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        工藝參數(shù)對TIG-MIG復(fù)合電弧焊接過程的影響

        2017-09-03 05:21:59畢學(xué)松馬瑞芳
        焊接 2017年7期
        關(guān)鍵詞:焊槍熔池電弧

        畢學(xué)松 馬瑞芳 孫 瀟

        (唐山開元焊接自動化技術(shù)研究所有限公司, 河北 唐山 063000)

        工藝參數(shù)對TIG-MIG復(fù)合電弧焊接過程的影響

        畢學(xué)松 馬瑞芳 孫 瀟

        (唐山開元焊接自動化技術(shù)研究所有限公司, 河北 唐山 063000)

        搭建TIG-MIG復(fù)合焊試驗平臺,分別改變焊接電流、焊槍夾角及電弧間距等參數(shù)進行系列焊接試驗,研究了該復(fù)合焊工藝特點。結(jié)果表明,TIG-MIG復(fù)合焊能夠?qū)崿F(xiàn)純氬氣保護下的穩(wěn)定焊接,并且TIG弧的電流需要大于MIG弧電流;焊槍夾角對焊接過程和焊縫成形影響不明顯;電弧間距影響焊縫成形特點,試驗確定間距約為5 mm時焊接效果最佳。

        TIG-MIG復(fù)合焊 電弧 焊接電流 焊縫成形

        0 序 言

        提高焊接效率和焊縫質(zhì)量一直是焊接領(lǐng)域研究的重點方向之一。復(fù)合熱源焊接技術(shù)是實現(xiàn)高效和高質(zhì)焊接有效途徑之一,近年來相關(guān)研究較多,如激光-電弧復(fù)合焊,等離子-MIG復(fù)合焊,TIG-MIG復(fù)合焊等[1-2]。其中TIG-MIG復(fù)合電弧焊技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)TIG和MIG焊接的局限性,表現(xiàn)出焊縫質(zhì)量高和焊接效率高的特點,具有廣闊的應(yīng)用前景。

        針對多種工程應(yīng)用場合,已出現(xiàn)了多種TIG電弧和MIG電弧復(fù)合焊接方法。王軍等人[3]提出TIG-MIG間接電弧技術(shù),在降低了母材熱輸入同時提高了焊接效率。石玗等人[4-5]將TIG電弧旁路耦合在MIG電弧一側(cè)或兩側(cè),旁路TIG電弧的分流作用使MIG電弧壓力和母材熱輸入顯著降低,提高焊接速度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過基于PID閉環(huán)控制實現(xiàn)TIG-MIG電弧復(fù)合,能夠有效降低焊接飛濺,改善焊縫成形,實現(xiàn)了高效化和優(yōu)質(zhì)化的焊接[6]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者直接將TIG電弧和MIG電弧復(fù)合在一起進行試驗研究,發(fā)現(xiàn)由于電弧間的相互作用,兩電弧指向發(fā)生偏轉(zhuǎn),電弧壓力減小,可顯著提高焊接速度,改善焊縫質(zhì)量[7-8]。

        文中將TIG電弧與MIG電弧直接復(fù)合進行焊接,認(rèn)識兩電弧之間的相對位置及電流匹配關(guān)系對TIG-MIG復(fù)合焊接過程的影響。

        1 試驗方法與試驗平臺

        TIG-MIG復(fù)合電弧焊接裝置主要由鎢極氬弧焊槍、熔化極氬弧焊槍、焊接電源、工作臺及工件組成,如圖1所示。其中TIG電源為恒流電源,型號為松下YC-500WXP,直流正接, MIG為恒壓電源,型號為松下YD-500GL3,直流反接。采用6 mm厚的SUS304奧氏體不銹鋼作為焊接工件,焊絲為φ1.2 mm的ER308LSi焊絲,保護氣體為純氬氣。焊接時TIG電弧在前,MIG電弧在后,首先啟動TIG電弧,在表面形成熔池后再啟動MIG電弧進行焊接。

        圖1 試驗裝置原理圖

        改變TIG和MIG焊槍的幾何位置進行試驗,觀察焊縫表面成形以及熔深、熔寬和余高的變化特點,觀察焊接電弧特征。其中θM和θT分別為MIG焊槍和TIG焊槍與豎直方向的夾角;d為鎢極尖端到焊絲的水平距離;L為鎢極弧長;e為MIG的焊絲伸出長度。表1列出了試驗過程中的主要預(yù)置參數(shù)。

        表1 TIG-MIG試驗參數(shù)表

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 TIG-MIG復(fù)合電弧焊接不銹鋼

        圖2為分別采用純氬氣保護的MIG焊和TIG-MIG復(fù)合電弧焊的典型焊縫照片。采用純氬氣保護時,MIG電弧在母材一側(cè)陰極斑點不穩(wěn)定,引起電弧漂移和弧長不規(guī)則變動,導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定,產(chǎn)生大量飛濺,焊接不能連續(xù)進行。此時所得焊縫焊趾不齊,四周斑點清理范圍較大且不均勻,成形較差,不能滿足實際工程要求,如圖2a所示。因此實際工程中,焊接不銹鋼一般需要采用含有1%~5%O2或CO2的富氬氣體作為保護氣體,通過熔池表面形成氧化物穩(wěn)定陰極斑點,實現(xiàn)穩(wěn)定焊接。然而由于焊縫金屬中加入氧元素,焊縫性能受到影響,如沖擊韌性下降等[9-10]。

        采用純氬氣保護的TIG-MIG復(fù)合電弧焊接時,陰極斑點漂移現(xiàn)象消除,焊接過程穩(wěn)定,無飛濺產(chǎn)生。獲得焊縫焊趾整齊,四周沒有出現(xiàn)陰極清理作用產(chǎn)生的痕跡,表面有光澤,焊縫成形美觀,典型焊縫照片如圖2b所示。

        圖2 焊縫表面照片

        在復(fù)合焊過程中,TIG電弧一方面加熱MIG的焊絲尖端,改變了傳統(tǒng)MIG焊接的熔滴過渡形式,使單獨MIG焊接時的短路過渡改變?yōu)榈螤钸^渡,從而顯著降低了焊接過程飛濺。另一方面,TIG電弧在工件表面形成液態(tài)熔池,表明高溫液態(tài)金屬的熱電子發(fā)射能力明顯提高,為后續(xù)的MIG電弧提供了穩(wěn)定的導(dǎo)電通道,從而穩(wěn)定了MIG電弧的陰極斑點。

        2.2 電流匹配關(guān)系影響

        在TIG-MIG復(fù)合電弧焊接過程中,TIG電弧和MIG電弧的電流匹配關(guān)系對焊接過程及焊縫成形具有重要影響。其他參數(shù)保持為表1中基本參數(shù)的情況下,僅改變TIG電流和MIG電流進行系列試驗。試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)TIG電流大于MIG電流時,MIG電弧斑點無漂移現(xiàn)象,復(fù)合焊接過程穩(wěn)定,無飛濺產(chǎn)生,此時形成焊縫焊趾平齊,焊縫成形良好,典型焊縫照片如圖3a所示。而當(dāng)MIG電流大于TIG電流時,MIG電弧陰極斑點不穩(wěn)定,出現(xiàn)不規(guī)則移動現(xiàn)象,焊接飛濺增加,形成的焊縫邊緣不齊,焊趾呈鋸齒狀,典型照片如圖3b所示。

        圖3 電流匹配關(guān)系對焊縫影響

        電流匹配關(guān)系對TIG-MIG復(fù)合電弧焊具有明顯影響,其原因與MIG電弧陰極斑點作用范圍有關(guān)。當(dāng)TIG弧電流較大時,母材上形成的高溫液態(tài)熔池范圍較大,而后面MIG電弧陰極斑點作用范圍較小,由于高溫金屬熱電子發(fā)射能力較強,使MIG弧陰極斑點被穩(wěn)定在TIG弧形成的熔池表面,焊接過程穩(wěn)定。而MIG電弧較大時,MIG電弧作用范圍超出了TIG電弧在母材上形成熔池的范圍,其陰極斑點在熔池邊緣的固態(tài)金屬上不規(guī)則移動,引起焊接飛濺增加,形成的焊縫焊趾不整齊??梢姡琓IG-MIG復(fù)合電弧焊接過程中,焊接過程穩(wěn)定,焊縫成形良好的必要條件之一是TIG弧電流大于MIG弧電流。

        2.3 焊槍夾角影響

        在其他參數(shù)保持為表1中基本參數(shù)不變的情況下,僅改變焊槍夾角θM和θT進行系列試驗,認(rèn)識其對TIG-MIG復(fù)合焊接過程和焊縫成形的影響。

        觀察焊接過程的電弧,焊槍夾角在較大范圍內(nèi)變化時,復(fù)合電弧形態(tài)相似,焊接過程都比較穩(wěn)定,基本無飛濺產(chǎn)生。三種典型焊槍夾角下獲得的焊縫照片如圖4所示,可以看出,各個焊縫表面均比較光滑,焊趾整齊,成形良好,焊縫截面形狀和尺寸也都比較相似,熔深均為3 mm左右。以上試驗結(jié)果表明,在TIG-MIG復(fù)合焊接過程中,焊槍夾角對復(fù)合電弧特征以及焊縫成形影響不明顯。

        圖4 焊槍夾角對焊縫成形的影響

        焊縫成形與電弧形態(tài)及電弧力指向密切相關(guān)。在常規(guī)MIG焊接過程中,焊絲前傾角越大(即相當(dāng)于θM越小),電弧力對熔池金屬向后排出的作用越小,熔池底部液體金屬層越厚,因此熔深減小,與熔寬增大,余高減小。而在TIG-MIG復(fù)合電弧焊接過程中,一方面TIG電弧為后續(xù)MIG電弧提供穩(wěn)定的陰極斑點,MIG弧更加穩(wěn)定不會發(fā)生明顯移動。另一方面由于電弧間的相互作用,兩電弧指向均發(fā)生偏轉(zhuǎn),因此焊槍夾角發(fā)生變化時,MIG電弧形態(tài)和電弧力指向均不能明顯改變,因此不會引起復(fù)合焊電弧穩(wěn)定性及焊縫成形的明顯改變。

        2.4 電弧間距影響

        在其他參數(shù)保持為表1中基本參數(shù)不變的情況下,僅改變電弧間距d進行試驗,觀察焊道截面形狀。

        結(jié)果顯示電弧間距d對焊縫成型有較為明顯影響,如圖5所示。

        圖5 焊槍間距對焊縫成型的影響

        d較小時,復(fù)合焊焊縫余高較大,形成“凸”形狀的窄焊縫,典型照片如圖5a所示。對于焊縫形成“凸”形狀的原因,與MIG熔滴向熔池過渡的角度相關(guān)。當(dāng)距離較近時,兩電弧排斥力影響增大,在排斥力的作用下,MIG熔滴的角度有最初的前傾角變小,甚至變?yōu)楹笸私?,因此形成了“凸”形狀的焊道?/p>

        而電弧距離過大時,MIG電弧和TIG電弧幾乎完全分離,復(fù)合焊接過程不穩(wěn)定,飛濺變大。可見,電弧間距d既不能太小也不能太大,通過試驗確定,d約為5 mm時復(fù)合焊接過程穩(wěn)定和焊縫成形良好,典型照片如圖5b所示。

        對于熔深,隨著焊炬間距d增加焊縫深度也增大,其原因可能有兩方面,一方面可能是距離較大時排斥力減小,熔滴過渡傾角減小,利于形成較大熔深。另一方面是焊炬間距增大后,TIG弧對MIG焊絲預(yù)熱效果減小,并且對MIG電弧的干擾減弱,使得電弧力和熔滴沖擊力變大,更利于大熔深。

        3 結(jié) 論

        (1)TIG-MIG復(fù)合焊能夠在純氬氣保護的情況下實現(xiàn)不銹鋼的穩(wěn)定焊接,焊縫成形良好。

        (2)TIG-MIG復(fù)合焊接過程穩(wěn)定,焊縫成形良好時,需要TIG弧電流大于MIG弧電流。

        (3)焊槍夾角在較大范圍內(nèi)變化時,TIG-MIG復(fù)合焊接過程穩(wěn)定程度及焊縫成形都沒有發(fā)生明顯變化。

        (4)TIG-MIG復(fù)合焊中,電弧間距d較小時,焊縫截面形狀趨于“凸”形,d過大時復(fù)合焊過程不穩(wěn)定,試驗確定d約為5 mm時復(fù)合焊效果良好。

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        2017-02-07

        TG444

        畢學(xué)松,1983年出生,博士,工程師。主要從事焊接新技術(shù)與新工藝研發(fā)工作,已發(fā)表論文10余篇。

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