劉自剛 瞿懷宇 曹瑞昌 孫 薇

(唐山開元焊接自動(dòng)化技術(shù)研究所, 河北 唐山 063000)

?

DP-TIG焊接方法工藝研究

劉自剛 瞿懷宇 曹瑞昌 孫 薇

(唐山開元焊接自動(dòng)化技術(shù)研究所, 河北 唐山 063000)

深熔氬弧焊接方法(DP-TIG，Deep Penetration Tungsten Inert Gas Welding)是通過對鎢極的高效冷卻，壓縮電弧，獲得能量密度大、挺度高的電弧，可以實(shí)現(xiàn)穿孔形式的焊接，達(dá)到增大焊接熔深的目的。試驗(yàn)針對低碳鋼和不銹鋼兩種焊接母材，通過調(diào)整相關(guān)的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的穿孔型焊接，最終實(shí)現(xiàn)低碳鋼10 mm以下板厚，不開坡口平板對接焊的單面焊雙面成形及不銹鋼12 mm以下板厚，不開破口平板對接焊的單面焊雙面成形焊接工藝，極大地提高TIG焊的焊接效率。

深熔氬弧焊 工藝試驗(yàn) 低碳鋼 不銹鋼

0 序 言

鎢極惰性氣體保護(hù)焊(Tungsten Inert Gas Welding,簡稱TIG焊)具有焊接過程穩(wěn)定、焊縫成形質(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，屬于一種高質(zhì)量、高精度的焊接方法。但同時(shí)該方法存在電弧能量發(fā)散、鎢極載流能力低、單道焊接熔深淺、焊接效率低下等不足[1-7]。為了增大TIG焊的單道焊接熔深，提高焊接效率，文中提出了DP-TIG焊接方法(DP-TIG，Deep Penetration Tungsten Inert Gas Welding)，該方法通過對鎢極的高效冷卻，實(shí)現(xiàn)壓縮電弧，提高能量密度，增大焊接熔深的目的。該焊接方法由于電弧具有較大的能量密度和較高的電弧挺度，可以實(shí)現(xiàn)穿孔形式的焊接，獲得穩(wěn)定的單面焊雙面成形焊接工藝，同時(shí)可以大大提高焊接速度。

試驗(yàn)針對不同的焊接母材、不同厚度的板材進(jìn)行平板對接焊試驗(yàn)，研究該焊接方法在進(jìn)行對接焊時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單面焊雙面成形焊接工藝的參數(shù)范圍，這對于促進(jìn)該焊接方法的研究及在工業(yè)生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用的母材為低碳鋼Q235和SUS304不銹鋼板材，對應(yīng)兩種母材使用的焊絲分別為神鋼MG-51T和京雷308LSi，焊絲直徑均為1.2 mm。焊前用角磨機(jī)打磨試板表面，去除表面的氧化皮、油污等，然后進(jìn)行平板對接焊。試驗(yàn)使用自行設(shè)計(jì)的DP-TIG焊槍，如圖1所示。試驗(yàn)采用的通用參數(shù)見表1，針對不同板厚、不同母材調(diào)整相關(guān)的焊接參數(shù)，直至實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的穿孔形式的焊接，獲得成形優(yōu)良、射線探傷無缺陷的焊縫及參數(shù)范圍。截取焊縫的橫截面，然后研磨、拋光、腐蝕，進(jìn)行宏觀金相拍照，獲得焊縫的宏觀截面形貌。

圖1 DP-TIG焊槍

送絲速度v1/(mm·min-1)保護(hù)氣流量Q1/(L·min-1)弧長l/mm800202

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 低碳鋼工藝試驗(yàn)

2.1.1 4 mm厚低碳鋼板工藝試驗(yàn)

采用的板材規(guī)格為400 mm×80 mm×4 mm，通過調(diào)整焊接電流和焊接速度，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形焊接，獲得的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出DP-TIG焊接方法針對4 mm厚的不銹鋼板可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單面焊雙面成形焊接工藝，并且焊接速度可以高達(dá)600 mm/min。

圖2 4 mm厚低碳鋼板DP-TIG焊接形貌

2.1.2 6 mm厚低碳鋼板工藝試驗(yàn)

母材規(guī)格為400 mm×80 mm×6 mm，通過調(diào)整焊接電流和焊接速度實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，對于6 mm厚的低碳鋼板采用DP-TIG焊接方法可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單面焊雙面成形焊接工藝，最高焊接速度可以達(dá)到330 mm/min。

2.1.3 8 mm厚低碳鋼板工藝試驗(yàn)

采用400 mm×80 mm×8 mm的低碳鋼板材，進(jìn)行平板對接焊工藝試驗(yàn)，通過調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單面焊雙面成形工藝，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，在四組參數(shù)下均可以實(shí)現(xiàn)8 mm厚低碳鋼板對接焊的單面焊雙面成形工藝，且最高焊接速度可以達(dá)到280 mm/min。對比前兩組后兩組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，前兩組試樣焊縫的正面和背面成形均較好，后兩組試驗(yàn)正面成形均勻穩(wěn)定，正面成形存在輕微咬邊，這跟焊接速度較高有關(guān)。

圖3 6 mm厚低碳鋼板DP-TIG焊接形貌

圖4 8 mm厚低碳鋼板DP-TIG焊接形貌

2.1.4 10 mm厚低碳鋼板工藝試驗(yàn)

采用400 mm×80 mm×10 mm規(guī)格的低碳鋼板材進(jìn)行平板對接焊，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形焊接，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 10 mm厚低碳鋼板DP-TIG焊接形貌

從圖5所示的結(jié)果可知，DP-TIG焊接方法可實(shí)現(xiàn)10 mm厚低碳鋼板平板對接的單面焊雙面成形工藝，且焊縫的正面成形和背面成形均較好。

2.2 不銹鋼工藝試驗(yàn)

2.2.1 6 mm厚不銹鋼板工藝試驗(yàn)

采用板厚為6 mm的304不銹鋼板進(jìn)行平板對接焊，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形焊接工藝，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 6 mm厚不銹鋼板DP-TIG焊接形貌

從圖6所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用DP-TIG焊接方法可以很好地實(shí)現(xiàn)6 mm不銹鋼平板對接焊的單面焊雙面成形焊接工藝，焊縫的正面成形及背面成形均較好，最高焊接速度可達(dá)340 mm/min。

2.2.2 10 mm厚不銹鋼板工藝試驗(yàn)

母材為10 mm厚的304不銹鋼板材，不開坡口，進(jìn)行平板對接焊，通過調(diào)整焊接參數(shù)，一道完成焊接，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形焊接工藝，如圖7所示為得到的焊縫正面和背面形貌。

從圖7所示的結(jié)果可以看出，對于10 mm厚的不銹鋼板的平板對接焊，利用DP-TIG焊接方法可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形焊接，且焊縫的正面成形和背面成形均較好，焊接速度可以達(dá)到230 mm/min，相對于常規(guī)TIG焊可以大大提高焊接效率。

圖7 10 mm厚不銹鋼板DP-TIG焊接形貌

2.2.3 12 mm厚不銹鋼板工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)采用12 mm厚的304不銹鋼板材為母材，進(jìn)行I形坡口平板對接焊試驗(yàn)，焊接前平板組對的錯(cuò)邊和間隙大小為0 mm，然后調(diào)整相關(guān)的工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)穿孔形式的焊接，獲得成形優(yōu)良的焊縫。得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 12 mm厚不銹鋼板DP-TIG焊接形貌

從圖8所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在合適的工藝參數(shù)條件下，可以實(shí)現(xiàn)12 mm厚不銹鋼板平板對接焊的單面焊雙面成形焊接工藝，焊接過程穩(wěn)定，焊縫正面成形和背面成形均較好，焊接速度可以在180～230 mm/min范圍內(nèi)變動(dòng)。

2.3 焊接電弧觀察

針對不銹鋼平板對接焊和不銹鋼管環(huán)縫對接焊進(jìn)行了DP-TIG穿孔焊接電弧形態(tài)和穿孔焊接效應(yīng)觀察，結(jié)果如圖9所示。從圖所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊接時(shí)電弧穿透母材，在母材的背面形成一個(gè)細(xì)長的尾弧，實(shí)現(xiàn)穿孔形式的焊接。

圖9 DP-TIG穿孔焊接電弧

2.4 焊縫截面形貌

針對圖5a和圖8a所示的接頭表面形貌截取了接頭的橫截面以觀察焊縫截面形貌，結(jié)果如圖10a,10b所示，圖10c為采用與圖10a相同焊接參數(shù)進(jìn)行的常規(guī)TIG焊，得到的焊縫截面形貌。由圖10所示的結(jié)果可以看出，焊縫截面形貌成漏斗狀，實(shí)現(xiàn)了I形坡口的良好連接。對比圖10a和圖10c可以發(fā)現(xiàn)采用相同的焊接參數(shù)，DP-TIG焊接方法相對常規(guī)TIG焊可以極大提高焊接熔深。

圖9 DP-TIG焊接焊縫截面形貌

3 分析與討論

DP-TIG焊接方法通過穿孔形式的焊接形成較大的焊接熔深，獲得類似激光焊和電子束焊接的效果。決定能否形成穩(wěn)定的穿孔焊的主要因素有：焊接電流、材料密度、材料熱導(dǎo)率和熔池的表面張力。焊接過程要形成穩(wěn)定的小孔焊接，熔池所受的重力G、表面張力σ、

電弧的靜壓力Fa、等離子流力Fb必須達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡[8-11]，即

(1)

焊接電弧可以看成是有許多平行的電流線組成的導(dǎo)體，這些電流線由于電流方向相同，在電磁力的作用下會(huì)相互吸引，使導(dǎo)體的的斷面產(chǎn)生收縮的趨勢。焊接電弧可以近似看成圓柱形導(dǎo)體，電流線在導(dǎo)體中的分布可以看做是均勻的，則導(dǎo)體內(nèi)任意半徑處的徑向壓力為

Pr=K(I2/πR4)(R2-r2)

(2)

式中，R為導(dǎo)體半徑;I為總電流;K為系數(shù);K=μ/4π;μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。由式(2)可知隨著焊接電流的增大，電弧的徑向壓力越大，所以電弧收縮越嚴(yán)重，同時(shí)由于DP-TIG焊槍內(nèi)部對鎢極的高效冷卻作用，削弱了電弧沿著鎢極向上攀爬的趨勢，將電弧牢牢壓縮在鎢極的最尖端處，從而獲得高能量密度的電弧。

實(shí)際上焊接電弧并不是圓柱體，而是近似圓錐狀的氣體導(dǎo)體，由式(2)可知，直徑不同將引起壓力差，從而產(chǎn)生由電弧指向母材的靜壓力Fa，即

Fa=KI2lg(Ra/Rb)

(3)

式中，Rb為錐形弧柱的下底面半徑；Ra為錐形弧柱的上底面半徑。由于電弧中弧柱中心的電流密度高于周邊區(qū)域，由式(3)可知Fa的分布是由電弧的中心軸向周圍降低。電弧的等離子流力與等離子氣流速度和焊接電流有關(guān)，隨著電流密度的增大和焊接電流的增大，電弧中心的等離子流力增大。在電弧的靜壓力和等離子流力的作用下，促使熔池中心的液態(tài)金屬向下流動(dòng)，而周邊的液態(tài)金屬流向熔池的中心，從而將更多的熱量傳導(dǎo)至熔池底部，最終使焊接電弧穿透工件，實(shí)現(xiàn)小孔焊接[12-14]。另外熔化的液態(tài)金屬在自身的重力、表面張力以及受到的電弧靜壓力和等離子流力的作用下，隨著焊接電弧的移動(dòng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的穿孔型焊接，極大提高焊接效率。

4 結(jié) 論

(1) DP-TIG焊接方法可以實(shí)現(xiàn)10 mm以下板厚的低碳鋼板材不開坡口對接，12 mm以下板厚的不銹鋼板材不開坡口對接的單面焊雙面成形焊接工藝，且焊接速度較高，焊縫成形優(yōu)良。

(2) DP-TIG焊接方法相對于常規(guī)TIG焊可以極大提高焊接效率，為一種新型高效TIG焊接方法。

[1] 楊春利, 牛尾誠夫, 田中學(xué). TIG電弧活性化焊接現(xiàn)象和機(jī)理研究(3) [J]. 焊接, 2000(6): 11-15.

[2] 楊春利, 牛尾誠夫, 田中學(xué). TIG電弧活性化焊接現(xiàn)象和機(jī)理研究(1) [J]. 焊接, 2000(4): 16-18.

[3] 樊 丁, 劉自剛, 黃 勇, 等. 電弧輔助活性TIG焊焊縫組織及性能分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2014, 35(4): 1-5.

[4] 黃 勇，樊 丁，林 濤，等.不銹鋼電弧輔助活性TIG焊[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2009，30(10): 1-4.

[5] 武傳松，王 林，陳 姬，等.電弧焊接工藝高效化改型的研發(fā)進(jìn)展 [J]. 焊接，2013(8): 1-10.

[6] 楊 磊，樊 丁，黃 勇，等． 耦合電弧AA-TIG 高速焊工藝[J]． 電焊機(jī)，2011，41(5) : 57-61．

[7] 陸善平, 董文超, 李殿中, 等. 不銹鋼材料的高效率焊接新工藝[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2010, 46(11): 1347-1364.

[8] Feng Yueqiao，Luo Zhen，Liu Zuming，et al. Keyhole gas tungsten arc welding of AISI 316L stainless steel[J]. Materials and Design，2015(85): 24-31.

[9] Lohse M，F(xiàn)üssel U，Schuster H，et al. Keyhole welding with CF-TIG(cathode focused GTA)[J].Weld World，2013(57): 735-741.

[10] Rosellini C，Jarvis L. The keyhole TIG welding process: a valid alternative for valuable metal joints[J]. Welding International，2009，23(8): 616-621.

[11] Lathabai S，Jarvis B L，Barton K J. Comparison of keyhole and conventional gas tungsten arc welds in commercially pure titanium[J]. Materials Science and Engineering A，2001，299(1): 81-93.

[12] 樊 丁, 康再祥, 黃 勇, 等. AA-TIG 焊表面氧化層成分及形成過程分析[J].焊接學(xué)報(bào), 2012, 33(6): 5-9.

[13] 王宗杰.熔焊方法及設(shè)備[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[14] 張文鉞. 焊接冶金學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2009．

2016-11-21

TG401

劉自剛，1985年出生，碩士，工程師。主要從事新型高效焊接方法及設(shè)備的研究，已發(fā)表論文4篇。