保護氣對焊接電弧行為與熱輸出特性的影響

(北京工業(yè)大學 汽車結構部件先進制造技術教育部工程研究中心,100124)

保護氣對焊接電弧行為與熱輸出特性的影響

陳樹君閆朝陽蔣凡張洪瑋

(北京工業(yè)大學 汽車結構部件先進制造技術教育部工程研究中心,100124)

為提高傳統(tǒng)非熔化極惰性氣體保護焊電弧的電弧力和能量密度，提出保護氣為氦氣的氦??；試驗中利用高速攝像記錄氦弧的電弧形態(tài)，同時對電弧力和電流密度進行測量計算，并與傳統(tǒng)氬弧進行分析對比。結果表明，在同一參數(shù)下氦弧同一截面直徑明顯小于傳統(tǒng)氬?。磺液せ‰娀×Φ淖畲笾荡笥趥鹘y(tǒng)氬??；相同條件下氦弧的電流密度比傳統(tǒng)氬弧更加集中。為對比焊接效果，在Q235 鋼板上做定點燒蝕試驗，并對陽極表面熔池尺寸和焊接接頭的晶粒度進行分析。試驗結果表明，與傳統(tǒng)氬弧相比，氦弧在焊接接頭的熔深和熔寬都偏大，但晶粒度平均等級小于氬弧。

氦弧電弧形態(tài)電弧力電流密度

0 序 言

在現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)過程中，尤其是航空航天、海洋工程、石油化工、能源工程等工業(yè)的快速發(fā)展，對優(yōu)質高效焊接工藝提出了迫切需求[1-4]。在各種焊接工藝中，非熔化極氣體保護焊由其適用性強的特點占據(jù)著重要的地位。其中，鎢極氬弧焊由于焊接電弧穩(wěn)定，廣泛應用于各種金屬的連接工藝中[5-6]，但此焊接方法存在焊接電弧發(fā)散、能量密度較低等缺陷，導致焊接熔深淺。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，中厚板和超厚板的焊接結構應用越來越廣泛，在采用氬弧焊時不得不采用多層焊或加開坡口的形式等，因焊前工序復雜，直接導致生產(chǎn)率低[7]。

為提高中厚板和超厚板的焊接效率，國內外學者提出保護氣為氦氣的鎢極氦弧焊[8-11]，與氬氣相比，氦氣分子質量小和電離能較高，因而氦弧在弧柱區(qū)的電場強度高，氦氣分子熱運動非?？?，對電弧冷卻作用強，電弧相對拘束，故而氦弧能量密度大，對焊接接頭低溫塑性好，所以氦弧焊將會日益得到關注。另外，氦氣作為保護氣可提高焊接電弧的熱功率，改善焊縫成形及熔深。文中從電弧力和電流密度的角度對氦弧進行系統(tǒng)的試驗，對比保護氣對電弧力與電流密度的影響，以研究鎢極氦弧焊接電弧行為與熱輸出特性；另外對Q235鋼板進行定點燒蝕試驗，研究保護氣對焊縫熔深、熔寬及晶粒度的影響，并與傳統(tǒng)氬弧進行對比。

1 試驗系統(tǒng)搭建

電流密度是表征焊接電弧熱性的重要參數(shù)，它的分布情況反映出電弧對工件熱輸入的情況，對電弧工藝性有重要的影響。電流密度的測量方法多種多樣，文中采用分裂陽極的方法對電弧電流密度進行采集[12-14]。如圖1電流密度測量系統(tǒng)所示，采用兩塊水冷銅板作為電弧的陽極，兩塊銅板間存在很小的間隙；兩塊銅塊同時接到電源正極，且兩塊陽極板均為紫銅，尺寸為20 mm×40 mm×60 mm，其相對的面均噴涂0.1 mm厚的絕緣漆以保證焊接過程中兩塊銅陽極的絕緣，同時控制陽極板間的間隙為0.5 mm；電弧從一塊陽極板上燃弧穩(wěn)定后向另一塊陽極板移動，在移動過程中電流傳感器記錄下兩塊陽極的電流變化曲線。

圖1 電流密度測量系統(tǒng)

電弧壓力是直接影響焊接過程的穩(wěn)定性的重要參數(shù)，對焊縫成形及熔深有重要的影響。對于非熔化極電弧力采集相對容易，文中采用氣壓傳感器的方法測定電弧力[15-17]，試驗系統(tǒng)如圖2電弧力測量系統(tǒng)所示，電弧在銅塊的邊緣穩(wěn)定起弧，待電弧穩(wěn)定后向另一邊緣移動，在移動過程中氣壓傳感器可以采集到電弧從零到最大值的力輸出曲線。

試驗過程中利用高速攝像記錄氦弧形態(tài)，并用氦弧的電弧力和電流密度與傳統(tǒng)氬弧進行分析對比。另外，采用定點燒蝕試驗來測定氦弧焊接熔深和熱影響區(qū)的大小，并用OLYMPUS軟件分析焊接接頭處的晶粒度與晶粒尺寸。

圖2 電弧力測量系統(tǒng)

2 試驗結果及分析

2.1 電弧形態(tài)

基于上文建立的焊接試驗系統(tǒng)，進行了氦弧焊接試驗，并與傳統(tǒng)氬弧焊的電弧形態(tài)進行比較。圖3分別為焊接電流為200 A和280 A時傳統(tǒng)氬弧與氦弧的電弧電壓和電弧宏觀形態(tài)對照圖，傳統(tǒng)氬弧在200 A和280 A時的電弧電壓分別是14.5 V和15.5 V，氦弧的電弧電壓分別為23.7 V和24.9 V。由于氦氣電離需要更大的能量的特性，致使氦弧電壓高于傳統(tǒng)氬弧。而且，在相同條件下與傳統(tǒng)氬弧對比，氦弧形態(tài)更加拘束。其原因一方面是由于相同焊接參數(shù)下，氦弧電壓高于傳統(tǒng)氬弧，增強電弧指向性，阻止其發(fā)散；另一方面是因為氦氣比氬氣輕，氦分子熱運動速度相對較快。兩方面原因導致氦弧的冷卻作用大于傳統(tǒng)氬弧，根據(jù)最小電壓原理，電弧自身保護作用增強，以致于電弧相對更加拘束。

圖3 傳統(tǒng)氬弧與氦弧宏觀形態(tài)對比

2.2 電流密度

根據(jù)分裂陽極法計算得到的傳統(tǒng)氬弧與氦弧的電流密度如圖4所示，二者電弧長度均為6 mm，保護氣流量均為15 L/min，總體來看，電流密度分布形式類似高斯分布。由圖4a可知，電流200 A時傳統(tǒng)氬弧在弧柱中心區(qū)的電流密度最大值為2.41 A/mm2，且電弧邊界最大值為6.34 mm(電弧半徑為5.27 mm)；氦弧電流密度最大值為2.89 A/mm2，且電弧邊界最大值為5.26 mm。有圖4b可知，電流280 A時傳統(tǒng)氬弧在弧柱中心區(qū)的電流密度最大值為3.46 A/mm2，且電弧邊界最大值為6.89 mm；氦弧電流密度最大值為4.06 A/mm2，且電弧邊界最大值為5.27 mm。相比之下氦弧電流密度最大值大于傳統(tǒng)氬弧，且隨電流的增加電流密度最大值增加，另外，氦弧半徑小于氬弧，即氦弧拘束度大于氬弧。前文由電弧形態(tài)分析得到氦弧冷卻作用強，氦弧相對于傳統(tǒng)氬弧更加拘束。

圖4 傳統(tǒng)氬弧與氦弧的電流密度

2.3 電弧力

熔池上的電弧壓力是決定焊道熔深的重要參數(shù)，要得到一定的熔深需要較大的電弧壓力，但是電弧壓力太大則可能引起熔穿等焊接缺陷。非熔化極電弧力分為多種，包括電磁收縮力、等離子流力、斑點力等，文中的電弧力為電弧總壓力。圖5為傳統(tǒng)氬弧和氦弧的電弧壓力，其中試驗過程中電弧高度均為6 mm，保護氣流量均為15 L/min?？傮w來看，電弧力隨著距電弧軸心距離的增大而減小，整體呈現(xiàn)出高斯分布。由圖5a可知，在200 A電流下傳統(tǒng)氬弧的電弧力輸出最大值為227.7 Pa，氦弧最大電弧壓力值比傳統(tǒng)氬弧稍大，為297.9 Pa。由圖5b可知，在280 A電流下傳統(tǒng)氬弧的電弧力輸出最大值為374.6 Pa，氦弧最大電弧壓力值為683.0 Pa，遠大于傳統(tǒng)氬弧。由試驗結果得出，電弧壓力隨電流增加而增強，這是因為非熔化極氣體保護焊的電弧力主要為電弧靜壓力和電弧動壓力，且電弧靜壓力與電流平方成正比；在相同焊接參數(shù)下，氦弧電弧力大于傳統(tǒng)氬弧，是由于氦氣分子熱運動速度大于氬氣，故氦弧的電弧動壓力大于傳統(tǒng)氬弧。

圖5 傳統(tǒng)氬弧與氦弧的電弧壓力

2.4 定點焊接燒蝕試驗

為了獲得氦弧對焊接熔池和接頭的影響，文中進行了定點燒蝕試驗，分別采用氦弧焊接方法和傳統(tǒng)氬弧焊接方法進行比較，焊接工件選用板厚為8 mm的Q235低碳鋼，試驗設定的焊接電流為200 A，定點燒蝕時間均為15 s，焊接過程中工件的散熱條件相同，試驗結果如圖6所示。結果表明，氦弧熔深為5.7 cm，傳統(tǒng)氬弧熔深為2.9 cm，氦弧在陽極表面的作用范圍、焊接的熔深遠比傳統(tǒng)氬弧的大；氦弧焊接接頭熱影響區(qū)直徑為15.9 cm，傳統(tǒng)氬弧為11.1 cm，前者是后者的1.4倍。試驗結果與上文電弧壓力和電流密度結果相吻合，200 A電流下氦弧的電弧壓力最大值是傳統(tǒng)氬弧的1.3倍(圖5a)，而相同條件下大的電弧壓力有助于熔池的熔深；另外，電弧電流密度的集中也有助于熔深的增加。熱影響區(qū)的大小主要由焊接熱輸入決定，由上文可知，相同焊接參數(shù)下氦弧能量大于傳統(tǒng)氬弧，因而其陽極熱輸入大于傳統(tǒng)氬弧。

圖6 傳統(tǒng)氬弧與氦弧的焊接接頭

2.5 晶粒度及晶粒大小

使用OLYCIA m3金相分析系統(tǒng)對焊接接頭100倍金相圖像依次進行灰度處理、圖像分割(閾值范圍為最小8～最大140)、形態(tài)學處理(去碎屑最小0～最大100、去內孔20、細化100、去毛刺20)、晶粒度評級，評級結果如圖7所示。其中，氦弧焊接接頭金相檢驗報告的平均截距為40.9 μm，平均等級為5.9級；傳統(tǒng)氬弧焊接接頭的平均截距為26.1 μm，平均等級為7.2級。由晶粒度評級結果可得出，相同焊接參數(shù)下，傳統(tǒng)氬弧晶粒度比氦弧更均勻，平均等級更高。原因是氦氣電離程度大，導致氦弧對陽極的熱輸入大于傳統(tǒng)氬弧，焊接接頭出現(xiàn)局部溫度過高，達到相變溫度以上、在奧氏體再結晶區(qū)變形時，加熱時間長,冷卻速度慢，晶粒集聚長大，導致焊縫區(qū)局部晶粒粗大和晶界氧化等現(xiàn)象。

在金相晶粒度分析基礎上對圖像進行形態(tài)學膨脹處理(膨脹系數(shù)為1)，然后對焊接接頭處晶粒尺寸進行分析，顆粒個數(shù)百分比如圖8所示?？梢?，氦弧和傳統(tǒng)氬弧焊接接頭晶粒尺寸小于10 μm的個數(shù)百分比分別為18.04%和5.52%；氦弧晶粒尺寸在20～30 μm之間的個數(shù)百分比為50.88%，明顯小于傳統(tǒng)氬弧的67.68%；而大于60 μm的晶粒個數(shù)百分比氦弧為12.22%，傳統(tǒng)氬弧為7.91%。由上文所述氦弧能量密度高于傳統(tǒng)氬弧的物理性質，致使在使用氦弧焊接金屬的過程中，會出現(xiàn)熱輸入過大和金屬過燒等現(xiàn)象；另外，加熱時間過長也會出現(xiàn)晶體再結晶，致使晶粒粗大，導致材料強度、塑性和韌性降低。

圖7 傳統(tǒng)氬弧與氦弧的焊接接頭晶粒度分析

圖8 傳統(tǒng)氬弧與氦弧的焊接接頭晶粒尺寸分析

3 結 論

(1)氦弧的電弧形態(tài)相對于傳統(tǒng)氬弧更加拘束，能量密度更加集中；且在相同焊接參數(shù)下氦弧電弧電壓高于傳統(tǒng)氬弧。

(2)同一條件下，氦弧的電流密度和電弧力的最大值都高于傳統(tǒng)氬?。磺以谕缓附訁?shù)下，氦弧在焊接接頭處的熔深和熔寬大于傳統(tǒng)氬弧。

(3)Q235鋼板經(jīng)氦弧和傳統(tǒng)氬弧同一焊接參數(shù)下進行燒蝕，結果表明經(jīng)氦弧焊接接頭的晶粒度等級較傳統(tǒng)氬弧??；且傳統(tǒng)氬弧在焊接接頭處的晶粒尺寸個數(shù)百分比分布相對于氦弧更加均勻。

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TG457

2017-06-21

陳樹君，1971 年出生， 哈爾濱工業(yè)大學博士，“長江學者獎勵計劃”特聘教授，博士生導師。獲國務院政府特殊津貼， 北京市百千萬人才工程人選，北京市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才計劃領軍人才。先后主持國家科技重大專項， 國家自然科學基金等國家、省部級科研項目30 余項。近年來發(fā)表學術論文100余篇，獲國際專利2 項，國家發(fā)明專利20 余項，在高端焊接裝備和航天航空領域取得良好成果，攻克了航天鋁合金大型薄壁密封艙體結構焊接難題，以全套自主知識產(chǎn)權的等離子焊接系統(tǒng)成功完成載人航天“天宮一號”的焊接，獲得國家科技進步二等獎及多項省部級以上獎勵。