MPM焊接飞溅的影响因素及其防止措施

邱瑞斌

（华西能源工业股份有限公司，四川 自贡 643000）

0 前言

焊接飞溅的特点主要表现为：高温铁熔液以点滴状、线段状的形式向外飞溅而出。焊接飞溅的危害主要表现为：烧（烫）伤焊工的皮肤；引起火灾；飞溅物落到焊缝周围母材的表面，降低表面质量；焊后若不及时清理，会吸收空气中的水分、附着尘土等，

膜式水冷壁管屏自动焊（以下简称MPM焊）一种高效率、低成本的焊接技术，它以CO2作为保护气体（有时采用CO2+Ar的混合气体）进行焊接，可同时焊接12条或更多的焊缝，具有适用范围广、抗腐蚀能力强、便于监控、且适用于大电流焊接等特点。采用该技术大大提高了焊接质量和生产效率（比焊条电弧焊高10~15倍，比半自动CO2气体保护焊高2~3倍），降低了成本和劳动强度，改善了劳动条件。因此MPM焊在推广应用中，创造了良好的经济效益和社会效益。尽管MPM焊优点众多，但其焊接过程存在的飞溅大、易产生气孔等缺点限制了MPM焊的进一步推广应用。

1 焊接飞溅的特点和危害

加快金属腐蚀；带走部分金属和能量，造成金属材料和能源浪费；焊后清理工作量加大[1]。

2MPM焊产生飞溅的原因

MPM焊采用短路过渡时，飞溅总是发生在短路小桥破断的瞬间。飞溅的大小决定于焊接条件，它常常在很大范围内改变。一般认为飞溅是短路小桥电爆炸的结果。当熔滴与熔池接触时，熔滴成为焊丝与熔池的连接桥梁，所以称为液体小桥，并通过该小桥使电路短路。短路之后电流逐渐增加，小桥处的液体金属在电磁收缩力的作用下急剧收缩，形成很细的缩颈。随着电流的增加和缩颈的减小，小桥处的电流密度很快增加，对小桥急剧加热，造成过剩能量的积聚，最后导致小桥发生气化爆炸，同时引起金属飞溅。可见，要想杜绝MPM焊时的飞溅是不可能的，所以如何减少飞溅是值得研究的问题。

2.1 焊接材料的因素引起的焊接飞溅

焊丝含碳量过高，在焊接过程中会因氧化还原作用剧烈而引起较大的飞溅，并产生气孔。

目前国内的CO2气保焊焊丝多采用镀铜作为保护层，并以化学镀为主。化学镀层结合强度低、镀铜层不均匀、易掉铜屑，且镀铜层易生锈、保存时间短。国内焊丝锈蚀主要是基体与镀铜层界面生锈。

2.2 保护气体的因素引起的焊接飞溅

由于CO2气体的氧化性，生成的CO不能及时逸出熔池，使熔池、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。为了减少飞溅的产生，可以采用（Ar+CO2）混合气体代替纯CO2气体，如加入20%~30%的氩气。由于随着含氩量的增加，电弧形态和熔滴过渡特点发生了改变，燃弧时电弧的弧根扩展，熔滴的轴向性增强。一方面使得短路小桥出现在焊丝和熔池之间，熔滴容易与熔池汇合；另一方面，熔滴在轴向力的作用下，得到较均匀的短路过渡过程，短路峰值电流也不高，有利于减少飞溅率。

2.3 焊丝伸出长度引起的焊接飞溅

MPM焊时，焊丝伸出长度增加，焊丝上电阻增加，熔化速度增加快、生产率提高。但过大时，会发生焊丝过热，使焊丝成段熔断、造成飞溅，破坏焊接过程的稳定性，并使气体保护效果下降；伸出长度过小时，不但会阻挡焊工的视线，而且喷嘴易堵塞，同样会破坏过程稳定和降低气体保护效果。通常焊丝伸出长度以10~12倍焊丝直径为宜，一般都在10~20 mm，焊接过程中应尽可能维持焊丝伸出长度不变。另外，施焊时在不影响焊工操作视线的情况下，应尽可能采用短弧焊接，一般焊丝与熔池的距离（即电弧的长度）为2~8 mm。电弧过长，增大了喷嘴与焊件之间的距离，保护效果变差，易产生气孔；电弧过短，焊丝与母材易碰撞发生短路，飞溅过大，焊接无法正常进行。

2.4 由极点压力引起的焊接飞溅

熔滴在极点压力的作用下很容易形成飞溅。MPM焊采用直流正接时，熔滴会受到正离子的压力（也可以说是冲击力），这一压力比反接时大得多，此时熔滴变得粗大，飞溅明显增加。

2.5 熔滴过渡方式引起的飞溅[2]

进行短路过渡焊接时，短路电流增长速度过小，发生大颗粒飞溅，甚至焊丝大段爆断而使电弧熄灭；短路电流增长速度过大，则产生大量小颗粒金属飞溅。为了调节短路电流增长速度，焊接回路中须串接一定数值的电感。目前市场上的一些整流焊机都能够很好的控制这点。

2.6 弧焊电源动特性引起的飞溅

弧焊电源的动特性是指负载状态发生突然变化时，电流响应的过渡过程。对于MPM焊短路过渡来说，由于存在金属熔滴短路过渡，使负载状态常在燃弧和短路之间切换。而且，从燃弧到短路以及从短路到燃弧的过渡过程对焊接飞溅影响明显。焊机的动特性直接影响焊接的飞溅量，因为焊机的动态响应快慢影响短路电流的增长率和峰值。如果动态响应速度太快，短路电流增长速度较快，峰值电流也高，很容易在短路液桥形成之前就引起爆断和飞溅，这种飞溅的特点是频率较高的小颗粒飞溅；如果动态响应速度太慢，短路电流增长速度较慢，峰值电流也低，电流的收缩力不足以保证短路液桥顺利过渡，短路电流继续增长，当短路电流能量积累到较大时，短路液桥爆断并引起飞溅，这种飞溅的特点是频率较低，颗粒较大[3]。

2.7 引起飞溅的其他原因

（1）焊接区域有油、锈、水分等污染会导致较大的飞溅。

（2）导电嘴与焊丝不匹配或导电嘴磨损严重时，会导致电弧不稳定，焊接飞溅加大。施焊前应注意检查导电嘴与焊丝是否匹配；导电嘴磨损严重时，及时更换导电嘴。

（3）送丝不均匀导致焊接电弧无法稳定，使焊接飞溅加剧。此时应对送丝机构进行检查，如送丝滚轮的压紧度、送丝软管是否被堵塞或存在急弯现象等。另外，通过改进送丝系统，采用脉冲送丝代替常规的等速送丝，使熔滴在脉动送进的情况下与熔池发生短路，使短路过渡频率与脉动送丝的频率基本一致，每个短路周期的电参数的重复性好，短路峰值电流均匀一致，其数值也不高，从而降低飞溅。

3 减少MPM焊接飞溅的措施

3.1 正确选择工艺参数

（1）焊接电流和电压。

在CO2电弧中，对于每种直径的焊丝，其飞溅率和焊接电流之间都存在一定的规律。在小电流区域（短路过渡区域）飞溅率较小，进入大电流区域后（细颗粒过渡区域）飞溅率也较小，而中间区的飞溅率最大。电流小于150 A或大于300 A时飞溅率都较小，介于两者之间的飞溅率较大[4]。

在选择焊接电流时，尽可能避开飞溅率高的电流区域。电流确定后再匹配适当的电压，以确保飞溅率最小，MPM焊采用直流反接有利于减少飞溅。

（2）焊枪角度。

焊枪垂直时飞溅量最小，倾斜角度越大，飞溅越多。焊枪前倾或后倾最好不要超过20°。

（3）焊丝伸出长度。

焊丝伸出长度对飞溅也有影响。焊丝伸出长度要适当，通常焊丝伸出长度以10~12倍焊丝直径为宜，一般都在10~20 mm，焊接过程中应尽可能维持焊丝伸出长度不变。电弧过长，增大了喷嘴与焊件之间的距离，保护效果变差，易产生气孔。电弧过短，焊丝与母材易碰撞发生短路，飞溅过大，焊接无法正常进行。

（4）电源外特性。

MPM焊的弧焊电源应具有适当的动特性。

3.2 选用合适的焊丝材料和保护气体成分

（1）尽可能选用含碳量低的钢焊丝，以减小焊接过程中生成的CO气体。实践表明，当焊丝中含碳量降低到0.04%时，可大大减少飞溅。

（2）采用管状焊丝进行焊接。由于管状焊丝的药芯中含有脱氧剂、稳弧剂等造成气-渣联合保护，使焊接过程中非常稳定，飞溅可明显减小。

3.3 在长弧焊时采用CO2混合气作保护气

虽然通过合理选择规范参数以及采用潜弧方法等可降低飞溅率，但飞溅量仍然较大。在CO2气体中加入一定数量的Ar气，是减少颗粒过渡焊金属飞溅最有效的方法。

在CO2气体中加入Ar气后，改变了纯CO2气体的物理性质和化学性质。随着Ar气比例增大，飞溅逐渐减少。CO2+Ar混合气体不仅克服了飞溅，也改善了焊缝成型，对焊缝溶深、焊缝高度和余高都有影响[5]。

当φ（Ar）=60%时可明显减小过渡熔滴尺寸，甚至得到喷射过渡，改善了熔滴过渡特性，减小金属飞溅。

3.4 短路过渡焊接时限制金属液桥爆断能量

在短路过渡焊接时，合理选择焊接电源特性并匹配合适的可调电流，当采用不同直径的焊丝焊接时均可调得合适的短路电流增长速度。

3.5 采用低飞溅率焊丝

（1）对于实芯焊丝，在保证机械性能的前提下，尽可能降低其中含碳量，并添加适量的钛、铝等合金元素。无论颗粒过渡焊接或短路过渡焊接都可显著减少由CO等气体引起的飞溅[6]。

（2）采用以 Cs2CO3、K2CO3等物质活化处理过的焊丝，进行正极性焊接。

（3）采用药芯焊丝。采用药芯焊丝的金属飞溅率约为实芯焊丝的1/3。

4 结论

MPM焊时产生飞溅的因素是多方面的。为了减少飞溅的产生，除选择合适的焊接工艺参数、性能优良的焊机及过硬的操作技能外，在焊接过程中应注意观察，积极分析飞溅产生的原因，遵循本研究提及的几点措施，便能有效地控制飞溅缺陷，提高焊缝一次合格率，获得满意的焊接质量。

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[1]段元波.基于DSP的CO2焊接飞溅控制系统研制[J].电焊机，2012，42（9）：51-53.

[3]刘卫民.我国CO2焊机30年发展概述[J].电焊机，2001，31（1）：37-39.

[4]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]刘云龙.CO2气体保护焊技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[6]黄幼仙.GMAW无镀铜实芯焊接及其应用[J].电焊机，2012，42（10）：71-72.

[5]吴树雄.焊丝选用指南[M].北京：化学工业出版社，2002.