本文詳細介紹了新型薄板高速焊接用的氣保護電弧焊（簡稱GMAW）焊絲特點。
電弧焊接機器人在汽車工業的許多焊接工藝中應用廣泛。各種複雜三維形狀的衝壓組件都通過焊接機器人焊接，對這些衝壓件的尺寸精度要求很高。實際上，衝壓件的尺寸精度如果達不到要求，就會造成諸如焊縫根部間隙變化和GMAW（氣保護電弧焊）焊絲目標位置的變動。這些變動常常會造成錯位或熔穿等焊接缺陷，增加工人修復缺陷的時間。高速焊接可以顯著提高工作效率，然而，焊接速度過快會造成咬邊、焊縫凸起、焊寬不足等缺陷，也同樣增加焊后缺陷修復時間。
這些問題多數可以通過降低焊接速度，確保足夠的焊縫寬度來解決。然而，當考慮效率和成本問題時，這種解決方法就行不通了。解決高速焊接上述問題的一種方法是通過調整熔透焊縫的形狀：增加焊縫寬度。焊縫寬度增大會減少焊接不連續現象，改善焊縫質量，尤為適合焊接薄板。焊接質量也可以通過進一步減少焊接熔渣實現，因為熔渣會剝離焊縫塗覆層。
為了實現這些要求，日本神戶鋼鐵公司（Kobe Stee）開發了一種新型GMAW焊絲：SE－A50FS，焊接時能形成較寬的焊縫，產生最少的熔渣。公司還研發了多種方法來控制它的焊接熔池特性。
GMAW焊絲的應用採用新型
GMAW焊絲所製造的焊縫形狀美觀，熔渣少，非常適合汽車工業和電子工業上薄板（2~4mm）邊角的搭接接頭和T型接頭的焊接。該焊絲也適用於混合氣體（Ar和CO2）焊接。
新型焊絲的設計理念
焊接熔池粘度低，有利於形成寬焊縫。氧和硫都能顯著地減小熔池金屬的粘度和表面張力。然而，這些元素也對焊縫產生不利影響。儘管可以通過在保護氣中有意識地添加氧，但添加的氧元素也會使焊接電弧冷卻和收縮，造成焊接電弧不穩定。此外，氧會與帶有硅、錳等親氧的元素反應, 生成包含二氧化硅和氧化錳的熔渣排出，大量集聚在焊縫表面。這些熔渣在焊縫表面停留，會損壞焊縫外觀尺寸和塗覆性能。然而，添加的氧量較少又不會明顯改善焊縫成形。
另一方面，眾所周知硫能增加熱裂紋的敏感性，常被認為是雜質。因此，應盡量避免在GMAW焊絲中添加硫元素。事實上，傳統的GMAW焊絲都沒有特意添加硫。但為了更大程度地減少熔池的粘度和表面張力，通過大量研究在GMAW添加適量的硫也是可行的。
新型焊絲的主要特點是它的含硫量約0.06％，比傳統的GMAW焊絲高出好幾倍。硫的添加大大減少了焊接熔渣的形成，不像添加氧氣那樣會增加熔渣量。硫的添加不僅減小了焊縫熔池的粘度和表面張力，而且還提高了熔池的對流（馬蘭各尼對流），改變了熔池的性質，進而獲得各種益處。
高溫裂紋敏感性，通常認為是添加硫的負面影響，隨後會詳細描述，通常認為是兩方面因素影響：1）冶金因素，比如包括硫在內的低熔點化合物的分離和析出；2）與凝固有關的宏觀形態因素。新型焊絲的設計充分考慮了這兩個因素。如果焊絲只限應用於薄板，則它比傳統GMAW焊絲具有更好的抗熱裂敏感性。
新型焊絲的特徵
◆焊縫形狀採用新型焊絲焊接的焊縫均勻、寬闊、平整，減少了後續機加工步驟, 焊縫平滑的端部也降低了應力集中。圖1顯示了熔敷高度（H）與焊縫寬度（W）比值（H/W）和電弧電壓之間的關係。與傳統GMAW焊絲（AWS A5.18 ER70S-6，JIS YGW12）相比，任何電弧電壓下，新型焊絲的H/W比值都更小。
H/W比值越小，則焊縫越寬, 焊縫高度越低。此外，採用新型焊絲焊接焊縫時，即使電弧電壓高於28伏特，也不會產生咬邊缺陷。而採用傳統的GMAW焊絲在相同的電弧電壓下會產生咬邊。 當焊接三維立體工件時，比如衝壓成形的汽車板件，焊接電流和電弧長度會隨著傳統焊絲干伸長和目標位置的變化而變化。而採用新焊絲焊接時能避免這些干擾造成的失准。平滑均勻的焊縫形狀也方便了機器人示教的環境設定。圖2顯示了焊接電流和焊縫寬度之間的關係，圖示焊接速度為70~130cm /min，搭接接頭，板厚1.6~3.2mm。新型焊絲與傳統GMAW焊絲相比，所製造的焊縫更寬。薄板焊接的一個重要問題是由於電弧力增加造成的熔透不連續。這種不連續是由於焊接速度增加造成焊腳長度不夠，提高的電流又補償了焊腳長度造成的。擬合根部間隙也需要提高電流，電流增加又會造成1.6mm厚度以下的鋼板熔穿。但新焊絲形成的焊縫較寬，能提供足夠的焊腳長度，在小熔敷低電流下也可彌合根部間隙。
◆根部間隙和尺寸偏差圖3顯示了搭接接頭焊縫形狀、焊絲目標位置和根部間隙之間的關係。和傳統GMAW焊絲進行比較，新型焊絲容許的根部間隙範圍更寬，即使焊絲目標位置稍微有些偏差，也不會影響焊縫成形。 觀察較寬根部間隙的典型搭接接頭焊縫橫截面上，新型焊絲形成的焊縫具有更光滑的根部，且沒有咬邊，熔渣生成少傳統的GMAW焊絲，熔渣沉積在熔池後部，稀疏分散，固化。而新型焊絲的熔渣首先在電弧附近成球形凝聚，並通過電弧拖拉，凝聚物逐漸增大並凝固，最終固化在熔池後部。但只有在熔池和熔渣界面的表面張力可控時才能形成這種熔渣。圖4顯示了固化后的熔渣形貌。傳統的GMAW焊絲，熔渣不均勻分散在焊縫表面，而新型焊絲的熔渣則集中在弧坑部分，很少形成在其它區域。熔渣的生成可能聚集成土包，形成一個帶有優良焊縫外觀的小區域。傳統GMAW焊絲（AWS A5.18 ER70S-3或G, JIS YGW17）和新型焊絲相比，傳統GMAW焊絲的熔渣面積比為1/3~1/5，相對很低。新型焊絲的熔渣形成可以通過輕微的敲打移出。焊縫上如果有熔渣殘留會引起鋼板生鏽，影響後續的鋼板鍍層。鍍層主要是防止焊縫生鏽，而熔渣會將塗層剝離，增加生鏽的危險。新型焊絲的熔渣特性可以防止這一現象發生。
◆高速可焊性圖5比較了新型焊絲和傳統焊絲的焊接速度和電弧電壓的應用範圍。每個範圍都根據不同焊接條件和不同的焊絲確定，測定條件是短路的飛濺數（少於100次/秒）在接受範圍而且沒有不規則焊縫形成，比如咬邊或者焊瘤等缺陷。新型焊絲能夠在高速條件下進行焊接，而傳統的GMAW焊絲在高速焊接條件下會形成焊瘤或過多短路。 同時，在較低焊接速度下新型焊絲具有較大的電弧電壓範圍。在較高電壓下，新型GMAW焊絲在防止產生咬邊和焊瘤方面尤其有效。圖示結果顯示即使焊接採用較長的電弧也能形成優良的焊縫。換句話說，新型焊絲防止了熔滴過渡的短路，將飛濺量減小到非常低的水平。圖6比較了新型焊絲和傳統焊絲在150cm/min的高速焊接條件下各自形成的焊接接頭形狀。採用傳統焊絲會在焊縫起始位置形成焊瘤，而採用新型焊絲的焊縫形狀均勻，未形成焊瘤。焊瘤的形成可能是由於起弧時熔融金屬電流受擾引起的，這種干擾又被高速焊接進一步加強。通常，焊瘤可以通過起弧時焊槍前傾一定的角度進行預防。既然採用新型焊絲沒有焊瘤形成，這樣就避免了機器人示教的複雜過程和詳細的環境設定，進一步方便了控制。新型焊絲在焊縫成形方面具有很大的優勢，它不僅能防止產生咬邊和焊瘤，而且還能防止焊縫形狀凸起、焊縫寬度不足以及焊縫收縮，而這些缺陷在高速焊接時都存在。這種焊接優勢來自新型焊絲本身的內在特性，能採用較小的熔敷金屬製造較大的焊縫。 抗熱裂如前所述，SE－A50FS新型焊絲中特別添加了硫（S）。通常，硫能提高熱裂紋的敏感性。因此，在焊接低碳鋼和490MPa高強鋼時，GMAW焊絲的硫含量通常被限制在0.030％以內。形成熱裂紋最主要的原因是焊縫金屬凝固過程中，低熔點相從母材金屬中分離出來，在液相中形成一條固相線，而固相線不能承受熱變形的拉伸應力造成的。
如前所述，兩種因素會影響熱裂紋敏感性：1）冶金因素；2）形態因素。冶金因素包括低熔點雜質元素，比如硫、磷和硼等，在焊縫金屬凝固階段它們會在晶界上形成固相。添加大量的碳元素可以提高γ-相的形成，低熔點元素具有較低的溶解性。至於形態因素，（P/W）形狀比過大的焊縫具有更大熱裂紋敏感性，其中P代表焊縫厚度，W代表焊縫寬度。從薄板和厚板各自約束力和形狀係數來看，薄板具有較低的熱裂紋敏感性。厚板常用加速試驗法驗證硫元素對熱裂紋敏感性的影響。如圖7所示, 具有較大的形狀係數（P/W）的焊縫段度容易引發熱裂紋。厚板窄剖口焊接時焊縫層連續沒有中斷地形成焊縫。圖8顯示了裂紋率（裂紋長度/焊縫總長度）和GMAW焊絲中硫含量的關係。結果表明，GMAW焊絲中硫的含量越高，裂紋率就越高。滿足上述各種性能的最小硫含量應限制在0.05％以內。如果採用傳統的GMAW焊絲，這樣的硫含量，通常導致裂紋的產生，裂紋率在11％~20％之間。通過各種元素對熱裂紋敏感性影響的研究發現：碳元素比硫、磷和硼熱裂紋敏感性更大。因此，新型焊絲應減少碳含量，以減少熱裂敏感性。但碳含量的減少會使固液共存帶變窄，δ相的百分數增加，導致硫的溶解率上升。因此，新型焊絲雖然具有較高的硫含量，但裂紋率較低，在0%~2％之間。商用焊絲也通過同樣的方式進行了檢測，結果如圖8中A、B和C的顯示（裂紋率4% ~11％）。如圖8所示，與商用GMAW焊絲相比，新型焊絲具有較小的裂紋率。 通常，對於薄板來說，它的形狀因子比值（P/W）比厚板的形狀因子比值更小。因此對具有較大的形狀因子（P/W）的樣本專門進行了另一項試驗來評估熱裂敏感性。在這項測試中，管道如圖9所示的位置布置。焊接后對焊縫橫截面目測檢查裂紋。無論是傳統的GMAW焊絲，還是新型焊絲在各種測試條件下都未發現裂紋。 新型焊絲採取了合適的措施防止熱裂紋的產生。從冶金學角度看，添加的硫元素增加了焊縫的熱裂紋敏感性，但減少碳元素的含量可以彌補這一點。從形態學角度說，通過將焊絲只應用在薄板單道焊中可以將形狀因子（P/W）保持在較小。 焊縫金屬機械性能熔敷金屬具有足夠的強度，可以達到490MPa。需要注意的是採用改進的GMAW焊絲，可以焊接590MPa強度的薄板，並獲得足夠的接頭強度。 結束語本文主要介紹了新型焊絲SE-A50FS 的設計理念和基本特性。該焊絲具有良好的焊縫成形能力，能夠保證在汽車工業中薄板的焊接質量。它能大大提高焊接生產率，並降低焊接缺陷率。隨著汽車工業的競爭不斷加劇，對技術、效率和焊縫質量的要求變得越來越嚴格，因而也進一步促進了新型焊絲的廣泛應用。
