極性比對高速方波交流TIG-MIG復(fù)合焊電弧穩(wěn)定性及焊縫成形的影響

陳東升，王 恒，陳茂愛，王愛國

1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082 2.山東大學(xué) 材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點實驗室，山東 濟(jì)南 250061 3.河北岳泓智機(jī)科技開發(fā)有限公司，河北 衡水 053100

0 前言

TIG焊具有焊接過程穩(wěn)定、焊縫質(zhì)量好等優(yōu)點，但同時存在焊接速度低、熔透能力低等缺點；傳統(tǒng)MIG焊生產(chǎn)效率高，但焊接低碳鋼和低合金鋼時因陰極斑點的跳躍性和黏著性易造成電弧不穩(wěn)、焊縫成形差等問題，TIG-MIG復(fù)合焊接融合了兩者的優(yōu)點，并規(guī)避了各自的不足，是一種具有良好應(yīng)用前景的復(fù)合焊方法。

Kanemaru S[1-2]等人研究了不銹鋼TIG-MIG復(fù)合焊接工藝，發(fā)現(xiàn)MIG與直流TIG電弧相互耦合，克服了MIG電弧陰極斑點飄逸現(xiàn)象，顯著提高了焊接過程的穩(wěn)定性，改善了焊縫成形。婁小飛[3-4]等人發(fā)現(xiàn)直流TIG和MIG電弧之間電磁力的影響使得耦合電弧壓力顯著下降，在熔池表面形成的弧坑深度變淺，熔寬變小，熔池中后向液體流速度降低，從而避免了駝峰及咬邊的出現(xiàn)。陳姬[5-7]等人通過對直流TIG-MIG復(fù)合電弧進(jìn)行數(shù)值模擬計算，發(fā)現(xiàn)TIG和MIG電弧之間存在的電磁作用力使得TIG電弧的垂直度增加，TIG電弧的熱流密度隨之增大，對焊縫成形具有積極意義。楊濤[8]等人發(fā)現(xiàn)TIG電弧可以有效加熱MIG熔滴，降低焊接飛濺，并促進(jìn)熔池鋪展，從而形成良好的焊縫成形，實現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)的焊接。上述研究主要集中于直流TIG電弧與MIG電弧的復(fù)合，但這種復(fù)合電弧僅僅在TIG電流大于MIG電流的條件下才能保持穩(wěn)定，采用較小的TIG電流時，電弧穩(wěn)定性顯著變差，焊縫成形質(zhì)量嚴(yán)重下降，出現(xiàn)駝峰、咬邊等焊接缺陷[9]。

方波交流具有正半波和負(fù)半波轉(zhuǎn)換速度快、電弧穩(wěn)定等優(yōu)點，且通過方波交流脈寬的調(diào)節(jié)，可以合理地分配鎢極與工件之間的熱量，產(chǎn)生足夠的陰極清理作用，并減少鎢極的燒損，達(dá)到較大的熔深。高海光[10]對交流TIG-MIG復(fù)合焊接工藝進(jìn)行了研究，在交流TIG電流小于MIG電流的條件下獲得了穩(wěn)定的復(fù)合電弧，焊縫成形良好，說明相對于直流TIG-MIG復(fù)合焊接，交流TIG-MIG復(fù)合焊的工藝窗口增大。但是由于正弦波的兩個半波持續(xù)時間不可調(diào)，且焊接電流正負(fù)極性轉(zhuǎn)變時刻電弧穩(wěn)定性差，因此電弧的耦合效果仍受到限制。而方波交流具有正半波與負(fù)半波轉(zhuǎn)換速度快、電流零點過渡區(qū)幾乎為零、電弧穩(wěn)定等優(yōu)點，另外，可以通過調(diào)節(jié)方波波形的極性比（方波交流中負(fù)半波持續(xù)時間在一個方波波形周期中所占比例為極性比）來調(diào)節(jié)兩個電弧的耦合效果，因此有必要對其進(jìn)行深入研究。

本文采用焊接過程參數(shù)與圖像同步采集系統(tǒng)，同步采集方波交流TIG-MIG復(fù)合焊的電壓、電流參數(shù)及焊接過程圖像，對不同極性比下的焊接過程電弧形態(tài)及熔滴過渡方式進(jìn)行分析，研究極性比的改變對焊接過程電弧穩(wěn)定性和焊縫成形質(zhì)量的影響。

1 試驗設(shè)備和方法

試驗采用一臺逆變式脈沖MIG電源PULSE MIG-500Ⅲ和一臺交直流TIG電源WSME-500TIG，TIG電源選用方波交流模式，方波波形極性比可調(diào)。使用自制的焊槍加持裝置夾持TIG和MIG焊槍，焊槍的角度、高度及絲極間距可精確調(diào)節(jié)。利用焊接過程參數(shù)與過程圖像同步采集系統(tǒng)同步采集兩電弧的電流電壓、電弧形態(tài)和熔滴過渡圖像。圖像采集利用MV-D1024E-160高速CMOS攝像機(jī)配合Micro Enable Ⅳ圖像采集卡進(jìn)行，電弧電流和電壓的采集利用霍爾電流傳感器和電壓傳感器配合高速PCI數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)。方波交流TIG-MIG復(fù)合焊接實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 方波交流TIG-MIG復(fù)合焊接實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of experimental set-up for square wave AC TIGMIG hybrid welding

試驗用母材為3 mm厚Q235B低碳鋼板。MIG焊采用直流反接，焊絲為直徑1.2 mm的H08Mn2Si，噴嘴與工件之間距離16 mm，焊槍傾角70°，采用純Ar氣作為保護(hù)氣，氣體流量16 L/min；TIG焊采用直流正接，鎢極與工件間距離為3 mm，焊槍傾角60°，Ar氣流量4 L/min。絲極間距為4 mm，焊接速度2 m/min，其他工藝參數(shù)如表1所示，通過調(diào)節(jié)方波交流TIG中負(fù)半波持續(xù)時間在一個周期所占比例（即極性比）來進(jìn)行焊接對比試驗。

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters

2 方波交流TIG-MIG復(fù)合電弧行為

在MIG電流為250 A、MIG電弧電壓為26.8 V、方波交流TIG電弧電流為50 A時，不同極性比下的方波交流TIG-MIG復(fù)合焊焊接電流及電弧電壓波形如圖2所示。由圖2可知，極性比為0（直流TIG）時，TIG電弧電流波形中出現(xiàn)了很多異常的低點，而對應(yīng)的TIG電弧電壓波形中出現(xiàn)異常的高點，說明出現(xiàn)了斷弧現(xiàn)象；極性比為10時，TIG電弧電流及電壓波形中幾乎沒有異常變化點，說明沒有斷弧現(xiàn)象發(fā)生，焊接過程相當(dāng)穩(wěn)定。

圖2 不同極性比下方波交流TIG-MIG復(fù)合焊接電流電壓波形Fig.2 Current voltage waveform of the square wave AC TIG-MIG hybrid welding under different polarity ratio

圖3為2 s的穩(wěn)定焊接時間內(nèi)不同極性比下TIG電弧斷弧次數(shù)之和。由圖3可知，極性比由0（直流TIG）增大到10后，TIG電弧斷弧次數(shù)由64次急劇減少至2次，而極性比的進(jìn)一步增大對電弧斷弧次數(shù)影響不大。這說明利用直流TIG電弧時，小電流下的TIG-MIG復(fù)合電弧和焊接過程不穩(wěn)定，而利用方波交流TIG電弧時，可在很小的TIG電流下獲得穩(wěn)定的TIG-MIG復(fù)合電弧和穩(wěn)定的焊接過程。

圖3 不同極性比下方波交流TIG-MIG復(fù)合焊接2 s內(nèi)TIG電弧斷弧次數(shù)統(tǒng)計Fig.3 Statistical number of TIG arc interruption in 2 s as a function of polarity ratio during the square wave AC TIG-MIG hybrid welding

極性比為0時，方波交流TIG-MIG復(fù)合焊即為直流TIG-MIG復(fù)合焊。由于TIG電弧采用直流正接，而MIG采用直流反接，兩者的電弧電流方向相反，兩電弧受到相互排斥的電磁力作用。MIG電弧電流較大，電弧挺度高，在電磁排斥力作用下形態(tài)改變較?。籘IG電弧電流較小，電弧挺度差，在電磁排斥力作用下明顯偏離TIG鎢極軸線，如圖4所示。隨著焊接過程的進(jìn)行，這種偏離可能會逐漸加劇，弧長逐漸增大，增至一定程度后電弧熄滅（見圖4d）。

圖4 極性比為0時TIG-MIG復(fù)合電弧典型形態(tài)Fig.4 Arc shape of TIG-MIG hybrid welding at a polarity ratio of 0

極性比為10時，TIG電弧在直流正極性（工件為陽極）半波和直流負(fù)極性（工件為陰極）半波之間周期性切換。當(dāng)波形處于正極性半波時，TIG電弧與MIG電弧之間產(chǎn)生電磁排斥力，TIG電弧有向外側(cè)逐漸偏離鎢極軸線的趨勢，見圖5a、5b。在很短的時間內(nèi)，TIG電弧由正極性半波切換到負(fù)極性半波，MIG電弧與TIG電弧之間產(chǎn)生的電磁吸引力使得TIG電弧又逐漸向內(nèi)返回至鎢極軸線，見圖5d。這樣TIG電弧不至于過分拉長，幾乎不會發(fā)生斷弧現(xiàn)象。由于正極性半波的TIG電弧電流較大，兩個電弧耦合為一體，亮度大。在兩個半波之間的切換點附近，TIG電弧亮度開始變低，見圖5c；而在負(fù)極性半波，由于作為陰極的工件發(fā)射電子能力較弱，TIG電流較小，電弧亮度顯著較低，但此時TIG并沒有斷弧，兩電弧之間相互吸引的趨勢明顯，見圖5d。

圖5 極性比為10時TIG-MIG復(fù)合電弧典型形態(tài)Fig.5 Arc shape of TIG-MIG hybrid welding at a polarity ratio of 10

3 方波交流TIG-MIG復(fù)合焊縫成形

不同極性比下TIG-MIG復(fù)合焊的宏觀焊縫成形如圖6所示。由圖可知，極性比為0時，焊縫呈現(xiàn)明顯的駝峰焊道特征，與同參數(shù)下單MIG焊縫類似，可見小電流直流TIG并不能改善MIG高速焊焊縫成形；當(dāng)極性比為10時，焊縫整體成形良好，表面光滑均勻，無咬邊、駝峰和飛濺等焊接缺陷；隨著極性比的增大，焊縫表面光滑程度有所下降，沿焊縫兩側(cè)焊趾部位呈現(xiàn)輕微的曲折波動，存在較多的大顆粒飛濺。因此，設(shè)置適當(dāng)極性比可以有效提高焊縫成形質(zhì)量，極性比為10時焊縫成形最好。

圖6 不同極性比下TIG-MIG復(fù)合焊縫成形Fig.6 Weld of TIG-MIG hybrid under different polarity ratio

大極性比導(dǎo)致飛濺的原因是焊絲端部液態(tài)金屬的強(qiáng)烈擺動。交流方波TIG-MIG復(fù)合焊接過程中，TIG波形處于正極性半波時，MIG焊絲端部錐狀液柱后偏，過渡熔滴向熔池后方過渡。焊絲軸線與焊絲端部錐狀液柱軸線形成一定角度α，如圖7所示。極性比為0（直流）時，焊絲端部錐狀液柱后偏角度最小，為15.5°；極性比為10和40時焊絲后偏角度基本相同，約為42°。這是由于極性比為0時，TIG波形完全處于正半波，MIG過渡熔滴始終保持穩(wěn)定的后偏的過渡形態(tài)；當(dāng)極性比增大，TIG波形階段性處于負(fù)半波，波形正反極性改變時，過渡熔滴受力改變，擺動幅度增大，后偏角度增大。

圖7 TIG電弧為正極性半波時焊絲尖端錐狀液柱相對于焊絲軸線的后偏角度αFig.7 Back-deflection angle α of the conical liquid column at the tip of the wire relative to the wire axis when the TIG arc on positive half wave

TIG波形處于負(fù)極性半波時，焊絲端部的錐狀液柱前偏，與軸線形成一定角度β，如圖8所示。極性比為0（直流）時，焊絲端部尖錐液柱持續(xù)后偏，不會出現(xiàn)前偏現(xiàn)象，見圖7b；極性比為10時，方波波形處于負(fù)半波，過渡熔滴沿焊絲軸線過渡，前偏角度為0；極性比為40時，MIG過渡熔滴前偏角度最大，為11.2°。顯然，隨著極性比的增大，焊絲端部尖錐液柱擺動幅度增大，而過大的擺動幅度易將液態(tài)金屬拋到熔池之外形成飛濺。

圖8 TIG電弧為負(fù)極性半波時焊絲尖端錐狀液柱相對于焊絲軸線的前偏角度βFig.8 Forward-deflection angle β of the conical liquid column at the tip of the wire relative to the wire axis when the TIG arc on negative half wave

4 結(jié)論

針對直流TIG-MIG復(fù)合焊僅在TIG電流大于MIG電流的條件下才能保持穩(wěn)定，熱輸入相對于MIG焊顯著增大的問題，提出了方波交流TIG-MIG復(fù)合焊工藝，研究了極性比對焊接過程穩(wěn)定性和焊縫成形的影響，結(jié)論如下：

（1）TIG電弧極性比為0（直流TIG）時，小TIG電弧電流（焊接電流50 A）的TIG-MIG復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性差，復(fù)合電弧始終處于排斥狀態(tài)，TIG電弧明顯向外偏離鎢極軸線，斷弧現(xiàn)象嚴(yán)重；極性比為10～40時，復(fù)合電弧形態(tài)不斷擴(kuò)展和收縮，小TIG電弧電流的方波交流TIG-MIG復(fù)合焊接斷弧較少，焊接過程穩(wěn)定。

（2）極性比對方波交流TIG-MIG復(fù)合焊焊縫成形影響較大。極性比為0時，小TIG電弧電流的TIG-MIG復(fù)合焊焊縫成形質(zhì)量差，出現(xiàn)駝峰、飛濺等缺陷；而極性比為10時，焊縫整體成形良好，表面光滑均勻，無咬邊、駝峰飛濺等焊接缺陷；隨著極性比的進(jìn)一步增大，焊縫表面光滑程度有所下降，焊趾部位呈現(xiàn)明顯的波動，且存在較多的大顆粒飛濺。方波TIG電弧與MIG電弧的相互作用勢必會對熔池金屬流動產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到焊縫成形，其與熔池金屬相互作用的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。