第二節　國內外研究現狀

一、銅在鋼表面堆焊研究現狀

國內外研究學者對在鋼表面堆焊銅合金進行了大量的研究^{［10，11］}，發現在熔覆過程中控制熔覆金屬的鐵含量是重要的研究目標，對堆焊中母材熔化進行控制，可以避免Fe-Cu液態分離而產生的偏析現象。

王克鴻等人^［7-9］采用感應熔覆、爐中熔覆和熔鑄熔覆的方法實現了在鋼基體表面熔覆銅層。熔覆銅層與鋼基體實現了冶金結合，界面結合良好，平整光潔，無夾渣、氣孔、未熔合等缺陷，鋼基體表面平直未發生熔化，獲得了良好的界面結合性能，界面結合強度大于銅熔覆層強度，檢測表明含鐵擴散層在銅熔覆層一側，其寬度僅為20～30μm。

任振安等人^［12］采用激光加工方法在45鋼基體表面熔覆銅合金，試驗研究了激光加工工藝參數（激光功率、掃描速度）對銅基合金熔覆層的成分和組織、熔覆層摩擦磨損性能的影響規律。研究發現，隨著激光功率的增加或掃描速度的下降，母材吸收能量增多，使得母材大量熔化，較多的Fe元素進入堆焊熔池中，與熔池中的Cu呈液相分離狀態，Fe在上浮過程中與熔池中的Si元素發生反應生成Fe₃Si，而反應剩余的Fe將繼續上浮，生成球形ε-Fe顆粒。

單際國等人^［13］利用Cu與Fe具有液相分離特性，以及母材與堆焊材料的冶金反應，采用聚焦光束堆焊獲得了α-Cu基體上彌散分布Fe₃Si花形樹枝晶的銅基合金復合堆焊層，研究了堆焊層的物相組成和微觀組織特征。試驗結果表明，聚焦光束輸入能量使預涂于試樣表面的堆焊粉末迅速熔化，同時部分熱能傳遞至母材，與預涂粉末接觸的母材只發生少量熔化。

呂世雄等人提出了冷體熱絲TIG微熔堆焊工藝^［14-16］，有效地提高了熔敷率，降低了稀釋率。建立了電弧熱絲模型，系統分析了熱絲電流、送絲速度對預熱溫度的影響，分析結果與試驗數值吻合良好。研究了堆焊工藝對堆焊層硬度、摩擦磨損性能的影響規律。考察了堆焊工藝對堆焊層剪切、拉伸及沖擊韌性的影響，確定了獲得良好綜合性能堆焊層的最佳堆焊工藝。

當前在鋼表面熔覆銅研究中，研究人員所采用的方法，使得在熔覆過程中，銅合金熔敷率大，而鐵基體金屬熔化量小，從而抑制偏析現象的發生。

二、堆焊方法研究現狀

堆焊是指利用熱源把金屬熔化，堆在工具或機器零件上的焊接方法。堆焊通常用來修復磨損的工件。國內外學者對堆焊進行了大量的研究。堆焊主要包括氧乙炔火焰堆焊、電弧堆焊、電渣堆焊、等離子堆焊和激光堆焊等。堆焊重要的評價指標是如何控制稀釋率。

1.氧乙炔火焰堆焊

氧乙炔火焰堆焊是指采用氧乙炔火焰作為熱源，加熱堆焊母材及熔覆合金，在工件表面進行堆焊的方法。該方法成本低，設備簡單，適應性廣。如碳化鎢條火焰堆焊^［17］就是依靠氧乙炔焰加熱和熔化被堆焊金屬表面及碳化鎢條鋼質套管，并在母材表面形成復合陶瓷堆焊層，顯著提高了基體的耐磨性能。劉朔峰等人^［18］在16Mn鋼表面氧乙炔火焰堆焊自熔性鐵基及鎳基合金粉末得到鐵基合金堆焊層和鎳基合金堆焊層，并對兩種堆焊層進行了顯微組織、組成相、硬度和耐磨性以及抗熱疲勞性能的比較研究。結果表明，兩種堆焊層組織都具有枝晶生長特征，枝晶間存在著共晶組織，兩種涂層均由γ-Ni固溶體和多種共晶化合物相組成，但鎳基合金堆焊層的枝晶比較細小。鎳基合金堆焊層比鐵基合金堆焊層具有更高的硬度和耐磨性，同時也具有較好的抗熱疲勞性能。

2.電弧堆焊

董巍等人^［19］為了控制直流TIG電弧粉末堆焊層的稀釋率獲得Ni、Al含量較高的涂層，研究了堆焊規范對堆焊層的形狀、稀釋率和化學成分的影響規律，并從降低母材溫度的角度出發，考察了輔助冷源對堆焊層稀釋率的影響。結果表明，隨著堆焊規范的減弱，堆焊層的熔寬和熔深減小、堆高增加，堆焊層的稀釋率由70％降低到32％，有利于獲得低稀釋率的堆焊層。采用輔助冷源對母材進行冷卻，使堆焊層的堆高增大、熔深減小、稀釋率降低到21％。

王元良等人^［20］采用雙絲單弧填絲焊，在單絲焊基礎上同時插入另一焊絲到熔池，插入焊絲接電源的連接工件一端起分流作用，以預熱焊絲和形成推弧力。這種焊接方法生產效率可提高一倍以上，節約電能一半以上，可以達到提高焊接速度、減少變形、減小過熱和熱影響區寬度的目的，還可通過焊絲摻合金。

3.電渣堆焊

電渣帶極堆焊是一種靠熔融的焊渣產生電阻熱，不斷地熔化焊帶和母材形成堆焊接頭的過程，焊劑從單側送進，有強烈可見光。電渣帶極堆焊具有采用大電流低電弧電壓、焊接速度快、生產效率高、焊劑的消耗低、焊道表面成形更美觀等特點。

李曉清等人^［21］在2.25Cr-1Mo-0.25V鋼上進行90mm不銹鋼電渣帶極堆焊工藝試驗研究。研究結果表明，寬帶極電渣堆焊磁場對焊道成形影響很大，外加磁場的控制很重要，通過工藝試驗調整，達到三種磁場的平衡，獲得了平滑美觀的焊道成形。堆焊層各項技術性能滿足石油化工容器堆焊制造技術要求。電渣帶極堆焊的焊道成形比埋弧堆焊好，生產效率比埋弧堆焊高。

4.等離子堆焊

等離子堆焊^［22］是采用等離子熱源熔化堆焊金屬及母材形成堆焊接頭的焊接方法。等離子堆焊作為材料表面強化技術之一，能堆焊各種合金粉末材料，能得到致密的低稀釋率的堆焊層，具有生產效率高、合金材料消耗少、成本低等許多優點。

董麗虹等人^［23］針對工程應用中常見的磨損失效，進行了粉末等離子弧堆焊槍體設計研究。該堆焊槍噴嘴下端面設計為分體式結構，通過螺紋連接一個可拆卸的配件；采用雙噴嘴式結構，輸送堆焊用合金粉末；槍體內設計了良好的水冷通道，保證堆焊時各部件得到充分冷卻。堆焊槍工藝性能試驗結果表明，該焊槍稀釋率約10％，粉末沉積率>95％，焊接質量優良。

斯松華等人^［24］在16Mn鋼表面等離子堆焊自熔性鐵基合金層（Fe55）、鎳基合金層（Ni60）以及鎳基WC合金（NiWC25）。結果表明，合金堆焊層的顯微組織均為γ固溶體，基體上分布著多種復雜的化合物相，如Fe₂₃（C，B）₆、（Cr，Fe）₇C₃、Cr₇C₃、NiB等。NiWC25堆焊層具有最高的硬度和耐磨性；合金堆焊層在稀H₂SO₄溶液和稀NaOH溶液介質中的耐磨性與在中性水中相比都有所降低，在酸性介質中降低更加明顯。

5.激光堆焊

激光堆焊^{［25，26］}是以激光為熱源進行堆焊的方法。激光堆焊技術的特點^［27］是可以實現熱輸入的準確控制，焊接速度高，冷卻速度快，熱畸變小，厚度、成分和稀釋率可控性好，可以獲得組織致密、性能優越的堆焊層，可以實現在普通材料上覆蓋高性能（耐磨、耐高溫、耐蝕）堆焊層，達到節省高性能材料的目的。

駱芳等人^［28］在45鋼的基體上，選用不同的激光功率、掃描速度、送絲速度等，用專用焊絲進行堆焊處理。結果表明，當速度不變時，激光功率增加，其熱影響區變大，組織由細變粗，硬度減小；當其他條件不變時，隨著掃描速度的增加，堆焊層的稀釋率下降，硬度增加；隨著送絲速度的增加，堆焊層的組織均勻分布，硬度先增加后下降。

綜上所述，控制堆焊接頭的稀釋率是堆焊研究領域重要的研究目標。合理控制母材的熔化量是保證堆焊合金低稀釋率的先決條件。堆焊方法和工藝參數是影響稀釋率的重要因素。按單層稀釋率由小到大的順序各種堆焊方法排序：氧乙炔火焰堆焊、等離子弧堆焊、鎢極氬弧堆焊、手工電弧堆焊、埋弧堆焊。一般地，埋弧堆焊雖稀釋率偏大，但其堆焊效率較高，其單層堆高可達3～5mm。鎢極氬弧單層堆焊稀釋率可控制在10％～20％，但堆高偏小，必須堆焊2～3層方能達到3mm的有效堆高。用于堆焊的等離子弧堆焊技術有兩種，粉末等離子弧堆焊單層有效堆高可達2mm，稀釋率5％～30％；送絲等離子弧單層堆焊稀釋率可控制在5％～15％，但一般需堆焊2層以上方能保證3mm以上的有效堆高^［29］。

三、控制工件熱輸入電弧焊方法的研究現狀

當前，電弧焊因其高效、低成本等因素，仍是堆焊領域重要的焊接方法。許多學者在降低工件母材的熱輸入量方面作了大量的研究。

1.串聯雙絲埋弧焊

1954年，D.E.Knight提出工件不接電源，電弧在雙焊絲之間穩定燃燒，進行埋弧焊的方法，如圖1-1所示。這種工藝焊接時更多的熱量用來熔化焊絲，只有很少一部分進入工件，其熔敷速度高。研究指出^［30］：焊接電流越大，則熔深越大；兩焊絲與工件之間的距離越大，熔深則越小；兩焊絲平面垂直堆焊方向可在熔深和稀釋率較小的情況下獲得熔寬較大的焊縫，兩焊絲平面平行堆焊方向還可用于厚度較薄的板材。

何德孚等人^［30］通過改變焊絲排列方式和焊絲間距，使焊縫成形、熔深、熔寬、稀釋率可得到更充分的調節。該方法既可適用于稀釋率要求較低的耐磨或耐腐蝕表面的埋弧堆焊，亦可適用于各種對接、角接焊縫的單道或多道高速埋弧焊。

2.雙絲間接電弧氣體保護焊

雙絲間接電弧氣體保護焊^［31］工件仍不接電源，電弧在兩焊絲端部燃燒，主要利用熔滴攜帶熱量和少量弧柱熱量熔化母材形成焊縫，如圖1-2所示。鄒增大等人對電弧穩定燃燒的條件、焊接工藝性、電弧形態及熔滴過渡都進行了研究。

結果表明，隨著焊絲伸出長度的增加，焊接電流減??；雙絲間接電弧氣體保護焊負極焊絲的熔化速度隨著焊接電流的增加而明顯增大，正極焊絲的熔化速度隨焊接電流的增加而緩慢增大，兩者均隨著電弧電壓的增加而減小^［32］。雙絲間接電弧氣體保護焊在兩焊絲端部形成電弧，焊接電流、電弧電壓對電弧形態產生較大的影響，隨焊接電流的變化，電弧形態會發生不同程度的集中與分散的變化；電弧電壓越大，電弧越明亮，電弧的形體也越大。燃燒過程中電弧電壓隨時間而周期性變化，相應的電弧形態也隨著時間發生周期性變化^［33］。雙絲間接電弧焊焊接電流與電弧電壓的不同匹配選擇，使得熔滴具有短路過渡、大滴過渡、混合過渡、射滴過渡、射流過渡等不同過渡形式。隨著焊接電流的增大，熔滴尺寸減小，熔滴細化；隨電弧電壓的增大，熔滴尺寸減小^{［34，35］}。

3.雙電極焊條單弧焊

雙電極焊條單弧焊^［36-39］是焊接時雙電極焊條的兩焊芯用特制的焊鉗夾持，分別接電源的正、負兩極，工件不接電源，如圖1-3所示。電弧在雙電極焊條相互絕緣的兩個焊芯端部形成，電弧可在離工件不同距離的空間進行引弧和燃燒，兩極性斑點分別在兩焊芯上。主要利用弧柱熱量和熔滴攜帶熱量熔化母材，改變了被焊工件的熱循環。

經研究發現，雙電極焊條單弧焊具有上升的電弧靜特性，靜特性曲線隨兩焊芯間距的增大而上移；在兩焊芯間距合適的情況下，雙電極焊條陰、陽極熔化速度可以保持一致，故雙電極焊條單弧焊可使用交、直流電源，其熔化速度比單芯焊條的大，并且隨焊接電流的增大和兩焊芯間距的減小熔化速度增大。

通過對電弧形態的研究發現^［40］，雙電極鈦鈣型碳鋼焊條電弧的形態與傳統工件接電源的焊接電弧形態有較大差別，按電弧的集中程度可以分為集中型電弧和分散型電弧兩種形態，電弧燃燒過程中兩種形態的電弧又有不同程度的變化。燃燒過程中電弧形態隨時間發生周期性的變化，相應的電弧電壓也是周期性變化的。

研究了雙電極焊條的熔滴過渡^{［42，43］}，發現電弧對藥皮的加熱易于使焊芯兩邊藥皮產生滯熔，形成兩邊尖中間凹的套筒形狀，從而有利于熔滴以渣壁過渡形式過渡。鈦鈣型雙電極碳鋼焊條和不銹鋼焊條具有渣壁過渡、噴射過渡和爆炸過渡等多種過渡形式，以細熔滴渣壁過渡為主；而石墨型堆焊焊條主要以粗熔滴渣壁過渡為主。

韓彬等人還通過測量雙電極焊條的動態溫升等試驗方法研究了雙電極焊條單弧焊中雙電極焊條的加熱和熔化。研究結果表明^［44］，雙電極焊條的熔化系數隨焊接電流的增大、藥皮重量系數和焊芯間距的減小而增大，是單芯焊條的2～3倍。加熱和熔化雙電極焊條的能量有焦耳效應產生的電阻熱、電弧通過熔滴傳給焊條端部的電弧熱，焊條的熔化主要依靠電弧的熱量。雙電極焊條兩焊芯熔化的一致性受焊條類型、焊接電流等因素的影響。雙電極焊條兩焊芯熔化一致的充分條件為U_陽極等于U_陰極，兩者差值越大則焊芯熔化不一致程度越大^［45］。雙電極焊條單弧焊電弧對兩焊芯的熔化存在自調節作用，即電弧燃燒過程中兩焊芯端部在電弧中的長度不等，兩焊芯仍能保持等速熔化，使電弧燃燒過程能夠穩定進行。研究人員還利用雙電極電弧焊進行了許多工藝試驗，如奧氏體不銹鋼的焊接。結果表明該工藝具有高效節能、焊縫成形好、熱影響區窄的特點^{［46，47］}。

4.MIG-IEA焊

為了合理分配焊絲和母材的熱輸入，2002年墨西哥的Garcia等人提出MIGIEA^{［48，49］}焊接。該方法電弧產生于焊絲和工件表面的覆板之間，射流過渡的熔滴形成，使高溫液體瞬時大量填入工件的坡口中，如圖1-4所示。該方法能夠有效降低母材的熔化量。

對12.5mm厚鋁合金厚板進行MIG-IEA焊接時^［50］，只在工件的上半部分加工了單V形坡口，熱分析顯示因為熱損耗的減少使焊接的熱效率增加。MIG-IEA焊與普通MIG焊相比，其焊縫的熔深比較大。MIG-IEA焊不僅能夠焊接鋁合金，而且還能夠焊接鋁基復合材料^［51］。通過與埋弧焊、MIG焊的比較，研究了不同的焊接方法在X65焊縫時的抗腐蝕性能^［52］，發現MIG-IEA焊縫表現最好。MIG-IEA焊縫良好的抗腐蝕性是由于其微觀組織從針狀形變成了更為細小的組織。Garcia等人還采用焊前預熱的方法改進了MIG-IEA焊接^［53］。使用ER-4043焊絲同樣焊接12.7mm厚的6061-T6鋁合金板材，獲得了全熔透焊縫。

5.雙電極-熔化極惰性氣體保護焊

雙電極-熔化極惰性氣體保護焊工藝是將一個TIG焊槍與一個MIG焊槍相組合，TIG焊槍與MIG焊槍構成旁路，MIG焊槍與工件構成主路，作用于焊絲上的電流數值較高，有利于提高焊絲的熔化速度，從而提高熔敷效率，適合焊接厚度較大的鋁合金，如圖1-5所示。TIG焊槍構成的旁路，分流了一部分通過焊絲的焊接電流，在保證了熔敷效率的同時，減小了作用于母材的熱輸入。

為了使主電流值可控，K.H.Li等人^［54］在旁路回路中加入了一組電阻器，通過改變電阻器的組合來改變旁路電流，從而能夠改變主電流的數值。他們還對DEGMAW焊接熔滴過渡機制進行了研究^{［55，56］}，通過調節電流獲得射流過渡的臨界電流。試驗證實其臨界過渡電流與GMAW焊接相比下降了。通過對各種電弧力的比較和分析發現旁路電弧不僅能提供電流，而且能增加陽極的電弧導電區的角度，從而進一步增加電磁收縮力，使熔滴過渡更加容易。非對稱的電弧電磁收縮力還能作用弧根，對熔滴產生脫離作用。

Y.M.Zhang等人采用圖像處理的方法對DE-GMAW焊接過程中的熔滴過渡進行了自動監測研究^［58］。研究改進了原有的GMAW熔滴過渡圖像處理方法，建立了以灰度為基的幾何圖像處理方法來自動監測焊接過程中熔滴位置及尺寸。通過改進，引入了相鄰圖片的關聯度，從而提高了監測精度。

C.S.Wu通過研究找出了合理匹配的工藝參數，并利用有限元對焊接溫度場和應力場進行分析，對焊縫尺寸進行預測^［59］，如圖1-6所示。結果表明該方法降低了射流過渡的臨界電流值，實現小電流高速焊接；有限元計算得出焊接條件和夾持條件相同的情況下，減小了焊接工件的撓曲變形和橫向收縮變形；通過對焊接溫度場的數值模擬，確定了焊縫橫斷面尺寸。

Y.M.Zhang等人^{［60，61］}還將旁路中的TIG焊槍改為熔化極焊槍，建立了熔化極DE-GMAW焊接系統，并將其利用在焊接高強鋼上。通過對焊縫熱影響區的研究，得出采用該方法焊接能夠降低工件母材熱輸入，并獲得小的熱影響區和淺的熔深。

6.雙旁路熔化極惰性氣體保護焊

Y.Shi等人^［62］提出了雙旁路熔化極惰性氣體保護焊，如圖1-7所示。通過在傳統的熔化極氣體保護焊中加入兩支鎢極焊槍，降低了進入工件基體金屬的電流，從而達到增加焊縫熔敷率的目的。研究發現旁路電弧能夠促進熔滴過渡，降低臨界過渡電流。

綜上，通過改變電極數量及排布方式，能夠控制工件母材熱輸入量，降低焊縫的稀釋率。本研究試圖提出一種鎢極-熔化極間接電弧焊方法，其特點是工件不接電源，使電弧在鎢極和熔化極之間燃燒，在保證電弧穩定燃燒、熔滴持續過渡的情況下，達到降低工件熱輸入量、減小焊縫稀釋率和提高熔覆效率的目的。

四、電弧行為研究現狀

電弧行為研究是電弧焊研究中重要研究內容，主要包括電弧電特性、電弧幾何特性、熔化特性及在熔化極焊接中的熔滴過渡特性等研究。這些特性是合理解釋電弧形成并穩定燃燒、熔滴持續過渡的理論基礎，并可為優化焊接工藝提供理論指導。

1.電弧電特性研究現狀

電弧電特性是指電弧在導電方面表現出的一些特征，其中電弧在燃燒過程中電弧電流、電弧電壓隨時間的變化以及在燃燒過程中電流和電壓之間的關系是重要的研究方面。電弧電特性的研究與電弧幾何特性、熔化特性彼此之間有著重要的聯系。在鎢極-熔化極間接電弧焊中，研究其電特性，可以為工藝參數的正確選擇提供理論依據，并可為進一步研究間接電弧形態及熔滴過渡行為奠定試驗基礎，對于了解和分析電弧燃燒的穩定性具有十分重要的意義。

許多學者對電弧電特性作了大量的研究^［63］，工作多集中在電流和電壓的變化規律方面，如高洪明等人^［64］對熔化極等離子弧焊焊接電弧信號進行了分析，結論表明該焊接方法電流電壓與常規熔化極氣體保護焊相比波動較小，韓永全等人^［65］研究了鋁合金變極性等離子弧的電特性，結果表明由于電極極性發生周期性變化，其電弧電壓也隨之發生改變，鎢極為負時的電弧電壓要比鎢極為正時的電弧電壓低。這些都說明電弧發生變化時，電弧電特性也會發生相應的變化。每種電弧焊接方法在研究電弧行為時都會對焊接電流和電弧電壓的變化進行研究^［66-68］，以此作為研究其他電弧特性和進行工藝優化的試驗基礎。

J.Wang研究了復合脈沖小電流鎢極氬弧焊時的電弧電特性^［69］，如圖1-8所示。通過對采集到的電流和電壓進行濾波，采用平均值繪制U-I圖的方法描述了復合電弧的動態特性。結果表明，高復合脈沖的電弧電壓與電阻大于低復合脈沖，此現象在基值電流期間尤其突出。U-I動特性圖也表現為一個滯后環，分析可能是由于在脈沖期間電弧的熱慣性造成的。通過比較得知，低復合脈沖的滯后環大于高復合脈沖。隨著脈沖頻率和脈沖時間的增加，滯后環會收縮，這說明高復合脈沖電弧的熱慣性更大。

Praveen等人研究了脈沖MIG焊中熔滴過渡一脈一滴時的電弧電壓和焊接電流隨時間的變化^［70］，如圖1-9所示。試驗發現隨熔滴過渡，焊接電流與電弧電壓呈現規律的脈沖結構。研究得出，可通過對電流電壓波形的監測來間接控制熔滴的過渡。在熔滴過渡過程中，電弧電壓波動明顯，又由于有焊接電源內部的自感應效果，使得電流的波動不明顯。由于頸縮，熔滴在脫離焊絲前焊接電壓會出現陡升。熔滴過渡后會使電弧電壓出現陡降的現象，這是因為熔滴與焊絲接觸的固液界面發生了變化，致使弧長發生改變。在熔滴進入電弧空間后，電弧電壓又保持穩定。

2.電弧形態研究現狀

很多學者作了大量有關從磁場、脈沖電流、外部環境壓力、氣體成分、焊接材料的表面狀態對電弧形態的試驗和理論研究。陳樹君等人^［71］研究了不同磁場條件下，焊接電弧中帶電粒子的漂移旋轉運動，研究了磁場方向和磁感應強度對旋轉電弧和旋轉半徑的影響，發現磁場強度越強其電弧旋轉速度越快，并由此可以改變焊接電弧的形貌。趙家瑞^{［72，73］}提出脈沖電流頻率達到5～20kHz時，焊接電弧直徑隨頻率的增加而減??；根據電磁學理論，解釋了高頻脈沖電流導致的高頻壓縮效應。王中輝等人^［74］研究了環境壓力對焊接電弧形態、穩定性、電弧電壓特性、電弧電流密度、電弧溫度及電弧效率的影響規律，得出了隨著環境壓力的增加，弧柱壓降及電流密度均增加、電弧更加明亮的結論；根據對電弧行為的研究，還開發了水下高壓干式焊接方法^［75］。李明利等人^［76］發現應用大電流TIG氬-氦混合氣體保護焊，隨著氦氣體積、流量分數的增大，電弧逐步收縮，逐漸由典型的“鐘罩”形態向“扇子”形態變化，電弧顏色逐漸由白亮向橘色過渡，同時電弧的穩定性也開始變差。于治水等人^［77］通過研究發現鍍鋅鋼板對焊接電弧形態的影響很大，由于鋅的蒸發導致電弧直徑增大，并根據軸對稱電弧空間熱流的高斯分布可知鍍鋅鋼板表面單位面積吸收熱量減少，熱流密度峰值降低。這都說明電弧形態的影響因素很多且非常復雜，對焊接的穩定性和質量也至關重要。對電弧形態的研究能為繼續研究熔滴的受力情況以及過渡機制奠定基礎，并能深入分析電弧的穩定機制，還可為新電弧焊接方法的提出提供重要的試驗依據。

對電弧形態進行研究主要包括電弧形態的研究方法、各種因素對電弧形態的影響以及各種焊接方法的電弧形態研究。

除了傳統的高速攝像法^［78］，近年來又出現了一種熱成像法來研究電弧形態，如圖1-10所示。

Dudek等人^［79］認為采用試錯法來選擇工藝參數既費時，成本又高。他們提出采用高分辨率熱成像照相機來檢測電弧形態和溫度，這樣在等離子噴涂過程中就能在線監控工藝質量。其流程為：采集電弧數碼圖片；對圖片進行初始化并濾波；標定熱成像照相機；定位陽極最高穩定點，測量幾何參數；顯示電弧及溫度的圖像。Dudek等人利用這種方法在線檢測了使用等離子重熔法在40Cr4鋼表面熔覆TiO₂過程中的電弧形態及溫度。

Q.Li等人^［80］對活化劑焊接中活化劑對電弧形態的影響進行了研究，如圖1-11所示。通過試驗發現當采用SiO₂活化劑時，焊槍向前移動進行焊接，電弧發生偏移，即與工件相接觸的電弧滯后于向前移動的焊槍。電流越小，偏移越大。當焊接電流低于80A時，偏離最大。在此情形下，電弧被拉得越來越長，在工件表面出現陽極斑點的跳躍。但如果采用TiO₂活化劑，則電弧沒有偏移現象。

Perry等人采用TIG焊對鈦合金實施焊接，也研究了活化劑對電弧形態的影響，如圖1-12所示。

試驗發現，加入活化劑可明顯增加電弧的亮度，說明活化劑的加入改善了電弧中的電子分布。分析其原因，在工件表面電弧周圍，活化劑中氟化物與鈦板發生反應形成TiF_n，該反應物熔點極高，在陽極區能夠與大量電子復合，從而對電弧起到壓縮作用，即提高了電流的密度，使電弧在有活化劑的情況下亮度更高。

Hidetoshi等人在日本的微重力中心比較研究了重力和微重力情況下的電弧形態^［82］。結果表明，當焊接電流大于60A時，電弧形態不發生變化；當焊接電流小于25A時，其電弧形態與弧根的初始位置有關；當焊接電流處于25～60A之間時，電弧形態偶爾發生變化，但不明顯。因此研究表明，重力對電弧形態沒有明顯的影響。

20世紀60年代，空心陰極電弧^［83］作為在低壓環境中使用的等離子熱源被開發和利用。因空心陰極電弧電流較高，該電弧可作為焊接熱源。不僅如此，由于使用于低壓環境，該電弧還可應用于空間焊接領域。由于在大氣環境下，其對母材的熔化量明顯高于傳統的TIG焊接，因此該方法也可應用于陸地的低壓環境焊接中。傳統TIG焊的電弧形態為鐘罩形，而空心陰極電弧是從陰極內表面一直延伸到陽極工件的細圓柱形，如圖1-13所示。

試驗發現，其空心陰極內徑對電弧形態具有很大的影響，如圖1-14所示。內徑越小，其電弧收縮越大，電弧直徑越小。電弧直徑越小也就意味電弧能量密度越大，因此其焊縫熔深也會越大。

窄間隙電弧焊是焊接厚板工件的重要方法，其最主要的工藝目的是，在厚板間隙中獲得平直且具有足夠熔深的焊縫。采用外加磁場驅動電弧使電弧產生擺動來進行窄間隙焊接是一種比較新的焊接方法。根據外加磁場方向的不同，電弧可在焊絲的前后左右四個方向發生偏移，電弧方向的變化對窄間隙兩側金屬的熔化具有重要的作用。圖1-15為在不同的磁通密度［25Gs（1Gs=10^-4T，下同），50Gs，75Gs］下的電弧形態。結果表明，電弧的擺動隨磁通密度增加而增加。當磁通密度為25Gs時，其電弧的擺動不明顯；當磁通密度達到75Gs時，電弧擺動劇烈，電弧已經在側壁燃燒；當磁通密度為50Gs時，電弧指向背板與側壁之間所構成的直角。同時發現，對接間隙越小，則電弧偏離越大。電弧的擺動引起了焊接電流、電弧電壓的周期性變化，進而影響了焊縫成形，使其能夠焊接窄間隙厚度板。

G.J.Zhang等人^［86］對雙鎢極氬弧焊的電弧形態作了研究。如圖1-16所示，雙鎢極產生的電弧彼此在洛侖茲力的作用下互相吸引最后變成了一個較大的電弧。與單弧焊相比，電弧不是軸對稱的，電弧橫截面為橢圓形，其短軸方向與兩鎢極構成的平面平行。電弧越亮，其電弧密度越高，電弧溫度越高。電弧所受洛侖茲力可用式（1-1）表示，即

　　 （1-1） 　　

式中　F——洛侖茲力，N；

I₁，I₂——兩鎢極焊接電流，A；

L——兩鎢極之間距離，mm。

3.熔滴過渡研究現狀

熔滴過渡過程包括在電弧的作用下焊絲端頭受熱熔化形成熔滴，并在各種力的綜合作用下從焊絲端頭脫離，最后進入到工件表面的過程。熔滴過渡是影響電弧穩定性的重要原因，與焊接質量關系緊密。因此研究熔滴過渡對電弧焊的影響，能在控制焊接質量、提高熔敷速度方面產生重要的意義。對熔滴過渡的研究^［87-93］主要包括不同的熔滴過渡形式、不同因素對熔滴過渡的影響以及熔滴過渡機制。

根據國內外研究現狀，熔滴過渡形式如表1-1所示。

目前，國內外學者的研究主要集中在不同焊接方法、不同工藝參數以及不同外部環境對熔滴過渡的影響，并分析其熔滴過渡的機制。

T.W.Eagar等人對比了在Ar和He保護氣體下進行熔化極氬弧焊過程中不同的熔滴過渡行為^［94］。在焊絲側面產生的電子聚集會增加焊絲側面的熔化，熔化金屬在重力、電磁力以及等離子流力的作用下聚集到焊絲端頭處，最后對液態的金屬形成壓縮作用，使焊絲端頭形成圓錐形，這就是所謂的錐形效應。試驗發現在Ar氣體保護下，與He氣體保護下相比，其錐形效應更容易發生。這是因為在Ar氣體保護下，在焊絲側面流出的電流密度更大。

Kim等人采用靜態力平衡理論和收縮不穩定性理論預測熔滴的大小，討論了熔滴過渡的機制^［95］。測量了熔滴的大小和過渡頻率，發現隨著焊接電流的增大，熔滴半徑減小，熔滴過渡頻率增加。研究還發現，當采用CO₂氣體保護時，熔滴過渡出現排斥現象，當焊接電流增加后，這種排斥現象開始減弱。當采用He氣體保護時，則隨焊接電流的增大，從大滴過渡轉變到射滴過渡。隨著焊絲伸出長度的增加，其熔滴直徑會略有下降。Rhee等人研究了電弧壓力對熔滴過渡的影響，當考慮電弧壓力時，不管采用靜態力平衡理論還是動態收縮不穩定理論，計算獲得的熔滴直徑都比不考慮電弧壓力時要大^［96］。

對于熔滴的形成與脫離機制，Amson等人研究了洛倫茲力對熔滴過渡的影響^［97］，當焊絲端頭熔化界面為平的或圓錐形時，洛倫茲力與界面的形狀和大小無關。研究發現，在熔滴形成的最初階段為阻力，隨著熔滴逐漸長大，開始成為促使熔滴過渡的力。Choi等人在靜態平衡的基礎上引入慣性力來預測熔滴的過渡^［98］，通過計算發現當慣性力達到電磁收縮力的一半時，隨焊接電流的增加，慣性力開始明顯影響熔滴從焊絲表面脫離；此外，得出當熔滴處于平衡狀態時為球形，而處于非平衡狀態時為橢圓形。Haidar等人^{［99，100］}還研究了電弧焊過程中熔滴的形成過程、各種力對熔滴形狀的影響，發現在熔滴過渡過程中軸向電磁力的影響要大于徑向電磁力。Lowke等人^［101］認為熔滴形式從滴狀到噴射的主要原因是焊接電流增至熔滴軸心處的徑向收縮壓力大于表面張力，同時也提出了熔滴過渡形式發生轉變時的物理模型，如式（1-2）：

　　 （1-2） 　　

式中　γ——表面張力系數；

R_w——焊絲直徑，mm；

R——熔滴半徑，mm；

ρ——熔滴密度，kg/m³；

I——焊絲電流，A；

u₀——真空中的磁通率，H/m。