短路过渡主要适合于φ0.8～φ1.2mm的细焊丝。在小电流时熔滴以大滴状过渡（或称粗滴过渡）。这时熔滴主要受重力和表面张力的作用。只有当熔滴长大到较大尺寸时，其重力大于表面张力的情况下，熔滴才能向熔池过渡。当电流较大时，焊丝端头上的熔滴除受上述两个力以外，还受斑点压力的作用，所以该熔滴十分不稳定，总是随着电弧而飘摆，也影响电弧的稳定性，这种大滴（粗）过渡是难以利用的。
如果使用小电流时，配合以短弧，当弧长小于该熔滴的悬挂长度时，便出现了新的局面，熔滴与熔池接触而使电弧短路。这时电弧稳定，飞溅小，可对薄板和空间位置焊接，这就是短路过渡。为了更好地应用这一过渡形式，下面将从几个方面论述它的规律。
1.短路过渡过程
短路过渡时焊接电流和电弧电压的波形图及熔滴过渡示意图如图5-22所示，图5-22中用如下符号表示短路过渡过程的参数：t1为电弧燃烧时间；t2为短路时间；t3、t4为电压上升和下降时间；T为焊接循环周期，T=t1+t2；Imax为最大电流（又称短路峰值电流）；Imin为最小电流（又称稳定电流）；Ia为焊接电流（平均电流）；Ua为平均电弧电压。
电弧燃烧后，由电弧析出的热量，强烈地熔化焊丝，并在焊丝端头形成熔滴（见图5-22中2）。
图5-22 短路过渡过程与焊接电流、电弧电压波形
由于焊丝熔化并聚球，形成较大的电弧空间，其长度决定于电弧电压。随后，熔滴体积逐渐增加，而弧长却变化不大（见图5-22中3）。随着熔滴不断长大，电弧向未熔化的焊丝方面传入的热量减少，同时焊丝的熔化速度也降低（见图5-22中4）。由于焊丝仍以一定的速度送进，所以势必导致熔滴逐渐接近于熔池。同时熔滴与熔池在电弧力与重力作用下，熔滴不断地飘动，而熔池也不断地上下浮动，这就增加了熔滴与熔池接触的可能性。当熔滴与熔池接触时（见图5-22中5），电弧熄灭，电弧电压急剧下降，而短路电流逐渐增大，形成短路液柱（见图5-22中6）。这种状态的液柱难以自行破断。随着短路电流不断增大，由于短路电流的电磁收缩作用，熔滴形成缩颈（见图5-22中7），该缩颈通常称为“小桥”。这个“小桥”连接着焊丝和熔池，小桥的截面最小，所以在表面张力作用下，铁液向两端流动。同时该小桥通过较大的电流，在电磁收缩力作用下，小桥急剧变细。当短路电流增大到某一数值后，“小桥”由于过电流而爆断。同时电弧电压很快恢复到空载电压以上（恢复时间t3），电弧又重新引燃，就这样重复上述过程。
在t1时间内，熔滴处在高温电弧作用下。t1对焊接工艺有重要意义。CO2是一种氧化性气体，熔滴被强烈氧化，使其合金元素被烧损，可见t1和Imax是由电源特点和焊接材料决定的，它们又对焊接过程的稳定性有决定性的影响。
短路过程正常进行时，电流在短路阶段应该这样变化：短路起始电流应该在较低的数值保持1ms左右的时间，以保证熔滴与熔池柔顺汇合，避免产生瞬时短路。当熔滴在熔池表面摊开后，应该有足够大的电流，以便尽快压缩液柱而形成小桥。以后应降低电流上升速度，确保短路结束时的电流（短路峰值电流Imax）不太大，使得短路小桥在较小的爆破力作用下破断，同时伴随着较小的飞溅。
电压上升和下降时间（t3和t4）是电源动特性的两个很重要的指标，对焊接过程稳定性影响极大，通常总是设法减少这些时间。实际上，目前在生产上使用的整流式焊机和逆变式焊机都能满足这一要求。只有某些旋转弧焊发电机难以实现这一要求。
2.短路过渡的分类
短路过渡时，在电弧热作用下焊丝熔化，形成熔滴，熔滴在电弧作用下受排斥力，引起熔滴上下浮动。另一方面，熔池表面也在电弧力与重力作用下，不断地起浮。二者相遇就发生短路，二者分开又产生电弧。这些运动都是无规律的，从而引起短路过渡过程的随机性。
这种短路的随机性，不仅表现在短路频率上，而且在短路时间上也是这样。在短路过渡过程中，短路时间的几率分布如图5-23所示。可见短路特点按短路时间分类有两种类型：一种出现在短路时间ts≈0处，而另一种出现在ts＞2ms处以上的时间。这样一来，根据短路时间的长短，可以把短路过渡分成两类：第一类是短路时间小于2ms的瞬时短路，第二类是短路时间大于2ms的正常短路。两种短路形态如图5-24所示，其中图5-24a所示为正常短路，这时短路小桥爆破发生在焊丝与熔滴之间，往往伴随较细小的飞溅。如图5-24b所示为瞬时短路，这时短路小桥常常发生在熔滴与熔池之间，在小桥爆破时，该熔滴常常被抛出而成为较大的飞溅。
图5-23 短路时间几率分布曲线
图5-24 两种短路形态示意图
a）正常短路 b）瞬时短路
3.影响短路过渡频率的因素
短路过渡时，为了稳定焊接过程，希望熔滴越小、过渡越快越好。也就是说，在稳定的短路过渡情况下，要求尽量高的短路频率。短路频率常常作为短路过渡过程稳定性的衡量标准。
（1）电弧电压的影响 电弧电压对短路过渡过程有重要的影响。电弧电压对短路频率的影响示于图5-25（图5-25中给出的是平特性电源的空载电压，而电弧电压比它低1～2V）。图5-25中以直径为1.2mm的焊丝为例，送丝速度保持在254cm/min。显然，过渡频率在电压为18～20V时短路频率达到峰值，短路过渡过程比较稳定（电压波形如图5-25中B所示），短路时间达3ms以上。空载电压为22～26V的C区内，熔滴过渡有明显的排斥特点，短路时间较短，约为1ms，此时短路为瞬时短路。
图5-25 短路频率与电弧电压、焊丝直径的关系
在电弧电压达到30V以上的D区，熔滴以自由飞落形式过渡，而无短路过程。其熔滴过渡频率仅为5次/s，而电压为19V时短路频率为100次/s，两者相差20倍。当电弧电压低于最佳值在14～18V的A区中，短路持续时间增加，且无规律，常常发生断路和熄弧现象，熔滴过渡频率反而降低。对直径为1.2mm的焊丝，以19V电压为最佳值。
（2）焊丝直径的影响 焊丝直径对短路过程稳定性影响很大。如图5-25所示，焊丝越细，短路频率的最大值越高，则短路过渡过程越稳定。反之，随着焊丝直径的增加，短路频率的最大值下降，并向电压较高一侧变化。如φ0.8mm焊丝的最佳电压为18V，短路频率为150次/s，而φ2.4mm焊丝为21V，它的短路频率为50次/s。
（3）送丝速度的影响 送丝速度对短路频率f、短路峰值电流Imax、短路时间t2及焊接电流I的影响规律如图5-26所示。送丝速度对于短路频率的影响很大，送丝速度达到一定值后开始稳定的短路过程。从P点开始短路频率随送丝速度的增加而急剧增加，R点达到最大，以后又减小。
该曲线上任意一点与原点O连线的斜率表示每次短路时过渡熔滴的大小。Q点为斜率最大处，所以该点所对应的送丝速度时的熔滴体积最小，其Imax、t2也最小，这时熔滴过渡十分稳定，焊缝成形很好。送丝速度较低时（P点附近）焊缝不连续。送丝速度较高时（S点附近），焊丝端头将潜入母材，使焊缝成形变坏。
（4）整流弧焊机中直流电感的影响 直流电感在整流焊机中的作用是不可缺少的。除滤波作用外，还能改变焊接电流波形，如图5-27所示。电感L1较小时，短路电流上升速度di/dt较大，短路峰值电流I1max过高，将使飞溅增加，同时减小短路周期时间，也就是提高短路频率。反之，电感L2较大时，短路电流上升速度di/dt较小，短路峰值电流I2max较低，能降低飞溅。但是当电感过大时，Imax过低，将引起固体短路。在直流电感较大时，能增加短路周期，也就是降低短路频率。
图5-26 送丝速度与短路频率、短路时间、短路峰值电流、焊接电流的关系
图5-27 直流电感对短路过渡过程的影响
a）短路过渡时的电流波形 b）短路频率的变化
（5）保护气体成分的影响 CO2中加入Ar能够影响电弧稳定性和熔滴过渡特点，所以也能够影响短路过渡频率，如图5-28所示。从图5-28中可见，保护气体为纯CO2和纯Ar时的短路频率都较低，而为混合气体时短路频率较高。另外随着焊接电流Iw的增加，短路频率的最大值向富Ar方向移动。
前面已经介绍，纯CO2气体保护焊时，由于在燃弧阶段弧根收缩，在斑点压力与电磁力的作用下，使熔滴受到排斥作用而产生向焊丝方向的运动趋势，所以一旦熔滴与熔池短路，并在熔滴与熔池间形成缩颈小桥时，该缩颈较难扩展，往往由于电流上升速度快而爆破成为飞溅。然而在富氩气体保护时，当熔滴与熔池接触并形成缩颈后，在大多数情况，该缩颈迅速润湿而扩展，熔滴的液体金属能通过小桥向熔池流动，使得缩颈位置转移到焊丝与熔池之间，如图5-29所示。这种现象的产生是由于氩气中电弧电场强度比CO2气体中低，所以氩保护时电弧的阳极斑点容易扩展，并笼罩着焊丝端头熔滴的大部分表面积，熔滴受力分散和均匀，使熔滴呈下垂状，底部呈球面，所以当熔滴与熔池接触后，熔滴金属迅速沿熔池表面铺展，加快了短路过渡过程，而提高了短路频率和降低了短路电流和飞溅损失。
图5-28 在一定的电弧电压条件下，CO2+Ar混合比对短路频率的影响
4.CO2焊的飞溅
焊接飞溅是CO2焊接过程中的主要问题之一，严重的飞溅可以超过25%以上。这将妨碍正常焊接工作。通常飞溅不但降低生产率，影响焊接质量，而且还恶化劳动环境。为此，飞溅问题一直引起了人们的极大关注。
图5-29 不同气体介质短路过渡特征示意图
a）在Ar气中 b）在CO2气中
对飞溅经过细致的观察和研究发现，飞溅主要发生在短路过渡过程中、引弧过程中及从熔滴和熔池中析出气体的过程中。
下面归纳几种情况加以说明。
（1）短路过渡时的主要飞溅形式 短路过渡中短路小桥破断时常常发生飞溅，如图5-30所示。细丝小电流时，缩颈位置在焊丝与熔滴（熔池）液体小桥发生爆炸时，该爆炸力推动熔滴进入熔池。又因为电流小，所以此时只产生细小颗粒的飞溅，如图5-30a所示。当电流较大时，在焊丝端头形成较大的熔滴。熔滴在电弧力作用下受到排斥，电弧的弧根集中在熔滴底部，此处温度高，则表面张力减小，熔滴金属在该处局部凸出，该处往往先接触熔池而短路，较大的电流通过该短路小桥，同时产生较大的电磁收缩力。在电磁收缩力作用下将发生两种可能的现象：一种是该熔滴被排斥开，犹如小球弹起；另一种是该短路小桥因过电流而爆炸，因为爆炸力较大，同时该力又作用在熔滴与熔池之间，其作用力使熔滴远离熔池，而形成很大的飞溅，如图5-30b所示，这种飞溅又称为瞬时短路飞溅。如果在回路中串入较大的不饱和直流电感，用来抑制短路电流的上升速度，使得熔滴能够柔顺地与熔池润湿汇合，从而避免了这种大飞溅。
冷态引弧时或在焊接参数不合适的情况下（如送丝速度过快而电弧电压过低，焊丝伸出长度过大或焊接回路电感过大等）常常发生固体短路，如图5-30c所示。大电流潜弧焊时，一旦熔滴与熔池发生短路，可能产生强烈飞溅，如图5-30d所示。大电流非短路焊接时，由于某种偶然因素而发生短路时，也将引起强烈飞溅，如图5-30e所示。
图5-30 短路过渡时主要飞溅形式
（2）非短路过渡时的主要飞溅形式 在焊接电流较大和电弧电压较高时，熔滴不再发生短路。这时熔滴过渡是一种典型的CO2气体因吸热反应而对电弧产生冷却作用，使电弧收缩，该电弧对熔滴产生排斥作用。焊丝端头的熔滴在排斥力的作用下，大熔滴被急剧抬起，其重心高于液体小桥的位置。同时由于焊接电流通过该液体小桥而产生较大爆炸力，该液滴发生旋转和飞出，偶尔引起大颗粒飞溅，如图5-31a所示。
在非短路过程时，连接焊丝端头熔滴的液体小桥，由于流过较大的电流而爆断，而该熔滴却常常落入熔池中，这时只产生细小的飞溅，如图5-31b所示。图5-31c、d为使用含有油、锈和脏物的焊丝和焊件或含碳量高或脱氧元素不足的焊丝时，由于冶金反应的结果从熔滴或熔池中析出CO气体，同时伴随着细小的飞溅，当油、锈较多时，还可能引起熔滴强烈膨胀而激烈爆炸，使得熔滴破碎而飞溅。如图5-31e所示，有时熔滴在电弧空间能形成串联电弧，由于熔滴受力不均衡，该熔滴常常被抛出熔池而形成大滴飞溅。
图5-31 CO2焊非短路过渡时的飞溅形态
a）斑点压力使熔滴上挠造成的飞溅 b）液体小桥内流过大电流爆断 c）气体从熔池或熔滴中逸出引起的飞溅 d）使用生锈的焊丝使熔滴膨胀爆炸 e）熔滴在电弧空间形成串联电弧引起飞溅
焊接飞溅的大小用飞溅率（ψ）来度量。飞溅率的定义为，焊芯（或焊丝）熔敷过程中，固体飞溅损失的全部质量与熔化的焊芯（或焊丝）全部质量的百分比。它与焊接规范、焊接参数及熔滴过渡形式有密切的关系。飞溅率的大小按式（5-23）计算：
式中 αd——熔敷系数，单位时间、单位电流所熔敷的焊缝金属中的质量[g/（A·h）]；
αm——熔化系数，单位时间、单位电流所熔化焊丝金属的质量[g/（A·h）]。
飞溅率的测量大多采用称重法。当飞溅很小时也可以采用搜集法。
CO2焊飞溅率的大小与焊接参数、焊接设备和焊接材料等因素有关，如图5-32所示。
这里提到的焊接方法有两种：一种为晶闸管整流器控制，另一种为波形控制。前者在每一栏的左侧，后者在右侧。可以看出波形控制焊接的飞溅次数都比晶闸管整流器控制的少，飞溅颗粒的尺寸也小。波形控制法有明显地抑制电爆炸飞溅的效果，而对气体逸出引起的飞溅影响不大。电流大小对飞溅的影响十分明显，对φ1.2mm的H08Mn2SiA焊丝，在焊接电流为220A时比120A（图5-32中b和a相比）的飞溅大，飞溅颗粒也大。同时两种类型的飞溅有类似的结果。焊接电流对飞溅的影响还可以从图5-33中看到，对于不同直径焊丝有类似的影响规律，都存在极值，小于极值电流的区域，随着焊接电流的增加，则飞溅率增大。而大于极值电流的区域却相反，随着焊接电流的增加，飞溅率却减小。还可以看到，随着焊丝直径的增加，极值电流也增大，与其对应的飞溅率也增大。
试验表明，小于极值电流的低电流区域的主要熔滴过渡形式为短路过渡。而大于极值电流的区域为以潜弧焊为主。极值电流的附近以瞬时短路过渡为主，此时焊接飞溅最大。
图5-32 焊接方法与焊接参数对飞溅状况的影响
a）小电流 b）中电流
图5-33 焊接电流对飞溅率的影响
为了寻求CO2焊短路过渡时产生飞溅的原因，国内外许多学者进行了大量的研究。前苏联学者宾丘克认为焊接飞溅主要是由于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。短路后电流将按指数曲线逐渐增加，小桥处的液体金属在电磁收缩力的作用下迅速收缩，形成很细的缩颈。随着时间延续，焊接电流增加而小桥缩颈却减小，所以小桥缩颈处的电流密度迅速增加，对小桥急剧加热，造成过剩热量的积聚，最后导致缩颈处发生汽化爆炸，同时引起金属飞溅。另一种说法是由前苏联学者阿库洛夫提出的，其观点为液体金属小桥在电磁力作用下，瞬间爆断而激发电弧，同时使小桥金属剧烈蒸发并产生强烈的气动冲击作用，该力作用在熔池和焊丝端头的熔滴上，并产生金属颗粒的溅出。这里所说的气动冲击作用产生在电弧再引燃之后，而飞溅又是气动冲击所致。试验表明，前一种说法是正确的，飞溅多少与电爆炸能量有关，此能量主要是在小桥完全破坏之前的100～150μs时间内积聚起来的。主要由于这时的短路电流（即短路峰值电流）和小桥缩颈直径所决定。所以实际上减少飞溅的主要途径是限制短路峰值电流。
CO2焊的飞溅是严重的，为了减少飞溅损失，人们从许多方面寻找解决措施。下面介绍几种成功的办法。
1）采用Ar+CO2混合气体代替纯CO2可以减少飞溅。大量试验表明加入Ar20%～30%（体积分数）就可减少飞溅，并随着Ar气比例的增加，焊接飞溅明显降低。这一规律在不同直径焊丝和不同焊接电流时都存在。例如用φ1.2mm的H08Mn2SiA焊丝，当焊接电流为135A、电弧电压为20V的条件下，进行短路过渡焊接，得到的结果是：纯CO2保护时飞溅率为5%；CO250%+Ar50%（体积分数）混合气体保护时飞溅率为3%；而CO220%+Ar80%（体积分数）保护时飞溅率为1%左右。
这种结果的主要原因有以下两方面，首先是随着含氩量的增加，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，减小了电弧对熔滴的排斥作用和增强了熔滴的轴向性。这样，一方面促进熔滴与熔池柔顺地熔合与润湿，保证了短路小桥出现在焊丝与熔池之间。另一方面，燃弧期熔滴经过整形，熔滴呈下垂状，从而容易得到较均匀的短路过渡过程，使得熔滴尺寸均匀和短路峰值电流均匀，所以有利于减小飞溅率。其次随着含Ar量增加，电弧气氛的氧化性减弱，所以也就减少了由于冶金反应生成CO所引起的飞溅。
2）焊接电流波形控制法降低飞溅的效果十分显著。电爆炸学说揭示了短路过渡飞溅产生的机理。焊接电流波形控制法根据这一原理提出了许多降低飞溅的途径。
抽头式整流焊机和晶闸管式整流焊机因其电路简单，它能提供一定的静特性，而CO2焊对电源动特性有明显的要求，这里只能通过在焊接电路中串联较大的直流电感，以便调节短路电流上升速度和短路峰值电流。电感较小时，短路电流上升率
较快和短路峰值电流较大，所以焊接飞溅较大；当电感过大时，由于短路电流上升率
过小，而引起焊丝与熔池发生固体短路，这将产生更强烈的飞溅，如图5-34所示。可见直流电感量DCL根据电焊机的额定容量或者根据焊丝直径应选择一个合适值，见表5-20。
表5-20 直流电感（DCL）的选择
此外，焊接回路的
除受控于DCL外，还可以通过改变短路时的电源电压来调节，如图5-34所示。
短路电流上升速度示于式（5-24）。
式中 IM——短路时稳态电流，
；
Im——燃弧时稳态电流，
；
R0——焊机内阻；
RD——焊丝伸出长度电阻；
RZ——弧长接近零时的电弧电阻；
UZ——弧长接近零时的电弧电压；
E1——短路时的电源电压；
E2——燃弧时的电源电压。
从式（5-24）可知，
不但与电感L有关，还与（IM-Im）有关。当E2不变时，Im为常数，则
只与IM有关，也就是只与E1有关。显然，短路时电源电压E1越低，则
也越小。
根据上述分析，如果将短路时的电源电压E1降低，则不但可以降低短路电流上升速度，而且也能降低短路峰值电流Imax，其电流波形如图5-35所示，于是焊接飞溅也降低。
在这里值得提出，无论是改变直流电感还是改变电源电压，它们只能抑制正常短路时的飞溅，而对瞬时短路时的飞溅却无影响。
图5-34 直流电感对电流波形的影响
a）小电感 b）合适电感 c）过大电感
为了降低飞溅率，人们采取了不同的焊接方法，如图5-36所示。可见常规CO2焊法在全电流范围内飞溅都比较高。当采用上述降低短路期间电源电压的波形控制方法，能大幅度地降低焊接飞溅，飞溅率大约比常规CO2焊法降低50%。这一数值与富Ar混合气体保护焊时的飞溅水平接近。
试验中还发现脉动送丝法由于按一定频率和步长进行脉动式送丝控制，也能获得较低的飞溅率。为了进一步降低焊接飞溅，哈尔滨工业大学提出在脉动送丝的基础上，同步施加合理的电流波形控制，这种方法称为联合控制法。从图5-36中可以看到在不同的焊接电流情况下，CO2焊联合控制法均能获得较低的飞溅率。
图5-35 电源电压波控时焊接电流的特征参数
自从20世纪90年代以来，随着逆变焊机技术的应用，为焊接技术的提高建立了非常理想的平台。现在IGBT逆变焊机的工作频率大都为20kHz，也就是它的频率与晶闸管整流弧焊机相比提高了400倍。在这一背景下，极大地推动了CO2焊接技术的进步。首先，为解决飞溅问题从过去过多地依赖焊接材料，而转向依靠完善焊接设备，同时又与计算机相结合，研制出了新型的数字化逆变式CO2焊机。这种焊机与电弧物理研究相结合，产生出一些新型的波形控制CO2焊机，下面简单介绍几种典型的波形控制原理，如图5-37所示。
常规短路过渡CO2焊的电流与电压波形如图5-37a所示。这里没有任何特殊的控制措施，只是在电路中选用了合适的直流电感或电子电抗器等，所以焊接飞溅比较大。
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图5-36 不同焊接方法时飞溅率与焊接电流的关系（H08Mn2SiAφ1.2mm）
△—常规连续送丝法 □—常规脉动送丝法 ○—波形控制法 ●—富氩气体保护焊法 ×—联合控制法
20世纪80年代中期李树槐提出电流负脉冲诱导过渡波控法，这种方法是在燃弧后期施加电流负脉冲而减小电流，给被排斥的熔滴整形，熔滴呈下垂状，有利于熔滴与熔池柔顺接触并促进熔滴沿熔池铺展，形成稳定的短路过渡。可见这一方法能防止产生瞬时短路，并避免了在短路初期的大颗粒飞溅。由于电流负脉冲的诱导作用，使得短路过程均匀，短路峰值电流近似相等，则短路过程呈现受控状态，如图5-37b所示。这时仍产生少量细颗粒飞溅。
诱导脉冲法和熔滴小桥电爆炸理论揭示了短路过渡时产生的飞溅常常发生在短路期间的开始和结束时刻，而与燃弧期间的电流与电压无关。于是人们为了减少飞溅主要从短路期间入手，如图5-37c所示，形成了短路电流波形控制法。在短路初期，降低电流为Iw=50～100A，时间tw为0.6～1ms。t2时刻，液体小桥完成了铺展过程。之后为加速液体小桥的缩颈过程，将提高短路电流上升速度，使电流达到It，形成缩颈。为减小电爆炸力，也就是应降低短路峰值电流，所以从t3时开始，降低短路电流上升斜率
一直到t4时刻短路小桥爆断。由于这一过程限制了短路峰值电流Imax的大小，同时短路小桥细颈出现在焊丝与熔池之间，所以只产生较小的细颗粒飞溅。这种控制方法减小了飞溅，却因燃弧期电流衰减过快而减小了燃弧能量，则出现了高而窄的焊缝，可见这种短路电流波控法仍不理想。但是从此取得了两点经验：一是减小短路飞溅的思路是可取的；二是短路期间和燃弧期间的电路参数和控制方式不同，也就是有可能在短路与燃弧期间根据状态的不同分别加以控制。这里，短路期间采用恒流控制，也就是给定所要求的电流波形和采用电流负反馈的控制系统。燃弧期间为满足弧长自动调节的需要，而采用电压负反馈系统。
图5-37 典型短路过渡CO2焊波形控制法
a）常规短路过渡电流、电压波形 b）电流负脉冲诱导过渡波形控制法 c）短路电流波控法 d）双脉冲短路过渡波形控制法 e）表面张力控制法（STT法） f）自然短路波形控制法
随着熔化极脉冲氩弧焊（脉冲MIG焊）的出现，人们很自然地也想把这一思路用于CO2焊中。如图5-37d中实现了双脉冲短路过渡波形控制法，短路期间与短路电流波控法类似，电流波形的特点是减小短路前后的电流，以便降低飞溅。同时在短路期间施以一定的能量完成液体金属小桥的颈缩过程。燃弧期间的主要任务是熔化焊丝和母材，并在焊丝端头积聚一定尺寸的熔滴（通常熔滴直径为1.2d丝）。从燃弧期的波形来看，短路小桥爆破后，从t0时刻开始施加一个脉冲，其幅值为Isp和时间为Tsp，燃弧脉冲期间形成一个熔滴，脉冲过后进入燃弧基值电流Iab，一直到短路。为保证脉冲能量恒定，燃弧脉冲电流Isp和短路脉冲电流Iap都是恒定值。这样一来，这种控制方式在无干扰的情况下可以实现良好的焊接过程，但是当受到干扰，弧长发生改变时，焊接过程不能自动调节弧长，则必须破坏稳定的焊接过程，所以该控制法难以实际应用。
表面张力过渡控制法（即STT法）是前苏联学者宾丘克在20世纪80年代初申报的专利，并由美国林肯电气公司E.K.Stava发表了论文和研制了产品。它打破了焊接设备恒压或恒流控制的传统模式，在研究了熔滴短路过渡的物理模型后提出了一种依靠熔池的表面张力将液体金属小桥拉断的方法，实现了无飞溅过渡，所以称为STT法（见图5-37e）。STT法中每个短路期间都经过以下7个阶段的控制：维弧阶段（t0～t1），为燃弧后期的维弧阶段，电流较小（I1=50～100A左右）；润湿阶段（t1～t2），熔滴与熔池刚一接触和短路，应立即减小电流（I0=80A左右），使熔滴的球面在表面张力作用下，沿熔池表面铺展开来，这样就能防止熔滴回弹和发生瞬时短路。随后迅速提高短路电流达I2（也称拐点电流）形成缩颈；颈缩阶段（t2～t3），连接焊丝和熔池的液态金属在电磁力作用下由球状转为柱状和腰状，收缩成液体小桥。为减慢小桥收缩的速度和防止其发生电爆炸，这时应减少电流上升斜率。随着腰状小桥缓慢收缩变细，小桥电阻增大，同时连续检测反应电阻变化的电压变化率。当电压变化率达到某一临界值时，表明小桥即将断裂，在此时刻（t3）得到这一信息后，马上将电流降到最小值I0；表面张力拉断阶段（t3～t4），这时即使没有电磁力只依靠表面张力也能促使小桥进一步收缩，直至柔顺的拉断（t4）；再引燃阶段（t4～t5），焊丝脱离熔池后，电弧又重新引燃，此时应在小电流I0维持一段时间（t4～t5），以免对熔池产生气动冲击；燃弧阶段（t5～t6）电弧引燃后电流应尽快恢复至较大的燃弧电流I4，其作用是加热熔池产生一定的熔深，另一方面在焊丝端头产生所要求的熔滴；回复阶段（t6～t7），电流从I4逐渐衰减到基值电流I1，在较小电流作用下，削弱了电弧对熔滴的排斥作用，使熔滴呈下垂状，实现了对熔滴的整形，为下一次可靠的短路过程做准备。
可以看出STT法非常科学地、严格地剖析了短路过渡过程的物理模型，并在全过程中对焊接电流和电弧电压等参数进行了适时的、快速的控制，获得了基本上无飞溅的焊接方法。这种方法的主要特点是每一个短路周期中焊接电流和电弧电压都呈两高两低状态。两高时输入能量，两低时保证过程稳定，这样可以使熔滴与熔池柔顺接触并使焊丝和熔池平静分开，也就是抑制了飞溅的产生。技术难点有两个：一是短路飞溅的多少与焊接能量有关，此能量是在小桥爆断之前的100～150μs内积聚起来的，所以较大的短路电流必须在爆断之前的150μs时拉下来，这个时刻可以用短路电压上升率du/dt为特征。可是该信号在小电流时能可靠地采集，而在较大电流时却不能，所以该方法目前只是在较小的电流时能可靠应用。另一个难点是应在几微秒时间内快速使较大的短路电流下拉到50A左右。目前焊接回路都有较大电感，电路的动态响应能力较差，常常是采用辅助电路来提高动态响应能力。这样做又增加了设备的复杂性和成本。
短路过渡CO2焊波形控制方案很多，各种方案都在追求最好的工艺性能，如像低飞溅、良好成形、较好的弧长自调节性能、较宽的焊接电流范围、各种干扰的补偿能力及简单可靠的控制措施等。为此北京工业大学提出一种自然短路波形控制法，如图5-37f所示。从电流和电压波形来看与常规短路过渡图5-37a类似，只增加了状态控制环节（U1和U2），适时地实现了电流波形的切换。当短路向燃弧切换时，短路峰值电流Im虽然较大，但比较均匀，所以飞溅不太大。而常规短路过渡焊却不然，电流波形不均匀，短路峰值电流Im也不均匀，个别短路周期中Im很大，它将引起较大飞溅。另一方面与STT法相比较，它不需要采集短路小桥即将爆炸的特征信号du/dt，所以焊接电流范围宽，设备简单、可靠。从焊缝成形来看，图5-37c中短路电流波控法，在燃弧期电源电压大多为缓降特性，则电流下降斜率变化不大，基本上为指数曲线。往往因燃弧能量不足，而恶化了焊缝成形。而自然短路波控法图5-37f在燃弧期也加以波形控制，一方面改变燃弧期的电源电压变化率，开始为K3，随后为K4；另一方面通过电子电抗器调节其中的电流变化率，所以燃弧电流下降斜率可以在较大范围内调节，于是焊缝成形控制也可以根据板厚及坡口形式进行改变。
还有一点，自然短路波控法中燃弧—短路之间的切换都是开环的。波形设计考虑到CO2焊的电弧特点，燃弧期电弧对熔滴的排斥作用使熔滴偏熔和浮动，这将破坏熔滴过渡的稳定性。于是在燃弧期既要有较大电流以增加热输入，又考虑到燃弧后期电流应减少至50A左右，在维持电弧稳定燃烧的前提下，减小电弧的排斥作用，也就是对熔滴的整形过程。这时下垂状的焊丝端头，随着焊丝的送进，发生平稳的短路过程。
可以看到，短路期间由于加快了短路电流上升速度，也就加快了液体小桥的颈缩速度。另外燃弧期间由于燃弧初期加大了电流，加快了焊丝的熔化和形成熔滴，而燃弧后期的整形作用促进了熔滴与熔池的短路。总之，上述过程都将缩短短路周期和提高周期的均匀性。所以自然短路法能提高短路过渡频率和周期的均匀性。
逆变技术与焊接工艺和数字化技术相结合，使传统技术不能实现的工艺得以实现。过去用整流焊机作为CO2焊电源，它的动特性主要依赖直流电感，所以整个短路周期，甚至不同直径焊丝时，都使用同一个电感，具有类似的动态响应能力。可是实际上在相同直径焊丝的短路过程的不同阶段对动特性的要求是不同的；进一步来看不同直径焊丝、不同焊接电流和不同保护气体等条件下，对短路过渡的不同阶段所要求的动特性也是不同的。这样多的不同，仅仅依靠一个直流电感是不可能达到理想要求的。今天利用数字化逆变式CO2焊机有可能满足更多个性化的要求，随着硬件平台的逐步完善，软件系统也将随工艺技术的深入研究不断地充实和完善，新一代焊机将是高新技术的产物。
5.短路过渡时的能量分配及其对焊缝成形的影响
短路过渡CO2焊时由于焊接条件不同，可以得到截然不同的焊缝成形，如图5-38所示。有的是窄而高的焊缝，熔深较浅，边缘甚至未熔合。有的却是表面平坦，熔合良好和熔深较大。
这是为什么呢？经过深入的研究发现主要是因为短路过渡时，热能向焊丝和向焊件分配的比例不同所致。
短路期间，有效的热能主要是焊丝伸出长度部分的电阻热I2Rt。燃弧期间，电弧热可以直接加热焊丝和熔池。据初步统计，短路时所析出的功率只占全部功率的1.5%～9%，这说明短路时对熔池的加热量是很小的，加热熔池的主要热量来源是燃弧期的电弧热，其中主要是阴极斑点（CO2焊法采用直流反接法）产热。而在燃弧和短路期间熔池由于母材导电面积大，电阻小，则其电阻产热也很小，可以忽略不计。
图5-38 短路过渡时的典型焊缝成形
对焊丝的加热也主要是燃弧期间的电弧热（阳极斑点产热）和焊丝伸出长度上的电阻热。总之，单位时间内对焊丝和母材的加热量可以写为
Qw=KaQIa+KjaI2aRa+KjsI2sRs （5-25）
Qb=KcaIa （5-26）
式中 Qw，Qb——对焊丝和母材的加热量；
Ra，Rs——燃弧与短路时焊丝伸出长度的电阻；
Ia，Is——燃弧与短路时的平均电流；
KaQ——阳极区产热系数；
Kja——燃弧期焊丝伸出长度上的电阻热系数；
Kjs——短路期焊丝伸出长度上的电阻热系数；
Kca——燃弧期阴极产热系数。
可以看到，对熔池加热主要依靠燃弧期的电弧热，它对焊缝成形有主要影响，如图5-39所示。当燃弧期与短路期的能量比（简称能量比）较大时，焊缝成形为平坦状而熔深大，反之焊缝成形窄而高。
影响能量比的因素很多，如焊接参数、焊丝直径、电感量、保护气体成分和电流波形等。焊丝直径的影响如图5-39所示。图5-39中给出了直径为0.8mm和1.6mm两种直径焊丝的电流波形，可见直径为0.8mm的细丝短路期比燃弧期的时间长，也就是能量比小，则电弧对母材的加热不足，熔深较浅，但却有利于焊接薄板。而较粗的φ1.6mm焊丝恰好相反，燃弧时间明显增加，这时能量比较大。对母材加热较强，所以适合于较厚的焊件。如图5-40所示，在焊接平均电流都是160A时，图5-40a为φ0.8mm的细丝，短路时间较长，能量比较小。所以焊缝呈现窄而高的形状。图5-40c为φ1.6mm粗丝，恰好相反，虽然总电流仍为160A没变，但是能量比却发生了很大的变化，因此焊缝成形也得到了极大的改善，焊缝成形表面平坦而且熔深较大。图5-40b为φ1.2mm焊丝，其焊缝成形虽然不如φ1.6mm焊丝，但却比φ0.8mm的焊丝明显改善，通常是可以接受的。
图5-39 短路过渡时的能量分配特点
图5-40 焊丝直径为0.8mm、1.2mm和1.6mm时的焊缝成形与电流波形（平均电流为160A）
a）φ0.8mm焊丝，Ip=330～390A b）φ1.2mm的焊丝，Ip=330～430A c）φ1.6mm焊丝，Ip=430～530A
所以通常CO2焊大多选用φ1.2mm焊丝，这时不仅价格便宜，且便于半自动焊时操作和焊接成形能够满足要求。
调节能量比最有效的方法是调节短路电流波形，比较成功的波形控制方法有三种：一为通过在焊接回路中串联电感；二为增加基值电流；三为在燃弧时加电流脉冲。
首先在焊接回路中串联直流电感能够降低电流变化的速度，即能够减慢短路时的上升速度，还能够减缓电流的下降速度。试验证明，增大电感时能量比将增加，如图5-34所示。其次使用双电源并联技术（其一为陡降特性电源，另一为平特性电源）。能提高燃弧稳定电流和提高能量比，如图5-41所示。使用φ0.8mm焊丝，160A条件下，使用双电源时焊缝成形良好，而单电源时焊缝成形恶劣。再次，为了改善焊缝成形，还可以在燃弧电流上叠加电流脉冲，如图5-42所示。在燃弧阶段强烈地熔化焊丝金属和熔池金属。一方面在随后短路期间焊丝端头的熔滴与熔池接触并过渡，另一方面熔池也得到充分的加热，有利于焊缝成形。这样的控制思路在图5-37中的e、f都有所体现。
焊接电流一般是指平均电流。焊接电流的大小并不能反映能量比的大小，也就是说在相同的焊接电流时，由于能量比不同，焊缝的熔深也是不同的。电弧电压对能量比的影响十分敏感。在送丝速度和焊丝伸出长度一定的情况下，随着电压的降低，熔滴过渡形式将由自由过渡变为短路过渡。随后随电压的进一步降低，短路频率也增加。这时总的平均电流基本不变，而燃弧平均电流却明显减少，这样通过调节电弧电压，将影响熔滴过渡形式和燃弧与短路能量比，最终能够调节对母材的能量分配和焊缝熔深。如图5-43、图5-44所示。
图5-41 单电源与双电源时的焊缝成形与电流波形（φ0.8mm焊丝，160A）
a）双电源 b）单电源
图5-42 短路过渡CO2焊时在燃弧阶段施加脉冲电流
图5-43 不同平均电流时电压对平均燃弧电流的影响
图5-44 不同平均电流时电压对熔深的影响
保护气体成分对焊缝成形的影响也很大。因为在小电流时，富Ar气体保护焊时，短路频率降低，同时增加燃弧时间，也就是提高了能量比。另外在同样的电流条件下，富Ar气体保护焊的电弧比CO2焊时的尺寸大，则电弧笼罩面积也大，使焊缝变宽，所以能改善焊缝成形。
实际上依靠改变焊丝直径、保护气体成分和电流波形都能调节焊缝成形。但是常常还要考虑到经济效益和具体条件。改变焊丝直径和保护气体成分往往受到一定限制，而调节电流波形却来得容易些，尤其是先进的数字化焊机出现之后，依靠焊接电源调节电流波形已成为十分简单而有效的方法。
6.电源动特性
短路过渡CO2焊时，不断重复燃弧—短路—燃弧过程，同时焊接电流和电弧电压也发生周期性的变化。可见负载变化十分强烈，使得焊接过程不稳定，主要表现在飞溅大、断弧和焊缝成形不规则等。这些问题长期以来一直是人们研究的热点，解决问题的主要途径是根据负载变化来调节焊接电源的动特性。大家知道，CO2焊机从弧焊发电机—整流弧焊机—逆变弧焊机发展到数字式逆变弧焊机，焊接设备的内涵发生了巨大的变化，随着科学技术的进步，电源动特性的内涵也在不断地变化。
电源动特性是指当负载状态发生瞬时变化时，弧焊电源输出电流和输出电压与时间的关系，用以表征对负载瞬变的反应能力。显然，当负载变化时，电源必须做出最快的和最佳的响应，也就是应获得稳定的焊接过程，较小的焊接飞溅和良好的焊接成形。
不同种类和不同年代的焊接电源由于电源本身的原理与功能的限制，电源动特性的具体内涵是不同的。最早的电源动特性指标有以下三项：
1）
——短路电流上升速度。
2）Im——短路峰值电流。
3）
——短路到燃弧时电源电压的恢复速度。
图5-45 整流焊机主电路的等效电路图
这三项指标是针对弧焊发电机制定的。因为这种焊机为旋转直流焊机，电磁惯性大，从短路到燃弧时电源电压恢复速度过慢，从而影响电弧再引燃。因此解决电源动特性问题的出发点应是如何降低这种焊机的电磁惯性。
当硅二极管和晶闸管出现后，大功率整流弧焊机问世。该机的电磁惯性很小，上述对
项指标的规定已没有实际的意义了，而对另两项指标却很重要。在短路过渡焊接时，
和Im均很大，而引起很大的飞溅，焊接过程十分“暴躁”。为此必须在电路中串入铁磁电感来调节动特性，其等效电路如图5-45所示。回路中电流由下式决定：
式中 U——电源电压（V）；
R——短路回路内阻（Ω）；
L——输出滤波电感（H）。
由式（5-27）可见有如下两个特点：首先是短路电流随时间呈指数曲线规律变化。其特点是电流上升的初始速度很快，此后上升速度逐渐减慢。其次电流变化速度
与回路电感L和电源电压U有关。通常电源电压不变时，
主要决定于电感。
对于整流焊机来说，调节电源动特性的主要方法就是选择合适的电感。当电感较小时，
和Im较大；反之，当电感较大时，
和Im较小。前者电弧暴躁，飞溅较大；后者飞溅较小，焊接过程稳定。但是当电感过大时，由
太小，而引起焊丝固体短路，这将引起更大的飞溅和破坏焊接过程稳定性，另外电感还影响焊接成形，电感合适时，焊缝成形美观，而电感较小时，焊缝呈窄而高状。
通常整流焊机的直流电感是根据焊机的额定电流来选择，见表5-21。
表5-21 直流电感的选择
对于某一台焊机其直流电感常常是固定不变的，而当焊丝直径或焊接电流改变时，电源动特性往往不能满足焊接工艺的要求。对整流焊机来说，这是难以解决的。此外，整流式CO2焊机还存在以下的问题：
1）引弧成功率低。为了减少飞溅而增大电感，不利于引弧。
2）正常短路时的飞溅可以通过调节动特性得到控制。而瞬时短路是随机性很强的过程，常常产生很大的飞溅，且为大颗粒形状。
3）整流焊机大多采用三相整流电路，其工作频率仅为300Hz，与短路过渡频率相近，所以对短路过程难以可靠控制。
逆变式CO2焊机的工作频率为20kHz左右，其工作周期为50μs左右，大大提高了电源对负载瞬变的反应能力。
图5-46 典型短路电流波形示意图
短路过渡CO2焊接过程中，为了获得低飞溅和良好的焊缝成形，焊接电流波形应按如下规律变化：当焊丝端头与熔池刚一接触短路时，由于接触面积小，如果电流较大，极易在接触的液体小桥处发生过电流爆炸而产生大滴飞溅。这种形式称为瞬时短路飞溅，克服瞬时短路飞溅的措施是抑制瞬时短路的产生。试验表明一旦焊丝与熔池接触后，在较低电流情况下，延时0.5～1ms，如图5-46①、⑦所示，即可达到目的。这时焊丝端头的熔滴在表面张力作用下，主要向熔池方向流动和铺展。为了缩短短路时间，要求提高短路电流上升率
②，使液态金属在较大的短路电流作用下，在靠近焊丝一侧形成缩颈。如果短路电流继续增大，一直到短路小桥发生爆断，这时的短路电流为短路峰值电流（Imax）③，产生很大的金属飞溅损失。所以此处（即将爆断时）应加负脉冲电流④或保持较低的峰值电流值，可以降低飞溅率。在燃弧期间，为了改善焊缝成形，应当增加燃弧能量，主要方式有通过调节燃弧电压下降斜率来减小燃弧电流下降速度⑤或提高稳定电流值或在燃弧时附加脉冲电流。随后再向电弧施加诱导负脉冲⑥，给焊丝端头的熔滴整形，以便柔顺地与熔池接触并短路，同时保持低电流⑦。理想的短路过渡的电流波形如图5-46所示。
实现上述电流波形的控制框图如图5-47所示。该电路的控制框图有两个反馈环，内环为电流环，外环为电压环。短路阶段的电流波形由内环控制，保证电流波形按需要控制。燃弧阶段的电流波形由外环控制。燃弧电压基本不变，以实现弧长自动调节。内外环的控制是根据电弧状态的信息进行控制的。也称为“状态”控制。这是根据电弧电压的大小来判断电弧状态。显然，电弧电压Ua＞15V为“燃弧”，而电弧电压Ua＜10V为“短路”。根据这一信息自动切换继电器J，短路时J与Ig′接通，而燃弧时J与Ig″接通。前者只有内环工作，而后者接通外环。
图5-47 带电子电抗器的恒压电源结构控制框图
内环工作时，输入信号为Ig′，输出电流为Io，其传递函数见式（5-28）。已知逆变焊机的直流电感很小，所以式（5-28）可简化为式（5-29）。
式中 IO——输出电流（短路时，A）；
Ig′——给定电流信号（短路时，A）；
K0——内环的放大倍数；
R0，L0——内环的电阻，电感；
B0——电流反馈的放大倍数。
式中 
可以看出内环只对输入信号Ig′进行比例放大，Ig′与短路阶段的电流波形相似，为斜率不同的两段直线。
外环工作时，输入信号为Ug，输出信号为UO。其传递函数为式（5-30）所示。
如果
、L≈0，则式（5-30）可简化为式（5-31）。
可见，燃弧阶段的电流波形是按指数曲线变化的。通过改变电路参数就可以调节燃弧电流的下降速度，也就是调节燃弧能量。
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