬純粹是流動(dòng)的，因此連續(xù)流體（stream ）是旋轉(zhuǎn)的，此為旋轉(zhuǎn)噴射過渡。

圖6 各種熔滴過渡形態(tài)下的電弧電壓與焊接電流[4-5]

歸納上述過程不難看出，GMAW噴射過渡的實(shí)現(xiàn)取決于三個(gè)要素：①富氬混合保護(hù)氣體。該電弧的特性使陽(yáng)極斑點(diǎn)的面積始終大于載流截面面積，即電弧始終處在熔滴上方，從而導(dǎo)致熔滴過渡的軸向性[6]。②電磁力作用方向向下。電磁力作用方向與陽(yáng)極斑點(diǎn)面積大小有關(guān)，當(dāng)陽(yáng)極斑點(diǎn)面積大于載流截面面積時(shí)其方向向下（見圖5）。在強(qiáng)電磁收縮力作用下，比焊絲直徑小得多的熔滴被分離，非常有利噴射過渡。③焊接電流等于或大于轉(zhuǎn)變電流。此時(shí)熔滴的表面張力變得足夠小，電磁力足夠大，電磁夾持力對(duì)焊絲鉛筆尖的極細(xì)熔滴不斷擠壓分離。速度非?？?，間隔非常小，熔滴來不及長(zhǎng)大，迅速形成“金屬流”，穿越電弧進(jìn)入熔池。①是必要條件，②和③是充分條件，三者缺一不可。

4 純CO2保護(hù)氣的GMAW熔滴噴射過渡形態(tài)形成要素分析

（1）分析保護(hù)氣體種類 純CO2在電弧中的理化特性：電場(chǎng)強(qiáng)度大，熱收縮效應(yīng)大（CO2高溫分解吸熱），弧柱電位梯度大，致使電弧斑點(diǎn)面積小。在長(zhǎng)弧焊時(shí)，盡管電弧在熔滴下方隨熔滴擺動(dòng)飄移不定，但始終保持連續(xù)燃燒，呈現(xiàn)明顯的集中型電弧形態(tài)。集中型電弧使熔滴上的斑點(diǎn)壓力作用方向向上，再加上CO2分解膨脹產(chǎn)生的向上的氣動(dòng)力，以及熔滴自身向上的表面張力，這幾種向上的作用力把正在長(zhǎng)大的熔滴推離焊絲軸向，呈現(xiàn)明顯的大熔滴非軸向排斥過渡形態(tài)。只要CO2在電弧中的理化特性不改變，這種熔滴的非軸向性不會(huì)改變，大熔滴不會(huì)被細(xì)化，更不可能實(shí)現(xiàn)噴射過渡。

其中，實(shí)際邊際成本表示進(jìn)口一單位中間品需要支付給國(guó)外中間品廠商的實(shí)際成本(以國(guó)外的單位勞動(dòng)力來衡量)，imc表示使用一單位國(guó)內(nèi)中間品需要支付給本國(guó)中間品廠商的實(shí)際成本(以本國(guó)的單位勞動(dòng)力來衡量)，本國(guó)的工資為w，εk表示本國(guó)與進(jìn)口中間品來源地k的名義匯率(間接標(biāo)價(jià)法)，wk表示進(jìn)口目的k地的工資，F(xiàn)j表示本國(guó)出口到目的地j的固定成本。

（2）分析電磁力的作用方向 研究表明：熔滴上的電磁力作用方向與陽(yáng)極斑點(diǎn)面積有關(guān)。當(dāng)陽(yáng)極斑點(diǎn)面積大于載流截面面積時(shí)，其方向向下，有利于熔滴過渡（見圖5）。純CO2焊接時(shí)，情況相反（見圖7），熔滴底部陽(yáng)極斑點(diǎn)面積遠(yuǎn)小于載流截面面積，電磁力作用方向只能向上，阻礙熔滴過渡，不利于形成細(xì)小熔滴的噴射過渡[6]。

圖7 100%CO2、滴狀過渡規(guī)范時(shí)，作用在熔滴上的電磁力方向[6]

（3）分析臨界轉(zhuǎn)變電流 純C O2焊接時(shí)，在200～500A之間，隨焊接電流增大，飛濺增大、成形惡化，但熔滴尺寸未被細(xì)化，也就是說，不會(huì)出現(xiàn)所謂臨界轉(zhuǎn)變電流，談不上實(shí)現(xiàn)噴射過渡。

綜上，實(shí)現(xiàn)噴射過渡形成條件三要素，缺一不可。然而，純CO2焊接時(shí)，與所謂噴射過渡三要素背道而馳，不存在任何噴射過渡有利要素。因此，按照常規(guī)思路，純CO2焊接基本上無(wú)望實(shí)現(xiàn)噴射過渡。然而，在當(dāng)今“一切皆有可能”的高科技時(shí)代，也可能出現(xiàn)不可思議的奇跡，只是時(shí)間問題。

5 實(shí)現(xiàn)純CO2保護(hù)氣的GMAW熔滴噴射過渡形態(tài)的可能途徑及新進(jìn)展

5.1 實(shí)現(xiàn)純CO2保護(hù)氣的GMAW熔滴噴射過渡形態(tài)的可能途徑

（1）采用混合氣體（80%Ar+20%CO2） 富Ar混合氣體保留了Ar氣在電弧下的某些重要特性，如等離子體弧柱擴(kuò)大、細(xì)熔滴軸向過渡等；少量CO2的混入又引入活性氣體的特征，使其具有氧化性，克服了純Ar氣保護(hù)時(shí)表面張力大、液態(tài)金屬粘稠、電弧斑點(diǎn)易飄移、焊縫剖面不理想等問題。具備了噴射過渡形成三要素：熔滴過渡軸向性、電磁力方向向下、存在細(xì)熔滴轉(zhuǎn)變電流。但此法改變了純CO2焊接前提條件，與本文主題相悖。

（2）采用活性焊絲 所謂活性焊絲是指焊絲表面涂有活性元素的實(shí)芯焊絲。由于活性元素的電離電位低，提高了焊絲的電子發(fā)射能力，弧柱擴(kuò)展，弧根面積擴(kuò)大，熔滴的非軸向傾向有所抑制。但只有在富Ar混合氣體條件下才可獲得軸向噴射過渡，混合氣中CO2的含量最高可達(dá)30%，無(wú)鍍銅焊絲的轉(zhuǎn)變電流比鍍銅的低36A，見表2?？梢?，此方法仍需要改變純CO2焊接前提條件，也與本文主題相悖。

表2 不同富氬混合氣體時(shí)的轉(zhuǎn)變電流[7]

（3）采用T.I.M.E.焊接工藝 T.I.M.E.焊接工藝是在傳統(tǒng)MAG工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的一種高熔敷率氣體保護(hù)焊新工藝。該工藝的主要特征是（見表3）：①采用四元混合保護(hù)氣體。主要有以下4種混合氣體： 0.5%O2+8%CO2+26.5%He+65%Ar；30%He+10%CO2+60%Ar；8%CO2+92%Ar+300×10-6NO；2%O2+25%CO2+26.5%He+余Ar。②高送絲速度。傳統(tǒng)MAG/MIG焊的送絲速度在5～16m/min之間，最高可達(dá)20m/min。而T.I.M.E.焊接工藝的最高送絲速度高達(dá)50m/min。③大的干伸長(zhǎng)。傳統(tǒng)MAG/MIG焊的干伸長(zhǎng)為1～15mm，而T.I.M.E.焊為20～35mm。④極高的焊絲表面質(zhì)量。為的是增加電導(dǎo)率，減小送絲波動(dòng)性。⑤具有恒壓外特性的專用高性能焊接電源，采用水冷式導(dǎo)電嘴和噴嘴等裝置。⑥T.I.M.E.焊接工藝的熔滴過渡有短路過渡、噴射過渡及旋轉(zhuǎn)射流過渡三種形態(tài)。盡管被認(rèn)為T.I.M.E.焊接工藝在MAG焊大電流禁區(qū)開拓了新的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域[9]。但是，該工藝的關(guān)鍵技術(shù)是采用四元混合保護(hù)氣體，這就改變了純CO2焊接的前提條件，與論文的主題相悖。

（4）采用波形控制脈沖電源技術(shù) 據(jù)文獻(xiàn)[10]介紹，在20世紀(jì)60年代中期，有人嘗試將脈沖噴射過渡形態(tài)應(yīng)用于CO2焊接中。為了克服使用恒定電壓/電流產(chǎn)生“排斥滴狀過渡”形態(tài)，制作了一個(gè)電源，具有25Hz或50Hz可選的脈沖頻率、可調(diào)節(jié)的脈沖電流、可獨(dú)立調(diào)節(jié)的基值電流，以及一個(gè)150V、15A穩(wěn)定電源，以避免在低電流下長(zhǎng)時(shí)間基值下的電弧熄滅。使用1.2mm鋼焊絲以3.8～13.5m/min的送絲速率和150～380A的相應(yīng)平均電流進(jìn)行試驗(yàn)。在200～300A的中間電流范圍內(nèi)，如果電弧保持非常短，焊接可以在平焊位進(jìn)行，因此過渡正好接觸熔池以減少飛濺。平均電流非常低時(shí)，由于低的熱輸入，熔池的快速凝固特性以及熔滴過渡的低頻率和不規(guī)則性，焊道嚴(yán)重不均勻。在非常高的平均電流下，相應(yīng)較高的脈沖電流會(huì)產(chǎn)生過度的熔池?cái)噭?dòng)，在焊道邊緣處產(chǎn)生飛濺，以及連續(xù)的咬邊。它們的工作表明，與使用在相同平均電流范圍內(nèi)操作的簡(jiǎn)單恒定電壓（CV）電源的滴狀過渡相比，對(duì)于CO2脈沖噴射過渡，可以找到適合的操作條件，給出了較好的結(jié)果。 然而，使用低成本CV電源的氬基混合氣體可以獲得更好的結(jié)果。在20世紀(jì)60年代和70年代，脈沖噴射CO2工藝并未廣泛使用。

表3 MAG和T.I.M.E.工藝的比較

到20世紀(jì)80年代中期，電源技術(shù)的重大改進(jìn)引起了對(duì)脈沖CO2工藝新的興趣。日本研究人員采用可調(diào)方波電流波形來優(yōu)化該工藝行為。在平均電流約為250A（8m/min送絲速度）和約38Hz的脈沖頻率下，使用φ1.2mm焊絲及高速攝影觀察熔滴過渡行為，如圖8所示。大熔滴的過渡大約發(fā)生在脈沖周期的中段。復(fù)位的熔滴在脈沖周期的其余部分和基值周期期間形成。在圖9中，大電流下電弧中熔滴的變形是清晰可見的。在電磁夾持力產(chǎn)生熔滴頸縮的同時(shí)，大電流時(shí)收縮的CO2電弧對(duì)熔滴亦產(chǎn)生了向上大的壓力。由于CO2中熔滴過渡特性的緣故，CO2熔滴過渡顯示出很高的飛濺速度。其他研究人員也采用類似的技術(shù)報(bào)道了類似的行為。

圖8 熔滴行為脈沖波形實(shí)例

圖9 熔滴過渡的高速攝影

由于CO2工藝自身特點(diǎn)（壓縮電弧和熔滴排斥過渡），在過去幾十年中對(duì)該工藝行為的改進(jìn)并沒有取得大的進(jìn)展。電源技術(shù)和工藝建模方面的進(jìn)一步發(fā)展尚未解決存在的問題。但是如果考慮成本因素超過其他因素（例如，焊道外觀、高穩(wěn)定性和焊后飛濺清除等）時(shí)，低成本的CO2工藝仍被生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

迄今為止，有關(guān)CO2焊接波形控制技術(shù)的研究文獻(xiàn)，大多針對(duì)短路過渡控制焊接飛濺的，很難找到針對(duì)純CO2噴射過渡的。早期（數(shù)十年前）有學(xué)者認(rèn)為，采用脈沖技術(shù)的初衷在于用較小的焊接電流實(shí)現(xiàn)噴射過渡，但一些研究結(jié)果表明，采用脈沖噴射時(shí)所需的最低臨界電流與不加脈沖時(shí)相比差不多，所以認(rèn)為實(shí)用價(jià)值不大。

5.2 實(shí)現(xiàn)純CO2保護(hù)氣的GMAW熔滴噴射過渡形態(tài)研究新進(jìn)展

文獻(xiàn)[11]在先前Ar-CO2混合氣體的GMAW試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，滴狀到噴射過渡的電流隨著CO2量的增加而增加并且隨著較小的焊絲直徑而減小。這意味著高電流密度可能是實(shí)現(xiàn)噴射過渡的關(guān)鍵。然而，過高的電流密度可能導(dǎo)致不切實(shí)際的高焊接電流、導(dǎo)電嘴損壞（回?zé)┮约安环€(wěn)定電?。ㄅ懦膺^渡、旋轉(zhuǎn)過渡）的可能性。

采用全新的研究方法開展純C O2保護(hù)氣的GMAW實(shí)現(xiàn)噴射過渡探索性研究。使用恒壓焊接電源和下列參數(shù)：非常細(xì)（φ 0.5842mm）或更細(xì)的焊絲、約38.1m/min高送絲速度、正常（例如：250A）焊接電流、相當(dāng)短（6.35mm或更短）的焊絲干伸長(zhǎng)。預(yù)計(jì)電弧將完全包圍熔滴，獲得形成噴射過渡的重要條件。

為了實(shí)現(xiàn)這些條件，正在設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)可以高速處理細(xì)焊絲、防止回?zé)⒊惺軒в卸谈缮扉L(zhǎng)的電弧高溫的新導(dǎo)電嘴。可以處理細(xì)焊絲和高送進(jìn)速率的一個(gè)新的送絲機(jī)構(gòu)正在設(shè)計(jì)中。這項(xiàng)挑戰(zhàn)不可能的重要研究，即使暫時(shí)沒有實(shí)現(xiàn)真正的噴射過渡，也將有助于發(fā)現(xiàn)新的、實(shí)用的熔滴過渡形態(tài)。

文獻(xiàn)[12]建立了GMAW模型，研究保護(hù)氣體成分對(duì)熔滴過渡形態(tài)的影響，計(jì)算熔滴脫離末端時(shí)電弧等離子體和工件（陰極）的溫度分布。分析了焊接電流和保護(hù)氣體對(duì)熔滴過渡形態(tài)的影響。使用純Ar保護(hù)氣體時(shí)，電弧中心溫度低，最大溫度在焊絲側(cè)面；而當(dāng)保護(hù)氣中加入CO2后，電弧溫度變低但最大溫度在焊絲下方。這種溫度分布差異導(dǎo)致了電流密度的分布差異。純Ar時(shí)，電弧中心電導(dǎo)率較低，熔滴和焊絲末端附近的電流密度向上擴(kuò)展，因而熔滴過渡形態(tài)為噴射過渡。而當(dāng)保護(hù)氣體為CO2時(shí)，高電導(dǎo)率區(qū)域和高電流密度區(qū)域都集中在熔滴底部，致使熔滴過渡形態(tài)為滴狀過渡（見圖10）。當(dāng)將模型中鐵蒸氣的電導(dǎo)率人為調(diào)低時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使純CO2作為保護(hù)氣，熔滴過渡也為噴射過渡。因此，通過調(diào)整焊絲的元素成分來控制金屬蒸氣的電導(dǎo)率，便能在CO2保護(hù)氣氛下獲得噴射過渡形態(tài)。上述模擬研究新觀點(diǎn)，可能為挑戰(zhàn)不可能的“純CO2保護(hù)氣下噴射過渡”課題提供新思維。

圖10 保護(hù)氣體成分對(duì)電導(dǎo)率和電流密度的影響

6 結(jié)束語(yǔ)

1）純CO2氣體保護(hù)焊熔滴過渡具有三大特點(diǎn)：①弧根面積小，電弧集中。②大熔滴非軸向排斥過渡。③氧化性電弧，焊接飛濺大。

2）GMAW噴射過渡的實(shí)現(xiàn)取決于三個(gè)要素：①富氬混合保護(hù)氣體。②電磁力作用方向向下。③焊接電流等于或大于轉(zhuǎn)變電流。①是必要條件，②和③是充分條件，三者缺一不可。

3）純CO2焊接時(shí)，與所謂GMAW噴射過渡三要素背道而馳，不存在任何噴射過渡有利要素。按照常規(guī)思路，純CO2焊接基本上無(wú)望實(shí)現(xiàn)噴射過渡。

4）文中探討的采用富A r混合氣體、活性焊絲，以及T.I.M.E.焊接工藝，需要改變純CO2焊接前提條件，與本文主題相悖。采用波形控制脈沖電源技術(shù)后，轉(zhuǎn)變電流居高不下，與原先不加脈沖相比差不多，實(shí)用意義不大。

5）開展純CO2保護(hù)氣的GMAW噴射過渡探索性研究，有助于發(fā)現(xiàn)GMAW新型實(shí)用熔滴過渡形態(tài)。