雙TIG活性電弧焊接工藝

張佳, 郭超, 邵沛澤, 王新鑫, 樊丁

(1.重慶理工大學(xué)，重慶 400054;2.重慶市特種焊接材料與技術(shù)高校工程研究中心，重慶 400054;3.蘭州理工大學(xué)，蘭州 730050)

0 前言

鎢極惰性氣體保護焊(Tungsten inert gas arc welding, TIG welding)是一種高質(zhì)量的焊接方法，因具有焊縫成形優(yōu)良、焊接過程穩(wěn)定及焊接質(zhì)量高等諸多優(yōu)點，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于鎢極的載流能力有限，電弧不集中，導(dǎo)致單道焊縫熔深淺，焊接生產(chǎn)率低，且當(dāng)速度超過臨界值后會出現(xiàn)咬邊和駝峰等焊接缺陷[1]。

為了解決這一問題，研究人員提出了多種高效焊接方法[2-5]，最具帶代表性的是A-TIG (Activating flux TIG)[5]。隨著A-TIG焊研究的深入，研究人員認為，對于鐵系合金而言，表面張力溫度系數(shù)的改變是引起焊縫熔深增加的最主要原因[6]。Lu等人[7]提出AA-TIG (Advanced activating TIG welding)，該方法采用雙層氣體引入活性O(shè)元素，可以明顯增加熔深。樊丁等人[8-9]提出了電弧輔助活性TIG (Arc assisted activating TIG)，不但能增加焊縫熔深，而且還可以在高速焊接時克服咬邊和駝峰等缺陷[10-11]。

文中提出雙TIG活性電弧焊接法，采用2支TIG焊槍前后排布進行焊接，焊槍在垂直于母材平面內(nèi)成60°夾角，前置焊槍的焊接電流小于后置焊槍，采用2臺相互獨立的焊接電源分別對2支焊槍供電。后置焊槍采用Ar作為保護氣體，前置焊槍采用O2+Ar的混合氣體保護，從而使電弧具有活性。其中，鎢極間距定義為2個鎢極尖端的水平距離，弧長定義為鎢極尖端到母材的垂直距離。該方法簡便易行，可以在高于普通TIG焊接速度的條件下實現(xiàn)深熔焊接。研究了O2流量、焊接電流、弧長、鎢極間距和焊接速度等工藝參數(shù)對焊縫成形的影響，并考察了焊縫組織及力學(xué)性能。

1 試驗材料及方法

試驗中選用SUS304不銹鋼進行平板表面熔焊試驗，板材尺寸為200 mm×100 mm×5 mm。焊接前打磨母材表面，直至露出金屬光澤，然后用丙酮擦拭，去除母材表面的油污等雜質(zhì)。選用3.2 mm鈰鎢極，鎢極尖端角度為60°。在焊接時，焊槍固定不動，起弧后母材隨著焊接平臺移動完成焊接。待試板冷卻后拍照記錄焊縫表面成形，取樣、打磨、腐蝕并觀察焊縫形貌和焊縫組織。按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫沖擊試驗方法》制備焊接接頭沖擊試樣，試樣加工成尺寸為55 mm×10 mm×2.5 mm，進行V形缺口夏比沖擊試驗。焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果及討論

2.1雙TIG活性電弧形態(tài)

圖1為總電流300 A，弧長3 mm，保護氣流量15 L/min時，傳統(tǒng)TIG電弧焊和雙TIG活性電弧焊的電弧形貌?？梢钥闯?，傳統(tǒng)TIG電弧形貌為典型的鐘罩型，而雙TIG活性電弧由于2個電弧之間的相互吸引作用，形成耦合電弧。由于后置焊槍鎢極電流大，前置焊槍鎢極電流小，大電流鎢極產(chǎn)生的陰極射流更強，在其作用下電弧整體上向小電流一側(cè)偏移。

圖1 電弧形貌對比

2.2焊縫形貌比較

圖2為基本工藝參數(shù)下普通TIG、引入O2的TIG、雙TIG和雙TIG活性電弧的焊縫成形對比。 可以看到，傳統(tǒng)TIG焊縫熔深為3.0 mm，焊縫熔寬為14.4 mm。引入O2的普通TIG焊縫熔深達到5 mm，熔寬達到13.6 mm，但焊縫表面氧化嚴重，成形較差，且伴有輕微咬邊。雙TIG電弧焊縫熔深為2.1 mm，焊縫熔寬為13.4 mm。與之相比，雙TIG活性電弧焊焊縫完全熔透，熔寬僅8.7 mm，焊縫表面有輕微的氧化，焊縫成形良好?？梢?，在保持工藝參數(shù)相同時，雙TIG活性電弧焊的焊縫成形良好，焊縫熔深最大，且熔寬較小。

圖2 焊縫成形對比

2.3鎢極尖端形貌對比

圖3為焊接后鎢極尖端燒損程度比較。普通TIG時，當(dāng)保護氣體為純Ar，氣體流量為15 L/min時，鎢極氧化不明顯，如圖3a所示；當(dāng)保護氣體中添加0.6 L/min的O2時，鎢極氧化十分嚴重，如圖3b所示；采用雙TIG活性電弧焊接時，后置焊槍采用Ar保護，氣體流量為15 L/min，前置焊槍采用Ar+O2保護，氣體流量為(10+0.6) L/min?？梢酝耆苊怄u極尖端燒損，如圖3c所示。可見雙TIG活性電弧焊接方法可以有效避免鎢極燒損，延長使用壽命。

圖3 鎢極尖端燒損比較

2.4焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

2.4.1O2流量

圖4為基本焊接工藝參數(shù)下，前置焊槍保護氣體中O2流量對焊縫成形的影響。由圖4可見，隨著保護氣中O2流量的增加，焊縫熔深先增加后減小，在0.6 L/min和1.0 L/min的O2流量下完全熔透，且在0.6 L/min時熔寬最小，達到8.7 mm。

圖4 O2流量的影響

目前，對于活性元素增加熔深機理的研究結(jié)果表明[11-12]：對于鐵合金而言，活性元素的引入使熔池表面張力溫度系數(shù)由負變正，從而改變了熔池中液態(tài)金屬的流動方向，由傳統(tǒng)的由內(nèi)向外流動轉(zhuǎn)變?yōu)橛赏庀騼?nèi)的流動，最終導(dǎo)致焊縫熔深增加。

根據(jù)Sahoo等人[13]的研究，隨著熔池中O元素含量的增加，表面張力溫度系數(shù)先增加后減小。在該試驗中，隨著保護氣中O2流量的增加，通過雙TIG電弧進入到熔池的O元素含量增多，表面張力溫度系數(shù)由負變正，熔池中Marangoni對流方向逆轉(zhuǎn)，變成由外向內(nèi)的對流，焊縫熔深增加；隨著O2流量的進一步增加，表面張力溫度系數(shù)反而減小，導(dǎo)致Marangoni對流的驅(qū)動力減小，熱對流強度減弱，熔深減小。至于熔寬的變化，焊接過程中熱輸入保持不變，當(dāng)熔池金屬向內(nèi)流動時，熱量向中心傳遞，而對熔池邊緣的熔化減弱，向內(nèi)對流越強，熔化的越少，導(dǎo)致熔寬越小，因此，熔寬表現(xiàn)出與熔深變化相反的規(guī)律。

2.4.2焊接電流

圖5為基本焊接工藝參數(shù)下，焊接電流對焊縫成形的影響。由圖可知，在保持總電流不變時，隨著后置焊槍電流的增加(前置焊槍電流的減小)，焊縫熔深先增加后減小，熔寬逐漸增加。

圖5 焊接電流的影響

隨著后置焊槍電流的增加，大電流鎢極產(chǎn)生的等離子流更加強烈，此時小電流側(cè)(即前置焊槍)混入O2在等離子流的作用下更多的被傳遞到電弧外圍[14]，從而使熔池表面附近的O元素減少。因此，隨后置焊槍電流的增加，進入熔池的O元素亦隨之降低。當(dāng)后置焊槍電流增大時，進入熔池的O元素減少，如2.4.1章節(jié)分析所述，在電流為160 A+140 A時進入過多，熔深反而變淺。而當(dāng)180 A+120 A，200 A+100 A時，進入熔池的O元素對增加熔深最為有利。隨著電流進一步增加，進入熔池的O元素過少，熔深變淺。而熔寬增加是由于后置焊槍電流的增加，電弧覆蓋區(qū)域擴展，同時向內(nèi)流動減弱，使得熔池邊緣的熔化被加強。

2.4.3鎢極間距

圖6為基本焊接工藝參數(shù)下，鎢極間距對焊縫成形的影響。由圖可知，當(dāng)鎢極間距從3 mm增加時，焊縫熔深逐漸減小，焊縫熔寬逐漸增加。當(dāng)鎢極間距為3 mm時焊縫完全熔透，熔寬最小。

圖6 鎢極間距的影響

隨著鎢極間距的增大，兩陰極射流之間的吸引力減小，O元素向電弧中心區(qū)域的擴散距離增加，到達熔池表面的O元素減少，進入到熔池中的O元素也減少，從而導(dǎo)致熔池表面的Marangoni對流減弱，焊縫熔深減小。此外，隨著鎢極間距變大，兩電弧之間的吸引力減弱，電弧要比鎢極間距為3 mm時的電弧更加擴展，電弧覆蓋的區(qū)域增加，同時向內(nèi)流動減弱，對熔池邊緣的熔化作用加強，導(dǎo)致熔寬增加。

2.4.4弧長

圖7為基本焊接工藝參數(shù)下，弧長對焊縫成形的影響。由圖可知，隨著弧長的增加，焊縫熔深呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，焊縫熔寬逐漸增加?；￠L為3 mm時，焊縫熔深最大，熔寬較小。

圖7 弧長的影響

隨著弧長的增加，后置焊槍的等離子流沿著鎢極軸線方向的流動更加顯著，O元素在等離子流的作用下更多的被傳遞到電弧外圍區(qū)域，導(dǎo)致進入熔池中的O元素減小，焊縫熔深下降。至于熔寬的增加，主要是因為隨著弧長增加，電弧覆蓋熔池區(qū)域增加及向內(nèi)流動減弱，對熔池邊緣的熔化作用增強。

2.4.5焊接速度

圖8為基本焊接工藝參數(shù)下，焊接速度對焊縫成形的影響。由圖可知，隨著焊接速度的增加，焊縫熔深和熔寬均減小。當(dāng)焊接速度超過16 mm/s時，O元素對熔深增加的作用不明顯。

隨著焊接速度的提高，熔池在液態(tài)條件下停留的時間變短，擴散到熔池中的O元素沒有充足的時間發(fā)揮作用，使得活性元素O元素對焊縫熔深增加的作用逐漸下降，以至在超過一定的速度后幾乎無影響。

圖8 焊接速度的影響

由上述結(jié)果可知，以上各焊接工藝參數(shù)都會影響O元素在電弧中的傳質(zhì)行為，進而影響O元素在熔池中的量，最終影響焊縫形貌。然而，只有當(dāng)控制其在一個適中的范圍時，熔深的增加才最明顯。

3 焊縫的顯微組織

圖9為基本焊接工藝參數(shù)下，O2流量分別為0 L/min和0.6 L/min時的焊縫顯微組織?？梢姡缚p組織均由大量奧氏體和少量鐵素體組成，鐵素體表現(xiàn)為骨架狀和板條狀的混合形態(tài)?？傮w而言，O元素對焊縫微觀組織無明顯影響。

圖9 不同O2流量下的焊縫顯微組織

4 焊縫的力學(xué)性能

圖10為常溫下的沖擊試驗結(jié)果。由圖可知，O2的引入會造成焊縫沖擊吸收能量下降，且隨著O2比例的增加，沖擊吸收能量呈下降趨勢。母材的沖擊吸收能量為35 J，基本焊接工藝參數(shù)下，焊縫沖擊吸收能量為32.3 J，當(dāng)O2流量增加到1.5 L/min時，焊縫沖擊吸收能量降低到25.3 J。樊丁等人[15]的研究也表現(xiàn)出類似的規(guī)律，出現(xiàn)這種變化的原因可能有以下幾個方面：①引入的O2會在焊接過程中生成氧化物并滯留在焊縫中，造成氧化物夾渣；②焊縫中形成硬而脆的第二相粒子；③焊縫中鐵素體含量的增多，這些因素都會使焊縫韌性下降。

圖10 焊縫沖擊試驗結(jié)果

由上述結(jié)果可知，在焊接過程中需要精確控制保護氣中O2的流量，才能在實現(xiàn)焊縫熔深顯著增加的基礎(chǔ)上，保證焊縫具有較好的力學(xué)性能。在文中的試驗條件下，當(dāng)O2流量為0.6 L/min，即前置焊槍保護氣中O2體積分數(shù)為5.66%時，就可以保證焊縫熔透，且沖擊韌性只有輕微下降。

5 結(jié)論

(1)雙TIG活性電弧焊能在高于普通TIG焊接速度的條件下實現(xiàn)深熔焊接。

(2)進入到熔池中的O元素含量對焊縫形貌有很大影響。各焊接工藝參數(shù)都會影響O元素在電弧中的傳遞行為，進而影響其在熔池中的含量，最后對焊縫成形產(chǎn)生影響。

(3)與不加O元素時相比，O元素的引入對焊縫微觀組織無明顯影響。沖擊韌性隨O元素引入量的增加而下降，但是，較低的O2混合比可以在保證熔深的同時，獲得良好的力學(xué)性能。