基于熱傳導(dǎo)的熱絲TIG焊接技術(shù)

曹?？。w景奇，杜成超

（1.江蘇科技大學(xué)材料學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212000；2.江蘇寶鋼精密鋼絲有限公司，江蘇南通226000；3.武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，湖北武漢430072）

0 前言

熱絲TIG焊是一種焊絲預(yù)先加熱的TIG焊，較普通TIG焊而言，熱絲TIG的焊接效率高[1-2]、焊縫成形好[3-4]，因此熱絲TIG焊廣泛應(yīng)用于壓力容器和船舶制造等領(lǐng)域。目前，加熱焊絲的方式有電阻加熱、感應(yīng)加熱、電弧加熱3種[5]。其中電阻加熱是利用焊絲本身的電阻產(chǎn)熱，較其他兩種加熱方式而言，其裝置簡單，易于布置，成本較低。但電阻加熱也有不足之處，例如：磁偏吹、焊絲電弧現(xiàn)象、最優(yōu)熱絲電源參數(shù)調(diào)節(jié)困難等[6－7]。范成磊[8]等人提出的高頻感應(yīng)熱絲設(shè)備復(fù)雜，增加了感應(yīng)頻率和線圈電感等影響因素，導(dǎo)致熱絲TIG工藝參數(shù)調(diào)試?yán)щy。

本研究以熱絲TIG焊為研究對象，利用熱傳導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)焊絲預(yù)先加熱，避免電阻熱絲產(chǎn)生的一系列問題，構(gòu)建了熱絲溫控數(shù)學(xué)模型，有效控制了焊前焊絲溫度，簡化熱絲TIG焊影響因素。與高頻感應(yīng)熱絲TIG和電弧熱絲TIG相比，裝置簡單易操作，且設(shè)備成本較低，在管道焊接行業(yè)具有一定的適用性。進(jìn)而開展熱絲TIG焊與普通TIG焊的對比試驗(yàn)，研究焊接成形以及焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能，在此基礎(chǔ)上確定基于熱傳導(dǎo)的熱絲TIG焊的優(yōu)勢。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料和方法

1.1 熱絲TIG裝置

基于直徑φ1.2 mm焊絲，設(shè)計中空熱絲裝置，加載于焊槍端部，焊絲穿過其中。焊接過程中，熱絲裝置通電加熱，以熱傳導(dǎo)方式間接加熱焊絲，加熱后的焊絲由送絲機(jī)構(gòu)驅(qū)動送進(jìn)TIG電弧中，在電弧作用下，焊絲熔化進(jìn)入熔池，原理如圖1所示。

熱絲裝置如圖2所示，加熱器采用熱傳導(dǎo)方式對焊絲進(jìn)行加熱。

圖1 熱絲TIG裝置原理

圖2 熱絲TIG焊接設(shè)備

1.2 熱絲溫控數(shù)學(xué)模型

本研究中溫度傳感器僅監(jiān)測加熱器的溫度。為準(zhǔn)確控制焊絲溫度，首先研究在特定加熱器溫度下，焊絲溫度與送絲速度的關(guān)系，如圖3所示?？梢钥闯?，焊絲溫度隨送絲速度的提高而逐漸下降。

當(dāng)將焊絲溫度控制在特定值（例如220℃）時，可以得到 Data1、Data2、Data3、Data4，分別對應(yīng)的加熱器溫度為300℃、400℃、500℃、600℃，由Matlab擬合加熱器溫度與送絲速度之間的溫控數(shù)學(xué)模型，如圖4所示。簡化溫控數(shù)學(xué)模型為線性關(guān)系，可得

式中 v為送絲速度；T為溫控器加熱溫度。

圖3 焊絲溫度與送絲速度的關(guān)系

基于上述熱絲溫控數(shù)學(xué)模型，在0～3500mm/min送絲速度區(qū)間內(nèi)，焊前輸入送絲速度參數(shù)，溫控系統(tǒng)自動輸出加熱器溫度值，由溫控器控制加熱功率，將焊絲溫度維持在220℃。實(shí)測結(jié)果表明，在多個送絲速度下，焊絲的溫度誤差為±5℃，能夠滿足工藝控制需要。

圖4 加熱器溫度與送絲速度的關(guān)系

1.3 試驗(yàn)材料和方法

采用A106鋼光管表面熔敷工藝研究熱絲溫度對熔敷金屬的影響。采用天泰φ1.2 mm焊絲，牌號為TM-56，符合AWS A5.18 ER70S-6標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)氣體選用 99.99%Ar，氣體流量 15～20 L/min，熔敷工藝參數(shù)如表1所示。

采用焊縫成形可行性的方法研究普通TIG和熱絲TIG焊的工藝范圍，焊接工藝參數(shù)如表2所示。接頭形式如圖5所示。

表1 熔敷焊接工藝參數(shù)

表2 打底+填充+蓋面焊接工藝參數(shù)

圖5 焊接接頭尺寸及焊接示意

預(yù)磨和拋光接頭截面，利用4%硝酸酒精腐蝕界面，采用金相顯微鏡觀察金相組織，采用顯微硬度機(jī)測定焊接接頭的顯微硬度，載荷200 g，保載時間5 s，測試位置距管道內(nèi)壁2 mm。利用線切割獲得沿管道長度方向的拉伸試樣，焊縫區(qū)位于拉伸試樣中間，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸，拉伸速度0.5 mm/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊絲溫度對TIG焊接工藝的影響

堆焊層的熔寬和余高隨焊絲溫度的變化關(guān)系如圖6所示，當(dāng)焊絲溫度由25℃提高到250℃時，堆焊層的熔寬由12.4 mm提高到13.3 mm，而堆焊層的余高則由2.2 mm下降到1.7 mm。這說明焊絲溫度的提高有利于熔敷金屬在母材表面的鋪展，因此熔覆層的熔寬增加，余高逐漸減小。

圖6 熔覆層寬度和余高隨焊絲溫度的變化關(guān)系

當(dāng)焊絲溫度為25℃和220℃時，熔覆層的形貌如圖7所示?？梢钥闯?，隨著焊絲溫度的提高，熔覆層表面紋路更加均勻。

圖7 焊絲溫度為25℃和220℃時熔覆層表面形貌

由以上研究可知，熱絲TIG焊中焊絲的溫度越高，焊接優(yōu)勢越明顯。但為了使該熱絲技術(shù)能應(yīng)用于更多的場合，尤其是手工TIG焊接，以下研究將熱絲溫度選為220℃，避免更高的焊絲溫度對操作人員造成傷害。

為研究熱絲對焊接工藝的影響，采用特定的焊接電流、電壓、氣體流量（見表2），保持送絲速度和焊接速度的比例，施焊后觀察焊縫表面，根據(jù)焊縫表面的成形優(yōu)劣，判定可接受的焊接工藝，得到如圖8a、圖8b所示的焊接工藝窗口?？梢钥闯?，在相同的焊接電流、電壓、氣體流量下，220℃熱絲后，打底焊道的焊接速度可提高到160 mm/min，送絲速度可提高到2 000 mm/min。

焊絲熔化效率與送絲速度成線性關(guān)系

式中 v為送絲速度（單位：mm/min）；A為熔化效率（單位：%）。計算得出熱絲TIG打底焊接過程，焊絲熔化效率提高約100%；熱絲TIG填充蓋面焊接過程，焊絲熔化效率提高約200%。

當(dāng)焊接速度160mm/min、送絲速度2000mm/min時，冷絲和熱絲TIG焊縫表面形貌如圖8c所示，熱絲TIG的焊縫表面更為細(xì)膩。

圖8 可接受的焊接工藝參數(shù)及打底焊層的表面形貌

對于普通TIG而言，焊絲送入電弧下方時勢必吸收更多的電弧熱量，因而對電弧有“激冷”作用，增加了電弧的不穩(wěn)定性。對于熱絲TIG而言，焊絲在送入電弧下方前已經(jīng)被加熱，因此從電弧中吸收的能量更少，這有利于維持焊接電弧的穩(wěn)定性，保證較好的焊縫表面成形。因此熱絲TIG能夠適應(yīng)更高的送絲速度和焊接速度。

2.2 熱絲TIG焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能

采用普通TIG和熱絲TIG焊接技術(shù)（各自焊接參數(shù)的上限），得到的焊接接頭宏觀組織形貌如圖9所示，兩接頭形貌接近。

3層焊縫的顯微組織如圖10所示，對于第一層和第二層而言，焊縫的顯微組織均為鐵素體+少量珠光體；對于第三層而言，其組織主要為鐵素體柱狀組織+等軸組織。由圖10可知，熱絲TIG焊接接頭的組織更為細(xì)小，細(xì)小的顯微組織意味著更快的冷卻速度以及較低的焊接熱輸入。

圖9 焊接接頭的宏觀形貌

焊接接頭底層焊縫的顯微硬度如圖11所示。母材區(qū)的顯微硬度約為145 HV，焊接接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)的最高硬度約為190 HV；而熱絲TIG焊焊縫區(qū)的顯微硬度略高于普通TIG，主要原因是熱絲TIG焊縫區(qū)的晶粒更為細(xì)小，因此具有較明顯的細(xì)晶強(qiáng)化作用，其硬度更高。兩種焊接接頭均在正火區(qū)出現(xiàn)了硬度峰值，約為195 HV，過熱區(qū)硬度略低于焊縫，且高于母材。

圖10 焊接接頭各層的顯微組織

以熱絲TIG焊接接頭為例分析接頭熱影響區(qū)的顯微硬度。對A106鋼而言，其供貨態(tài)顯微組織主要由鐵素體+珠光體構(gòu)成，如圖12a所示。在焊接熱循環(huán)作用下，接頭過熱區(qū)經(jīng)過完全奧氏體化后冷卻至室溫，其顯微組織主要由鐵素體構(gòu)成，鐵素體晶粒尺寸小于母材原始組織，因此，過熱區(qū)的硬度高于母材。焊接接頭正火區(qū)和部分相變區(qū)的顯微組織如圖12c所示，正火區(qū)的組織較過熱區(qū)更為細(xì)小，因此在焊接接頭的正火區(qū)出現(xiàn)了硬度峰值。

圖11 焊接接頭底層的顯微硬度分布

圖12 母材和熱影響區(qū)的顯微組織

兩種焊接接頭的拉伸強(qiáng)度約為495～520 MPa，拉伸斷裂接頭的宏觀形貌如圖13所示，其斷裂位置位于母材區(qū)?？梢娫摕峤zTIG焊接方式并未對焊接接頭的力學(xué)性能造成不利影響。

圖13 拉伸試樣的斷裂宏觀形貌

3 結(jié)論

（1）提出利用熱傳導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)熱絲TIG焊的新方法，消除了磁偏吹和焊絲電弧等現(xiàn)象，設(shè)備成本低、操作簡單，適用于管道焊接。

（2）設(shè)計適用于焊絲加熱的熱傳導(dǎo)加熱裝置和溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，搭建了加熱器溫度和送絲速度之間的溫控數(shù)學(xué)模型，設(shè)定送絲速度在0～3 500 mm/min范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出220℃的焊絲溫度，且溫度誤差為±5℃。

（3）基于熱傳導(dǎo)的熱絲TIG焊能夠改善焊接成形，提高焊接速度。在獲得質(zhì)量接近的焊接成形時，由于熱絲TIG焊的焊絲對電弧的激冷作用較小，因此220℃熱絲TIG的焊接效率較普通TIG焊提高至少100%。

（4）在獲得質(zhì)量接近的焊接成形時，220℃熱絲TIG的焊縫區(qū)顯微組織較普通TIG焊細(xì)小，焊縫區(qū)硬度略高于普通TIG，焊接接頭力學(xué)性能良好，斷裂位置均位于A106鋼母材。

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