鎢極幾何特征對電弧與熔池熱力行為的影響

楊義成，杜兵，黃繼華，陳健，徐富家，黃瑞生

(1.中國機械科學研究總院集團,北京,100044；2.北京科技大學,材料先進焊接與連接技術研究室,北京,100831；3.中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司,哈爾濱,150028)

0 序言

鎢極惰性氣體保護焊(tungsten inert gas，TIG)是依靠鎢極和工件之間穩(wěn)定引燃的高溫電弧熔化基體形成液態(tài)熔池，凝固后形成焊縫，完成金屬的焊接，該方法具有焊接電弧穩(wěn)定性高，焊接過程幾乎無飛濺等技術優(yōu)勢，在航空航天、能源裝備、石油化工等領域應用極為廣泛[1-2].以鎢極氬弧為基礎提出的空心鎢極電弧焊(hollow cathode arc welding，HCAW) 最早可追溯到上世紀60 年代，由美國麻省理工學院和橡樹嶺國家實驗室的學者共同提出，并圍繞其在真空環(huán)境下的電弧特性開展了初步研究，證實了空心鎢極電弧可以在真空環(huán)境下進行穩(wěn)定燃燒，為空心鎢極在熱加工領域的應用奠定了堅實基礎[3].近年來，國內外相關學者圍繞空心鎢極電弧特性開展了相關研究，日本大阪大學的Tashiro等人[4]研究了空心鎢極內孔不同氣體流量下的電弧特性，指出空心鎢極尖端發(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；楊義成等人[5]在以往的研究中對空心鎢極電弧的關鍵科學與技術問題進行了論述，同時對大氣環(huán)境下空心鎢極電弧的溫度場分布特征進行了系統(tǒng)研究[6]，并對焊絲和電弧的相互作用過程進行了深入分析[7]；韓國科學技術院Cho 等人[8]基于光學輻射強度、溫度和電流密度的物理關系，確定了電弧熱流密度、電弧壓力和電流密度的分布特征，并構建理論模型分析了真空環(huán)境下熔池的特性；北京工業(yè)大學陳樹君等人[9]利用高速攝像和高靈敏度傳感器對比分析了常規(guī)鎢極電弧和空心鎢極內孔負壓時電弧的壓力分布特點，指出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，且空心鎢極內孔負壓電弧的壓力分布特征更加均勻，數值模擬結果表明，內孔負壓狀態(tài)時，電弧的拘束度增加，沿著電弧徑向的溫度分布梯度也逐漸增大[10]，此外，負壓環(huán)境下電弧收縮，焊縫熔寬小，熔深大[11]；Jiang 等人[12]設計了空心鎢極內孔負壓下電弧能量測試試驗，結果表明，負壓下電弧中心區(qū)域的能量分布較為均勻，電弧邊緣位置的能量梯度增加，且在該狀態(tài)下陰極產生的能量增加，而用于基體的陽極能量下降.

綜上所述，空心鎢極幾何特征使電弧熱力特性發(fā)生較大變化，對電弧物理特性的深入分析則是調控熱源、實現高效優(yōu)質焊接的前提.為此，構建實心鎢極和空心鎢極的電弧與熔池的強耦合分析模型，分析兩種鎢極形態(tài)對電弧熱力行為及其熔池的影響機制，對于進一步實現對空心鎢極電弧及其同軸填絲焊接技術的調控具有重要意義.

1 試驗方法

焊接用基體材料為碳鋼板，牌號為Q235，焊接前利用機械加工的方法清除氧化皮，并用酒精去除待焊區(qū)的油污，試驗用保護氣體為工業(yè)用高純度氬氣.試驗用空心鎢極的內孔為通孔，采用機械加工的方法制備，外徑為?6 mm，內孔直徑為?3 mm，所用實心鎢極的外徑為?3 mm.

焊接過程中采用高速攝像實時觀察電弧形態(tài)及液態(tài)熔池表面的形態(tài)，該高速攝像由英國IX 公司生產，型號為i-SPEED7，高速攝像拍攝幀數為2 000 幀/s，曝光時間為60 s，具體試驗過程如圖1 所示.首先，采用試驗方法對比分析空心鎢極與實心鎢極在相同焊接電流下的電弧形貌特征、電弧與熔池的相互作用過程，以及焊縫的成形特征；其次，利用COMSOL 數值模擬軟件，基于有限元理論分析方法，構建理論模型對不同幾何特征鎢極形成電弧的熱/力行為進行分析，著重從電弧壓力和溫度場分布兩個角度進行對比分析.

圖1 試驗過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing process

2 試驗結果與分析

2.1 鎢極幾何特征對熔池行為的影響

鎢極作為電子的發(fā)射材料，其末端形狀對電弧形貌影響較大.相較于實心鎢極尖端的點發(fā)射特征，空心鎢極末端的電子發(fā)射區(qū)是一個具有一定特征尺寸的平面區(qū)，該特征必然使其從宏觀形貌上與實心鎢極電弧存在一定差異,同時電弧作為焊接過程中的熱源，其形貌特征在很大程度上也反映出了電弧內部多物理場(溫度場、壓力場、電磁場等) 的分布特征，是決定焊接質量的關鍵要素.

電流為350 A 時，實心鎢極與空心鎢極對電弧形態(tài)及其熔池特征的影響效果如表1 所示，可以看出實心鎢極的電子均從鎢極尖端附近很小的區(qū)域發(fā)射，電弧呈現出典型的上小下大，中間按照熱力學規(guī)律連續(xù)分布的鐘罩形特性；而空心鎢極由于中間存在一個中空區(qū)域，電子在空心鎢極末端較大的環(huán)狀區(qū)域發(fā)射，陰極末端和陽極表面的電弧區(qū)域面積均明顯大于實心鎢極.

表1 電弧形貌及熔池特征Table 1 Arc morphology and molten pool characteristics

從熔池表面的形態(tài)可以看出，實心鎢極由于電弧發(fā)射區(qū)域小，能量集中，使得熔池表面形成較大凹坑；而空心鎢極電弧下的熔池表面較為平整，無明顯的下凹區(qū)域，這直接說明空心鎢極電弧和實心鎢極電弧的熱力特性存在較大差異.

圖2 為焊接電流350 A 時，空心鎢極和實心鎢極焊縫的實際成形特征，可以看出實心鎢極在大電流焊接時，焊縫表面出現周期性褶皺，且在收尾位置由于高溫液態(tài)熔池下凹區(qū)域較大，電弧熄滅后液態(tài)金屬快速凝固，來不及回流填充在焊縫尾部形成了一個較深的下凹區(qū)；而空心鎢極焊接時，由于液態(tài)熔池無明顯下凹區(qū)存在，流動過程較為平穩(wěn)，熔池凝固后的焊縫表面也較為平整，焊縫收尾位置無明顯下凹特征存在.

圖2 空心鎢極與實心鎢極焊縫成形對比Fig.2 Comparison of weld formation between hollow tungsten electrode and solid tungsten electrode.(a) weld morphology of hollow tungsten electrode;(b) weld morphology of solid tungsten electrode

2.2 電弧壓力場分布特征

基于有限元理論，利用COMSOL 軟件分別建立了空心鎢極、實心鎢極電弧與熔池強耦合分析模型，著重研究不同鎢極特征下的熔池流速、電弧壓力和電弧流速的差異，其分析結果如圖3 所示.從電弧與熔池的強耦合分析結果可以看出，相較于空心鎢極，在實心鎢極電弧作用下焊縫熔深明顯加大，液態(tài)熔池表面出現明顯的下凹特征，空心鎢極電弧液態(tài)熔池表面無明顯下凹特征，這與實際觀察結果一致.理論分析結果指出，空心鎢極全場域電弧的壓力最大為404 Pa，實心物理電弧壓力高達3 780 Pa，實心鎢極電弧最大壓力是空心鎢極電弧壓力的9.4 倍；空心鎢極全場域電弧流速最大為65.2 m/min，實心鎢極電弧流速最大可以達到585 m/min，實心鎢極約是空心鎢極的9 倍；空心鎢極熔池的流速最大為0.25 m/min，實心鎢極熔池最大流速為0.46 m/min，實心鎢極熔池的最大流速約是空心鎢極的1.8 倍；此外實心鎢極焊接熔深約是空心鎢極焊接熔深的2 倍.

圖3 空心鎢極與實心鎢極電弧及熔池特性對比Fig.3 Arc and molten pool characteristics comparison between hollow tungsten electrode and solid tungsten electrode.(a) hollow tungsten electrode;(b) solid tungsten electrode

從上述不同物理場最大值分析數據可以看出，空心鎢極電弧與實心鎢極電弧的熱力特性之間存在較大差異，而該差異的產生是整個電弧場域內不同的物理場按照電磁理論和熱力學規(guī)律演化的結果.為對兩種鎢極幾何特征的空間電弧壓力和溫度場分布有一個系統(tǒng)的認識，如圖4 所示，主要選取電弧中軸線和距試板表面上方一定距離b位置，沿水平方向的電弧壓力和溫度場的分布特征進行量化分析，由于液態(tài)熔池在電弧力的作用下升高，因此b值選取不能過小，該工藝參數下b值定為1 mm.

圖4 電弧不同分析區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of different analysis areas of arc column

電弧中軸線上，自下而上距試板表面不同位置的溫度分布如圖5 所示，可以看出實心鎢極溫度最高點出現在距鎢極末端附近，距試板表面約2.2 mm，而空心鎢極電弧溫度最高點出現在電弧與試板表面的中間位置，距試板表面約1.6 mm，且空心鎢極電弧溫度最高點附近區(qū)域的溫度值相差不大.此外從圖5 可以看出，空心鎢極電弧中軸線溫度的最低點出現在試板表面，而實心鎢極最低點出現在鎢極末端，這是因為在實心鎢極電弧力的作用下，熔池表面下凹，距試板表面0 mm 的位置依然是電弧，而空心鎢極的電弧力較小，試板表面基本是熔池與電弧的固氣交界面.

圖5 中軸線電弧溫度場分布特征Fig.5 Distribution characteristics of arc temperature field along the central axis

距試板表面1 mm 位置，沿水平方向實心鎢極與空心鎢極的電弧溫度分布如圖6 所示.可以看出距中軸線 ±2 mm 左右的范圍內，實心鎢極電弧隨著取樣點遠離電弧中軸線電弧溫度快速下降，當取樣點在該范圍之外時，電弧溫度下降的趨勢逐漸放緩；而空心鎢極電弧隨著取樣點遠離中軸線，電弧溫度整體呈下降趨勢，但下降區(qū)域明顯小于實心鎢極.

圖6 距試板表面1.0 mm 電弧溫度場分布特征Fig.6 Distribution characteristics of arc temperature field at 1.0 mm from the surface of molten pool

2.3 電弧不同區(qū)域壓力場分布特征

沿電弧中軸線方向，空心鎢極電弧與實心鎢極電弧距試板表面不同距離處的電弧壓力分布特征如圖7 所示.電弧中軸線上，實心鎢極電弧的壓力分布特征顯著區(qū)別于空心鎢極，自試板表面到鎢極末端空心鎢極電弧呈現先降低、再增加、后又下降的壓力分布特征，呈現出N 形分布規(guī)律，壓力最高點出現在距鎢極末端0.8 mm 位置；實心鎢極的電弧壓力分布自下而上是先降低、再增加，呈現出規(guī)律的U 形分布特征，壓力最高點出現在鎢極電子發(fā)射尖端，即鎢極末端.

圖7 中軸線電弧壓力場分布特征Fig.7 Distribution characteristics of arc pressure field along the central axis

無論實心鎢極還是空心鎢極，距試板表面1 mm位置水平方向的電弧壓力分布同溫度場分布均呈現出典型的高斯分布特征(圖8)，但分布特點上存在較大差異.實心鎢極的電弧壓力在中心點為1 620 Pa，而空心鎢極中心點的壓力只有381 Pa，實心鎢極約是空心鎢極的4.3 倍；而自中心點向外±2.5 mm 位置，實心鎢極和空心鎢極的電弧壓力較為接近，分別為181.8 和132.5 Pa，這說明相較于空心鎢極的電弧壓力分布特征，距試板表面1 mm位置，水平方向實心鎢極電弧壓力場下降的速率明顯快于空心鎢極；而這種高梯度的電弧壓力分布特征也是實心鎢極電弧作用下，液態(tài)熔池表面出現明顯下凹的主要原因.

圖8 距試板表面1.0 mm 電弧壓力分布特征Fig.8 Characteristics of arc pressure distribution at 1.0 mm from the surface of molten pool

3 結論

(1) 實心鎢極與空心鎢極電弧熱力場分布特征的差異使空心鎢極熔池呈現淺而寬的焊縫成形特征，實心鎢極熔池呈現出深而窄的焊縫成形特征.

(2) 沿電弧中軸線方向，實心鎢極電弧壓力分布呈U 形特征，空心鎢極呈N 形特征，實心鎢極電弧最大壓力位于鎢極末端，而空心鎢極電弧最大壓力位于鎢極末端約0.8 mm 位置.

(3) 距試板表面1 mm 的水平方向，電弧溫度和壓力分布均呈典型高斯分布特征，相較于實心鎢極，空心鎢極電弧溫度和壓力自中心線向外下降趨勢較為平緩.