楊義成，杜兵，黃繼華，徐鍇，陳健，黃瑞生

(1.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司,北京,100044；2.北京科技大學(xué),材料先進(jìn)焊接與連接技術(shù)研究室,北京,100083；3.哈爾濱焊接研究院有限公司,哈爾濱,150028)

0 序言

鎢極氬弧及其旁軸填絲焊接是目前高質(zhì)量、低成本焊接的代表性技術(shù)之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1].然而，常規(guī)鎢極氬弧焊旁軸填絲焊接具有焊槍空間尺寸大，焊接過(guò)程具有方向性，焊接效率低等技術(shù)特征，使其在難焊金屬或復(fù)雜異型構(gòu)件的加工應(yīng)用中存在較大局限性.為解決該問(wèn)題，Spaniol 等人[2]在常規(guī)熱絲非熔化極氣體保護(hù)電弧焊(tungsten inert gas welding，TIG 焊)基礎(chǔ)上，提出一種間接電阻加熱的新型TIG 填熱絲焊技術(shù)，該方法可在較低熱輸入情況下實(shí)現(xiàn)焊絲的高效率熔化.Ungethüm 等人[3]采用間接電阻加熱和大角度送絲的方法，在一定程度上解決常規(guī)TIG 焊具有方向性問(wèn)題，改善了封閉體一次堆焊成形的效果.但該類方法存在設(shè)備投入大，過(guò)程可控性差等缺點(diǎn)，使其在工業(yè)應(yīng)用存在較大局限性.空心鎢極同軸填絲焊接是將焊絲從空心鎢極內(nèi)孔送出，利用空心鎢極引燃的電弧熱將基體和焊絲一起熔化，凝固后形成焊縫，該方法有望真正解決加工過(guò)程具有方向的技術(shù)難題[4].

目前，國(guó)內(nèi)外多圍繞空心鎢極電弧特性開(kāi)展研究，Tashiro 等人[5]通過(guò)數(shù)值模擬方法構(gòu)建了鎢極電弧特性的理論分析模型，研究結(jié)果表明，空心鎢極尖端由于發(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(zhǎng)時(shí)間工作.Nerovnyi 等人[6]針對(duì)真空環(huán)境下空心鎢極電弧的熱物理特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果表明，隨著焊接電流提高，電弧形態(tài)由擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s型，電弧在材料表面的溫度分布呈典型的高斯分布特征.Chen 等人[7]對(duì)比分析了常規(guī)鎢極電弧和空心鎢極內(nèi)孔負(fù)壓電弧的壓力分布特點(diǎn)，研究結(jié)果表明，空心鎢極內(nèi)孔形成負(fù)壓后對(duì)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，焊接電流和電弧長(zhǎng)度的改變對(duì)電弧壓力分布特征的影響相對(duì)較小，且空心鎢極內(nèi)孔負(fù)壓電弧的壓力分布特征更加均勻.然而，目前關(guān)于空心鎢極電弧同軸填材加工相關(guān)研究的報(bào)道卻微乎其微，近年來(lái)只有部分專利涉及到該技術(shù)方法，徐國(guó)建等人[8]利用半裂式鎢極內(nèi)壁制備絕緣涂層的方法，實(shí)現(xiàn)焊絲和空心鎢極同軸且絕緣的目的.苗玉剛等人[9]提出一種基于空心鎢極分流熔化極電弧焊接裝置，該焊炬不僅可以提高使用過(guò)程中的靈活性，還可以顯著提升焊接效率.胡慶賢等人[10-11]基于空心鎢極的特點(diǎn)分別提出了空心鎢極TOPTIG(top tungsten inert gas welding)焊接方法、氣磁聯(lián)合調(diào)控空心鎢極TOPTIG 焊接方法和空心鎢極厚板填絲焊接方法.

國(guó)內(nèi)外關(guān)于空心鎢極同軸填絲焊接的研究多是從裝置可行性角度出發(fā)提出空心鎢極同軸填絲焊接的設(shè)想，至今尚未見(jiàn)到該技術(shù)機(jī)理相關(guān)的研究報(bào)道，為此采用數(shù)值模擬分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析空心鎢極同軸填絲焊接空間熱場(chǎng)的分布特征，為焊絲熔化熱的研究奠定基礎(chǔ)，可進(jìn)一步促進(jìn)空心鎢極同軸填絲焊接技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.

1 試驗(yàn)方法

采用哈爾濱焊接研究院有限公司自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的HWI-HCW 型空心鎢極同軸焊炬、山東奧太電氣有限公司生產(chǎn)的WSME-630 型非熔化極焊接電源和奧地利福尼斯公司生產(chǎn)的KD7000 型送絲機(jī)；基體材料為Q235 鋼，焊絲牌號(hào)為H08MnSiA，焊絲直徑為φ1.2 mm.焊前利用機(jī)械加工的方法去除試板表面油污及鐵銹.

如圖1 所示，首先，利用高速攝像觀察分析電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)電弧的形貌特征；其次，分析焊絲從鎢極內(nèi)控送出時(shí)絲材的熔化過(guò)程，以及熔滴過(guò)渡行為.以實(shí)際焊接過(guò)程中電弧亮區(qū)面積信息的變化為基礎(chǔ)，建立空心鎢極同軸填絲焊接電弧光學(xué)信息與焊接關(guān)鍵過(guò)程之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)空心鎢極同軸填絲焊接過(guò)程焊絲歷經(jīng)空間溫度分布特征，以及焊接工藝穩(wěn)定性分析目的.試驗(yàn)過(guò)程用到的高速攝像機(jī)拍攝幀數(shù)為4 000 幀/s，曝光時(shí)間為60 μs.對(duì)于空心鎢極同軸填絲焊接而言，涉及到的關(guān)鍵工藝參數(shù)如表1 所示.

圖1 焊接過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of welding process

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔滴過(guò)渡特性分析

圖2 為空心鎢極同軸填絲焊接過(guò)程.焊絲從鎢極內(nèi)孔送出，焊絲末端開(kāi)始熔化，形成高溫熔滴，如圖2a 所示.隨著焊絲的不斷送進(jìn)，熔滴開(kāi)始與液態(tài)熔池接觸時(shí)，此時(shí)焊絲的電勢(shì)與工件及液態(tài)熔池的電勢(shì)一致，由最小電壓原理可知，由于焊絲與鎢極內(nèi)孔的距離更小，因此電弧更容易在鎢極內(nèi)孔和焊絲之間形成導(dǎo)電通道，此時(shí)電弧的亮度變暗，電弧形態(tài)也由鐘罩型變?yōu)閳A筒狀，如圖2b 和圖2c 所示.當(dāng)熔滴過(guò)渡完成時(shí)，電弧即刻回復(fù)至高亮狀態(tài)，如圖2d 所示.

當(dāng)無(wú)電流從焊絲流過(guò)時(shí)，熔滴上方的焊絲呈高溫固態(tài)，保持較好的挺直狀態(tài)；而當(dāng)電弧收縮為圓筒狀時(shí)，焊絲挺直性變差，部分區(qū)域出現(xiàn)頸縮甚至彎曲現(xiàn)象，如圖2b 和圖2c 所示，這證明熔滴與液態(tài)熔池接觸時(shí)，焊絲電勢(shì)與工件相同，有部分電流經(jīng)過(guò)焊絲構(gòu)成回路，而電流流過(guò)焊絲形成的電阻熱大幅度的提高了焊絲熔化效率.

圖2 空心鎢極同軸填絲焊接過(guò)程Fig.2 Welding process of hollow cathode arc welding with coaxial filler wire.(a) t0 ms;(b) t0+2.75 ms;(c) t0+7.5 ms;(d) t0+8.75 ms

空心鎢極同軸填絲焊接過(guò)程中，熔滴形成階段電弧正常燃燒呈高亮鐘罩型，在熔滴過(guò)渡階段，電弧亮度變暗，形態(tài)收縮為鐘罩型.可以推斷出電弧信息(形態(tài)、亮度)與焊接關(guān)鍵過(guò)程(焊絲熔化、熔滴過(guò)渡)之間存在映射關(guān)系.對(duì)高速攝像拍攝到的圖像進(jìn)行二值化處理，獲得每一幀圖像在一定亮度閾值范圍內(nèi)的亮區(qū)面積大小，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)空心鎢極同軸填絲焊接焊絲熔化過(guò)程及熔滴過(guò)渡過(guò)程的研究與分析.

對(duì)一段時(shí)間內(nèi)高速攝像獲取的時(shí)序電弧圖像進(jìn)行二值化處理，通過(guò)合理閾值的設(shè)定獲取不同照片的亮度信息，進(jìn)而可以分析出閾值范圍內(nèi)的亮區(qū)面積隨時(shí)間的變化規(guī)律，17 個(gè)熔滴過(guò)渡階段對(duì)應(yīng)的亮區(qū)面積變化信息如圖3 所示.在空心鎢極同軸填絲焊接過(guò)程中，電弧亮區(qū)面積呈周期性變化，電弧亮度面積變大時(shí)，為焊絲熔化階段；電弧亮區(qū)面積變小時(shí)，為熔滴過(guò)渡階段，液滴和液態(tài)熔池接觸階段，高亮區(qū)像素面積顯著下降，該階段液滴完成向液態(tài)熔池的過(guò)渡.總體上，焊接過(guò)程中焊絲熔化階段和熔滴過(guò)渡階段呈現(xiàn)出較好的規(guī)律性，這說(shuō)明空心鎢極同軸填絲焊接的工藝性較為穩(wěn)定，具備工程應(yīng)用基礎(chǔ).

圖3 焊接過(guò)程電弧亮度信息變化Fig.3 Change of arc brightness information during welding

2.2 焊絲熔化熱分析

依據(jù)焊絲熔化過(guò)程及熔滴過(guò)渡過(guò)程可以看出，焊絲從鎢極內(nèi)孔送出后經(jīng)高溫電弧區(qū)域，熔化后形成液滴過(guò)渡進(jìn)入液態(tài)熔池.在上述過(guò)程中，處于高溫狀態(tài)的鎢極內(nèi)孔對(duì)焊絲起到一定的預(yù)熱作用，高溫電弧對(duì)進(jìn)入其中的焊絲起到直接加熱作用.此外，熔滴與液態(tài)熔池接觸后電流流經(jīng)焊絲產(chǎn)生的電阻熱對(duì)焊絲的高效熔化起到關(guān)鍵作用.

2.2.1 空心鎢極內(nèi)孔預(yù)熱

鎢極內(nèi)孔直徑為3.0 mm，K 型熱電偶外徑為2 mm，利用設(shè)計(jì)的導(dǎo)向裝置保證熱電偶從空心鎢極內(nèi)孔中心位置送達(dá)鎢極內(nèi)部，調(diào)整熱電偶末端和鎢極末端之間的相對(duì)距離h，測(cè)量電弧輻照及鎢極熱傳導(dǎo)作用下，空心鎢極內(nèi)孔不同位置處的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，空心鎢極內(nèi)孔的溫度測(cè)試方法如圖4所示.

圖4 空心鎢極內(nèi)孔溫度測(cè)試方法Fig.4 Test method for inner hole temperature of hollow tungsten electrode

圖5 為空心鎢極內(nèi)孔不同位置處的溫度隨時(shí)間變化規(guī)律.從圖5 可以看出，熱電偶距鎢極末端的距離h越遠(yuǎn)，鎢極內(nèi)孔溫度越低，從室溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度所需時(shí)間也隨之逐漸增加.例如，當(dāng)熱電偶和鎢極末端的距離為60 mm 時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間為50 s 左右，此時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度為145 ℃；當(dāng)距離h為9 mm 時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間為20 s 左右，穩(wěn)態(tài)約為1 253 ℃.

圖5 鎢極內(nèi)孔不同位置處溫度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.5 Variation of temperature with time at different positions in the tungsten electrode inner hole

由于熱電偶的最高測(cè)溫區(qū)間在0～ 1 300 ℃之間，靠近鎢極末端的溫度要高于傳感器的測(cè)溫范圍，因此不能直接測(cè)量鎢極內(nèi)孔所有區(qū)域.為此，采用三次多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，距鎢極末端不同距離處的溫度計(jì)算方法如式(1)所示.

式中：T0為鎢極內(nèi)孔溫度；h為熱電偶末端距鎢極末端的距離.

擬合方程的決定系數(shù)為0.98，這說(shuō)明利用該方程預(yù)測(cè)鎢極末端的溫度分布情況具有較高可行性，原始數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)的結(jié)果如圖6 所示.

圖6 穩(wěn)態(tài)時(shí)鎢極內(nèi)孔不同位置處的溫度Fig.6 Steady state temperature variation at different positions of tungsten electrode inner hole

根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)h為0 mm 時(shí)，鎢極末端的理論溫度為2 248.3 ℃.

2.2.2 空心鎢極電弧模型的建立與分析

由于很難直接獲取電弧內(nèi)部區(qū)域的溫度分布特征，利用磁流體理論借助有限元分析軟件Comsol，建立了焊接電流400 A、空心鎢極距工件距離4 mm 時(shí)磁流體模型.如圖7 所示，模擬電弧和實(shí)際電弧形態(tài)高度吻合，這說(shuō)明所構(gòu)建的空心鎢極電弧模型和實(shí)際電弧的形態(tài)較為接近，所建立的空心鎢極磁流體模型具有較好的準(zhǔn)確性，可以利用該模型進(jìn)一步分析電弧的物理特征.

圖7 模擬結(jié)電弧與實(shí)際電弧對(duì)比Fig.7 Comparison between simulated arc and actual arc

利用該模型較為系統(tǒng)地分析了電弧的溫度分布特征，其結(jié)果如圖8 所示.從圖8 可以看出，自外向內(nèi)等溫線1 至等溫線11 分別表達(dá)了溫度從5 500～13 500 K 的電弧溫度分布特征.如表2 所示，等溫線1 至等溫線7 的溫度間隔為1 000 K，等溫線8 至等溫線11 的溫度間隔為500 K.根據(jù)等溫線的分布特征可清晰的看出，空心鎢極電弧自外向內(nèi)的溫度梯度逐漸降低，電弧中心區(qū)域的溫度最高，達(dá)到13 700 K.

圖8 電弧溫度場(chǎng)分析Fig.8 Analysis of arc temperature field

表2 不同等溫線對(duì)應(yīng)的溫度Table 2 Temperature values corresponding to different is otherms

沿著空心鎢極電弧中軸線，間隔0.5 mm 距離提取不同位置處電弧穩(wěn)定時(shí)的溫度值，其結(jié)果如圖9所示.從圖9 可以看出，在該工藝參數(shù)下空心鎢極電弧中心區(qū)域正下方2.5 mm 位置處電弧內(nèi)部的溫度達(dá)到最高值，這與實(shí)心鎢極鎢極正下方附近區(qū)域電弧溫度最高存在一定差異[11].環(huán)狀電極發(fā)射的電弧在中心區(qū)域匯聚可能是形成高溫區(qū)下移的主要原因.

圖9 電弧中軸線不同位置處的溫度分布Fig.9 Temperature distribution at different positions of arc central axis

2.2.3 焊絲電阻熱分析

結(jié)合圖2 焊絲熔化過(guò)程的分析可知，焊絲與工件接觸時(shí)，焊絲變?yōu)榈鼐€，此時(shí)鎢極電子發(fā)射端與焊絲之間的間距要遠(yuǎn)小于其與工件之間的距離，在最小電壓原理作用下，電弧在鎢極末端與工件之間燃燒的狀態(tài)發(fā)生變化，一部分電弧開(kāi)始從液態(tài)熔池表面快速“爬升”至焊絲表面，電弧由對(duì)熔池的加熱，直接轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)焊絲的加熱，同時(shí)在該作用下一部分焊接電流也會(huì)從焊絲流過(guò)，產(chǎn)生電阻熱，這部分熱量對(duì)于焊絲的高效熔化具有十分重要積極意義.

3 結(jié)論

(1)在高溫電弧的熱作用下，空心鎢極內(nèi)孔的溫度以指數(shù)級(jí)快速下降，鎢極末端的最高穩(wěn)態(tài)溫度可以達(dá)到2 248.3 ℃左右.

(2)建立的磁流體理論分析模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)電弧形態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，電弧的溫度分布結(jié)果表明，電弧內(nèi)最高穩(wěn)態(tài)溫度可以達(dá)到13 700 K，且該區(qū)域位于鎢極正下方2.5 mm 位置處.

(3)空心鎢極內(nèi)孔的高溫?zé)彷椛洹㈦娀『诵母邷貐^(qū)的熱傳導(dǎo)，以及電弧陽(yáng)極作用區(qū)改變附帶產(chǎn)生的電阻熱是實(shí)現(xiàn)空心鎢極同軸填絲焊接高效熔絲的基礎(chǔ).