超聲波TIG復(fù)合電弧下焊縫熔深、熔寬分析

核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 （北京 101300） 田玉鑫 馮英超

1. 概述

不添絲的TIG焊接工藝指的是在焊接過(guò)程中不添加焊絲而利用焊接熱量直接熔化焊縫金屬，使焊縫金屬實(shí)現(xiàn)良好成形的焊接工藝，具有不開(kāi)坡口、焊口組對(duì)簡(jiǎn)單、焊接效率高、節(jié)省焊接填充材料的優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代焊接生產(chǎn)中作為一種高品質(zhì)焊接方法而被廣泛地應(yīng)用。但是其也存在著一定的不足：熔深很難突破3mm，一般僅用于2.5mm以內(nèi)的不銹鋼、碳鋼、合金管道的焊接。

對(duì)許多行業(yè)的工藝管道而言，其壁厚一般集中在5.0mm以內(nèi)，若是采用TIG焊工藝進(jìn)行焊接，存在著一定的不足：

（1）只能實(shí)現(xiàn)2.5mm厚度不開(kāi)坡口的焊接，而對(duì)于工藝管道其他數(shù)量較多的厚度范圍（2.5～5.0mm）則只能開(kāi)坡口進(jìn)行焊接，這就使得整個(gè)機(jī)加工和焊接周期較長(zhǎng)；同時(shí)也存在著一定數(shù)量的焊接填充材料的消耗。

（2）TIG焊接電弧的穿透力較弱，在焊接2.0～2.5mm厚度管道時(shí)，若是管道壁厚不均勻或是管道存在的圓度差較大，則局部區(qū)間可能出現(xiàn)未焊透的風(fēng)險(xiǎn)。

超聲波TIG復(fù)合電弧焊是一種新型的焊接方法，焊接過(guò)程中在傳統(tǒng)TIG電弧上疊加一定頻率的超聲波，由于加入了超聲波能量，使得焊縫的熔深、熔寬發(fā)生了顯著的變化，其焊接的厚度范圍可能會(huì)更大。

2. 試驗(yàn)方案

（1）焊接設(shè)備 ULTRA—TIG450焊機(jī)：超聲波TIG電流模式；PS406焊機(jī)：脈沖TIG電流模式。

（2）焊接母材φ159mm×5.0mm的304L不銹鋼管件，I形坡口對(duì)接焊接。其組對(duì)如圖1所示。

（3）焊接參數(shù) 具體選用參數(shù)如表1所示。

表1 焊接參數(shù)

（4）試驗(yàn)?zāi)康?采用相同的焊接參數(shù)，通過(guò)不同的電流模式，比較兩種模式下焊縫的熔寬和熔深數(shù)據(jù)。

3. 試驗(yàn)組織及實(shí)施

（1）焊接試件準(zhǔn)備 ①打磨坡口周圍的氧化膜，打磨寬度約15mm即可。②用丙酮溶液擦洗坡口表面，去除油污。③采用手工TIG焊組對(duì)、點(diǎn)固，保證兩組管件組對(duì)情況基本相同。

（2）焊接實(shí)施 使用表1焊接參數(shù)焊接。

（3）試件的外觀檢測(cè) 因焊透的管件無(wú)法確認(rèn)有效的熔深，完成焊接后需通過(guò)外觀檢測(cè)確認(rèn)2組管件均未焊透，為有效試驗(yàn)結(jié)果。

（4）金相試件的選取 起弧位置定為0°，沿焊接方向分別標(biāo)記為90°、180°、270°。分別在這4個(gè)位置取樣做宏觀金相檢測(cè)。

（5）金相檢測(cè)結(jié)果 根據(jù)4個(gè)位置的金相檢測(cè)結(jié)果，對(duì)焊縫進(jìn)行分析，主要包括焊縫斷面容貌、焊縫熔深、焊縫熔寬三方面。焊縫的宏觀金相如圖2所示。

圖2 TIG、超聲波TIG焊縫斷面宏觀金相圖（90°）

焊縫的熔深對(duì)比如表2、圖3所示。

表2 焊縫熔深金相結(jié)果 （mm）

圖3 焊縫熔深對(duì)比

焊縫的熔寬對(duì)比如表3、圖4所示。

表3 焊縫熔寬金相結(jié)果 （mm）

圖4 焊縫熔寬對(duì)比

（6）結(jié)果分析 通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：①超聲波TIG和TIG同位置相比，焊縫熔深平均提高86.2%；焊縫熔寬平均縮小14.1%。②由于受到焊接過(guò)程中管件溫度升高的影響，焊縫的熔深、熔寬均伴隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。③TIG的深寬比僅為0.266，超聲波TIG的深寬比達(dá)到0.577，比TIG提高了117%。

4. 機(jī)理分析

（1）熔深分析 超聲的熱作用、聲流效應(yīng)引起的熔池升溫和熱對(duì)流是熔深增加的主要原因。在超聲傳播過(guò)程中，由于液態(tài)金屬的粘滯性，一部分聲能被液體吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，故導(dǎo)致熔池金屬溫度的升高。同時(shí)，這種吸收導(dǎo)致超聲振幅的有限衰減，在熔池內(nèi)形成了從上至下的聲壓梯度，導(dǎo)致液體流動(dòng)。當(dāng)聲壓超過(guò)一定值時(shí)，液體中可以產(chǎn)生一個(gè)流體的噴射，這就是聲流。在聲流效應(yīng)的作用下，溫度更高的液態(tài)金屬高速向熔池底部流動(dòng)，從而形成了更大的熔深。

（2）熔寬分析 超聲波TIG焊接過(guò)程中由于電弧在超聲能量作用下，電弧橫向受到了壓縮作用，使電弧能量更加集中，磁場(chǎng)強(qiáng)度增加。根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式，電弧中的磁場(chǎng)強(qiáng)度與導(dǎo)電半徑的平方成反比，電弧高溫區(qū)被壓縮，磁場(chǎng)強(qiáng)度大幅增加，電磁對(duì)流增強(qiáng)，使熔池表面金屬向中心流動(dòng)，使焊縫寬度減小。

焊接過(guò)程中拍攝焊接電弧進(jìn)行對(duì)比，圖5為焊接過(guò)程中的焊接電弧形狀。

圖5 焊接過(guò)程中的焊接電弧

由圖5可看出，超聲波TIG電弧明顯比TIG電弧集中，有利于形成更窄的焊縫。

5. 結(jié)語(yǔ)

（1）超聲波TIG復(fù)合焊能顯著增大焊接熔深，能夠焊接較大的厚度，從現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，可以實(shí)現(xiàn)5.0mm不銹鋼、碳鋼材質(zhì)不開(kāi)坡口的焊接。

（2）超聲波TIG復(fù)合焊擁有較強(qiáng)的穿透性，對(duì)錯(cuò)邊量的要求降低，可以使管道在橢圓度較大的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)良好焊接。大量的試驗(yàn)證明，在錯(cuò)邊量、組對(duì)間隙均為1.0mm（同一點(diǎn)）時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)良好焊接，從而更有利于焊接生產(chǎn)質(zhì)量的保障。

（3）焊接電弧能量集中，能夠改善焊縫表面成形，使工件變形小、熱影響區(qū)小，有利于提高焊接接頭質(zhì)量。