熔滴过渡形式的特点和应用场景

图6-24 第一种脉冲熔滴过渡形式电弧形态变化示意图

脉冲MIG/MAG焊熔滴过渡形式有三种，下面以直径为φ1.2mm的钢焊丝为例进行阐述。

第一种脉冲过渡形式是在脉冲电流较大或脉冲时间较长时发生的，熔滴过渡形式如图6-24所示。电弧形态变化过程是当脉冲开始时，因电流较大形成含有大量金属蒸气的烁亮区。在基值电流期间电弧较暗，因用背光高速摄影拍照时电弧的光亮被背光抵消了，所以只能看到脉冲电流时电弧烁亮区的变化。在基值电流期间由于基值电流较小，只有少量焊丝熔化，熔化金属积聚在焊丝端头。进入脉冲阶段以后，烁亮区逐渐形成，先是在焊丝端头生成短的束状（见图6-24中1、2），而后逐渐延长，将焊丝与焊件连到一起，成为细束状（见图6-24中3）。该细束状电弧再加粗（见图6-24中4），又扩展成钟罩形电弧（见图6-24中5）。同时在焊丝端头熔化了更多的金属，并聚集成球滴状，电弧覆盖着大部分球滴表面，在熔滴与焊丝间形成缩颈。这时缩颈处通过大电流，加快了缩颈金属的加热和形成金属蒸气，这为阳极斑点区扩大和上爬创造了条件，于是引起跳弧现象，如图6-24中6可见电弧从熔滴根部迅速跳到缩颈上。跳弧之后，电弧呈锥形而焊丝端头仍在锥形电弧烁亮区的笼罩之下，在很强的等离子流力作用下熔滴变为倒蘑菇状，并被迅速推离焊丝，细颈也变得又细又长，如图6-24中7。接着在细长液柱的端头悬挂的较大熔滴又脱离液柱而向熔池过渡，如图6-24中8。而后在已拉成铅笔尖状的焊丝端部的液体金属在锥形电弧覆盖下构成了射流过渡的模式，从焊丝铅笔尖状的端头高速喷射出一些细小的熔滴，以很高的速度沿焊丝轴向飞往焊件，如图6-24中9，一直到脉冲结束。当脉冲电流结束时，首先看到电弧烁亮区迅速消失。焊丝端头的金属液柱有时会瞬时断成数截并分别聚成小球而落入熔池。焊丝端头残留的液态金属收缩成半球状使电弧长度增加。在以后的基值电流阶段，焊丝端头基本上保持这种状态。可见，第一种过渡形式为每个脉冲一个大滴和多个小滴。

第二种脉冲焊熔滴过渡形式是在脉冲电流持续时间或脉冲电流幅值比第一种形式小的时候发生的。在基值电流阶段与前边第一种过渡形式相同，进入脉冲电流阶段后，电弧形态的变化与第一种过渡形式相似。但由于脉冲电流幅值较低或脉冲持续时间较短，电弧的瞬时形态与第一种形式不完全相同。在这种情况下大多不能发生跳弧现象。这时钟罩形成电弧覆盖着焊丝端头球滴大部分表面，构成了射滴过渡的模式，这时熔滴在电磁力和等离子流力作用下，产生了向熔池运动的趋势。所以熔滴大多在脉冲结束后的基值电流初期脱落，如图6-25所示。也有在脉冲电流后期脱落（如使用正弦波脉冲电流）。此时过渡的熔滴为球状熔滴，其直径大约与焊丝直径相同，偶尔也带有较小的细滴。焊丝端头不形成明显的铅笔尖状，熔滴过渡后焊丝端头很快收缩成半球状。熔滴脱离焊丝时加速度较小，在电弧空间过渡速度较慢，熔滴沿焊丝轴线方向运动，可用于仰焊、立焊等空间位置的焊接，如图6-25所示，每一个脉冲都出现熔滴过渡，焊接过程稳定，没有飞溅。可见，第二种过渡形式为每个脉冲过渡一个大滴。

图6-25 脉冲焊第二种熔滴过渡电弧形态示意图

第三种脉冲焊熔滴过渡形式，是在脉冲电流较小或脉冲电流持续时间很短的情况下发生的。虽然在第一个脉冲周期内，焊丝端头也可以积累一定数量的熔化金属，并能形成熔滴，但由于脉冲电流小或脉冲时间短，该熔滴只呈现脱离的趋势，直到基值电流阶段也不能脱落。甚至已产生缩颈的熔滴在基值电流阶段又收了回去。只有再重复施加一个或几个脉冲周期时，熔滴金属积累达到足够的数量，才能脱落一滴。熔滴的直径一般大于焊丝的直径。熔滴过渡与脉冲电流的作用没有明显的电流对应关系。它是由熔滴的重力与表面张力的关系决定的。当熔滴的重力、熔滴的尺寸较大时，熔滴才能脱落。在同一参数下可以是两个脉冲过渡一滴，也可以是三个脉冲或多个脉冲过渡一滴，熔滴过渡时刻有很大的偶然性。此时脉冲峰值电流也超过连续电流焊接时射流过渡临界电流值，即使如此，在脉冲电流期间熔滴也不过渡。可见焊丝熔化和造成熔滴过渡是一个能量综合作用结果。首先需要一定的能量熔化焊丝，并形成熔滴，同时在熔滴形成过程中，由于电磁力及等离子流力的作用，使熔滴向熔池方向运动，而形成了惯性运动。这时即使去掉脉冲电流也会造成过渡。所以从熔滴过渡高速摄影照片上看到，一些熔滴都是在基值电流阶段过渡的。可见，第三种过渡形式是几个脉冲过渡一个大滴。

上边讨论了三种典型脉冲焊熔滴过渡形式。射流过渡临界电流值受很多因素的影响，脉冲可控射流过渡与普通熔化极氩弧焊射流过渡有许多相似之处。影响射流过渡的因素也是一致的。这些影响因素主要包括保护气体成分、焊丝材料、焊丝直径、焊丝伸出长度等。

如果在氩气中混入氧气的体积分数不超过2%时，由于能够提高焊丝上熔滴金属的蒸发强度和降低熔化金属的表面压力，可以降低脉冲临界电流值。若混合气体中含有CO₂或O₂超过5%（体积分数）时，随着混合气体中CO₂和O₂含量的增加，电弧电场强度增加，使阳极斑点难于上爬，电弧的弧根集中于熔滴下部，可使脉冲射流过渡的临界电流值明显增加。有时电弧空间有很大的熔滴，熔滴在电弧中停留时间很长，在电弧高温作用下，熔滴进行冶金反应容易产生CO气体，使熔滴充气爆破并有一定的飞溅。尽管如此，当氩气中含有CO₂气体小于25%（体积分数）时，还可以实现可控的射流过渡。若含有CO₂气体较多或用纯CO₂气体进行脉冲焊时，由于电弧电场强度较高，电弧弧根在熔滴下部，在斑点压力的作用下熔滴上翘，加脉冲电流时并不能改变熔滴过渡的行为。熔滴过渡时有较大的飞溅，不能实现可控的射流过渡，得不到理想的结果。但当加的脉冲电流幅值特别大时，即使在纯CO₂保护焊中，也可以控制熔滴过渡，这一问题当前正在进行研究之中。(www.xing528.com)

焊丝材料不同，对临界电流值有很大的影响，通常熔点和沸点低的材料，射流过渡临界电流值较低。如铝焊丝的临界脉冲电流曲线比钢焊丝的低一些，如图6-26所示。

焊丝的伸出长度越大，由于其电阻预热作用，可以降低脉冲临界电流值。尤其对电阻率大的焊丝（如不锈钢），焊丝伸出长度的影响更为明显，而对电阻率小的铝焊丝，焊丝伸出长度的影响却很小。

焊丝直径对脉冲临界电流的影响如图6-27所示。当脉冲持续时间相同时，随着焊丝直径的增加，脉冲临界电流值增加。因为形成与焊丝直径大致相等的熔滴并使其脱落所需的能量与焊丝粗细有关，焊丝越粗，所需的能量越大。对不同直径的焊丝脉冲时间对脉冲临界电流值的影响，也有类似的规律。随着脉冲持续时间减少，脉冲临界电流增加。

图6-26 不同焊丝的脉冲临界电流值

图6-27 焊丝直径对脉冲临界电流的影响

1、1.5、2、3、4、5为脉冲时间tp