基于工程应用的CW-GMAW 熔滴过渡形态表征

孙咸

（太原理工大学焊接材料研究所，太原 030024）

0 前言

熔化极气体保护焊(GMAW)工艺以其低成本和高生产率优势，在涉及制造和金属表面磨损零件修复的工业领域获得了广泛应用。为了进一步提高生产率，减少零件修复中的成本和耗费时间，进而开发了添加冷丝的熔化极气体保护焊（Cold wire gas metal arc welding,CW-GMAW）工艺[1]。从附加焊头送进的焊丝被熔池熔化增加了熔敷速率和熔敷量（焊缝尺寸），同时降低了熔池温度，减小了熔深和熔合比（稀释率），使该工艺具有焊接接头性能改善及堆焊焊道质量提升等优点[2-3]。国内对该工艺的关注度比不上国外。国外相关文献主要涉及工艺方法比较、焊接参数、焊缝几何形状、热效率、残余应力、接头的组织性能等，亦不乏熔滴过渡形态方面的。考虑到该工艺中新参数（如冷丝送进速率比R(%)、电极焊丝送进速率ν1等）对电弧稳定性比较敏感，必然会对熔滴过渡形态产生新的影响，继续开展电参数新变量及其影响的研究，对于推进该工艺广泛成功应用仍然是迫切的[1]。为此，论文从该工艺的工程应用入手，以国外近年发表的相关文献试验结果为分析对象，将焊接电参数与熔滴过渡形态相联系，探讨CWGMAW 中的电弧特性、熔滴过渡机理，以及熔滴过渡影响因素。该项工作对于进一步揭示CW-GMAW工艺熔滴过渡机理、改善焊接工艺质量，促进工程应用，以及研制焊丝新品种，具有一定参考价值和实用意义。

1 工程应用中的CW-GMAW 熔滴过渡形态

1.1 工程应用实例

图1 和图2 分别为CW-GMAW 工艺和整体结构示意图。CW-GMAW 工艺所需设备类似于GMAW，但是为了给电弧中提供恒定的焊丝送进，增加了一个附加的焊头和焊抢上的一个支撑卡。从附加焊头送进的、非通电冷丝，被焊缝熔池中的热量熔化，无需第二个电源，并提供了从GMAW 到CW-GMAW 的简单转换。

图1 CW-GMAW 工艺示意图[2]

图2 CW-GMAW 工艺的整体结构[3]

表1[2,4-6]列出了4 个工程应用中的CW-GMAW工艺参数及项目要点。第1 例是CW-GMAW 工艺在ASTM A131 船舶结构钢堆焊，涉及焊接残余应力的应用。项目比较了CW-GMAW 工艺与传统GMAW工艺焊接残余应力的分布，验证了CW-GMAW 工艺具有减少热量，降低焊接残余应力的优点。第2 例是CW-GMAW 工艺在ASTM A131 Gr.A 船舶结构钢对接接头焊接（45° V 形坡口），涉及接头力学性能的应用。项目采用相同的焊接工艺参数，比较了与CWGMAW，DCW-GMAW（Double cold wire gas metal arc welding,DCW-GMAW）和GMAW 3 种工艺接头的力学性能。结果显示：CW-GMAW 和DCW-GMAW 工艺接头的力学性能优于传统GMAW 的。第3 例是CW-GMAW 工艺在汽车用薄板DP600 钢搭接接头焊接，涉及电弧稳定性、焊接变形、显微组织和显微硬度的应用。结果表明：传统GMAW 工艺焊缝容易出气孔和焊接变形更大，而CW-GMAW 工艺以其较低的焊缝稀释率，以及电弧位置的差异克服了GMAW工艺的不足。第4 例是CW-GMAW 工艺在AISI 1 020碳素钢上用2 种热输入规范堆焊镍基高温合金熔敷层的应用。结果表明：由于CW-GMAW 工艺焊缝对母材稀释率的减少，增加了接头部分熔合区的厚度和硬度值。相反，热输入的提高，焊缝稀释率变大，且抵消了该工艺增加接头部分熔合区的厚度和硬度值的上述优点。

表1 工程应用中的CW-GMAW 工艺参数及项目要点

表1 中案例所用的焊接工艺参数，体现了焊接方法和焊接材料高效、自动化特色及优良满意的工艺性，从中亦可分析、判断相应的电弧和熔滴过渡形态。多数实例采用25 V 以上的电弧电压、200～250 A 焊接电流，以及富氩混合保护气体时，熔滴的过渡形态可以判定为滴状过渡。当采用大于25 V（甚至大于34 V）电弧电压、300～350 A 焊接电流，以及富氩混合保护气体时，熔滴的过渡形态可以判定为喷射过渡。唯有实例3，采用17 V 电弧电压、105～115 A 焊接电流，以及富氩混合保护气体时，可以判定为短路过渡形态。短路过渡时，会出现电弧瞬间熄灭现象，此时电弧形态属于断续、活动型。非短路过渡时，电弧是在电极焊丝端头整个端面上产生的，并未出现电弧瞬间熄灭现象，此时的电弧形态属于连续、活动型。CW-GMAW 工艺电弧的稳定性及熔滴过渡形态涉及电极焊丝送进速度和冷丝送进速率比R的影响，将在随后讨论。

1.2 焊接电参数与熔滴过渡形态的关系

与标准GMAW 工艺相比，CW-GMAW 工艺电参数与熔滴过渡的关系较为复杂。因为后者添加了一根非通电的冷丝，对电弧和熔滴过渡产生了一系列影响。具体来讲，见表2[7]。①当电极焊丝送进速度ν1=7.87 m/min，冷丝送进速率比R=20%（电流I=270 A）时，熔滴直径大于焊丝直径，呈滴状过渡形态（图3(a)）；冷丝送进速率比R=80%（I=274 A）时，熔滴直径小于焊丝直径，呈喷射过渡形态（图3(b)）；冷丝送进速率比R=140%（I=275 A）时，熔滴直径小于焊丝直径，虽然仍是喷射过渡形态，但时而发生短路电弧不稳（图3(c)）。这是由于在ν1=7.87 m/min 时，随R的逐渐提高（20%，80%，140%），作用在熔滴上的电磁力Fem也增大，阳极斑点面积增大，熔滴被细化所致；当R=80%（I=274 A）时，转变为标准喷射过渡形态。而当R=140%（I=275 A）时，由于电弧能量不足以立即熔化更多的冷丝，部分冷丝从熔池中冲出，使电弧电压降至10 V 以下，发生短路，电弧不稳，工艺变差。②当电极焊丝送进速度ν1=8.38 m/min，冷丝送进速率比R变化（20%，80%，140%），随送进速率比R增大，焊接电流增大，熔滴被细化。当R=20%（I=279 A）时，呈滴状过渡；当R=80%（I=283 A）时，呈喷射过渡；当R=140%（I=299 A）时，虽呈喷射过渡，但时有短路发生，电弧不稳。其参数与过渡形态关系的内在原因与1 号试验大致相同。

表2 焊接电参数与CW-GMAW 熔滴过渡形态的关系[7]

图3 电极焊丝送进速度v1 为7.87 m/min 时CW-GMAW 工艺的高速摄影图像（试验条件：电极焊丝送进速度v1 为7.87 m/min，电弧电压为28 V，焊接速度为63.5 cm/min，焊丝伸出长度为17 mm）[7]

图5 电极焊丝送进速度v1 为8.38 m/min 时CW-GMAW 工艺的高速摄影图像（试验条件：电极焊丝送进速度v1 为8.38 m/min，电弧电压为29 V，焊接速度为63.5 cm/min，焊丝伸出长度为17 mm）[7]

图6 电极焊丝送进速度v1 为8.38 m/min 时CW-GMAW 波形图（试验条件：电极焊丝送进速度v1 为8.38 m/min）[7]

可以看出，CW-GMAW 工艺转变电流的控制比标准GMAW 工艺要复杂。标准GMAW 工艺转变电流主要取决于电极焊丝送进速度ν1（焊接电流），而CW-GMAW 工艺转变电流则主要取决于2 个参数，即电极焊丝送进速度ν1（焊接电流）和冷丝送进速率比R，以及其组合。采用相同工艺参数与标准GMAW工艺相比时，CW-GMAW 工艺的滴状过渡到喷射过渡转变电流的水平降低了4%～7%[7]。这是由于在CWGMAW 工艺中，冷丝在电弧中产生了较高的金属蒸气，电离度升高，电弧等离子体的电阻随冷丝送进速率比R增大而降低，电流密度升高，熔滴上的电磁力Fem增大，对焊丝端头的夹持作用力增大，焊丝端头直径变细，熔滴被细化所致。

2 CW-GMAW 中的电弧特性及其机理

不同冷丝送进速率比（R）时CW-GMAW 工艺电弧位置变化示意如图7 所示[8]。可以看出，在该工艺中随冷丝送进速率比R的提高，电弧的位置主要有3种状态：第1 种，当R＜60%时，电弧处于工件的垂直位置，冷丝在电弧内部被熔化（图7(a)）；第2 种，当R=60%～80%时，电弧偏向冷丝部分移动，此时电弧仍附着在工件上，但有部分电弧开始爬升到冷丝上（图7(b)）；第3 种，当R≥100%时，电弧向冷丝发生较大的偏转，完全固定在冷丝上（图7(c)）。

图7 不同冷丝送进时冷丝的电弧位置[8]

电弧轨迹的这种变化可以用2 种效应来解释，即自由电子路径和电弧吹力效应。自由电子路径效应与较低电阻中电流流动有关（即电流通过电阻最小的路径）。电弧吹力效应则是由横向磁场的存在引起的。当R＜60%时，电弧的能量足以熔化送入电弧的冷丝，冷丝随进随熔，电弧稳定，不会发生偏移（图7(a)）。当R=60%～80%时，随冷丝送进速度的增高，电弧能量显得不足以完全熔化所送进的冷丝；此时进入电弧未被及时熔化的部分冷丝上已经附着了电弧（已经带电），考虑到冷丝在电弧中产生了较多的金属蒸气，电弧电阻被减小，依据“电流在导体中通过最容易的路径”原理，电弧将偏向冷丝一侧，发生了电弧的偏转（图7(b)）。当R≥100%时，电弧的能量更不足以完全熔化送入电弧的冷丝，进入电弧中的冷丝变长，依据“电流通过电阻最小路径”原理，电弧以更大角度偏向冷丝一侧（图7(c)）。

图8[9]为短路条件下作为焊丝送进函数的电弧偏转。图9[9]为随着滴状参数时的冷丝质量分数的增加，电弧逐渐向冷丝偏转。图10[9]说明了随着喷射过渡条件时冷丝质量分数的增加，电弧逐渐固定到冷丝上。

图8 在短路情况下，电弧爬升到冷焊丝上[9]

图9 在滴状过渡条件下，电弧偏转到冷焊丝上[9]

图10 在喷射过渡条件下，电弧偏转到冷丝上[9]

综上所述，由于向电弧中加入冷丝，CW-GMAW工艺电弧形态发生了下列变化：随冷丝送进速率比增高，①电弧发生了位移，即从垂直于工件到逐渐附着在冷丝上，最终偏向冷丝；②电弧弧长由长变短；③当R达140%时，电弧甚至发生短路，破坏了连续性。电弧形态的上述变化，与冷丝送进速率比增高，以及冷丝在电弧中产生大量金属蒸气时弧柱电阻下降有关[7]。

3 CW-GMAW 熔滴过渡影响因素

3.1 保护气体类型的影响

采用3 种保护气体时CW-GMAW 与GMAW 工艺中熔滴过渡形态的对比分析见表3。可以看出，CWGMAW 与GMAW 工艺的熔滴过渡形态类型基本接近。具体来说，纯CO2保护时，只可能形成短路过渡和非轴向排斥大滴状过渡形态，不可能形成喷射过渡形态。这是由于CW-GMAW 工艺仅仅是GMAW工艺的变体，其工艺本质未发生大的改变。电弧中添加1 根不导电的冷丝后，对于喷射过渡形成3 要素（富氩混合保护气体；电磁力作用方向向下；存在转变电流[10]）仍无法满足。纯Ar 保护气体时，主要有轴向滴状和喷射过渡2 种过渡形态，但滴状向喷射过渡的转变电流可能比GMAW 低一些。富氩混合保护气体时，主要的过渡形态为轴向滴状和喷射过渡，亦可能有较少的短路过渡。后者（纯Ar 和富氩混合气体）的喷射过渡形态及转变电流，是由于CWGMAW 工艺继承了GMAW 工艺特性，随冷丝送进速率比R的增加，电弧形态及位置发生向冷丝一侧偏移，电弧弧长变短，弧柱电阻减小，电磁力Fem增大，熔滴细化所致。

表3 保护气体类型与熔滴过渡形态间的关系

保护气体类型对熔滴过渡的影响，CW-GMAW与GMAW 工艺基本接近。富氩混合保护气体时，CWGMAW 工艺转变电流IC比GMAW 降低了4%～7%，是由于弧柱电阻减小，电磁力Fem增大，熔滴细化所致。

3.2 焊丝涂层成分的影响

焊丝涂层成分对熔滴过渡形态影响见表4。可以看出，在GMAW 条件下，非镀铜涂层焊丝熔滴过渡的转变电流较低。这是因为非镀铜涂层成分含有稳弧方面的活性元素，也含有导电方面的其他元素等，在电弧中能抑制CO2增多时，电流密度提高，电弧被压缩，熔滴被排斥、易长大等不利影响，比较容易获得喷射过渡，而且飞溅很小。即便有也是颗粒细小的飞溅占多数[11]。在CW-GMAW 条件下，镀铜与非镀铜涂层焊丝的熔滴过渡形态分别与GMAW 条件下的接近，即镀铜涂层焊丝为大滴状过渡，其转变电流比GMAW 略低一点（IC＜275 A）；而非镀铜涂层焊丝为细滴状喷射过渡，其转变电流比GMAW 略低一些（IC＜234 A）。这是CW-GMAW 工艺填加冷丝后，弧柱电阻减小，熔滴电磁力增大，熔滴细化的结果。

表4 涂层成分对熔滴过渡形态的影响（焊丝直径ϕ1.2 mm，焊接电流260 A，电弧电压31 V）

3.3 工艺参数的影响

2 种焊接方法工艺参数对熔滴过渡形态影响的对比结果见表5。对于标准GMAW 工艺，电参数的影响如下：①焊丝直径。焊丝直径减小时转变电流降低了。这是由于焊丝直径小，电阻热增大，则电流密度大，熔化焊丝所需的热量减少，形成喷射过渡的转变电流也随之减小。②焊接电流。随焊接电流提高，稳弧性改善，熔滴被细化，焊接电流等于或大于转变电流时实现喷射过渡。这是由于随电流增大，作用于熔滴的电磁力Fem增大，对焊丝端熔滴的夹持效应使焊丝端的直径变细，表面张力减小，熔滴细化所致。③电弧电压。随着焊接电流增大，电弧电压升高，这是GMAW 电源特性决定的。它不是影响熔滴过渡的独立参数，却是影响喷射过渡形成的必要参数。适当升高电弧电压是匹配转变电流所必需的。④焊丝伸出长度。焊丝伸出长度取决于过程稳定性和所需的熔滴过渡形态。随焊丝伸出长度增长，转变电流呈下降趋势。这是由于随焊丝伸出长度变长，电阻增大，电阻热使焊丝的温度升高，焊丝端熔滴易于形成并脱离焊丝，所需转变电流减小。⑤焊接速度。对稳弧性、熔滴轴向性、熔滴尺寸、过渡频率等影响不大；作为一个不可或缺的匹配参数，适当提高焊接速度是匹配转变电流所必须的。⑥电源极性。由于直流正接法（DCEN）电弧不稳、熔滴粗、熔滴过渡频率低、飞溅大、成形差等，不利转变电流减低，所以工程应用中GMAW 总是采用直流反接法（DCEP）施焊。

表5 焊接工艺参数对熔滴过渡形态的影响（富氩混合气保护，焊丝直径ϕ1.2 mm）

对于CW-GMAW 工艺，初步分析认为，焊接参数对熔滴过渡形态的影响规律与GMAW 工艺大致相近，但文献[12]表明，在电源极性影响中与GMAW 的影响相悖，即直流正接（DCEN）电弧稳定性优于直流反接（DCEP）的。这是由于冷丝送进可以抑制DCEN 焊接中电弧爬升引起的熔滴排斥不稳定所致。同时也注意到，在焊接电参数影响方面更为复杂。因为涉及该工艺中的新参数冷丝送进速率比R，连同电极焊丝送进速度ν1，以及它们的匹配等对熔滴过渡形态的影响。

总体上看，焊接参数中影响最明显的是焊接电流、电弧电压和电源极性（关于保护气体类型的影响已经在上文（表3）中讨论过）。然而，所有参数间的正确匹配亦是不可或缺的。一旦匹配失当，其影响规律就会变异，将严重影响焊接工艺及焊缝质量稳定性。关于CW-GMAW 工艺带来新参数（例如冷丝送进速率比R，电极焊丝送进速度ν1，以及它们的匹配等）对电弧行为及熔滴过渡形态的影响，尚需进一步研究。

4 结论

（1）在大电流、强规范、富氩混合气体保护下，CWGMAW 工艺的熔滴过渡形态呈喷射过渡；当电流较小、电弧电压较低时，可能为滴状过渡，甚至在弧压很低时呈现短路过渡形态。

（2）CW-GMAW 工艺电弧发生偏向冷丝的位移，弧长变短甚至发生短路，与冷丝送进速率比增高，以及冷丝在电弧中产生大量金属蒸气时弧柱电阻下降有关。

（3）保护气体类型对CW-GMAW 与GMAW 工艺熔滴过渡的影响基本接近，相同工艺参数下富氩混合保护气体时，前者转变电流比后者降低了4%～7%。

（4）焊丝涂层成分对CW-GMAW 与GMAW 工艺熔滴过渡的影响基本接近，但前者转变电流比后者略低一些。

（5）焊接参数对CW-GMAW 和GMAW 工艺熔滴过渡形态的影响规律大致相近，但前者因涉及冷丝送进速率比R和电极焊丝送进速度ν1，以及它们的匹配等，使焊接电流的影响更为复杂。