熔化极气体保护焊熔滴过渡新分类

Steps toward a new classification of metal transfer in gas metal arc welding

走向熔化极气体保护焊（GMAW）熔滴过渡方式的新分类

关键词：

弧焊

熔化极气体保护焊（GMAW）

熔化极惰性气体保护焊（MIG）

熔化极活性气体保护焊（MAG）

熔滴过渡分类

摘要：

本文通过焊接电源的进步和焊接技术的发展回顾了熔滴过渡方式的改变。深入分析了现在对于熔化极气体保护焊熔滴过渡方式的分类，同时详细描述了相关的现象以及具有建设性的改进，使得对弧焊的理论理解和实际操作更容易。在本文中，回顾了弧焊的基本概念，也进行了一些基本概念的定义和重新定义，例如：基本过渡方式、自然的与可控的过渡方式、混合方式与组合方式、粗滴过渡与喷射过渡。无论是从基本概念（过渡的物理本质）还是从焊接技术方面（焊接参数的变化）来看，过渡方式的新分类更简单明了，同时也没有放宽分类的逻辑性。对于所有那些涉及焊接研究、焊接工艺或是弧焊设备的专家而言，了解过渡方式以及焊接过程和焊接参数对此的影响是非常重要的。

1、引言：

机器人化和自动化的焊接需要完整的控制系统，包括基于过程模型的控制单元。建立这些模型提高了对熔融金属在电弧中过渡方式的认识，这在理论和实际上都是极其重要的，因为这会影响最终的焊接效果。

在过去的十年间，电弧中金属过渡的理论模型有着显著的实用意义，实现了灵活的工业焊接系统的一体化设计。对于所有那些涉及焊接研究、焊接工艺或是弧焊设备的专家而言，了解过渡方式以及工艺参数和焊接特性对此的影响是非常重要的。

在焊接领域有着卓越贡献是国际焊接协会（IIW）对于金属过渡方式的分类，这是由焊接物理委员会（SG212）完成的，并且在1984年由Prof. Lancaster发表。关于这个分类的第一个成就是在1976年，直到今天各种对分类的调整被认为是技术的发展和同时对这个主题的进一步认识也不断被发掘。大家一致赞成分别由Norrish和在2003年国际焊接协会年会上对此有所贡献的Ponomarev提出的举措。在过去几年间，这个问题上的争论分别由Iordachescu、Quintino两人和Iordachescu、Lucas、Ponomarev三人带到电弧焊工艺与生产系统专业委员会（IIW Commission XII）和焊接物理委员会（SG212）。

弧焊电源的提供者对于熔滴过渡的方式展现了一定的兴趣（图.1a-e）。这些是“熔滴过渡方式与电弧电压、焊接电流关系”的经典图，每个设备供应商会提供用户一个实用的工具来指导工作使用。焊接工艺和电弧观察技术的发展使得能够更清楚了解这一现象，以至于能够更详细的描述这个现象，愈加突出了更新分类的需求。

另一方面，即使有了标准化（例如：DIN standards，表.1），但是国际焊接协会对于熔滴过渡的分类法（表.2）表现得不够一致。可以明显的看到基于实际原因和改善来重新修订这个分类法是十分必要的，最终提出一个更加全面、更实用和更容易使用的新版本。

因此，本文是为了满足上述的需要而写，同时也是通过焊接电源的改进来回顾熔滴过渡方式的变化。针对行业需求变化，设备供应商不断提供创新的电弧焊接技术，例如低热输入的特种焊接。实际上，新技术不断被发明，成为了新的焊接种类，这些新的焊接通常在过渡

区采用可熔滴过渡方式。

图.1描述过渡类别的焊接电压-电流图

(a)IIW分类

(b)对于传统的焊接电源的简单的自然过渡方式

(c)组合自然过渡/可控过渡的简单图示

(d)简单过渡分类的变种

2、熔滴过渡方式的种类

自从有电弧焊接以来，熔滴过渡的主要影响因素是电弧电压和焊接电流。当增大的这两个主要技术参数的值，熔滴过渡的方式改变。这是经典的直流或交流焊电源使用时可以观察到的。但是，在过去十年中由焊接电源方面取得的进展从根本上改变熔滴过渡方式。

著名的IIW分类法是基于“自然”过渡，它是在说常规焊接电源。现在，我们很少讲自然过渡，因为不同的“控制”过渡是首选的，并在大量的焊接设备和各种焊接工艺上被使用。这些“差异”和“基本过渡”必须被指出，在分类中区分出来。

另一方面，即使在使用控制过渡时，由于供应商对电源的解决方法通常各不相同，因而也会影响传输过渡方式。这些焊接都可以说是“变体”，通过不同的技术手段得到的同一种过渡方式应该在过渡方式的同一类别中。

当然，在焊接工艺也有其特点，通常会影响过渡的类型和过渡的“变体”。即使在对一个单一工艺进行分析时，即便是控制方式下，保护气体等因素可能会显著地影响熔滴过渡。

基于在电弧焊工艺与生产系统专业委员会和焊接物理委员会提出的修订，本文提出了一个修改后的电弧焊熔滴过渡分类法。此外，提出了基本过渡方式的概念来突出新的分类法的特点（表.3）。

除了这些，实现这些过渡方式的技术，包括相关的差异焊接（variants）和变体焊接（variances）可以另外定义。这种方法更适合先进的焊接电源和焊接工艺的熔滴过渡方式，也允许了基于物理变化的熔融金属过渡过程的分类。

3、熔化极气体保护焊过程中基本熔滴过渡方式分类

以电流和电压的增加为结构建立的熔滴过渡分类法会受到焊接领域大部分人的欢迎，因为它会让人很清楚地了解工艺参数和熔滴过渡的关系，而这些又和电弧稳定、焊缝外观和焊缝质量相关。

如果对主要使熔滴脱离焊丝的力的类型分类，基于此，有三个主要的基本过渡“类别”可以被定义为：

A. 短路过渡—主要由表面张力导致

B. 大滴过渡—主要由重力导致

C. 喷射过渡—主要有电弧压力导致

为了使这个分类法更简洁，只有两种类型是基本过渡方式，如表.3所示，这使得分类在基本概念（过渡的物理本质）和焊接技术方面（焊接参数的变化）。所以，在新的分类法中有6种基本过渡方式，分别是：A-短路过渡、B1-下垂滴状过渡、B2-排斥滴状过渡、C1-射滴

过渡、C2-射流过渡、C3-旋转射流过渡。

熔化极气体保护焊的金属过渡的实际知识，以及大多数专家的意见（例如那些在IIW’s Commission XII and SG 212上发言的），这些都可以表面上面定义的5个分类（详见第2章）可以覆盖自然过渡和可控过渡。

通常可以认为滴落喷射（Drop Spray）是一种基本过渡方式，如果其命名是扩展来的，又是基于标准定义的射滴过渡的。如果这个命名只是如Norrish定义的那样被使用，就失去了相关性。重要的事实是，在自由过渡过程中Norrish定义的滴落喷射是不稳定的，是在一个非常窄的电流范围内随机出现的（详见图.2和第4章）。

由经验可知，在呈现过渡分类时，相关的草图说明是容易被接受的。用照片代替草图也是可能的，也更有用。

此外，几个专业人士建议如图.1所示的图表可以和草图、图片、视频结合起来。这样对于更多人（学生、研究人员、设计者、工业使用者等等）来说，可以大大提高他们对于熔化极气体保护焊过程中金属过渡以及熔滴接近熔池过程的了解和理解。其实，这个新分类的附加任务是详细阐述变体焊接（variants）、差异焊接（variances），混合方式、组合方式，新技

术和特殊焊接工艺（如药芯焊丝GMAW、送丝A-TIG等等）。如果附加的说明是CD或DVD，这样可以完整的阐述所有过渡类型的过程。

除了基本过渡方式，新分类也注意到了差异焊接：混合方式和组合方式。这些差异焊接基本上是基本过渡方式的组合。然而混合过渡方式在相似或不同的周期中通常涉及到两种及以上的过渡方式，组合过渡方式是由控制焊接电源来控制过渡方式得到。

基本过渡方式的变体通常是由特殊的焊接技术得到的。虽然设备供应商花了几年时间在寻找允许使用更低和极低焊接热输入的焊接电源，但是主要的进展是短路过渡方式上得到的。另外，现在我们可以看到至少3种重要的焊接技术，这些都是为了得到特殊的短路过渡：

--标准的熔化极气体保护焊（classic GMAW）（可控的或不可控的）

--表面张力过渡（surface tension transfer，STT）

--冷金属过渡（cold metal transfer，CMT）

为了得到可控过渡方式时，重要的是要首先提到这些如果我们在处理以下问题：

--简单可控过程（开放式控制、无反馈回路系统）

--实时的可控过程（有反馈闭环系统）

4、熔化极气体保护焊过程中过渡的基础

图.2自然过渡U(I)图（用存在的IIW名称）

图.3基本过渡U(I)图（基于新分类）

熔化极气体保护焊中的6个基本过渡方式，如图.3所示，发生在使用所谓的“常规”电源——没有电流或电压脉冲特性控制的，也发生在使用先进的可控的焊接电源。然而，过渡方式发生在受约束条件下也能够当是在可控模式下的使用，有计划的使用电源来得到可控脉冲焊也是可能的。在此文中用到的来指定这第二种情况的术语是可控过渡方式，这有两种形式：简单可控和实时可控。

短路过渡用在弧长很短的情况下，通常会被融化金属的连接桥打断（表.3），这明显出现一个短路焊接电流。这个连接桥，也就是融化金属从焊丝上分离到熔池主要由表面张力导致，这也是很好的稳定了其他影响。

下垂滴状过渡可以过渡很大滴的融化金属（大于电焊丝直径），同时以较低的频率下落（通常在某一时刻只有一滴在飞落）。当增大焊接电流时，会发生排斥滴状过渡，尤其是在CO2 GMAW中，这存在一个被向上排斥的融化金属大“长”滴，就像表.3的简图所示的。在这两种过渡方式中，主要的是重力在起作用，这使得有良好的稳定性以及融化金属从焊丝底端很好的分离。

滴落喷射是由Norrish描述的，认为是一个在喷射过渡中发生的独特的现象。这种金属的滴落被定义为近球状的熔滴，直径稍大于焊丝（20-40%），过渡基本是轴向过渡，同时有很低量蒸发损耗。为了得到一个新的分类法，滴落喷射可以被包括在喷射过渡中，其中金属滴强烈的被射到熔池中、连续滴落、熔滴尺寸和焊丝直径相当（±50%）。总之，这个名称包括了之前的滴落喷射和喷射过渡。

随着焊接电流的增大，熔滴变得越小越密集，就像是真的“淋浴”一般，过渡就变成了射流。最终，在一个很高的焊接电流值下，熔化金属直接流落，但是流落是旋转过渡，强烈的电磁场作用下产生。这个对六个基本过渡方式的描述由最小的电流、电压向最大的电流、电压排列的，焊接电流的增大在决定熔滴过渡形式中至关重要的。

假设喷射过渡的基本类别中，主要控制熔滴的是电弧收缩力，使得熔滴强烈的喷射到熔池。当电流增大的时候，电弧收缩力也增大，使得熔融金属分裂成小滴，同时强烈的喷向熔池，同时导致产生和射出金属小流。

对于基本的过渡方式，主要是由所谓的转变电流区划分的，由不稳定的过程为特征。首先，由图.1a所示的，分开大滴过渡和喷射过渡区域的过渡区是第二转变电流。在这种图示的表示中，“滴落喷射”的过渡方式（由Norrish在2003年提出）会出现在与第二转变电流区域重叠的地方。

必须假定的是在短路过渡和熔滴过渡区域之间有转变电流区，第一转变电流也存在，如图.3所示。必须着重强调第一转变电流区的重要性。在自然过渡时（以及没有脉冲控制的电源的情况），短路过渡和大滴滴落随机出现在这个转变区域，成为被定义为混合过渡的方式。然而，这种混合过渡方式也发生在第二转变电流区域，混合的喷射（基本是滴落喷射），大滴过渡（下垂滴状或排斥滴状）和短路过渡。当使用可控焊接过程时，有可能获得完全的短路过渡或者滴落喷射过渡，同时也能获得混合过渡。为了确定这些控制过渡的转变区域，使用了椭圆来划区域，基本过渡方式重叠在转变区域中，如图.1所示。

另外，基本过渡方式和可控过渡方式可以表示在一起，在同一个图表中，如图.3，这也用图来描述了表.3的过渡方式。此外，对于基本过渡方式，考虑到自然过渡和可控过渡的重叠区域，必须注意电流和电压在控制滴落喷射或得到短路过渡上呈现一定范围。这种变化可能是因为保护气不同的电离电压，或者是其他的工艺原因。

对于寻求最小热输入量的焊接工艺，过渡可能是大滴滴落，也有可能是短路。这两种过渡都发生在第一转变电流区域，精确地控制工艺需要能够由一个合适的焊接电源提供稳定的过渡。必须特别关注电弧的磁吹，旋转过渡会突然出现，甚至是在可控脉冲和惰性气体保护焊中也会出现（不想得到的混合过渡）。

5、结论

此文想要增加以下这些对熔滴过渡分类的新贡献：

确切第一转变电流区域，从大滴过渡区域中分出短路过渡；通过增加电流的角度间接地观察从喷射过渡区域分出大滴过渡区域，也就是第二转变电流区域；引发关于其他可能存在的转变区域的问题。

既基于电流和电压增大又符合过渡本质的熔滴过渡方式的一个新分类的提出；使得能够清楚的理解工艺参数和过渡形式之间的关系，这和电弧稳定、焊缝形貌、焊缝质量相关。

6种基本过渡方式的命名既可以是自然过渡，也可以是可控过渡

解释了基本概念和系统的使用来统一过渡过程的描述以及基本的常识性理解：基本过渡方式，自然过渡vs.可控过渡，混合过渡vs.组合过渡，滴落喷射过渡；

新的分类法更简洁，对于焊接中的各种类型这分类是完全可理解的，容易来使用的；

一个新的图表“过渡方式和电弧电压电流之间的关系”用来表示基本的和可控的过渡方式；

基于很多建议，一个包括了熔化极气体保护焊过渡方式分类新的表格提出。

Q&A

1、论文解决了什么问题？

焊接设备、焊接工艺的变化，使得熔滴过渡的形式多种多样，这篇文章对熔化极气体保护焊的熔滴过渡方式做了回顾、详细描述过渡过程，深入分析了现在对于熔化极气体保护焊熔滴过渡方式的分类，进行了具有建设性的改进，使得对弧焊的理论理解和实际操作更容易，得到的新分类更简洁、更实用、应用范围更广。

2、解决问题的方法与过程？

详细分析了一些过渡方式，针对焊接设备和焊接工艺的变化，由IIW的分类法改善得到新的分类法，同时加上图表、说明来进一步使得新分类法更实用更合理。

3、主要的结果和结论

图示出划分短路过渡和大滴过渡区域的first transition current zone，既基于电流和电压增大又符合过渡本质的熔滴过渡方式的一个新分类的提出，解释了一些基本概念：基本过渡方式，自然过渡vs.可控过渡，混合过渡vs.组合过渡，滴落喷射过渡；一个新的图表“过渡方式和电弧电压电流之间的关系”用来表示基本的和可控的过渡方式；等等

4、本文的创新

在IIW对于熔化极气体保护焊熔滴过渡方式分类的基础上，进行了改进，针对焊接设备和焊接工艺的变化，提出了一个更加适合需求的分类法，为过渡模型提供参考，为研究者理解过渡过程提供帮助，为设备使用者提供指导。

5、结合课程知识，分析进一步研究点可能是什么？

这篇文章主要是在讲熔滴过渡的分类，熔滴过渡和焊接设备、焊接工艺有密切的联系，真正的过渡过程不会观察到理想的过渡过程，可能会有不稳定的情况，特殊的焊接电源、工艺在得到过渡形式时是不是存在分布区域的变化，可能会需要进一步讨论。或者是针对熔滴过渡和焊接工艺之间的关系做进一步讨论（更细致的转变分析）。

6论文中用到哪些课程基本知识点？

主要是关于熔滴过渡的，一些基本的熔滴过渡方式，大滴过渡、大滴排斥、射滴过渡、射流过渡、旋转过渡、短路过渡等等。

7、论文中是否存在你无法理解的问题？

主要还是涉及到一些专业名词的理解；不是很理解transition current zone，这个区域是如何能够划分了不同的过渡形式的；所谓的natural transfer和controlled transfer具体是怎么样的，如何定义的；文中提到的variant和variance分别是描述的什么具体的情况，前者应该是和焊接电源之类的相关，通过不同的途径得到类似的过渡形式，感觉后者没有准确的描述出来，不理解。对于IIW分类的争论在2000年后有一些，具体是什么情况，争论的焦点在哪？