二氧化碳气保焊飞溅问题的思考

二氧化碳气保焊飞溅问题的思考

摘要：二氧化碳气体保护焊具有成本低、效率高、变形小、抗油和锈、易操作等优点，但由于飞溅严重，极大地制约了二氧化碳气体保护焊的推广和应用。产生飞溅的原因是二氧化碳的氧化性引起的，生成的CO不能及时溢出熔池使熔滴中的CO气体，在电弧高温作用下急剧膨胀而激烈爆炸形成飞溅。此外还有瞬间短路飞溅。此外还有瞬间短路飞溅、电爆炸飞溅及冶金飞溅。当熔滴过渡变为颗粒状态过渡时，形成大颗粒状过渡引起较大的飞溅。通过冶金措施和焊接工艺参数的选择和调整等方面来减少飞溅。

1、前言

二氧化碳气体保护焊是20世纪50年代初期发展起来的一种新型焊接技术，具有成本低、效率高、变形小，抗油和锈，易操作等优点，该技术在冶金化工、锅炉、压力容器、热能电力、航空航天等领域得到了广泛的应用。但焊接时产生的金属飞溅大是二氧化碳气体保护焊主要的缺点。金属飞溅不仅会降低焊丝的熔敷系数，增加焊接成本，而且会使飞溅金属粘着导电嘴端面和喷嘴内壁，引起送丝不畅，使电弧燃烧不稳定，降低气体保护作用，并使劳动条件恶化，必要时需停止焊接进行焊嘴清理工作。

2、二氧化碳焊飞溅的产生

在二氧化碳气体保护焊的短路过渡过程中，燃弧阶段。焊丝融化形成熔滴，熔滴与熔池短路形成金属液桥。随后，熔滴在熔池中迅速铺展。熔滴在液体表面张力、重力、流过液桥电磁收缩力的作用下向熔池过渡，最后在这些作用力的作用下与焊丝断开，重新引燃电弧，开始新的过渡周期。国内外学者研究认为二氧化碳气体保护焊主要有以下几种形式的飞溅：

1、短路初期“瞬时短路”产生飞溅。短路初期，熔滴刚接触熔池时，因接触面积小，电阻和电流较大，熔滴受电磁力过大，熔滴被迅速排斥出熔池形成飞溅，也会形成爆炸飞溅。

2、短路末期短路液桥缩颈“电爆炸”产生飞溅。当熔滴在熔池表面充分浸润、铺展后，在焊丝与熔池之间形成短路液桥。液桥在表面张力、重力及流过液桥的短路电流引起的电磁收缩力的共同作用下产生收缩，形成很细的缩颈。随着电流的增加和缩颈截面积的减小，通过缩颈的电流密度增加得很快，对缩颈急剧加热，产生能量积聚，最后导致缩颈液体金属发生汽化爆炸，引起金属颗粒的抛出，形成飞溅。

3、燃弧初期电弧冲击熔池产生的飞溅；燃弧后期“斑点”引起的飞溅；其他原因引起的飞溅，如：熔入熔池或熔滴的二氧化碳气体保护膨胀、爆炸，会引起金属飞溅。

3、二氧化碳焊飞溅控制措施

为了减少短路过渡焊接飞溅，国内外学者和专业技术人员进行了大量研究工作，取得了相应的成果。下面就各种降低焊接飞溅的方法和目前的研究发展进行分析。

3.1常规方法

常规方法指的是目前已在生产中广发应用的方法，如采用混合保护气体的方法、优化焊接输出直流电感设计的方法、采用电子电抗器调节电源动态特性的方法等。这些方法虽然对降低焊接飞溅有一定的效果，但是都没有直接对液桥后期电流进行控制，效果甚微。现有的常规二氧化碳气体保护焊只是给焊接电弧提供一个电源，仅能改变电源的静特性和动特性，缺乏对熔滴过渡过程的实时控制。

1、选择正确工艺参数。电弧电压是焊接参数中关键的一个，其大小决定了电弧的长短及熔滴的过渡形式，对飞溅有很大的影响。在一定的焊丝直接和焊接电流下，若电弧电压偏高，焊丝的熔化速度增大，电弧长度增加，会使熔滴无法正常过渡，而呈大颗粒飞出，飞溅增多；若焊接电流和电弧电压为最佳匹配时，熔滴过渡频度高，飞溅最小，焊缝成型美观。

2、焊枪角度。焊枪的倾角决定了电弧力的方向，当二氧化碳气体保护焊枪垂直焊接时飞溅最小，焊枪倾角越大，飞溅越多，一般焊枪倾角最好不超过20o。

3、焊丝伸长长度。焊丝伸出长度对飞溅有一定的影响，一般焊丝伸出长度越长，飞溅率就会越高，太短的焊丝伸长长度会影响焊接过程的稳定性，喷嘴易发生堵塞。

3.2限制金属液桥的爆断能量

二氧化碳气体保护焊短路过渡时，在短路末期短路液桥缩颈电爆炸飞溅是产生飞溅的主要形式，即在短路过程中形成的液桥被急剧加热，过量的能量积累导致液桥汽化爆炸而引起飞溅。可采取下面方法使短路液桥的金属过渡趋于平缓而减少飞溅。

1、直流回路电感法。在焊接回路中，串联合适的电感，限制短路电流增长速度及峰值电流，以控制引起飞溅产生的能量。

2、电流切换法。在金属液桥缩颈达到临界尺寸之前短路电流逐渐增大之前进行电流切换，将电流从高值切换到低值，液桥缩颈便处于晓得电磁收缩力的作用下而缓慢断开，这就消除了液桥爆炸产生飞溅的因素，飞溅率可降低2%-3%。

3、电流波形控制法。通过控制输出电流波形，使金属液桥在较低的电流时断开，在将临短路时，再由高值电流改变成低值电流，使短路时的电流较低，而处于高温状态的熔滴形成的短路液桥温度较高，施加很小的能量就能实现金属的过渡与爆断，限制了金属液桥爆断能量，从而降低飞溅。

3.3在二氧化碳气体中加入Ar气

二氧化碳气体保护焊短路过渡时，二氧化碳气体在高温下分解出CO气体在金属内部急剧膨胀而发生剧烈爆炸，在短路过渡后电弧再引燃时产生的对熔池的过大冲击力使液体金属溅出。在二氧化碳气体中加入Ar气后，可改变纯二氧化碳气体的物理和化学性质，随着Ar气比例的增大，在焊接时，可细化熔滴，促进弧根的扩展，使飞剑减少，同时可改善焊缝的性能。

4、结语

选择合适的焊接材料和工艺参数，采取科学合理的措施，如限制金属液桥爆断的能量和在二氧化碳气体中加入Ar气，可以减少二氧化碳气体保护焊所产生金属飞溅，提高焊接效率，得到高质量焊缝。