張興品,劉愛國(guó),王寶堂

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

熔絲TIG焊與MIG/TIG焊工藝對(duì)比

張興品,劉愛國(guó),王寶堂

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

為了證實(shí)熔絲TIG焊工藝的優(yōu)越性,進(jìn)行了熔絲TIG焊、MIG焊以及TIG焊三種方法合適工藝下的焊接生產(chǎn)效率、焊接過程中的飛濺率以及焊縫組織的對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:熔絲TIG焊的焊接速度可以達(dá)到210mm/min,焊接效率遠(yuǎn)高于TIG焊;MIG焊的飛濺量隨著焊道長(zhǎng)度的增加而增大,而熔絲TIG焊的飛濺量隨焊道的增加變化不明顯,MIG焊飛濺率達(dá)到2.984%,而熔絲TIG焊僅有0.057%,熔絲TIG焊的焊接過程的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于MIG焊。合適工藝下熔絲TIG焊的焊縫組織較MIG焊的細(xì)小。因此,熔絲TIG焊是一種穩(wěn)定高效高質(zhì)量的焊接新方法。

熔絲TIG焊;焊接效率;飛濺率

鎢極氬弧(TIG)焊是非熔化極電弧焊的方法之一,它具有保護(hù)效果好、焊縫金屬干凈、焊縫成形好、焊接過程穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接,但是焊接生產(chǎn)效率低。熔化極惰性氣體保護(hù)(MIG)焊是熔化極電弧焊的方法之一,雖然具有焊接生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn),但是焊接過程會(huì)出現(xiàn)飛濺,電弧燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象[1]。對(duì)于當(dāng)前制造業(yè)來講,質(zhì)量和效率是至關(guān)重要的。作為制造業(yè)必不可缺的焊接來說,傳統(tǒng)的TIG焊和MIG焊已經(jīng)不能滿足人們的需求。因此,焊接方面為了滿足企業(yè)的需求,追求高質(zhì)量高效率的產(chǎn)品,一直在不斷地探索和創(chuàng)新。為了進(jìn)一步提高M(jìn)IG/TIG焊的焊接質(zhì)量和效率,研究工作者在傳統(tǒng)焊接方法的基礎(chǔ)上開發(fā)許多新的焊接方法,例如:熱絲TIG焊[2]、TOPTIG焊[3]、活性焊劑鎢極氬弧焊(A-TIG)[4]、MIG-TIG[5-7]、窄間隙熱絲TIG焊[8-10]復(fù)合焊等。這些方法雖然相對(duì)傳統(tǒng)的MIG和TIG 焊接方法有了進(jìn)一步改善,但是仍然不能滿足企業(yè)的需求。例如:熱絲TIG焊的方法由于采用焊絲的電阻熱加熱焊絲,比較適合于電阻率大的材料,雖然焊絲進(jìn)入熔池之前被加熱,但是在填入熔池之前焊絲仍然沒有熔化,焊絲要以熔滴的形式進(jìn)入熔池,還需吸收電弧熱。盡管熱絲TIG相對(duì)于單一TIG的生產(chǎn)效率是提高了,但是仍然沒有達(dá)到人們的要求。

本文提出熔絲TIG焊的焊接方法,通過與MIG焊、TIG焊進(jìn)行生產(chǎn)效率、飛濺率以及焊縫組織的對(duì)比研究,證實(shí)熔絲TIG焊是一種穩(wěn)定高效高質(zhì)量的焊接方法。

1 焊接材料、設(shè)備及方法

1.1 焊接材料

鋼板選用Q235,試件尺寸200mm×100mm×4mm,焊絲選用直徑為1.2mm的ER50-6,氣體選用純氬氣。

1.2 焊接設(shè)備

熔絲TIG焊的設(shè)備為:焊接電源為逆變式Pulse MIG焊機(jī),一把TIG焊槍,一把MIG焊槍,一臺(tái)穩(wěn)定變阻箱和一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

MIG焊設(shè)備為:焊接電源為MIG焊機(jī),一把MIG焊槍和一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

TIG焊設(shè)備為:逆變式WSP-400 氬弧焊機(jī),一把焊槍和一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)。

1.3 焊接方法

熔絲TIG焊(MWTIG),其連接原理如圖1所示。通過對(duì)逆變式Pulse MIG焊機(jī)外部接電端子的改裝,在MIG焊機(jī)的正極接電端子處并聯(lián)一個(gè)電極,使工件和焊絲同時(shí)接在MIG焊機(jī)的正極,而鎢極焊槍接在MIG焊機(jī)的負(fù)極。

圖1 熔絲TIG焊焊接系統(tǒng)連接原理

由于MIG焊機(jī)是平特性電源,電壓穩(wěn)定不變,在焊接過程中,弧柱阻抗稍微變動(dòng),焊接過程中總的電流就會(huì)發(fā)生很大變化。為了使焊接過程中焊接電流保持不變并且通過焊絲一側(cè)的電流較大,在工件一側(cè)的電路中加入一個(gè)穩(wěn)定變阻箱,增加穩(wěn)定變阻箱的阻抗,就相當(dāng)于增大整個(gè)電路和工件一側(cè)的阻抗,當(dāng)焊接電壓恒定時(shí),焊接電流受弧長(zhǎng)變化影響較小;由于MIG焊機(jī)沒有高頻引弧裝置,鎢極不能擊穿空氣與工件和焊絲產(chǎn)生短路起弧,開始起弧時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)起弧不穩(wěn)定現(xiàn)象。為了保證起弧穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)選用碳棒讓鎢極與母材產(chǎn)生短路,先實(shí)現(xiàn)短路起弧,然后鎢極與焊絲起弧。鎢極與母材依靠碳棒產(chǎn)生短路起弧是依據(jù)TIG焊中的高頻引弧,使鎢極擊穿空氣與母材產(chǎn)生短路起弧,整個(gè)起弧過程就會(huì)穩(wěn)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔絲TIG 焊與MIG、TIG焊合適工藝對(duì)比

由于焊接速度和焊接功率是決定焊接生產(chǎn)效率的因素之一,焊接速度較低并且焊接功率大,焊接生產(chǎn)效率就低。因此,本文利用能夠使相同的兩塊鋼板的對(duì)接焊得到完全焊透并且成形美觀的焊縫的焊接功率和焊接速度進(jìn)行三種方法的生產(chǎn)效率的對(duì)比。

2.1.1 熔絲TIG焊對(duì)接焊合適工藝

在用堆焊的方法研究影響熔絲TIG焊焊接過程穩(wěn)定性及焊縫成形的焊接工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上,確定部分焊接工藝參數(shù):焊機(jī)設(shè)定電流為150A,電壓為20V,鎢極離工件的距離為6～8mm,兩焊槍同時(shí)通氣。

本實(shí)驗(yàn)利用熔絲TIG對(duì)接焊的不同速度來探究焊縫的成形。當(dāng)焊接速度比較慢時(shí),單位時(shí)間熔敷到工件間隙的單位面積上的焊絲熔滴量較多,工件受到的熱輸入比較大,焊縫成形不好,焊縫背面會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重下榻,并且焊縫熱影響區(qū)較大。隨著焊接速度的增大,工件受到的熱輸入較小,焊縫的正面和背面成形趨于美觀;當(dāng)焊接速度小于一定數(shù)值時(shí),母材受到的熱輸入只能使其發(fā)生局部熔化。因此,熔絲TIG對(duì)接焊的焊接速度選取210mm/min,焊縫成形如圖2所示。

圖2 熔絲TIG對(duì)接焊

2.1.2 MIG對(duì)接焊合適工藝

MIG焊選用與熔絲TIG焊相同的焊機(jī),當(dāng)MIG焊選用焊接電流為150A,焊接電壓為20V,焊接速度為210mm/min時(shí),焊縫正面鋪展不好,并且背面出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象,焊縫成形不美觀。由于焊接電壓影響熔寬,因此,采取增加焊接電壓的措施,使焊縫成形美觀,當(dāng)焊接電壓增加到22.4V,鋼板被完全焊透,焊縫正反面成形都美觀。因此,MIG對(duì)接焊的焊接工藝參數(shù)為:焊接電流150A,焊接電壓22.4V,焊接速度為210mm/min。焊縫成形如圖3所示。

圖3 MIG對(duì)接焊

2.1.3 TIG對(duì)接焊合適工藝

由于TIG焊機(jī)是陡降性焊接電源,焊接過程中焊接電流保持不變,并且焊接電壓隨焊接電流的變化而變化。由于TIG焊的焊絲不接電極,焊絲的熔化完全靠鎢極與工件之間的產(chǎn)生的電弧熱。當(dāng)焊接電流太小時(shí),焊絲不能融化;隨著焊接電流的增加,焊絲先以大滴狀的形式滴落;當(dāng)焊接電流足夠大時(shí),焊絲會(huì)以射流的形式滴落。因此,焊接電流選擇170A。當(dāng)焊接速度為150mm/min時(shí),焊件未焊透。為了使鋼板完全被焊透,降低焊接速度,當(dāng)焊接速度降低到120mm/min,鋼板完全被焊透,并且焊縫成形美觀,見圖4。

圖4 TIG對(duì)接焊

綜上所述,對(duì)三種焊接方法進(jìn)行合適工藝下的效率對(duì)比,如表1所示。

表1 三種方法的適合工藝下的效率對(duì)比

從表1可以看出:合適工藝下熔絲TIG的效率比MIG略低,但遠(yuǎn)高于TIG焊,可以得出熔絲TIG焊是一種高效的焊接方法。

2.2 熔絲TIG焊與MIG/TIG焊合適工藝的飛濺量對(duì)比

焊接過程中的飛濺量標(biāo)志著焊接過程的穩(wěn)定性,因此,本文進(jìn)行MIG焊、TIG焊以及MWTIG焊合適工藝下的飛濺量對(duì)比試驗(yàn)。

為了使飛濺量有明顯的對(duì)比,MIG焊、TIG焊以及熔絲TIG焊分別進(jìn)行焊道長(zhǎng)100mm和160mm的試驗(yàn),并進(jìn)行飛濺量的測(cè)量[11],并計(jì)算出飛濺率。為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,MIG焊、TIG焊以及熔絲TIG焊的每種焊道長(zhǎng)度分別進(jìn)行三組試驗(yàn),試樣#1、#2、#3為焊道長(zhǎng)100mm,試樣#4、#5、#6為焊道長(zhǎng)160mm。使用上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為JY502的電子天平稱量鋼板和焊絲焊前焊后的質(zhì)量,電子天平的最大量程為500g,最小刻度(d)值為0.01g,檢定分度值(e)為0.1g,準(zhǔn)確度等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

用在鋼板上熔敷焊絲的方法進(jìn)行測(cè)量焊前與焊后的鋼板和焊絲的質(zhì)量。由于所使用的電子天平的最大量程為500g,焊絲只能截取一段稱量后重新纏在空焊絲盤上,在焊接前,分別測(cè)出焊前每塊鋼板的質(zhì)量(m板前)和焊絲盤上焊絲的質(zhì)量(m絲前)。MIG焊、TIG焊以及熔絲TIG焊先進(jìn)行焊道長(zhǎng)度為100mm的焊接實(shí)驗(yàn),焊接試驗(yàn)后,把焊絲從焊絲盤上取下,稱量剩余焊絲的質(zhì)量(m絲后),并且稱量焊后鋼板的質(zhì)量(m板后),由公式

m板差=m板后-m板前

(1)

m絲差=m絲前-m絲后

(2)

m飛濺量=m絲差-m板差

(3)

(4)

(5)

可以計(jì)算出MIG焊、TIG焊和熔絲TIG焊的不同長(zhǎng)度焊道的平均飛濺量以及飛濺率。其中:公式(1)為焊后鋼板的增加量;公式(2)為焊后焊絲的減少量;公式(3)中的m飛濺量為每一次焊接過程中的飛濺量;公式(4)為相同長(zhǎng)度焊道的平均飛濺量;公式(5)為飛濺率的計(jì)算公式。焊道長(zhǎng)度為160mm的飛濺量的測(cè)量與飛濺率的計(jì)算亦如此。表2、表3和表4分別為熔絲TIG焊、MIG焊以及TIG焊的飛濺率數(shù)值表。

表2 熔絲TIG焊飛濺率

表3 MIG焊飛濺率

表4 TIG焊飛濺率

由表2可以看出,熔絲TIG焊的長(zhǎng)100mm和160mm的焊道,其平均飛濺量沒有太大差別,并且平均飛濺量分別為0.013g和0.017g(相當(dāng)于長(zhǎng)度為1.5mm,直徑為1.2mm的ER50-6焊絲的質(zhì)量),平均飛濺率分別為0.071%和0.057%。由表3可以看出,MIG焊焊道長(zhǎng)160mm的飛濺量大于焊道長(zhǎng)100mm的飛濺量,焊道長(zhǎng)為100mm的平均飛濺量為0.517g(相當(dāng)于長(zhǎng)度為60mm,直徑為1.2mm的ER50-6焊絲的質(zhì)量),其平均飛濺率為2.811%;焊道長(zhǎng)為160mm的平均飛濺量為0.880g(相當(dāng)于長(zhǎng)度為102mm,直徑為1.2mm的ER50-6焊絲的質(zhì)量),平均飛濺率為2.984%。由表4可以看出,TIG焊的焊接過程很穩(wěn)定,沒有飛濺。由表2 、表3、表4 對(duì)比可知,相同長(zhǎng)度的焊道,MIG焊飛濺率遠(yuǎn)大于熔絲TIG焊和TIG焊的飛濺率,而熔絲TIG焊的飛濺率接近于TIG焊的飛濺率,結(jié)果說明:焊接過程中熔絲TIG焊的穩(wěn)定性幾乎可以達(dá)到TIG焊的穩(wěn)定性。

綜上所述,合適工藝下的熔絲TIG焊的焊接過程的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于MIG焊的穩(wěn)定性,接近于TIG焊的穩(wěn)定性。

2.3 熔絲TIG焊與MIG/TIG焊合適工藝的焊縫區(qū)組織對(duì)比

圖5 為SEM相同倍數(shù)下的MIG焊、TIG焊和熔絲TIG焊焊縫組織的對(duì)比,圖5a為MIG焊;圖5b為熔絲TIG焊;圖5c為TIG焊。焊縫以母材為基底進(jìn)行形核,以柱狀晶的形式沿散熱方向進(jìn)行長(zhǎng)大。由圖5可以看出,SEM相同倍數(shù)下的MIG焊的焊縫柱狀晶組織較TIG焊和熔絲TIG焊組織粗大,熔絲TIG焊與TIG焊的焊縫柱狀晶組織比較細(xì)小。

圖5 SEM相同倍數(shù)下三種方法的焊縫組織的對(duì)比

TIG焊的焊絲熔化熱全部來自于鎢極與工件之間產(chǎn)生的電弧熱,所以焊縫的熱量較小,冷卻快,焊縫組織較細(xì)小;而MIG焊的焊絲與鋼板產(chǎn)生的電弧熱全部用于熔化焊絲和鋼板,則全部的熱量輸入給焊縫,并且 MIG電弧焊熔池高溫停留時(shí)間較長(zhǎng),所以組織較粗大[12]。而熔絲TIG焊中,在工件和鎢極之間建立電弧用于工件的焊接,在焊絲和鎢極之間建立電弧用于焊絲的熔化,其焊縫受到的熱量相對(duì)于MIG焊較小,并且散熱快,組織較細(xì)小。

3 結(jié)論

(1)熔絲TIG焊與MIG/TIG焊合適工藝下的效率對(duì)比可知:相對(duì)于TIG焊而言,熔絲TIG焊是一種高效的焊接方法,接近于MIG焊的效率。

(2)由熔絲TIG焊、MIG焊以及TIG焊的飛濺量的對(duì)比可知:對(duì)于長(zhǎng)度相同的焊道,熔絲TIG的飛濺量很小,遠(yuǎn)低于MIG焊的飛濺量,接近于TIG焊的穩(wěn)定性。因此,熔絲TIG焊能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定,無(wú)飛濺的焊接,是一種高質(zhì)量的焊接方法。

(3)熔絲TIG焊、MIG焊以及TIG焊的焊縫組織的對(duì)比可知:SEM相同倍數(shù)下的熔絲TIG焊與TIG焊焊縫組織比較細(xì)小,MIG焊的焊縫組織比較粗大。

[1]韓國(guó)明.焊接工藝?yán)碚撆c技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:153-155,195-196.

[2]陳裕川.熱絲TIG焊技術(shù)的新發(fā)展(一) [J].現(xiàn)代焊接,2008,66(6):9-14.

[3]T Opderbecke,S Guiheux,張世龍,等.用于焊接機(jī)器人的TOPTIG工藝[J].電焊機(jī),2006,36(3):11-15.

[4]Gurevich S M,Zamokov V N,N A Kushirenko.Improving the Penetration of Titanium Alloys When They are Welded by Tungsten Are Process[J].Automatic Welding,1965,18(9):1- 5.

[5]Shuhei Kanemaru,Tomoaki Sasaki,Toyoyaki Sato,et al.Study for TIG-MIG Hybrid Welding Process [J].Weld World,2014,58(1):11-18.

[6]Shuhei Kanemaru,Tomoaki Sasaki,Toyoyaki Sato,et al.Study for the mechanism of TIG-MIG hybrid welding process[J].Weld World,2015,59(2):261-268.

[7]楊濤,張生虎,高洪明,等.TIG-MIG復(fù)合焊電弧特性機(jī)理分析[J].焊接學(xué)報(bào),2012,33(7):25-28.

[8]張良峰,楊公升,許威,等.窄間隙熱絲TIG焊技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性分析與發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油工程建設(shè),2011,37(2):42-44.

[9]劉自軍,潘乾剛.窄間隙脈沖熱絲TIG焊在集箱環(huán)縫焊接中的應(yīng)用[J].東方電氣評(píng)論,2007,21(3):35-40.

[10]許曉東,李世濤.熱絲TIG全位置自動(dòng)焊厚壁管道窄間隙坡口的設(shè)計(jì)[J].金屬鑄造焊技術(shù),2009,38(13):167-168.

[11]王燕,樂歡歡,付健科,等.CO2氣體保護(hù)焊焊接飛濺收集方案比較研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,29(4):299-332.

[12]唐舵,王春明,田曼,等.SUS301L-HT不銹鋼激光焊接與MIG 焊接對(duì)比試驗(yàn)研究[J].中國(guó)激光,2015,42(7):0703003-1-0703003-8.

(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

TheComparisonoftheMoltenWireTIGandMIG/TIGWeldingProcess

ZHANG Xingpin,LIU Aiguo,WANG Baotang

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

In order to confirm the superiority of the molten wire TIG welding process,the welding efficiency and the spatter lose rate were compared,and microstructures were also compared with the molten wire TIG welding process,MIG and TIG welding process.The results showed the molten wire TIG welding welding speed could reach 210 mm/min,the welding efficiency was much higher than TIG welding;MIG welding spatter quantity increased with the increasing of welding bead length,and the molten wire TIG welding spatter quantity indistinctively changed with the increasing of the welding bead length.MIG welding spatter rate was 2.984%,and the molten wire TIG welding was only 0.057%,the stability of the molten wire TIG welding was much higher than MIG welding.In suitable process,microstructure of the molten wire TIG welding was tinier MIG welding.So the molten wire TIG was a new high efficient,stable and high quality welding method.Keywordsthe molten wire TIG welding;the welding efficiency;the spatter lose rate

2016-08-26

張興品(1990—),女，碩士研究生;通訊作者:劉愛國(guó)(1969—),男,教授,博士,研究方向:堆焊、熱噴涂。

1003-1251(2017)04-0044-05

TG422

A