CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊中CO2影響的研究

趙 瑞 ，張淑華 ，方 濤 ，程方杰 ，3

（1.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2.航天科工深圳（集團(tuán)）有限公司電氣研究院，深圳518034；3.天津大學(xué) 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300350）

0 前言

TIG 焊（Tungsten Inert Gas Welding）常選用氬氣作為焊接保護(hù)氣，又被稱(chēng)為鎢極氬弧焊，電弧柔和、焊接質(zhì)量穩(wěn)定是其最大優(yōu)點(diǎn)。但是，氬弧能量密度小、挺度低的特點(diǎn)導(dǎo)致其焊縫熔深淺、焊接速度慢，嚴(yán)重影響了焊接效率[1]。改變保護(hù)氣體的種類(lèi)和保護(hù)方式是改善TIG電弧特性、提升焊接效率的有效途徑，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的探索研究。文獻(xiàn)[2]通過(guò)數(shù)值模擬分別研究了 N2、H2、He和Ar混和氣保護(hù)的TIG電弧特性，研究表明N2、H2、He的添加能提高電弧溫度，增大工件表面熱流密度；文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)H2、He能改善氬弧的導(dǎo)熱性，增大熔深。文獻(xiàn)[4-5]采用雙層供氣方式，在傳統(tǒng)TIG電弧的外層增加一層小流量的O2或O2占較小體積比的混合氣作為活性氣體，向熔池過(guò)渡活性組元，改變了熔池金屬表面張力方向，成功實(shí)現(xiàn)了活性TIG焊。

CO2是一種廣泛應(yīng)用的低成本焊接保護(hù)氣體，其電弧具有較高的能量。本研究將CO2作為外層氣體，與內(nèi)層的Ar構(gòu)成CO2+Ar雙層保護(hù)氣體，設(shè)計(jì)出專(zhuān)用的雙層氣體保護(hù)焊槍進(jìn)行了CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊和傳統(tǒng)TIG焊的焊接電弧形態(tài)、電弧電壓、焊縫及焊后鎢極形貌進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合數(shù)值模擬手段，研究純Ar保護(hù)和CO2+Ar雙層氣體保護(hù)下電弧溫度場(chǎng)、陽(yáng)極表面熱流密度等存在的差異，最終從CO2的熱物理性質(zhì)出發(fā)解釋了兩種焊接方法存在差異的原因。

1 試驗(yàn)方法

在相同的焊接規(guī)范下，分別采用傳統(tǒng)TIG焊槍和自主設(shè)計(jì)的雙層噴嘴焊槍在Q235工件表面進(jìn)行熔焊，焊槍如圖1所示。

圖1 CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊Fig.1 Torch of no melted double-layer gas of CO2+Ar shielded arc welding

試驗(yàn)前用丙酮去除工件表面油污，然后用砂輪機(jī)將工件表面打磨至露出金屬光澤后用酒精擦洗工件表面雜物。選用Panasonic的YC-400TX型號(hào)焊機(jī)，直流正接，工件尺寸300 mm×200 mm×12 mm，選用的鎢極為釷鎢，直徑3.2 mm，鎢極前端打磨成30°，鎢極伸出噴嘴長(zhǎng)度5 mm，其中雙層噴嘴的焊槍鎢極伸出長(zhǎng)度參照外層噴嘴的高度。工藝參數(shù)為：弧長(zhǎng)5 mm，電流150 A，焊接速度5.4 mm/s；傳統(tǒng)TIG焊保護(hù)氣為氣體流量15 L/min的Ar，CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊的內(nèi)層保護(hù)氣為氣體流量為5L/min的Ar，外層為氣體流量為10L/min的CO2。

運(yùn)用攝像設(shè)備搭配濾光片拍攝兩種焊接方法在相同參數(shù)下的靜態(tài)電弧形態(tài)并進(jìn)行對(duì)比。焊后觀察兩種焊接方法的鎢極形貌并在焊縫中部切取焊縫橫截面的試樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下觀察熔池形貌，測(cè)量焊縫熔深和熔寬。針對(duì)CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊后焊縫表面形成的黑色氧化層運(yùn)用能譜儀（EDS）分析其成分。

2 數(shù)值模擬

由于焊接過(guò)程的復(fù)雜性，借助數(shù)值模擬對(duì)電弧特性進(jìn)行分析是一種有效手段。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，有如下假設(shè)：（1）電弧是穩(wěn)態(tài)的、軸對(duì)稱(chēng)的連續(xù)介質(zhì)，屬于層流狀態(tài)不可壓縮流體。（2）電弧等離子體處于局部熱平衡狀態(tài)，且滿足光學(xué)薄特性。（3）忽略金屬蒸汽的影響。（4）忽略電弧黏性效應(yīng)導(dǎo)致的熱損失和重力影響。（5）等離子體的熱物理特性?xún)H為溫度的函數(shù)。（6）考慮熱擴(kuò)散和由于擴(kuò)散引起的能量變化。

本研究針對(duì)CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊與傳統(tǒng)TIG焊兩種焊接方法分別建立了鎢極、電弧和工件耦合的二維軸對(duì)稱(chēng)模型，不考慮工件熔化。計(jì)算域如圖 2所示，其中，GK（G'O'&N'K'）為速度入口，給定氣體速度，KLM（K'L'M'&O'N'）為噴嘴壁面，MBC（M'B'C'）為壓力出口，AJDE（A'J'D'E'）為對(duì)稱(chēng)軸，GHIJ（G'H'I'J'）和 CD（C'D'）分別為等離子體與鎢極以及工件的耦合壁面,CFE（C'E'F'）為工件壁面，AG（A'G'）為鎢極頂部。在工件下表面添加電勢(shì)為0的邊界條件，其他面電勢(shì)通量為0，鎢極頂部給定電流密度，指定內(nèi)層氣體入口處Ar質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1，外層氣體入口處CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1。系統(tǒng)的控制方程組以及兩級(jí)邊界層的處理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6-7]。

基于SIMPLE算法，擴(kuò)散系數(shù)的處理運(yùn)用了kinetic theory，并通過(guò)UDF（用戶(hù)自定義函數(shù)）與UDS（用戶(hù)自定義標(biāo)量方程）實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件的二次開(kāi)發(fā)。Ar和CO2熱物理性質(zhì)參見(jiàn)文獻(xiàn)[7-8]，鎢極的熱物理性質(zhì)參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]，母材為Q235鋼，其熱物理參數(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 電弧形態(tài)

圖2 計(jì)算域Fig.2 Computational domain

純Ar和CO2+Ar雙層氣體保護(hù)下焊接電弧形態(tài)對(duì)比如圖3所示，左側(cè)是電弧照片，右側(cè)是數(shù)值模擬的電弧等溫線圖。兩種電弧的整體形態(tài)都是典型的鐘罩形，但CO2+Ar雙層氣體保護(hù)的電弧由于外層CO2的加入而呈明顯的雙層分布，由白亮的中心區(qū)域與外圍的淡藍(lán)色區(qū)域組成。兩種焊接方法等溫線的分布存在明顯差別。當(dāng)電弧溫度低于14 000 K時(shí)，CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊電弧的溫度梯度大，電弧等溫線更密集，電弧收縮；當(dāng)電弧溫度高于14 000 K時(shí)，CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊的電弧高溫區(qū)域與傳統(tǒng)TIG焊相比范圍更廣。

圖3 焊接電弧形態(tài)Fig.3 A rc shapes

為了進(jìn)一步探究外層CO2對(duì)CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊電弧的影響規(guī)律，提取了數(shù)值模擬的電弧溫度場(chǎng)與CO2氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布結(jié)果如圖4所示。在CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊的電弧區(qū)域，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線與等溫線的疏密變化一致，所以CO2的分布是導(dǎo)致CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊的電弧溫度場(chǎng)發(fā)生變化的直接原因。在電弧中心高溫區(qū)域，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)小、濃度低，而在小于14 000 K的外圍區(qū)域，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，徑向分布梯度也逐漸變大。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，當(dāng)溫度大于5 000 K時(shí)CO2的分解度接近1，CO2分解消耗大量的能量，根據(jù)最小電壓原理，弧柱將發(fā)生收縮，電弧核心溫度會(huì)增大。

兩種焊接方法之所以在電弧溫度和形態(tài)上產(chǎn)生較大的區(qū)別，根本原因是CO2與Ar在熱物理性質(zhì)上存在顯著差異，可以概括為3個(gè)方面：

（1）CO2比熱容大于 Ar。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，流向陽(yáng)極的總焓可以表示為電流I和電勢(shì)差V的乘積

圖4 CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊數(shù)值模擬溫度場(chǎng)和CO2氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Distribution of temperature and Mass fraction of CO2 gas of double-layer gas CO2+Ar shielded arc welding

（2）CO2的熱導(dǎo)率大于Ar，導(dǎo)致電弧散熱多，電弧將發(fā)生收縮。

（3）CO2是多原子分子，會(huì)發(fā)生解離而吸收能量，所以外圍的CO2對(duì)電弧等離子體有冷卻作用，促使電弧弧柱收縮。

綜上所述，外層CO2的引入導(dǎo)致電弧等離子體的收縮將促使電流密度和熱流密度增加，表現(xiàn)為電弧高溫區(qū)域增大。

3.2 自熔焊的焊縫成形

兩種焊接方法的焊后鎢極形貌與焊縫表面和橫截面形貌如圖5所示，焊縫的熔寬W和熔深D的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。在相同焊接參數(shù)下，傳統(tǒng)TIG焊縫窄而淺，熔深僅0.3 mm；而CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊焊縫熔深可達(dá)1.1 mm，是傳統(tǒng)TIG焊的3.6倍，熔寬也增大為1.9倍。測(cè)得純Ar保護(hù)的電弧電壓為14.4 V，CO2+Ar雙層氣體保護(hù)的電弧電壓可達(dá)18.9 V，根據(jù)電弧物理理論可知電弧產(chǎn)熱量提高了31%，這是CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊熔池體積增大的直接原因。CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊電弧電壓較傳統(tǒng)TIG焊顯著增大的根本原因是CO2高溫分解對(duì)電弧的冷卻作用導(dǎo)致CO2弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度高于Ar弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度，而弧長(zhǎng)長(zhǎng)度一定時(shí)，電弧電壓主要由弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度決定。

圖5 鎢極和焊縫形貌Fig.5 Appearance of tungsten and weld

圖6 兩種焊接方法的熔深與熔寬對(duì)比Fig.6 Comparison of weld penetration and width of two welding methods

為了探究電弧熱在工件表面的分布情況，提取了數(shù)值模擬的陽(yáng)極表面熱流密度分布結(jié)果，如圖7所示。從模擬結(jié)果可知，在半徑2 mm的范圍內(nèi)，CO2+Ar雙層氣體保護(hù)下陽(yáng)極熱流密度要明顯大于純Ar保護(hù)的，特別是在中心位置，其熱流密度峰值可達(dá)73 W/mm3，比純Ar保護(hù)的陽(yáng)極熱流密度峰值高出16 W/mm3。產(chǎn)生這種差異的原因是外層的CO2改變了傳統(tǒng)TIG焊純氬弧特性，使電弧收縮、熱流密度更集中所致。

圖7 陽(yáng)極表面的熱流密度Fig.7 Heat flux on the anode surface

CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊后，焊縫表面有一層黑色氧化物，保護(hù)液態(tài)熔融金屬不被氧化，除去后可露出光亮的焊縫，如圖5b所示。對(duì)其成分進(jìn)行了EDS分析發(fā)現(xiàn)主要是Fe、Mn以及Si的氧化物，結(jié)果如表1所示。

表1 氧化層成分Table 1 Oxidation layer composition

高溫下，保護(hù)氣氛中的CO2、O是焊縫中金屬元素的活潑氧化劑，一方面促使Fe、Mn、Si發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，這可能也是CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊相比傳統(tǒng)TIG焊熔深增加的原因之一；另一方面有利于減少焊縫含氫量，降低氫對(duì)焊縫的不利影響。

雖然采用了雙層氣流的設(shè)計(jì)，盡量避免了氧化性氣氛對(duì)鎢極的氧化，但是從圖5b中左上角的鎢極照片可以發(fā)現(xiàn)，焊接相同時(shí)間后，CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊的鎢極仍有一定程度的氧化，尖端會(huì)形成一小團(tuán)氧化物，焊接時(shí)間長(zhǎng)了可能會(huì)影響電弧的形態(tài)。通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)、氣體比例等降低鎢極的氧化燒損程度將在后續(xù)工作中研究。

4 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)TIG焊相比，CO2的引入使CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊的電弧發(fā)生了明顯收縮，電弧電壓提高了約4.5 V，電弧呈現(xiàn)分層現(xiàn)象。

（2）CO2+Ar非熔化極雙層氣保護(hù)焊的陽(yáng)極熱流密度明顯提高，傳遞到陽(yáng)極工件上的熱量增多，相同電流下能獲得更大的熔深。

（3）CO2的引入使電弧氣氛有明顯的氧化性，鎢極尖端發(fā)生一定程度的氧化燒損，焊縫表面會(huì)形成富含F(xiàn)e、Mn和Si的氧化渣層。