空心鎢極同軸填絲焊空間熱場分布特征

楊義成，杜兵，黃繼華，徐鍇，陳健，黃瑞生

(1.機械科學研究總院集團有限公司,北京,100044；2.北京科技大學,材料先進焊接與連接技術研究室,北京,100083；3.哈爾濱焊接研究院有限公司,哈爾濱,150028)

0 序言

鎢極氬弧及其旁軸填絲焊接是目前高質量、低成本焊接的代表性技術之一，在國民經濟發(fā)展的諸多領域發(fā)揮重要作用[1].然而，常規(guī)鎢極氬弧焊旁軸填絲焊接具有焊槍空間尺寸大，焊接過程具有方向性，焊接效率低等技術特征，使其在難焊金屬或復雜異型構件的加工應用中存在較大局限性.為解決該問題，Spaniol 等人[2]在常規(guī)熱絲非熔化極氣體保護電弧焊(tungsten inert gas welding，TIG 焊)基礎上，提出一種間接電阻加熱的新型TIG 填熱絲焊技術，該方法可在較低熱輸入情況下實現(xiàn)焊絲的高效率熔化.Ungethüm 等人[3]采用間接電阻加熱和大角度送絲的方法，在一定程度上解決常規(guī)TIG 焊具有方向性問題，改善了封閉體一次堆焊成形的效果.但該類方法存在設備投入大，過程可控性差等缺點，使其在工業(yè)應用存在較大局限性.空心鎢極同軸填絲焊接是將焊絲從空心鎢極內孔送出，利用空心鎢極引燃的電弧熱將基體和焊絲一起熔化，凝固后形成焊縫，該方法有望真正解決加工過程具有方向的技術難題[4].

目前，國內外多圍繞空心鎢極電弧特性開展研究，Tashiro 等人[5]通過數(shù)值模擬方法構建了鎢極電弧特性的理論分析模型，研究結果表明，空心鎢極尖端由于發(fā)射電子區(qū)域較大，其電極附近的電流密度要低于常規(guī)鎢極，且電弧溫度只有常規(guī)鎢極的60%，有利于電極的長時間工作.Nerovnyi 等人[6]針對真空環(huán)境下空心鎢極電弧的熱物理特性進行了系統(tǒng)分析，結果表明，隨著焊接電流提高，電弧形態(tài)由擴散型轉變?yōu)槭湛s型，電弧在材料表面的溫度分布呈典型的高斯分布特征.Chen 等人[7]對比分析了常規(guī)鎢極電弧和空心鎢極內孔負壓電弧的壓力分布特點，研究結果表明，空心鎢極內孔形成負壓后對電弧形態(tài)影響較大，其電弧壓力小于常規(guī)鎢極電弧和空心鎢極電弧，焊接電流和電弧長度的改變對電弧壓力分布特征的影響相對較小，且空心鎢極內孔負壓電弧的壓力分布特征更加均勻.然而，目前關于空心鎢極電弧同軸填材加工相關研究的報道卻微乎其微，近年來只有部分專利涉及到該技術方法，徐國建等人[8]利用半裂式鎢極內壁制備絕緣涂層的方法，實現(xiàn)焊絲和空心鎢極同軸且絕緣的目的.苗玉剛等人[9]提出一種基于空心鎢極分流熔化極電弧焊接裝置，該焊炬不僅可以提高使用過程中的靈活性，還可以顯著提升焊接效率.胡慶賢等人[10-11]基于空心鎢極的特點分別提出了空心鎢極TOPTIG(top tungsten inert gas welding)焊接方法、氣磁聯(lián)合調控空心鎢極TOPTIG 焊接方法和空心鎢極厚板填絲焊接方法.

國內外關于空心鎢極同軸填絲焊接的研究多是從裝置可行性角度出發(fā)提出空心鎢極同軸填絲焊接的設想，至今尚未見到該技術機理相關的研究報道，為此采用數(shù)值模擬分析和試驗相結合的方法，分析空心鎢極同軸填絲焊接空間熱場的分布特征，為焊絲熔化熱的研究奠定基礎，可進一步促進空心鎢極同軸填絲焊接技術的發(fā)展與應用.

1 試驗方法

采用哈爾濱焊接研究院有限公司自主開發(fā)設計的HWI-HCW 型空心鎢極同軸焊炬、山東奧太電氣有限公司生產的WSME-630 型非熔化極焊接電源和奧地利福尼斯公司生產的KD7000 型送絲機；基體材料為Q235 鋼，焊絲牌號為H08MnSiA，焊絲直徑為φ1.2 mm.焊前利用機械加工的方法去除試板表面油污及鐵銹.

如圖1 所示，首先，利用高速攝像觀察分析電弧穩(wěn)定燃燒時電弧的形貌特征；其次，分析焊絲從鎢極內控送出時絲材的熔化過程，以及熔滴過渡行為.以實際焊接過程中電弧亮區(qū)面積信息的變化為基礎，建立空心鎢極同軸填絲焊接電弧光學信息與焊接關鍵過程之間的映射關系，實現(xiàn)對空心鎢極同軸填絲焊接過程焊絲歷經空間溫度分布特征，以及焊接工藝穩(wěn)定性分析目的.試驗過程用到的高速攝像機拍攝幀數(shù)為4 000 幀/s，曝光時間為60 μs.對于空心鎢極同軸填絲焊接而言，涉及到的關鍵工藝參數(shù)如表1 所示.

圖1 焊接過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of welding process

2 試驗結果與分析

2.1 熔滴過渡特性分析

圖2 為空心鎢極同軸填絲焊接過程.焊絲從鎢極內孔送出，焊絲末端開始熔化，形成高溫熔滴，如圖2a 所示.隨著焊絲的不斷送進，熔滴開始與液態(tài)熔池接觸時，此時焊絲的電勢與工件及液態(tài)熔池的電勢一致，由最小電壓原理可知，由于焊絲與鎢極內孔的距離更小，因此電弧更容易在鎢極內孔和焊絲之間形成導電通道，此時電弧的亮度變暗，電弧形態(tài)也由鐘罩型變?yōu)閳A筒狀，如圖2b 和圖2c 所示.當熔滴過渡完成時，電弧即刻回復至高亮狀態(tài)，如圖2d 所示.

當無電流從焊絲流過時，熔滴上方的焊絲呈高溫固態(tài)，保持較好的挺直狀態(tài)；而當電弧收縮為圓筒狀時，焊絲挺直性變差，部分區(qū)域出現(xiàn)頸縮甚至彎曲現(xiàn)象，如圖2b 和圖2c 所示，這證明熔滴與液態(tài)熔池接觸時，焊絲電勢與工件相同，有部分電流經過焊絲構成回路，而電流流過焊絲形成的電阻熱大幅度的提高了焊絲熔化效率.

圖2 空心鎢極同軸填絲焊接過程Fig.2 Welding process of hollow cathode arc welding with coaxial filler wire.(a) t0 ms;(b) t0+2.75 ms;(c) t0+7.5 ms;(d) t0+8.75 ms

空心鎢極同軸填絲焊接過程中，熔滴形成階段電弧正常燃燒呈高亮鐘罩型，在熔滴過渡階段，電弧亮度變暗，形態(tài)收縮為鐘罩型.可以推斷出電弧信息(形態(tài)、亮度)與焊接關鍵過程(焊絲熔化、熔滴過渡)之間存在映射關系.對高速攝像拍攝到的圖像進行二值化處理，獲得每一幀圖像在一定亮度閾值范圍內的亮區(qū)面積大小，即可實現(xiàn)對空心鎢極同軸填絲焊接焊絲熔化過程及熔滴過渡過程的研究與分析.

對一段時間內高速攝像獲取的時序電弧圖像進行二值化處理，通過合理閾值的設定獲取不同照片的亮度信息，進而可以分析出閾值范圍內的亮區(qū)面積隨時間的變化規(guī)律，17 個熔滴過渡階段對應的亮區(qū)面積變化信息如圖3 所示.在空心鎢極同軸填絲焊接過程中，電弧亮區(qū)面積呈周期性變化，電弧亮度面積變大時，為焊絲熔化階段；電弧亮區(qū)面積變小時，為熔滴過渡階段，液滴和液態(tài)熔池接觸階段，高亮區(qū)像素面積顯著下降，該階段液滴完成向液態(tài)熔池的過渡.總體上，焊接過程中焊絲熔化階段和熔滴過渡階段呈現(xiàn)出較好的規(guī)律性，這說明空心鎢極同軸填絲焊接的工藝性較為穩(wěn)定，具備工程應用基礎.

圖3 焊接過程電弧亮度信息變化Fig.3 Change of arc brightness information during welding

2.2 焊絲熔化熱分析

依據焊絲熔化過程及熔滴過渡過程可以看出，焊絲從鎢極內孔送出后經高溫電弧區(qū)域，熔化后形成液滴過渡進入液態(tài)熔池.在上述過程中，處于高溫狀態(tài)的鎢極內孔對焊絲起到一定的預熱作用，高溫電弧對進入其中的焊絲起到直接加熱作用.此外，熔滴與液態(tài)熔池接觸后電流流經焊絲產生的電阻熱對焊絲的高效熔化起到關鍵作用.

2.2.1 空心鎢極內孔預熱

鎢極內孔直徑為3.0 mm，K 型熱電偶外徑為2 mm，利用設計的導向裝置保證熱電偶從空心鎢極內孔中心位置送達鎢極內部，調整熱電偶末端和鎢極末端之間的相對距離h，測量電弧輻照及鎢極熱傳導作用下，空心鎢極內孔不同位置處的溫度隨時間的變化規(guī)律，空心鎢極內孔的溫度測試方法如圖4所示.

圖4 空心鎢極內孔溫度測試方法Fig.4 Test method for inner hole temperature of hollow tungsten electrode

圖5 為空心鎢極內孔不同位置處的溫度隨時間變化規(guī)律.從圖5 可以看出，熱電偶距鎢極末端的距離h越遠，鎢極內孔溫度越低，從室溫達到穩(wěn)態(tài)溫度所需時間也隨之逐漸增加.例如，當熱電偶和鎢極末端的距離為60 mm 時，達到穩(wěn)態(tài)所需時間為50 s 左右，此時的穩(wěn)態(tài)溫度為145 ℃；當距離h為9 mm 時，達到穩(wěn)態(tài)所需時間為20 s 左右，穩(wěn)態(tài)約為1 253 ℃.

圖5 鎢極內孔不同位置處溫度隨時間變化規(guī)律Fig.5 Variation of temperature with time at different positions in the tungsten electrode inner hole

由于熱電偶的最高測溫區(qū)間在0～ 1 300 ℃之間，靠近鎢極末端的溫度要高于傳感器的測溫范圍，因此不能直接測量鎢極內孔所有區(qū)域.為此，采用三次多項式函數(shù)對已有數(shù)據進行擬合處理，距鎢極末端不同距離處的溫度計算方法如式(1)所示.

式中：T0為鎢極內孔溫度；h為熱電偶末端距鎢極末端的距離.

擬合方程的決定系數(shù)為0.98，這說明利用該方程預測鎢極末端的溫度分布情況具有較高可行性，原始數(shù)據和擬合數(shù)據的結果如圖6 所示.

圖6 穩(wěn)態(tài)時鎢極內孔不同位置處的溫度Fig.6 Steady state temperature variation at different positions of tungsten electrode inner hole

根據式(1)計算結果，當h為0 mm 時，鎢極末端的理論溫度為2 248.3 ℃.

2.2.2 空心鎢極電弧模型的建立與分析

由于很難直接獲取電弧內部區(qū)域的溫度分布特征，利用磁流體理論借助有限元分析軟件Comsol，建立了焊接電流400 A、空心鎢極距工件距離4 mm 時磁流體模型.如圖7 所示，模擬電弧和實際電弧形態(tài)高度吻合，這說明所構建的空心鎢極電弧模型和實際電弧的形態(tài)較為接近，所建立的空心鎢極磁流體模型具有較好的準確性，可以利用該模型進一步分析電弧的物理特征.

圖7 模擬結電弧與實際電弧對比Fig.7 Comparison between simulated arc and actual arc

利用該模型較為系統(tǒng)地分析了電弧的溫度分布特征，其結果如圖8 所示.從圖8 可以看出，自外向內等溫線1 至等溫線11 分別表達了溫度從5 500～13 500 K 的電弧溫度分布特征.如表2 所示，等溫線1 至等溫線7 的溫度間隔為1 000 K，等溫線8 至等溫線11 的溫度間隔為500 K.根據等溫線的分布特征可清晰的看出，空心鎢極電弧自外向內的溫度梯度逐漸降低，電弧中心區(qū)域的溫度最高，達到13 700 K.

圖8 電弧溫度場分析Fig.8 Analysis of arc temperature field

表2 不同等溫線對應的溫度Table 2 Temperature values corresponding to different is otherms

沿著空心鎢極電弧中軸線，間隔0.5 mm 距離提取不同位置處電弧穩(wěn)定時的溫度值，其結果如圖9所示.從圖9 可以看出，在該工藝參數(shù)下空心鎢極電弧中心區(qū)域正下方2.5 mm 位置處電弧內部的溫度達到最高值，這與實心鎢極鎢極正下方附近區(qū)域電弧溫度最高存在一定差異[11].環(huán)狀電極發(fā)射的電弧在中心區(qū)域匯聚可能是形成高溫區(qū)下移的主要原因.

圖9 電弧中軸線不同位置處的溫度分布Fig.9 Temperature distribution at different positions of arc central axis

2.2.3 焊絲電阻熱分析

結合圖2 焊絲熔化過程的分析可知，焊絲與工件接觸時，焊絲變?yōu)榈鼐€，此時鎢極電子發(fā)射端與焊絲之間的間距要遠小于其與工件之間的距離，在最小電壓原理作用下，電弧在鎢極末端與工件之間燃燒的狀態(tài)發(fā)生變化，一部分電弧開始從液態(tài)熔池表面快速“爬升”至焊絲表面，電弧由對熔池的加熱，直接轉變?yōu)閷附z的加熱，同時在該作用下一部分焊接電流也會從焊絲流過，產生電阻熱，這部分熱量對于焊絲的高效熔化具有十分重要積極意義.

3 結論

(1)在高溫電弧的熱作用下，空心鎢極內孔的溫度以指數(shù)級快速下降，鎢極末端的最高穩(wěn)態(tài)溫度可以達到2 248.3 ℃左右.

(2)建立的磁流體理論分析模型實現(xiàn)了對電弧形態(tài)的準確預測，電弧的溫度分布結果表明，電弧內最高穩(wěn)態(tài)溫度可以達到13 700 K，且該區(qū)域位于鎢極正下方2.5 mm 位置處.

(3)空心鎢極內孔的高溫熱輻射、電弧核心高溫區(qū)的熱傳導，以及電弧陽極作用區(qū)改變附帶產生的電阻熱是實現(xiàn)空心鎢極同軸填絲焊接高效熔絲的基礎.