熔化极气体保护焊(GMAW)已经成为工业各领域不可或缺的焊接工艺方法。熔滴过渡形态对焊接工艺质量和稳定性有重要影响。使用Ar或Ar+20%CO2混合气体，在大电流下可以获得熔滴的喷射过渡形态，但采用纯CO2保护气体时，即使在大电流下也不会发生喷射过渡[1-2]。然而，文献[3]报道了一种添加稀土金属焊丝、直流正接(DCEN)CO2保护气体焊接时获得了喷射过渡形态。为了提高对熔滴过渡现象的控制，有必要进一步阐明GMAW中的熔滴过渡现象，包括焊丝与电弧等离子体之间的相互作用。建立数值模型将焊丝尖端金属蒸气与电弧等离子体性质相联系，成为研究GMAW的强大工具。文献[4]报道，可以通过控制金属蒸气的电导率来调节熔滴过渡现象，从而获得纯CO2保护气体时的喷射过渡。考虑到电弧中金属蒸气对电弧特性的重要影响以及与熔滴过渡形态之间关系的复杂性[5]，继续探索电弧等离子体电导率的未知规律，对于推动该项新技术的工程应用仍然是迫切的。为此，论文从典型研究案例入手，以相关数值模拟或试验研究文献结果为分析对象，将电弧中金属蒸气特性与电弧等离子体中心的电导率相联系，探讨电弧中金属蒸气改变熔滴过渡形态的机理，分析电弧中蒸气电导率的影响因素。该项工作对于进一步揭示电弧中金属蒸气与熔滴过渡形态间的关系、推动相关理论发展、促进工程应用，具有一定参考价值和研究意义。
1 金属蒸气参数与GMAW熔滴过渡形态关系
1.1 涉及电弧金属蒸气与GMAW熔滴过渡形态关系的研究实例
表1列出了5个涉及电弧金属蒸气与GMAW熔滴过渡形态关系的研究实例。第1例是采用数值模拟探讨保护气体和金属蒸气中心电导率对GMAW熔滴过渡现象的影响。结果表明，可以通过控制金属蒸气的电导率来调节熔滴过渡现象。第2例使用获得的图像，测量弧长并讨论弧长和电弧电压之间的关系。结果表明，对于低电流值，测量的焊接电压随着电弧长度的增加而增加；然而，对于高电流值，即使测量的电弧长度变短，电弧电压也会增加。认为，高焊接电流值时电弧电压的增加是由于焊丝蒸发的增加降低了等离子体温度，从而降低了电弧等离子体的电导率。第3例将试验和数值方法结合起来讨论了金属蒸气对GMAW工艺喷射过渡和脉冲焊熔滴过渡形态的影响。结果表明，变化的气化率不仅对电弧特性而且对填充焊丝处电弧的附着有很大影响。在许多情况下，电弧区域中的金属蒸气浓度对电弧特性和熔滴过渡的影响比不同的保护气体成分(如氧气、氢气或氦气)更大。第4例介绍了金属蒸气影响的熔化极气体保护焊(GMAW)中氩弧等离子体的计算模型。证实了温度和电流密度的径向分布中中心最小值出现。结果表明，中心最小值是金属蒸气强烈辐射发射的结果。发现金属蒸气的其他影响，例如来自焊丝的相对冷蒸气气流和对增加电导率的影响不太显著。第5例探讨了金属蒸气对GMAW电弧温度的影响。结果表明，金属蒸气对电弧等离子体有两个强烈影响：1)整个电弧的温度降低，2)在电弧轴附近形成局部温度最小值。检验了与薄铝板焊接相关的参数。对于采用较高电流的焊接，增加的辐射发射会导致距离焊丝较远处的局部温度最低。
表1 涉及金属蒸气与GMAW熔滴过渡形态关系的研究实例的工艺参数及项目要点
Table 1 Process parameters and project points of research examples involving the relationship between metal vapor and GMAW droplet transfer mode
实例序号钢材牌号板厚/mm接头类型焊接(研究)方法焊丝牌号/型号焊丝直径φ/mm焊接电流I/A电弧电压U/V气体流量Q/(L·min-1)1[4]低碳钢5平板堆焊数值模拟GMAW低碳钢1.2220～300--2[6]1020钢(相当于20号钢)9.5平板堆焊脉冲GMAWA5.18ER70S-61.2基值50脉冲400,530变化的弧压18.93[7]S235 JG2-平板堆焊数值模拟+试验研究G3Si11.2脉冲420,基值50平均125变化的弧压-4[8]---模拟、计算-1.2100、250、400变化的弧压-5[9]AA5754铝合金3平板堆焊模拟(一个脉冲过渡一个熔滴)AA5754铝合金1.295变化的弧压-实例序号/文献焊丝干伸长Le/mm保护气体类型电源极性项目要点1[4]15ArAr+10%CO2Ar+20%CO2Ar+30%CO2CO2直流反接(DCEP)研究了保护气体对电弧等离子体和熔滴过渡行为影响,并讨论了金属蒸气电导率的影响。结果表明,采用Ar气在240 A以上的电弧电流下发生喷射过渡,采用CO2气即使在300 A的电弧电流下过渡形态也呈滴状。计算结果表明,靠近焊丝尖端的导电通路严格决定了熔滴的行为。使用Ar气体,导电通路扩展,覆盖熔化焊丝,而使用CO2气体,导电通路被集中在熔化焊丝的底部。进行了使用虚拟金属蒸气的数值试验,在低电导率虚拟蒸气混入电弧等离子体时,即使使用CO2气体,金属蒸气的导电性也很低,因此导电通路不会集中在熔丝底部,从而允许喷射过渡。数值结果表明,可以通过控制金属蒸气的电导率来调节熔滴过渡现象。2[6]2085%Ar+15%CO2直流反接(DCEP)研究了用于GMAW中电弧、熔滴过渡和熔池的高速成像的相机设置。使用获得的图像,测量弧长并讨论弧长和电弧电压之间的关系。结果表明,对于低电流值,测量的焊接电压随着电弧长度的增加而增加; 然而,对于高电流值,即使测量的电弧长度变短,电弧电压也会增加。认为,高焊接电流值时电弧电压的增加是由于焊丝蒸发的增加降低了等离子体温度,从而降低了电弧等离子体的电导率。3[7]15Ar直流反接(DCEP)讨论了金属蒸气对GMAW 工艺喷射过渡和脉冲焊熔滴过渡形态的影响。鉴于该过程的高度复杂性,为了以合理的数值和试验努力获得高水平的表达能力,以有针对性的方式将试验和数值方法结合起来。结果表明,变化的气化率不仅对电弧特性而且对填充焊丝处电弧的附着有很大影响。在许多情况下,电弧区域中的金属蒸气浓度对电弧特性和熔滴过渡的影响比不同的保护气体成分(如氧气、氢气或氦气)更大。4[8]-Ar-介绍了包括来自焊丝的金属蒸气影响的熔化极气体保护焊(GMAW) 中氩弧等离子体的计算模型。证实了温度和电流密度的径向分布中中心最小值出现。结果表明,中心最小值是金属蒸气强烈辐射发射的结果。发现金属蒸气的其他影响,例如来自焊丝的相对冷蒸气气流和增加电导率(的影响)不太显著。5[9]-Ar直流反接(DCEP)GMAW中金属蒸气的存在已被证明对电弧等离子体有两个强烈影响:1) 整个电弧的温度降低,2) 在电弧轴附近形成局部温度最小值。基于不同的计算模型,这些影响归因于:或者是电弧等离子体中金属蒸气存在相关的辐射发射增加,或者是金属蒸气流入对电弧中对流的影响。采用考虑金属蒸气产生和传输的三维计算机模型研究并检验了与薄铝板焊接相关的参数。发现第一个效应(整个电弧的温度降低)是由于辐射发射增加和金属蒸气流入对流动的影响。第二个效应(正在焊丝下方发生的局部温度最小值这种情况)是焊丝产生的铝蒸气对电弧中流动影响的结果。表明对于具有较高电弧电流钢的焊接,增加的辐射发射会导致距离焊丝较远处的局部温度最低。
1.2 金属蒸气参数与GMAW熔滴过渡形态关系
表2为模拟计算出的保护气体与金属蒸气参数(中心区电导率、电流密度分布)和熔滴过渡形态的关系(焊丝直径1.2 mm、焊接电流300 A).可以看出：1)采用Ar保护气体时，等离子体中心区电导率变低，4 000 S/m左右，电流密度最大值4.1×107A/m2，分布在熔滴和固态焊丝附近，导电通路在悬垂熔滴附近向上扩展(爬升)，预期的熔滴过渡形态为喷射过渡，如图1(a)[4]所示；2)采用CO2保护气体时，最高电导率(7 540 S/m)区域集中在熔滴最下方，最大电流密度(9.9×107A/m2)也集中在熔滴底部边缘，导电通路集中在悬垂熔滴的底部边缘，预期的熔滴过渡形态为滴状过渡，如图1(c)[4]所示；3)采用Ar+20%CO2混合气体时，等离子体中心区电导率居中(6 000 S/m左右，最大6 380 S/m)，电流密度最大值6.9×107A/m2，分布介于Ar和CO2之间，导电通路在悬垂熔滴附近向上扩展(爬升幅度小于纯Ar)，预期的熔滴过渡形态为喷射过渡，如图1(b)[4]所示。
表2 保护气体与铁蒸气电导率和熔滴过渡形态间的关系[4]
Table 2 Relationship between shielding gas and iron vapor conductivity and droplet transfer mode
保护气体中心区电导率σ/(S·m-1)电流密度分布J/(A·m-2)导电通路(阳极斑点部位)预期的熔滴过渡形态Ar较低,4 000左右,(图1(a))最大4.1×107,分布在熔滴和固态焊丝附近,且向上爬升(图1(a))导电通路在悬垂熔滴附近向上扩展(爬升)(图1(a))喷射过渡(射流)CO2较高,8 000左右,最大7 540(图1(c))最大9.9×107,集中在熔滴底部边缘(图1(c))导电通路集中在悬垂熔滴的底部边缘(图1(c))滴状过渡Ar+20%CO2混合气居中,6 000左右,最大6 380(图1(b))最大6.9×107,分布介于Ar和CO2之间(图1(b))导电通路在悬垂熔滴附近向上扩展(爬升幅度小于纯Ar)(图1(b))喷射过渡(射滴)
2 金属蒸气改变熔滴过渡形态的机理
2.1 金属蒸气与等离子体中心电导率的关系
表3[4]列出了GMAW中虚拟金属蒸气与等离子体中心电导率的关系。图2为金属蒸气电导率对电弧等离子体电流密度分布的影响[4]。图3为焊丝金属蒸气电导率对熔滴和电弧等离子体行为的影响[4]。可以看出，采用Ar保护气体时，当低电导率的虚拟金属蒸气混入电弧等离子体时，电弧等离子体中心的电导率变低(低于4 000 S/m)，熔滴附近的导电通路向上扩展(爬升)，最大电流密度(4.8×107A/m2)位于熔滴一侧(图2(a))，熔滴过渡形态为射流喷射过渡(图3(a)[4])；当使用高电导率的虚拟金属蒸气混入电弧等离子体时，电弧等离子体中心的电导率不低(高于4 000 S/m)，熔滴附近的导电通路向上扩展(爬升)不多，最大电流密度(4.5×107A/m2)位于熔滴底部(图2(b))，熔滴过渡形态为射滴喷射过渡(图3(b)[4])；采用CO2保护气体时，当低电导率的虚拟金属蒸气混入电弧等离子体时，电弧等离子体的中心具有低电导率(约为2 000 S/m)，导电通路因此向上扩展(爬升)，最大电流密度(5.1×107A/m2)不会集中在悬垂熔滴的底部边缘(图4(a)[4])，熔滴过渡形态为射滴型喷射过渡；当高电导率的虚拟金属蒸气混入电弧等离子体时，电弧等离子体的中心具有高电导率(大于5 000 S/m)，导电通路集中在悬垂熔滴的底部，最大电流密度(8.1×107A/m2)集中在悬垂熔滴的底部边缘(图4(b)[4])，熔滴过渡形态为滴状过渡。
表3 进入不同保护气体GMAW电弧等离子体中心的不同电导率的虚拟蒸气对熔滴过渡形态的影响
Table 3 Effects of pseudo metal vapor with different conductivity entering arc plasma center in GMAW with different shielding gases on droplet transfer modes
保护气体中心区电导率σ导电通路电流密度J熔滴过渡形态Ar当低电导率的虚拟金属蒸气混入电弧等离子体时,电弧等离子体中心的电导率变低,低于4 000 S/m(图2(a))熔滴附近的导电通路向上扩展(爬升)(图2(a))最大电流密度(4.8×107 A/m2)位于熔滴一侧,如图2(a)所示射流喷射过渡(图3(a))当使用高电导率的虚拟金属蒸气混入电弧等离子体时,电弧等离子体中心的电导率不低,高于4 000 S/m(图2(b))熔滴附近的导电通路向上扩展(爬升)不多(图2(b))最大电流密度(4.5×107 A/m2)位于熔滴底部,如图2(b)所示射滴喷射过渡(图3(b))CO2当低电导率的虚拟金属蒸气混入电弧等离子体时,电弧等离子体的中心具有低电导率,约为2 000 S/m(图4(a))导电通路向上扩展(爬升)(图4(a))最大电流密度(5.1×107 A/m2)不会集中在悬垂熔滴的底部边缘(图4(a))射滴型喷射过渡当高电导率的虚拟金属蒸气混入电弧等离子体时,电弧等离子体的中心具有高电导率,大于5 000 S/m(图4(b))导电通路集中在悬垂熔滴的底部(图4(b))最大电流密度(8.1×107 A/m2)集中在悬垂熔滴的底部边缘(图4(b))滴状过渡
(电弧电流：300 A；熔滴温度：3 000 K)(计算所得)图1 保护气体对铁蒸气电导率和电流密度分布的影响[4]
Fig.1 Infuence of shielding gas on electrical conductivity and current density distribution with iron vapor
保护气体：Ar；电弧电流：300 A；熔滴温度：3 000 K；E.C.：电导率
图2 金属蒸气电导率对电弧等离子体电流密度分布的影响[4]
Fig.2 Infuence of electrical conductivity of metal vapor on the current density distribution in arc plasma
2.2 金属蒸气改变熔滴过渡形态的机理
金属蒸气改变导电通路的机理分析见表4.图5是作用在熔滴上的力的示意图[10]。图6是熔滴温度对电弧等离子体温度的影响[4]。
图5 作用在熔滴上的力[10]
Fig.5 Forces acting on droplet
从表4可以看出，无论采用哪种保护气体，Fe蒸气混入电弧等离子体均使其温度降低(金属蒸气强烈辐射发射和金属蒸气流入对流动的影响[9]).然而电弧等离子体中心的电导率大小却不同，CO2为保护气时电弧等离子体中心的电导率高，Ar或Ar+20%CO2为保护气时电弧等离子体中心的电导率低。因此导致电弧中导电通路部位不同：CO2为保护气时导电通路位于熔滴底部边缘，而Ar或Ar+20%CO2为保护气时导电通路扩展向上爬升。这样作用在熔滴上的主导力发生变化：前者(CO2为保护气)电磁力和斑点压力方向向上，阻碍熔滴过渡，熔滴呈滴状过渡形态；后者(Ar或Ar+20%CO2为保护气)电磁力和斑点压力方向向下，促使熔滴过渡，熔滴呈喷射过渡形态。
保护气体：Ar；电弧电流：300 A
图3 焊丝金属蒸气电导率对熔滴和电弧等离子体行为的影响[4]
Fig.3 Infuence of electrical conductivity of metal vapor from wire electrode on droplet and arc plasma behavior
保护气体：CO2；电弧电流：300 A；熔滴温度：3 000 K；E.C.：电导率
图4 金属蒸气电导率对电弧等离子体电流密度分布的影响
Fig.4 Infuence of electrical conductivity of metal vapor on the current density distribution in arc plasma
表4 金属蒸气改变导电通路机理
Table 4 Mechanism of metal vapor changing current path
保护气体电弧等离子体温度电弧等离子体最高温度部位电弧等离子体中心电导率导电通路部位(阳极斑点部位)熔滴上主导作用力及方向熔滴过渡形态CO2铁蒸气混入电弧等离子体,使其整体温度降低[4,9]最高温度(15 900 K)位于焊丝尖端正下方(图6(b)-ⅲ)高的电导率区域(7 540 S/m)被集中在电弧等离子体中心(图1(c))导电通路集中在悬垂熔滴的底部边缘①电磁力,向上②斑点压力,向上滴状过渡Ar铁蒸气混入电弧等离子体,使其整体温度降低[4,9]最高温度(13 200 K)位于焊丝尖端一侧(图6(b)-ⅰ)低的电导率区域(6 000 S/m)被集中在电弧等离子体中心(图1(a))导电通路在悬垂熔滴附近向上扩展(爬升)①电磁力,向下②斑点压力,向下喷射过渡Ar+CO2铁蒸气混入电弧等离子体,使其整体温度降低,介于Ar和CO2之间[4,9]最高温度(12 800 K)位于焊丝尖端一侧(图6(b)-ⅱ)低的电导率区域(6 380 S/m)被集中在电弧等离子体中心导电通路在悬垂熔滴附近向上扩展(爬升)①电磁力,向下②斑点压力,向下喷射过渡
可以从以下3方面分析金属蒸气改变GMAW熔滴过渡形态机理。
1)电弧氛围的变化。金属蒸气(Fe)混入电弧等离子体，降低了电弧等离子体中心的电导率，有利于焊丝端头阳极斑点面积扩展[11]，即，使电弧爬升到熔滴上方(图1(a))，于是满足了GMAW喷射过渡形成3要素之保护气体氛围条件[12]。不难看出，金属蒸气的混入，完全改变了电弧的氛围。有文献[7]认为，电弧区域中的金属蒸气浓度对电弧特性和熔滴过渡的影响比不同的保护气体成分(如氧气、氢气或氦气)更大。
2)作用在熔滴上力的变化。由于金属蒸气混入等离子体，电弧氛围发生了质的变化，作用在熔滴上的力的变化及熔滴过渡形成条件如表5、表6所示。可以看出，在Ar或Ar+20%CO2，以及具有低电导率金属蒸气CO2保护气条件下，除了熔滴的表面张力Fσ和气体排斥力Fq是熔滴过渡的阻力之外，其余的如电磁力Fem、等离子流力Fd、斑点压力Fb，甚至熔滴重力Fg均为熔滴过渡的驱动力。满足了电磁力作用方向向下条件[12]。
电弧电流：300 A
图6 熔滴温度对电弧等离子体温度的影响[4]
Fig.6 Infuence of droplet temperature on temperature of arc plasma
表5 使用CO2、Ar及具有低电导率金属蒸气的CO2气体保护焊接时作用在熔滴上力的变化
Table 5 Changes in the force acting on the droplet when using CO2,Ar,and CO2gas shielded welding with metal vapor with low conductivity
作用力GMAW(CO2)力的方向力的大小熔滴轴向性GMAW(Ar)力的方向力的大小熔滴轴向性GMAW(低电导率金属蒸气CO2)力的方向力的大小熔滴轴向性重力Fg向下较小较弱向下较小较弱向下较小较弱电磁力Fem向上较大非轴向向下较大有利轴向向下较大有利轴向等离子流力Fd向下较小较弱向下较小有利轴向向下较小有利轴向表面张力Fσ向上较大非轴向向上减弱(温度高)较弱向上减弱(温度高)较弱斑点压力Fb向上很大严重非轴向总体向下明显减小有利轴向总体向下明显减小有利轴向气体排斥力Fq向上较大非轴向向上明显减小较弱向上明显减小较弱
表6 3种保护气体GMAW熔滴过渡形成的力学条件
Table 6 Mechanical conditions of droplet transfer formation when three kinds of shielding gas GMAW are used
焊接方法作用在熔滴上的力(见图5[10])促进熔滴过渡的力阻碍熔滴过渡的力力学条件状态熔滴过渡的非轴向倾向熔滴过渡形态CO2保护气GMAWFg+FdFσ+Fem+Fb+FqFσ+Fem+Fb+Fq>Fg+Fd严重①弧压高时为大滴状非轴向排斥过渡;②弧压低时为短路过渡Ar保护气GMAWFg+Fem+Fd+FbFσ+FqFg+Fem+Fd+Fb>Fσ+Fq消除当电流等于或大于转变电流及适当弧压时为喷射过渡低电导率金属蒸气CO2保护气GMAWFg+Fem+Fd+FbFσ+FqFg+Fem+Fd+Fb>Fσ+Fq消除当电流等于或大于转变电流及适当弧压时为喷射过渡
3)转变电流。由于低电导率金属蒸气致使电弧中的导电通路爬升，作用在熔滴上的主导力呈现有利熔滴过渡方向，熔滴被细化；随焊接电流增大，必然会出现熔滴直径小于焊丝直径的“转变电流”。满足了实现喷射过渡所需的存在转变电流的条件[12]。
3 电弧中金属蒸气电导率的影响因素
3.1 保护气体的影响
可以借助于表2采用反推法进行分析。当使用Ar保护气体时，在电弧等离子体中获得了低电导率(4 000 S/m左右)的金属蒸气，最大电流密度(4.1×107A/m2)分布在熔滴和固态焊丝附近，导电通路在悬垂熔滴附近向上扩展(爬升)，熔滴特细，过渡频率特高，熔滴呈射流喷射过渡形态。当使用CO2保护气体时，在电弧等离子体中获得了高电导率(8 000 S/m左右)的金属蒸气，最大电流密度(9.9×107A/m2)集中在熔滴底部边缘，导电通路集中在悬垂熔滴的底部边缘，熔滴粗大，过渡频率低，熔滴呈非轴向滴状过渡形态。当使用Ar+20%CO2混合保护气体时，在电弧等离子体中获得了居中电导率(6 000 S/m左右)的金属蒸气，最大电流密度(6.9×107A/m2)分布介于Ar和CO2之间，导电通路在悬垂熔滴附近向上扩展(爬升幅度小于纯Ar)，熔滴被细化，过渡频率较高，熔滴呈射滴喷射过渡形态。可以看出，保护气体类型对金属蒸气的影响，主要通过对电弧等离子体电导率数值的影响，进而影响熔滴过渡形态。Ar保护气体时电弧等离子体电导率数值较低，CO2保护气体时电弧等离子体电导率数值较高，Ar+20%CO2混合保护气体时电弧等离子体电导率数值居中，导致了不同的熔滴过渡形态。
3.2 电弧温度的影响
图7[4]是2种保护气体中不同浓度Fe蒸气时电导率随温度变化的关系。可以看出，无论在Ar还是CO2保护气体中，Fe蒸气电导率随温度升高的2条曲线变化基本一致，Ar+10%Fe和CO2+10%Fe蒸气的电导率随温度升高的2条曲线亦是单调上升趋势。也就是说，Fe蒸气电导率随温度升高的特性不因保护气体种类而变化。这是由于电弧温度升高Fe蒸气电离度增大所致[13]。另一方面，随电弧温度的提高，金属蒸气的蒸发率增大，蒸发辐射发射增加和金属蒸气流入对流动的影响，不仅导致整个电弧温度降低，而且导致等离子体中心局部温度出现最小值[9]，致使等离子体中心电导率降低，导电通路在悬垂熔滴附近向上扩展(爬升)。最终电弧温度的提升有利于熔滴过渡形态改善。
图7 不同Fe蒸气浓度时电导率与温度的关系
Fig.7 Relationship between electrical conductivity and temperature with different Fe vapor concentration
一种采用纯CO2保护气体的所谓潜弧熔化极气体保护焊(BA-GMAW)见图8[14]、图9[15]，该方法就是利用大电流下潜入熔池内的电弧温度升高，焊丝尖端Fe蒸气蒸发率增大，致使电弧等离子体中心电导率下降，进而导致电弧导电通路部位扩展(爬升)，熔滴细化，实现喷射过渡的典型案例。
图8 明弧焊接与潜弧焊接的区别
Fig.8 Difference between open arc welding and welding with “buried arc”
图9 潜入熔池电弧的剖面图
Fig.9 Sectional image of arc buried into molten pool
3.3 焊丝化学成分的影响
GMAW焊丝中主要元素的电离电位见表7[12].铁基GMAW实心焊丝化学成分中Fe含量较药芯焊丝中加入低电离电位元素K、Na以后，由于K、Na元素低的电离电位，使得电弧中电离度增大进而使等离子体中的电导率增大。然而，有文献指出[16]，Fe蒸气的辐射发射很强烈，降低了电弧温度，减弱了K、Na增大电离度致使电导率提升的作用及影响。文献[17]采用在φ1.2 mm的YGW-11基础上添加稀土金属(ERM)的实心焊丝，研究了不同极性与焊丝组合下，100 A和300 A电流时的电弧行为。图10[17]是不同极性/焊丝组合的电弧和熔滴行为的比较。可以看出，1)在W0(ERM为0)焊丝焊接中，直流反接(DCEP)100 A下，呈短路过渡形态(弧长很短，电弧电压低，极易发生短路过渡)；在300 A下呈滴状过渡形态；直流正接(DCEN)100 A和300 A，熔滴受到电弧力排斥剧烈波动，熔滴粗大，为焊丝直径的3倍。2)W5焊丝(含质量分数0.33‰ ERM)焊接中，直流正接(DCEN)100 A时，虽然熔滴粗大，但电弧集中在熔滴下部，抑制了熔滴摇摆；300 A电流时，形成了以焊丝尖端为顶的圆锥形电弧，熔滴呈轴向过渡，熔滴尺寸被细化到1.2 mm左右。
图10 不同极性/焊丝组合的电弧和熔滴行为的比较
Fig.10 Comparison of arc and droplet behavior with various polarity/wire combinations
表7 GMAW焊丝中主要元素的电离电位
Table 7 Ionization potential of main elements in welding wire for GMAW
元素电离电位/VC11.12Si8.12元素电离电位/VMn7.41Cr7.7元素电离电位/VNi7.6Mo7.4元素电离电位/VFe7.9K4.3元素电离电位/VNa5.1Al5.96
高，其余元素如Si、Mn、Cr、Ni、Mo的电离电位差距不大，其金属蒸气的电导率与Fe比较接近，从成分上看不出对电弧等离子体电导率有大的影响。但是图11[17]是2种实心焊丝(W0和W5)在CO2气体保护焊接中的电弧现象原理示意。表8是2种焊丝在CO2气体保护焊接中熔滴过渡的力学条件比较。可以看出，1)采用W0焊丝、直流反接(DCEP)焊接时，阻碍熔滴过渡的力大于促进熔滴过渡的力，电弧等离子体呈圆柱形；由于电弧等离子体中心电导率高，电弧的导电通路位于焊丝底部，熔滴粗大，呈非轴向排斥过渡形态。2)采用W5焊丝、直流正接(DCEN)焊接时，促进熔滴过渡的力大于阻碍熔滴过渡的力，电弧等离子体呈锥形，电弧的导电通路位于熔滴上方，熔滴被细化，呈连续喷射过渡形态。这是由于W5焊丝中含有ERM，这些ERM的电子逸出功比较低(约为3 V)，而且ERM容易被氧化，根据“阴极斑点粘着作用”理论[10]，阴极斑点具有自动寻找低逸出功氧化膜的倾向，阴极斑点具有自动跳向温度高、热发射性能强物质上的特性。因此，在图11(b)看到了电弧扩展、电弧导电通路爬升至熔滴上方、电弧等离子体呈现圆锥形等一系列电弧现象。
表8 2种焊丝CO2气体保护焊接中熔滴过渡的力学条件比较
Table 8 Comparison of the mechanical conditions of droplet transfer in CO2gas shielded welding with two welding wires
焊丝电源极性作用在熔滴上的力(图11)促进熔滴过渡的力阻碍熔滴过渡的力力学条件状态电弧等离子体形状导电通路部位熔滴过渡形态W0(无ERM)DCEP(直流反接)①重力Fg,②电磁力分量Fem,③等离子流力分量Fd①表面张力Fσ,②电磁力分量Fem,③等离子流力分量FdF保持力>F分离力圆柱形位于焊丝熔滴尖端底部非轴向大熔滴排斥过渡W5(含ERM)DCEN(直流正接)①重力Fg,②电磁力Fem,③等离子流力Fd①表面张力FσF分离力>F保持力锥形位于熔滴上方轴向细熔滴喷射过渡
图11 CO2气体保护电弧焊中的电弧现象原理
Fig.11 Principle of arc phenomena in CO2gas shielded arc welding
4 金属蒸气控制熔滴过渡方法及工程应用评价
数值模拟研究预测[4]，可以通过控制金属蒸气的电导率来调节熔滴过渡现象。然而，却很少看到在GMAW中被使用的报道(更不用说成功的工程应用案例了)。可能的原因是控制电弧中金属蒸气的电导率非常复杂，尚未取得突破性成果或关键性试验数据。从金属蒸气的影响因素来看，采用Ar或Ar+20%CO2保护气体时比较容易实现大电流喷射过渡；然而采用纯CO2保护气体时，几乎不可能实现大电流喷射过渡[13，18-19]。采用改变焊丝成分，虽然有焊丝中加入ERM，在CO2气体保护焊中、直流正接(DCEN)时出现了细化熔滴喷射过渡形态的案例[5，17]，但文献并未阐明CO2气体保护焊直流正接(DCEN)时含有稀土金属蒸气对形成喷射过渡的机理，而且缺乏大面积的推广应用案例。实心焊丝主要化学成分蒸气的电导率与Fe元素比较接近，无法大幅降低电弧等离子体中心的电导率；药芯焊丝中的K、Na低电离电位元素对电弧等离子体中心的电导率的影响，被Fe蒸气的影响所抑制。采用提高电弧温度的方法是值得关注的研究方向。此前文中已经提及的潜弧焊工艺，可以算是提高电弧温度，控制金属蒸气电导率来调节熔滴过渡现象的成功案例，其关键技术是必须有效控制稳弧性。此外，还可以采用双丝双弧GMAW(纯CO2保护气)，以及其他电弧(不含Ar或Ar+20%CO2保护气体)+GMAW(纯CO2保护气)复合工艺方法。通过控制金属蒸气的电导率来调节熔滴过渡现象，实现纯CO2保护气体时的喷射过渡，尚需进一步研究其中的关键技术。
5 结论
1)在大电流和相应焊接参数及不同保护气体中焊接时，电弧等离子体中心蒸气的电导率不同，致使电导通路部位各异，最终促成了不同的(射流、射滴和滴状)熔滴过渡形态。
2)金属蒸气降低了电弧等离子体中心的电导率，使电弧中电导通路扩展，作用在熔滴上的主导力方向有利熔滴过渡，完全满足了熔滴喷射过渡形成条件。
3)保护气体类型、电弧温度以及焊丝成分对金属蒸气的影响，主要取决于其对电弧等离子体电导率变化的影响。
4)通过控制金属蒸气的电导率来调节熔滴过渡现象，实现纯CO2保护气体时的喷射过渡，尚需进一步研究其中的关键技术。
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