空心鎢極同軸填絲焊接絲弧交互作用機(jī)制

楊義成，杜兵，黃繼華，黃瑞生，陳健，徐富家

(1.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司,北京,100044；2.北京科技大學(xué),材料先進(jìn)焊接與連接技術(shù)研究室,北京,100831；3.哈爾濱焊接研究院有限公司,哈爾濱,150028)

0 序言

鎢極氬弧焊(tungsten inert gas welding,TIG)以其優(yōu)異的焊接穩(wěn)定性和過(guò)程可控性，在航空航天、軍工、核電等領(lǐng)域關(guān)鍵部件的焊接中應(yīng)用較為廣泛[1-3].以該技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的鎢極氬弧旁軸填絲焊接技術(shù)在窄間隙焊接、高品質(zhì)電弧增材制造等領(lǐng)域同樣獲得廣泛關(guān)注.

隨著柔性化制造技術(shù)的不斷發(fā)展，常規(guī)TIG 焊炬因其焊接效率低，工藝實(shí)施過(guò)程具有方向性等技術(shù)特征，使其某些關(guān)鍵工程領(lǐng)域應(yīng)用存在較大的局限性.為此國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者基于常規(guī)TIG 焊接電弧的穩(wěn)定性提出了很多新型的焊接方法，其中包括TOP-TIG 焊[4]、雙鎢極焊[5]、TIG-MIG/MAG 復(fù)合焊[6]、激光-TIG 復(fù)合焊[7-8]、K-TIG 焊[9-10]等新型焊接方法，上述焊接方法均在一定程度上解決了常規(guī)鎢極氬弧焊接效率低、電弧熔絲能力差等技術(shù)短板，促進(jìn)了TIG 焊技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用.迄今為止，以TIG 焊為基礎(chǔ)形成的新型焊接方法在多維柔性化制造領(lǐng)域直接應(yīng)用依然存在較大的技術(shù)難題亟需解決，究其原因，其核心問(wèn)題在于未能真正解決加工工藝具有方向性這一技術(shù)難題.Spaniol 等人[11]采用熱絲TIG 焊的方法將焊絲以較大角度從電弧上方送入熔池，在一定程度上解決了常規(guī)TIG 填絲焊工藝執(zhí)行過(guò)程具有方向性的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)構(gòu)件的一次成形.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的空心鎢極同軸填絲焊炬，型號(hào)為HWI-TC；所用TIG 焊電源為山東奧太公司生產(chǎn)，電源型號(hào)為WSME-630；送絲機(jī)為奧地利福尼斯公司生產(chǎn)，型號(hào)為VR7000；基體材料為Q235 鋼，焊絲牌號(hào)為H08MnSiA，直徑為1.2 mm，空心鎢極填絲焊接過(guò)程如圖1 所示.焊接前，利用機(jī)械加工方法去除試板表面油污及鐵銹.

圖1 空心鎢極同軸填絲焊接過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of hollow tungsten arc welding with coaxial filler wire

為了深入分析空心鎢極同軸送絲焊接絲弧交互作用機(jī)制，在試驗(yàn)分析方法方面首先利用高速攝像觀察分析了空心鎢極電弧形態(tài)；其次在焊絲送進(jìn)過(guò)程中，分析電弧熔絲特征及其過(guò)渡過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為；然后結(jié)合焊接過(guò)程電弧形態(tài)及亮度特征的轉(zhuǎn)變，以電弧物理為基礎(chǔ)，分別構(gòu)建了焊絲熔化及熔滴過(guò)渡階段焊絲末端熔融液滴的受力模型.所用高速攝像機(jī)的拍攝幀數(shù)為4 000 幀/s，曝光時(shí)間為60 μs.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空心鎢極電弧特征及其焊接特性分析

圖2 為實(shí)心鎢極電弧和空心鎢極電弧對(duì)比，可以看出，鎢極高度均為4 mm，焊接電流為400 A時(shí)，空心鎢極電弧形態(tài)與實(shí)心鎢極之間存在較大差異.實(shí)心鎢極電弧自上而下呈典型“鐘罩形”，如圖2a 所示，而空心鎢極由于電子發(fā)射端面呈圓環(huán)面狀，電子發(fā)射區(qū)域相較于實(shí)心鎢極較大，使其形成的高溫電弧靠近空心鎢極區(qū)域呈現(xiàn)出近圓筒狀，靠近工件表面區(qū)域呈現(xiàn)出帽沿狀，整體呈現(xiàn)出一種“帽子形”特征，如圖2b 所示，且整個(gè)電弧在工件表面輻照區(qū)明顯大于實(shí)心鎢極.

圖2 空心鎢極電弧和實(shí)心鎢極電弧對(duì)比Fig.2 Difference between hollow tungsten arc and solid tungsten arc.(a) solid tungsten arc;(b) hollow tungsten arc

前期研究也指出，空心鎢極電弧內(nèi)部電流密度及最高溫度均會(huì)有所下降[24]，且電磁收縮作用下形成的電弧壓力也會(huì)隨之降低[25]，該特性對(duì)于調(diào)控焊接熱源熱力行為具有重要意義.

實(shí)心鎢極與空心鎢極焊縫橫截面成形特征如圖3 所示.從圖3 可以看出，實(shí)心鎢極電流達(dá)到400 A 時(shí)，底部出現(xiàn)一個(gè)貫穿型空洞，無(wú)法形成高質(zhì)量焊縫；而空心鎢極由于電弧分布較為均勻，且電弧作用區(qū)域較大，在大電流下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性成形.這主要是由于大電流焊接時(shí)，電弧壓力較大，焊縫中極易產(chǎn)生凹坑或咬邊等缺陷，成為制約常規(guī)實(shí)心鎢極氬弧焊大電流、高效熔絲焊接的主要原因[26].

圖3 實(shí)心鎢極(400 A)和空心鎢極(400 A)焊縫橫截面Fig.3 Weld cross section of solid tungsten electrode(400 A) and hollow tungsten electrode (400 A).(a) solid tungsten electrode;(b) hollow tungsten electrode

2.2 熔滴形成階段分析

空心鎢極同軸填絲焊接時(shí)，焊絲末端熔滴從進(jìn)入熔池的過(guò)程可分為兩個(gè)關(guān)鍵階段，其中第一階段為熔滴形成階段，該過(guò)程如圖4 所示.焊絲以一定速度剛從鎢極內(nèi)孔送出時(shí)，如圖4a 所示，該時(shí)刻記為t0+0 ms，此時(shí)焊絲末端仍然以高溫固態(tài)為主，但在焊絲末端機(jī)械剪斷后形成的尖端區(qū)域已在電弧熱的作用下形成少量液膜，在表面張力作用下該區(qū)域趨于光滑；當(dāng)焊絲最前段完全送入電弧內(nèi)部時(shí)，焊絲前段開(kāi)始從外表面熔化形成液態(tài)金屬，如圖4b 和圖4c 所示，此時(shí)在表面張力作用下，較多的液態(tài)金屬以規(guī)則形狀包裹焊絲端部，這說(shuō)明進(jìn)入高溫電弧內(nèi)部的焊絲在熱傳導(dǎo)作用下，即可從末端熔化形成熔滴；隨著焊絲的穩(wěn)步送出，焊絲的末端的液滴進(jìn)一步長(zhǎng)大，同時(shí)在熔融液滴上方固態(tài)焊絲的邊緣位置開(kāi)始形成表層熔化區(qū)，其過(guò)程如圖4b～圖4i 所示；從圖4a～ 圖4i 的過(guò)程可以看出，在焊絲末端液滴和液態(tài)熔池接觸前，焊絲末端的液滴是一個(gè)持續(xù)長(zhǎng)大的過(guò)程，且表層熔化區(qū)域的長(zhǎng)度也在不斷拉長(zhǎng).

圖4 熔滴形成階段絲弧交互作用Fig.4 Welding wire-arc interaction during droplet formation.(a) t0+0 ms;(b) t0+6.25 ms;(c) t0 +12.75 ms;(d) t0+19.25 ms;(e) t0+35.5 ms;(f)t0+87.5 ms;(g) t0+105 ms;(h) t0+175 ms;(i)t0+280.75 ms

焊絲以4 m/min 的速度穩(wěn)定送出，在不考慮焊絲熔化的情況下，理論上焊絲從鎢極內(nèi)孔送出，到達(dá)工件表面所需的時(shí)間t1僅需60 ms 左右.然而如圖4f 所示，在87.5 ms 時(shí)焊絲末端依然未與液態(tài)金屬接觸，這是因?yàn)殡S著焊接過(guò)程的進(jìn)行，焊絲進(jìn)入電弧內(nèi)部核心高溫區(qū)，焊絲前段即刻由高溫固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷匾簯B(tài)，在重力、表面張力和等離子流力等的共同作用下，熔融液滴逐漸累積長(zhǎng)大，形成了徑向尺寸遠(yuǎn)大于焊絲直徑的液滴，液滴只有尺寸的變化，無(wú)不平衡受力導(dǎo)致的劇烈波動(dòng)過(guò)程，該階段的受力特征可以認(rèn)為是處于靜力平衡狀態(tài).

結(jié)合上述分析可知，焊絲在電弧熱作用下不斷熔化，焊絲末端的液滴尺寸持續(xù)累積長(zhǎng)大，液滴重量穩(wěn)定增加，由此帶來(lái)的慣性力會(huì)隨之提升.此時(shí)，諸如焊絲送進(jìn)過(guò)程的不規(guī)則振動(dòng)等外界因素帶來(lái)的干擾，會(huì)在不同程度上打破原有的受力平衡體系，使液滴的受力處于不平衡狀態(tài)，此時(shí)液滴極易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其結(jié)果如圖4h 所示.焊絲末端與液態(tài)熔池接觸前一瞬間如圖4i 所示，此時(shí)焊絲從鎢極末端送出的時(shí)間t2約為280.75 ms，是理論到達(dá)時(shí)間t0(焊絲送出距離)焊絲不熔化時(shí)的3.7 倍.

張嘉峰 男，1993年生于河北邯鄲.現(xiàn)為92118部隊(duì)助理工程師.主要研究方向?yàn)槔走_(dá)極化信息處理、新體制雷達(dá)技術(shù)及電子戰(zhàn)建模與仿真.

假定焊絲末端的熔滴是一個(gè)規(guī)則的球形，根據(jù)理論到達(dá)時(shí)間t1和實(shí)際到達(dá)時(shí)間t2的差值Δt、送絲速度vf，由體積守恒定律，即可計(jì)算出焊絲末端熔滴直徑D，計(jì)算過(guò)程如式(1)所示，即

式中：Δt為205.75 ms；vf為送絲速度(66.7 mm/s)；d為焊絲直徑(1.2 mm)；由此計(jì)算出熔滴的直徑D約為3.1 mm，與圖4i 中熔滴實(shí)際尺寸3.0 mm 較為接近.

2.3 熔滴過(guò)渡階段分析

隨著焊接過(guò)程進(jìn)行，焊絲末端液滴底部開(kāi)始和液態(tài)熔池表面接觸，此時(shí)液滴作為導(dǎo)電媒介將固態(tài)焊絲與液態(tài)熔池導(dǎo)通，焊絲與液態(tài)金屬和工件的電位幾乎一致，焊絲此時(shí)瞬間變?yōu)殛?yáng)極.由最小電壓原理可知，當(dāng)焊絲與工件電位相同時(shí)，焊絲和鎢極內(nèi)孔壁之間距離(約0.9 mm)遠(yuǎn)小于鎢極末端和液態(tài)熔池之間的距離(約4 mm)，因此電弧的導(dǎo)電通道更容易在鎢極內(nèi)孔和焊絲之間建立，此時(shí)焊接電弧部分陽(yáng)極作用區(qū)會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)由液態(tài)熔池轉(zhuǎn)移至焊絲，該現(xiàn)象稱為電弧的“爬升”(圖5).

圖5 熔滴過(guò)渡階段絲弧交互作用Fig.5 Welding wire-arc interaction during droplet transformation.(a) t0+280.75 ms;(b) t0+281.25 ms;(c) t0+283.5 ms;(d) t0+285.5 ms;(e) t0 +288.25 ms;(f) t0+289.5 ms

電弧在“爬升”階段，鎢極外部電弧亮度瞬間降低，其結(jié)果如圖5c 和圖5d 所示.隨著電弧的持續(xù)爬升，焊接電弧作用的陽(yáng)極區(qū)大部分轉(zhuǎn)移至焊絲，此時(shí)電弧形態(tài)由最初高亮的“帽子形”逐步收縮為一個(gè)近“直筒形”電弧，其形貌如圖5e 和圖5f 所示.

2.4 熔滴過(guò)渡過(guò)程分析

為了深入探明焊絲末端熔滴形成及過(guò)渡階段的動(dòng)力學(xué)特征，同樣將熔滴的受力分為熔滴形成和熔滴過(guò)渡兩個(gè)階段進(jìn)行獨(dú)立分析.

2.4.1 熔滴形成階段

圖6 為熔滴形成及熔滴過(guò)渡階段受力分析.熔滴形成階段如圖6a 所示，在該過(guò)程中熔滴懸掛于焊絲末端，此時(shí)重力Fg對(duì)焊絲末端熔融液滴的過(guò)渡起到良好的促進(jìn)作用；熔融液滴與固態(tài)焊絲連接部位存在的表面張力Fγ是阻礙熔滴向熔池過(guò)渡的關(guān)鍵因素之一，隨著熔滴尺寸的增加，只有當(dāng)豎直向下的綜合作用力大于表面張力時(shí)，熔滴才會(huì)從焊絲末端脫落進(jìn)入熔池，當(dāng)只考慮重力對(duì)熔滴過(guò)渡的影響時(shí)，焊絲末端熔融液滴最大直徑D1的計(jì)算方法，可由式(2)～ 式(4)計(jì)算獲得.

圖6 熔滴形成及熔滴過(guò)渡階段受力分析Fig.6 Stress analysis of droplet formation and transition stage.(a) droplet formation stage;(b) droplet transition stage

式中：R為焊絲直徑0.6 mm；ρl為碳鋼熔滴的密度,一般取值為7.0 g/cm3；γs為熔滴與焊絲之間表面張力系數(shù)，一般對(duì)于碳鋼該系數(shù)設(shè)定為1.2 N/m.

結(jié)合式(2)、式(3)和式(4)可計(jì)算得到的熔滴尺寸D1可以達(dá)到6.3 mm，大于鎢極到工件之間的距離4 mm，因此可以判斷出焊絲末端的熔滴很難在不借助外力的作用下以滴狀過(guò)渡的方式直接進(jìn)入熔池.此外在熔滴形成階段，除了重力會(huì)促進(jìn)熔滴過(guò)渡外，等離子流力也會(huì)促進(jìn)熔滴的過(guò)渡.但是在空隙鎢極同軸填絲焊接過(guò)程中，電弧接近圓筒狀，等離子流力豎直向下對(duì)熔滴產(chǎn)生的沖擊力就相對(duì)更小，由此可以判斷其對(duì)熔滴過(guò)渡的影響不大.

2.4.2 熔滴過(guò)渡階段

熔滴過(guò)渡階段，如圖6b 所示，熔滴底部會(huì)與液態(tài)熔池表面接觸，兩者之間形成的表面張力會(huì)促進(jìn)熔滴過(guò)渡.當(dāng)焊接電流從焊絲末端熔滴內(nèi)部流過(guò)時(shí)，可在熔滴中產(chǎn)生電磁力Fe，其方向由小截面指向大截面.焊絲末端熔滴導(dǎo)電的瞬間只有底部極小的區(qū)域與熔池接觸，發(fā)射角就相對(duì)很小，在較大電流密度的作用下，液滴內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生較大電磁收縮力.在該力作用下，焊絲末端的液滴和高溫液態(tài)熔池之間的液橋過(guò)渡方式會(huì)被瞬間打破，此時(shí)液滴在表面張力、重力、電磁收縮力的作用下發(fā)生嚴(yán)重的熔滴振蕩行為，導(dǎo)致液滴在焊絲和液態(tài)熔池之間開(kāi)始發(fā)生劇烈的擺動(dòng)，如圖5c～ 圖5e 所示，直至液滴和液態(tài)熔池之間的導(dǎo)電通道斷開(kāi)，開(kāi)始下一個(gè)熔滴過(guò)渡周期.在導(dǎo)電通道斷開(kāi)之前，液滴依然和會(huì)帶著液態(tài)熔池的表面以“液態(tài)金屬線”的方式連接，如圖5f 所示，擺動(dòng)的液滴會(huì)帶著“液態(tài)金屬線”一起快速運(yùn)動(dòng)，液態(tài)金屬線的無(wú)規(guī)則擺動(dòng)則會(huì)直接影響到液態(tài)熔池穩(wěn)定流動(dòng)，使熔滴過(guò)渡階段可控性下降.

2.5 焊接效果

當(dāng)焊接電流為400 A、焊接速度為0.4 m/min、鎢極距工件表面為4 mm、送絲速度為4 m/min 時(shí)焊縫形貌如圖7 所示.從圖7 可以看出，通過(guò)空心鎢極同軸填絲方法探索，初步獲得魚(yú)鱗紋致密、均勻穩(wěn)定的高質(zhì)量焊縫，這也說(shuō)明該焊接方法具有較高的可行性，是一種具備較好發(fā)展前景的高效、優(yōu)質(zhì)焊接新方法.

圖7 空心鎢極同軸填絲焊縫形貌Fig.7 Weld appearance of hollow cathode arc welding with coaxial filler wire

3 結(jié)論

(1)區(qū)別于實(shí)心鎢極的“鐘罩形”電弧，空心鎢極電弧的形態(tài)接近“帽子形”特征，相同能量輸入條件下電弧的作用區(qū)域更大，焊縫呈現(xiàn)出寬而淺的特征.

(2)高溫電弧作用下焊絲末端的熔滴以接觸過(guò)渡的方式進(jìn)入熔池，熔滴過(guò)渡過(guò)程中，電弧形態(tài)由“帽子形”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸蓖残巍?

(3)熔滴形成階段的受力狀態(tài)較為穩(wěn)定，熔滴過(guò)渡時(shí)，圍繞焊絲末端出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象，并有效完成熔滴的過(guò)渡.