TIG-MIG復(fù)合焊研究現(xiàn)狀與展望

吉林化工學(xué)院(132000)

孫茂齡

機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所(150028)

宋昌洪 吉榮亮 張 靜

TIG-MIG復(fù)合焊研究現(xiàn)狀與展望

吉林化工學(xué)院(132000)

孫茂齡

機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所(150028)

宋昌洪 吉榮亮 張 靜

TIG-MIG復(fù)合焊綜合了純氬氣保護(hù)氣氛下熔化極惰性氣體焊的高效特性以及鎢極氬弧焊的高質(zhì)量特性的一種焊接方法。詳細(xì)介紹了前導(dǎo)電弧、TIG-MIG平衡電流、TIG-MIG電極之間距離以及TIG-MIG焊槍之間角度對(duì)TIG-MIG焊接性能的影響以及在TIG-MIG焊接實(shí)例研究中取得的階段性成果，并探討了目前TIG-MIG復(fù)合焊研究存在的問(wèn)題以及未來(lái)可行的研究方向。

TIG-MIG復(fù)合焊 前導(dǎo)電弧 TIG-MIG電流平衡 TIG-MIG焊槍角度

0 序 言

鎢極氬弧焊(TIG焊)與熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG焊)是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中被利用最廣泛的兩種氣體保護(hù)焊接方法。鎢極氬弧焊在純氬氣保護(hù)氣氛中鎢極電極不發(fā)生熔化，焊接過(guò)程無(wú)飛濺產(chǎn)生，焊縫質(zhì)量較高，但是焊接速度受到限制，焊接效率不高；熔化極惰性氣體保護(hù)焊在純氬氣保護(hù)氣氛下通過(guò)電阻熱與電弧熱量熔化電極，效率高于鎢極氬弧焊接方法，但是焊接過(guò)程陰極斑點(diǎn)不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生飛濺,為解決這一問(wèn)題，通常在純氬氣保護(hù)氣氛中加入氧化性氣體(CO2，O2)，雖然使焊接過(guò)程中電弧得到穩(wěn)定，但是由于焊縫中氧元素的增加，降低了焊縫韌性性能[1]。

綜合熔化極氣體保護(hù)焊接與鎢極氬弧焊方法的優(yōu)點(diǎn)，鎢極氬弧焊-熔化極惰性氣體保護(hù)焊(TIG-MIG)復(fù)合焊接方法被提出。采用TIG-MIG復(fù)合焊接方法，即使在純氬氣保護(hù)氣氛下，熔化極惰性氣體保護(hù)焊接過(guò)程中的電弧也能得到穩(wěn)定，焊后不僅可以獲得與鎢極氬弧焊相同高質(zhì)量的焊接接頭，而且還能得到與熔化極惰性氣體保護(hù)焊一樣的高效率特性，非常符合現(xiàn)代工業(yè)對(duì)焊接高效、高質(zhì)量的要求[2-4]。

對(duì)于多電級(jí)復(fù)合焊接方法，電極之間作用對(duì)焊接性能影響比較復(fù)雜[5-7]。TIG電弧與MIG電弧之間距離小，單電弧產(chǎn)生的磁場(chǎng)容易使雙電弧之間產(chǎn)生干擾，影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定以及焊后焊接接頭的質(zhì)量。

目前，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TIG-MIG復(fù)合焊接方法進(jìn)行研究，主要集中在前導(dǎo)電弧、TIG-MIG平衡電流、TIG-MIG電極之間距離及TIG-MIG焊槍之間角度對(duì)TIG-MIG焊接性能的影響，文中對(duì)這幾個(gè)方面以及TIG-MIG焊接實(shí)例的現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。

1 前導(dǎo)TIG電弧與TIG-MIG平衡電流

Shuhei Kanemaru等人[8-9]采用圖1焊接裝置，通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究TIG-MIG復(fù)合焊接過(guò)程發(fā)現(xiàn)，TIG-MIG復(fù)合焊接過(guò)程中TIG電極與MIG電極之間存在電流路徑，并認(rèn)為電流路徑能夠促進(jìn)MIG電弧的穩(wěn)定。圖1為T(mén)IG-MIG復(fù)合焊接方法示意圖[8]，從圖1中可以看出鎢極氬弧焊采用直流反接(DCEN),可以有效防止焊接過(guò)程中鎢極的熔化；熔化極惰性氣體保護(hù)焊采用直流正接(DCEP)，促進(jìn)陽(yáng)極焊絲的熔融。焊接開(kāi)始時(shí)，TIG電弧首先形成并作為前導(dǎo)電弧，在焊件表面形成熔池之后，MIG電弧被激發(fā)并作為跟隨電弧。

圖1 TIG-MIG復(fù)合焊裝置

楊濤等人[10]通過(guò)高速攝像觀察TIG-MIG復(fù)合焊接過(guò)程電弧形態(tài)以及電弧對(duì)熔滴過(guò)渡影響發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)TIG電弧對(duì)工件與熔滴具有預(yù)熱作用，能起到穩(wěn)定電弧、降低飛濺作用。

金丸周平等人[11]固定MIG電流在270 A，在100～500 A范圍內(nèi)變化TIG焊接電流，發(fā)現(xiàn)當(dāng)TIG電流

三島久等人[12]認(rèn)為， 當(dāng)TIG電流

田代真一等人[13]通過(guò)數(shù)值模擬解析TIG-MIG復(fù)合焊接過(guò)程溫度分布以及金屬蒸氣濃度分布發(fā)現(xiàn)隨著電流TIG電流的增大，TIG-MIG電極之間的流通電流減少，認(rèn)為當(dāng)TIG電流MIG電流時(shí)，TIG-MIG電極之間洛倫茲力較強(qiáng)，電極之間導(dǎo)電能力高的高溫等離子體難以形成，降低TIG-MIG電極之間的電流通量大小。

綜上所述，前導(dǎo)TIG電弧利于改善TIG-MIG復(fù)合焊接過(guò)程中電弧的穩(wěn)定是因?yàn)門(mén)IG電極-MIG電極之間的電流路徑的存在，電流路徑的流通電流大小受TIG-MIG平衡電流的影響；當(dāng)TIG電流≥MIG電流時(shí)能夠獲得穩(wěn)定的復(fù)合電弧，并且隨著TIG電流的增加，熔深也相應(yīng)得到提高。

2 前導(dǎo)電弧、TIG與MIG電弧之間的距離、TIG/MIG焊槍角度

金丸周平等人[11]采用TIG電弧作為前導(dǎo)電弧，在0～16 mm范圍內(nèi)改變TIG電極與MIG電極之間距離，認(rèn)為電極之間距離對(duì)焊道寬度作用與MIG電極前傾角有關(guān)，TIG電極與MIG電極之間的距離對(duì)熔深沒(méi)有影響；TIG/MIG焊槍角度選取 ①-15°/+15°；② -30°/+30°；③-45°/+45°；④-60°/+60°四組參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著TIG/MIG焊槍之間角度的增加、焊道熔深大小沒(méi)有發(fā)生變化，認(rèn)為是由于前導(dǎo)TIG電弧先形成熔池的緣故。

婁建新等人[14]采用MIG電弧作為前導(dǎo)電弧，采用高速攝像觀察以及FLUENT模擬軟件分析不同TIG-MIG電極之間距離對(duì)電弧形成機(jī)制以及熔池狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)TIG電極與MIG電極之間距離為10 mm時(shí)，焊接過(guò)程復(fù)合電弧穩(wěn)定，2個(gè)熔池形狀呈“8”字形，TIG電弧對(duì)MIG電弧產(chǎn)生良好的預(yù)熱作用，降低焊接結(jié)構(gòu)拘束度，減緩焊后冷卻速度，利于焊縫組織細(xì)化，焊接性能優(yōu)于TIG電極與MIG電極之間距離8 mm與12 mm。

Hisashi Mishima等人[15]采用TIG電弧作為前導(dǎo)電弧，通過(guò)數(shù)值模擬研究(TIG0°/MIG30°，TIG0°/MIG45°，TIG0°/MIG60°，TIG30°/MIG30°)四種角度對(duì)電弧以及熱源特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著焊槍之間的角度增大，TIG電極與MIG電極之間的高溫等離子體擴(kuò)張，提高了電導(dǎo)率，增大了電極之間的電流通量大小，影響了電弧形狀；當(dāng)TIG電極與MIG電極之間角度為T(mén)IG0°/MIG45°時(shí)，電弧挺度與電弧之間排斥力達(dá)到最佳平衡，熱通量(heat flux)最為集中。筆者認(rèn)為，通過(guò)調(diào)整TIG焊槍與MIG焊槍之間角度能夠優(yōu)化等離子與熱源特性。

Shuhei Kanemaru[9]等人采用TIG電弧作為前導(dǎo)電弧，設(shè)定TIG電極與MIG電極之間距離4 mm，TIG電極與試樣垂直，改變MIG電極前傾角(TIG0°/MIG+35°)(TIG0°/MIG+45°)(TIG0°/MIG+55°)發(fā)現(xiàn)隨著MIG前傾角的增加，熔深變大，當(dāng)MIG前傾角大于45°時(shí)，可以有效改善熔池流動(dòng)，抑制駝峰形成，獲得良好的焊縫成形。圖2為一體化TIG-MIG焊槍(電極距離4 mm，焊槍角度TIG0°/MIG+45°)，采用該優(yōu)化焊槍進(jìn)行焊接，不僅焊道成型美觀，而且對(duì)坡口角度裕度范圍也比較大，適合厚板多層多道焊接。

圖2 TIG-MIG復(fù)合焊槍外形[9]

綜上所述，前導(dǎo)電弧影響TIG-MIG電極之間距離的選擇；MIG前傾角影響焊縫成形以及熔池流動(dòng)，通過(guò)調(diào)整TIG-MIG電極之間距離以及TIG-MIG焊槍之間角度可以優(yōu)化熱源特性，改善焊接質(zhì)量。

3 TIG-MIG焊接實(shí)例

Shuhei Kanemaru等人[8]采用普通TIG焊與TIG-MIG復(fù)合焊方法對(duì)SUS304母材進(jìn)行施焊，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),TIG-MIG復(fù)合焊焊縫金屬中氧含量較低，見(jiàn)表1。

沖擊韌性最高達(dá)到199 J，見(jiàn)表2，與常規(guī)TIG焊接焊縫性能相當(dāng)。但是，TIG-MIG復(fù)合焊接時(shí)間減少到常規(guī)TIG焊接的17%～44%，極大提高了效率。

表1 焊縫中氧元素含量

表2 沖擊吸收能量試驗(yàn)結(jié)果[8] J

M．Ding等人[16]采用TIG-MIG復(fù)合焊接鐵素體不銹鋼430與鎂合金AZ31B異種材料，焊接完成后獲得良好的異種材料焊接接頭，克服了單獨(dú)MIG焊鎂合金工藝窗口較窄、焊接過(guò)程飛濺大、易于出現(xiàn)氣孔等問(wèn)題。

顏晨光[17]采用TIG-MIG復(fù)合焊接中厚度鋁合金殼體縱縫，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率得到提高，解決MIG焊焊接縱縫易產(chǎn)生氣孔、TIG焊熔深淺問(wèn)題，是一種經(jīng)濟(jì)高效焊接方法。

平奇文等人[18]采用TIG-MIG復(fù)合焊接方法在母材AZ31B鎂合金表面進(jìn)行熔敷，通過(guò)TIG分流，從而減少焊接熱輸入，獲得高效堆焊。

王軍等人[19]采用TIG-MIG復(fù)合焊接方法熔化CuSi3焊絲并堆敷在30CrMnSi母材表面上，通過(guò)接頭組織分析看出基體母材與堆焊金屬之間界限明顯，母材熔化量很少，未與銅合金大量混合，除靠近界面處存在零星分布的黑色Fe-Si化合物外，未出現(xiàn)泛鐵現(xiàn)象，得出TIG-MIG焊接方法可以提高焊絲熔敷速率的同時(shí)明顯減少對(duì)母材的熱輸入量。

婁小飛等人[20]在Q235低碳鋼板表面采用TIG-MIG復(fù)合堆焊，通過(guò)焊接參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)了高速焊接(2.5 m/min),焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫成形美觀，無(wú)咬邊、駝峰等缺陷出現(xiàn)。

綜上所述，目前TIG-MIG復(fù)合焊實(shí)例較少，但從目前研究可以看出，TIG-MIG復(fù)合焊能夠提高焊縫金屬?zèng)_擊韌性和焊接效率，在異種材料焊接、表面熔敷以及焊接性較差材料焊接具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

從前導(dǎo)電弧、TIG-MIG平衡電流、TIG-MIG電極之間距離以及TIG-MIG焊槍之間角度對(duì)TIG-MIG焊接性能的影響以及TIG-MIG焊接實(shí)例出發(fā)，介紹了目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)如何獲得穩(wěn)定、高效率以及高質(zhì)量TIG-MIG復(fù)合焊接階段性研究進(jìn)展。雖然現(xiàn)階段已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，但是仍有以下問(wèn)題需要解決。

(1)機(jī)理性研究的深入。影響TIG-MIG復(fù)合焊接方法參數(shù)比較多，先導(dǎo)電弧、TIG-MIG電流平衡、TIG-MIG電極之間距離、TIG與MIG焊槍之間角度，這些參數(shù)對(duì)復(fù)合焊接過(guò)程以及焊接接頭質(zhì)量作用是相互影響。目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)綜合考慮這些參數(shù)進(jìn)行完全、系統(tǒng)性的研究，導(dǎo)致關(guān)于TIG-MIG復(fù)合焊接機(jī)理性研究較少，而且不夠深入。如何能夠進(jìn)一步從機(jī)理理解TIG-MIG復(fù)合焊接過(guò)程需要進(jìn)一步研究。

(2)焊接位置的擴(kuò)展。目前對(duì)TIG-MIG復(fù)合焊限定在平焊位置，其它位置研究較少，因此限制了該方法在實(shí)際工程當(dāng)中的應(yīng)用，所以需要科研人員將更多的精力放在TIG-MIG復(fù)合全位置焊接研究上。

[1] 楊春利，林三寶. 電弧焊基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[2] Shuhei Kanemaru，Tomoaki Sasaki，Toyoyuki Sato，et al. Study for the mechanism of TIG-MIG hybrid welding process[J].Weld World，2015，59(2):261-268.

[3] Chen J，Wu C S，Chen M A. Improvement of welding heat source for TIG-MIG hybrid welding process[J].Journal of Manufacturing Processes，2014，16，485-493

[4] 陳 姬，宗 然，武傳松，等.TIG-MIG復(fù)合焊電弧間相互作用對(duì)焊接過(guò)程影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016，52(6)：59-64.

[5] 張 旺. CO2激光+脈沖GMAW復(fù)合焊接等離子體行為及熔滴過(guò)渡控制研究[D].上海:上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2014.

[6] 顧小燕.YAG激光+脈沖雙MIG電弧復(fù)合焊接熱源耦合機(jī)理及工藝研究[D].天津：天津大學(xué)博士學(xué)位論文，2013.

[7] 小倉(cāng)慧，二瓶正恭. 2電極スイッチング·ア-ク溶接法に関する研究(第5報(bào))- スイッチングTIG-MIG溶接法におけるア-ク現(xiàn)象[J]. 溶接學(xué)會(huì)誌，1983，52(3):282-288.

[8] Shuhei Kanemaru，Tomoaki Sasaki，Toyoyuki Sato，et al. Study for TIG-MIG hybrid welding process[J]. Weld World，2014，58(1):11-18.

[9] Shuhei Kanemaru，Tomoaki Sasaki，Toyoyuki Sato，et al. Study for TIG-MIG hybrid welding process-experimental consideration for optimum torch configuration[C]. Quarterly Journal of the Japan Welding Society，2013，31(4):18-21.

[10] 楊 濤，張生虎，高洪明，等.TIG-MIG復(fù)合焊電弧特性機(jī)理分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，33(7):25-60.

[11] 金丸周平，佐佐木智章，佐藤豊幸，など.TIG-MIG複合溶接の基礎(chǔ)的検討[C]. 溶接學(xué)會(huì)論文集，2012，30(1):29-34.

[12] 三島久，田代真一，田中學(xué)，など. TIG-MIG複合溶接の3次元モデル數(shù)値解析(第2報(bào))[C]. 溶接學(xué)會(huì)全國(guó)大會(huì)講演概要，奈良,日本，2012.

[13] 田代真一，三島久，田中學(xué)，など. TIG-MIG複合溶接におけるア-クプラズマ中の電流経路に及ぼす金屬蒸気の影響[C]. 溶接學(xué)會(huì)全國(guó)大會(huì)講演概要，奈良,日本，2012.

[14] 婁建新，宮 雪，張楠楠，等.TIG-MIG復(fù)合焊電弧分析及計(jì)算模擬[J].焊接技術(shù)，2015，44，(3):13-17.

[15] Hisashi Mishima，Shinichi Tashiro，Shuhei Kanemaru，et al. Numerical simulation on plasma property in TIG-MIG hybrid welding process[C]. Quarterly Journal of the Japan Welding Society，Tokyo，Japan, 2013，31(4):22-25.

[16] Ding M，Liu S S，Zheng Y，et al. TIG-MIG hybrid welding of ferritic stainless steels and magnesium alloys with Cu interlayer of different thickness[J]. Materials and Design，2015，88: 375-383.

[17] 顏晨光. 鋁殼體縱縫MIG+TIG同步焊工藝研究與應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2015，43(5):20-22.

[18] 平奇文，馬國(guó)紅，胡小武，等.AZ31B鎂合金TIG-MIG雙弧焊接組織分析[J].熱加工工藝，2014，44(3)：196-198.

[19] 王 軍，馮吉才，何 鵬，等. TIG-MIG電弧間工藝[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30(2)：145-148.

[20] 婁小飛，陳茂愛(ài)，武傳松，等. 高速TIG-MIG復(fù)合焊焊縫駝峰及咬邊消除機(jī)理[J].焊接學(xué)報(bào)，2014，35(8):87-90.

2016-06-21

TG442

孫茂齡，1958年出生，大學(xué)專科，助理研究員，主要從事特種化工設(shè)備材料焊接及熱處理研究，已發(fā)表論文4篇。