304不銹鋼K-TIG焊接工藝

唐君才， 陳和， 魏占靜

(1. 珠海瑞凌焊接自動(dòng)化有限公司，廣東 珠海 519075；2. 深圳瑞凌實(shí)業(yè)股份有限公司，廣東 深圳 518000)

0 前言

304不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，韌性及延展性，易于成形和加工等使其在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外對(duì)304不銹鋼焊接開展了大量的研究[1-3]。K-TIG是一種低成本高效率的非熔化極焊接方法，其基本原理是利用高電流密度的TIG電弧產(chǎn)生的電弧力增加焊接熔深，并達(dá)到熔透工件形成小孔效應(yīng)使焊縫熔透并成形。其焊縫成形的原理和焊接質(zhì)量非常接近等離子焊接的效果，但其設(shè)備及耗材的成本卻遠(yuǎn)低于同等功能的等離子焊接系統(tǒng)，并且操作簡(jiǎn)單、焊接參數(shù)容錯(cuò)性好。K-TIG的電弧是在電磁自壓縮效應(yīng)及冷卻作用下的熱壓縮效應(yīng)所形成的一種壓縮電弧[4]。K-TIG與傳統(tǒng)TIG相比其電弧能量密度穿透力都遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)TIG，大電流下的K-TIG電弧能夠?qū)崿F(xiàn)一定厚度鋼板單面焊雙面成形，且無(wú)需開坡口[5-8]。此外，與激光焊及真空電子束焊焊接相比，K-TIG焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)方便、焊接環(huán)境及工裝要求較低，設(shè)備價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)各相關(guān)行業(yè)已經(jīng)逐步開展了K-TIG接工藝的生產(chǎn)應(yīng)用。

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

焊接設(shè)備為瑞凌自主生產(chǎn)的K-TIG焊接電源，焊槍為標(biāo)準(zhǔn)的1 000 A大型水冷焊槍，采用龍門式的專機(jī)作為焊槍的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用Mecaweld超級(jí)寬動(dòng)態(tài)電弧監(jiān)控相機(jī)觀察電弧形態(tài)，搭建的焊接工作站如圖1a所示，K-TIG焊接電源及焊槍如圖1b、圖1c所示。試驗(yàn)板材為304不銹鋼，保護(hù)氣體為100%Ar，氣體流量為15～20 L/min，鎢極直徑為5 mm，試驗(yàn)使用3 mm，5 mm，8 mm，10 mm的304不銹鋼進(jìn)行平板焊接試驗(yàn)和對(duì)接試驗(yàn)。

圖1 焊接試驗(yàn)設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接電流對(duì)焊接的影響

焊接電流是K-TIG工藝中最關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，焊接熔透和成形的好壞主要由焊接電流來(lái)決定。電流過(guò)大會(huì)焊穿，電流過(guò)小則不能熔透無(wú)法成形。電極與工件間的電弧引燃后，將焊接電流增加到傳統(tǒng)TIG焊接電流的上限以上，當(dāng)電弧的電流密度達(dá)到一定值產(chǎn)生足夠的電弧壓力穿透熔池時(shí)，將該電流定義為某一特定工件厚度的臨界電流值。焊接電流達(dá)到臨界值后再適當(dāng)增大電流，就會(huì)在熔池背面形成一個(gè)穩(wěn)定的電弧明顯透過(guò)的小孔，當(dāng)電極以焊接速度移動(dòng)時(shí)該小孔仍可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定保持，這時(shí)的電流就是合適的焊接電流。所以，焊接電流是否合適的標(biāo)準(zhǔn)就是能否形成小孔并在焊接速度下穩(wěn)定持久的保持小孔的存在。與等離子電弧相比較K-TIG電弧下形成小孔并得以保持的電流范圍更大一些；根據(jù)不同的板厚和焊接速度這一電流的范圍在10～30 A左右。其焊接參數(shù)的容錯(cuò)性更好，操作更簡(jiǎn)單。試驗(yàn)采用4組不同板厚的304不銹鋼試板進(jìn)行K-TIG平板焊接試驗(yàn)，表1是在試驗(yàn)中得出的不同板厚的K-TIG臨界焊接電流。

表1 不同板厚的臨界焊接電流

為了進(jìn)一步研究不同電流對(duì)對(duì)接焊縫熔深的影響，采用表2的參數(shù)對(duì)8 mm的304不銹鋼試板進(jìn)行K-TIG焊接試驗(yàn)，焊縫橫截面宏觀形貌如圖2所示。當(dāng)焊接電流為400 A時(shí)，焊縫未熔透，此時(shí)焊縫熔深為6 mm；當(dāng)焊接電流為495 A時(shí)，焊縫完全熔透，可清晰看到貫穿母材的錐形熔深。由此可以得出焊接電流在495 A時(shí)K-TIG實(shí)現(xiàn)了8 mm厚304不銹鋼對(duì)接單面焊雙面成形，焊縫形貌如圖3所示。

表2 對(duì)接工藝參數(shù)

圖2 焊縫橫截面宏觀形貌

圖3 8 mm不銹鋼對(duì)接焊縫形貌

圖4為焊接電流495 A時(shí)，使用電弧監(jiān)控相機(jī)拍攝的焊接過(guò)程中工件正面和背面照片。從正面圖中可以看出，電弧集中，電弧深深的扎入到母材中。從工件背面可以清楚的看到電弧弧光，可見焊接電弧已經(jīng)穿透母材，形成了小孔電弧從工件正面穿過(guò)去。當(dāng)電流為400 A時(shí)，此時(shí)電流相對(duì)較小電弧穿透能力偏弱尚不足以形成貫穿母材的小孔；當(dāng)電流增加到495 A時(shí)，在大電流情況下電弧作用力加大在熔池背面形成一個(gè)穩(wěn)定的電弧明顯透過(guò)的小孔。因此8 mm厚的304不銹鋼在焊接電流達(dá)到了495 A時(shí)工件被焊透，形成了單面焊雙面成形的焊縫。

圖4 電弧穿透工件形貌

K-TIG熔深產(chǎn)生的主要驅(qū)動(dòng)力有電磁收縮力、等離子流力、金屬蒸發(fā)的反沖作用力。隨著電流的增大垂直于軸線的電磁收縮力增加，使得電弧截面收縮等離子流速更快，等離子流力也更大。隨著K-TIG電流增加電弧溫度和等離子流速迅速增加[9-10]，母材在兩者作用下迅速熔化并部分蒸發(fā)，而由金屬蒸發(fā)所產(chǎn)生的反沖作用力作用于熔池增加熔深。因此，電流增大使得電磁收縮力、等離子流力和金屬蒸發(fā)反沖作用力組成的電弧壓力增加，所以熔深隨著電流增大而迅速增加。

表3為5 mm，10 mm厚304不銹鋼對(duì)接試驗(yàn)形成穩(wěn)定的熔透焊縫的參數(shù)值，焊縫如圖5、圖6所示，從圖中可以看出采用K-TIG焊接5 mm，10 mm一次性焊透且背面焊縫成形良好，實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成形，獲得穩(wěn)定的焊縫形狀。在合適的焊接電流下，穿孔后，熔池內(nèi)部液態(tài)金屬受到電弧壓力、表面張力和內(nèi)部靜壓力等作用下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)小孔就會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，保持形狀基本不變。當(dāng)電弧向前移動(dòng)，小孔前端金屬熔化，熔化的液態(tài)金屬?gòu)男】變蓚?cè)向后方移動(dòng)，并在小孔后方匯合。小孔也就隨之向前移動(dòng)，小孔后方熔池溫度降低逐漸凝固成焊縫。

表3 對(duì)接試驗(yàn)工藝參數(shù)

圖5 5 mm不銹鋼對(duì)接焊縫

圖6 10 mm不銹鋼對(duì)接焊縫

2.2 不同工藝參數(shù)下的電弧形態(tài)

采用不同的焊接電流、鎢極高度在不銹鋼上進(jìn)行焊接，觀察在不同參數(shù)下K-TIG焊接過(guò)程中的電弧形態(tài)。圖7為鎢極尖角30°離工件高度1 mm時(shí)不同焊接電流下的電弧形態(tài)，從圖中可以看出當(dāng)焊接電流為300 A時(shí)，電弧形態(tài)呈鐘罩形，電弧形狀比較發(fā)散；當(dāng)電流增加到500 A時(shí)，電弧形態(tài)呈尖錐形，電弧有著明顯的收縮，且電弧深深的扎到母材中去，形成小孔。K-TIG電弧是采用高效冷卻作用及大電流的一種焊接方法，其電弧主要受到熱壓縮效應(yīng)以及大電流下的電磁壓縮效應(yīng)。隨著電流增加電磁壓縮作用增強(qiáng)，電弧收縮程度增加。

圖7 不同焊接電流下的電弧形態(tài)

圖8為鎢極尖角30°焊接電流300 A時(shí)，不同鎢極高度下的電弧形態(tài)。可以看到當(dāng)焊接電流不變時(shí)，鎢極高度從1 mm拉高到3 mm，電弧被拉伸，電弧也較高度為1 mm時(shí)發(fā)散。當(dāng)鎢極高度為1 mm時(shí)，電弧在熱壓縮及電磁壓縮作用下電弧收縮明顯，當(dāng)鎢極高度拉高到3 mm時(shí)，電弧也被拉長(zhǎng)此時(shí)電弧壓縮作用減弱，電弧收縮程度相比之前降低。

圖8 不同鎢極高度下的電弧形態(tài)

3 結(jié)論

(1)隨著K-TIG焊接電流的增加，焊縫熔深增加，當(dāng)焊接電流增加到一定值能形成穩(wěn)定的電弧明顯透過(guò)的小孔。實(shí)現(xiàn)了5 mm，8 mm，10 mm厚304不銹鋼對(duì)接焊單面焊雙面成形，獲得穩(wěn)定的焊縫形狀。

(2)K-TIG焊接過(guò)程中隨著焊接電流增加電弧收縮程度增加，鎢極高度增加電弧收縮程度減小。