摘要:從厚大結構件焊縫質量及綜合效益考慮，對熔滴過渡的原理進行分析表明，CO2氣體保護焊加實芯焊絲工藝方法將由混配氣（80％Ar+20%CO2）加實芯焊絲來代替。
　　關鍵詞:氣體保護焊　熔滴過渡　結構件應用
1　前言
　　自80年代初以來，隨著我國國民經濟持續增長，機床行業也得到了高速發展，生產工藝也逐漸向國際水平看齊。我公司在全國機械行業率先全面引進美國 VERSON公司全鋼壓力機的技術，機械壓力機大型構件由以前的鑄件轉向了焊接結構件，焊接技術水平也相應得到了提高，由以前浪費大、效率低的手工電弧焊轉向了效率明顯提高的半自動氣體保護焊。
　　二氧化碳氣體保護焊在我公司已使用了十幾年，焊接工藝日趨成熟，但在焊縫外觀質量上還存在一些問題。在同類產品焊接生產過程中，目前發達國家已普遍使用二元甚至三元混配氣體加實芯焊絲保護焊（Gas Metal Arc Welding簡稱GMAW）或純二氧化碳氣體加藥芯焊絲保護焊（Flux-Cored Arc Welding簡稱FCAW）代替二氧化碳氣體加實芯焊絲保護焊（GMAW）。在我公司制造水平不斷提高過程中選擇適當的焊接工藝方法，對提高我公司產品質量尤顯重要。由于目前國內藥芯焊絲及混配氣價格偏高，我公司焊接生產依然采用實芯焊絲二氧化碳氣體保護焊。本文將從熔滴過渡的基本原理入手分析，結合我公司焊接技術發展情況，探討未來焊接技術發展的方向。
2　焊接工藝分類
　　焊接過程按金屬熔滴方式可分為5種模式：短路過渡模式；顆粒過渡模式；射流過渡模式；脈動過渡模式；高速射流過渡模式。這五種模式中前三種模式在國內較常見，本文將針對這三種模式進行分析。
2.1　短路過渡模式
　　在短路過渡過程中，焊絲與金屬熔池接觸后才會形成熔滴過渡，焊絲熔化的速率和送絲速度決定了熔滴過渡處在一種間歇狀態。當送絲速度大于焊絲的熔化速度時，焊絲接觸到熔池形成短路狀態，電流迅速增大，通過焊絲的熱量迅速增加，同時，焊絲開始變形，在電磁力的作用下焊絲末端形成很細的頸部，最終在電流和電磁力的持續作用下焊絲末端頸部斷開，形成熔滴進入熔池。短路狀態結束后，在焊絲和熔池之間形成電弧。這個過程每秒重復50～250次（圖1）。由上述可見在短路過程中，工件與焊絲之間無電弧存在，總的熱輸入量低且溶池深度較淺，焊接較厚的板材時需要仔細的選擇工藝參數以確保工件被焊透。在另一方面，由于其熱輸入量低，熔池凝固較快，這種熔滴過渡形式對全位置焊接來講較為理想，也適用于要求變形小的薄板焊接。
         
                圖1　短路過渡狀態示意圖
2.2　顆粒過渡模式
　　熔滴顆粒過渡模式特點在于熔化的金屬以大顆粒形式穿過電弧形成熔滴過渡。這種過渡對焊接電流和電壓有要求，必須是在短路過渡和射流過渡兩者電流、電壓值之間。用CO2作保護氣體時，電流比短路過渡狀態時的電流大，而且熔滴的尺寸往往是焊絲直徑的2～4倍。熔滴過渡不是沿著電弧的軸線，而是在焊絲末端由于電弧力的影響向上撓曲，最后在熔滴的重力作用下掉入熔池中，或熔滴過大與熔池短路形成過渡（圖2）。
                
             圖2　熔滴顆粒過渡狀態示意圖
2.3　射流過渡模式
　　在射流過渡模式中，焊絲末端熔化的金屬以小顆粒形式沿電弧軸線穿過電弧到達熔池。當保護氣體中混有80％的氬氣時，對任何直徑的焊絲熔滴過渡形式將隨著電流的增大由顆粒過渡狀態向射流過渡狀態變化。在射流過渡狀態下，電弧呈壓縮狀態，熔滴直徑小于或等于焊絲直徑（圖3），熔滴過渡速率可達每秒鐘幾百次。
                
               圖3　射流過渡狀態示意圖
3　焊接工藝選擇依據及趨勢分析
　　針對我公司產品結構，由于焊接構件較大，板材較厚，目前使用純CO2氣體加實芯焊絲，為了使焊縫焊透，只能采取加大電流的方法。而加大電流帶來了結構件焊后變形及材料和能源消耗的增加。為了改善產品質量，降低生產成本，勢必要從焊接工藝著手進行研究。通過上述三種熔滴過渡模式原理上的比較，我們認為選擇第三種模式將帶來如下好處：
　　（1）焊縫外觀質量明顯改善。目前我公司使用二氧化碳氣體保護焊，焊接電流在280～300A范圍內，熔滴過渡模式為顆粒過渡模式。由于焊后飛濺較大，焊接結構件外觀質量受到影響，而要保證外觀質量，焊后清理工作很繁重，也增加了清理成本。根據我公司實際生產情況，每個結構件（50～60t）相應的清理工作量為焊接工作量的1/3左右。
　　（2）焊縫機械性能提高。下表是用混配氣和二氧化碳氣體具體試驗數據的比較，由表中數據可發現在低溫狀態下，焊縫抗沖擊值明顯提高。 
    
（3）焊縫金屬熔敷率增加，焊絲用量降低。如圖4所示，隨著電流的增大，氣體保護焊熔敷率將低于90％，而使用混配氣體熔敷率將提高10％，使焊絲的直接使用成本降低。按直徑1.2mm的焊絲目前市場價格6500元/t計算，每噸焊材節約650元。
              
   圖4　含碳量為0.45的低合金鋼焊絲CO2保護焊與混配氣體保護焊熔敷率比較
　　（4）焊接速度提高，降低單位生產成本。焊接速度提高有賴于焊接保護氣體的選擇、保護氣體的熱傳導特性、氧化性和金屬過渡的形式。具有高熱傳導性的氣體，能使熔池保持最高的熱量和最佳的流動性。具有一定氧化性的氣體又能有效地降低熔池表面張力，改善焊縫金屬在母材表面的浸潤性，使焊縫易于在母材表面形成，不斷弧。在能實現射流過渡的前提下，焊接速度必然能提高。由于焊接速度的提高，必能降低單位時間內的人工成本和管理費用。
　　（5）由于金屬熔敷率和焊接速度的提高，在原有生產能力不變的情況下，生產時間必然縮短。因此焊接生產過程中保護氣體用量將明顯下降（圖5）。這樣也就相應減少了用氣量，降低了成本。
               
        圖5　5mg/g為每克熔敷金屬所消耗的氣體（mg）
　　由上述可見，選用混配氣體加實芯焊絲已成為目前各廠家可以選擇和實現的一種焊接工藝方法。