橫向交變磁控DP-TIG焊電弧熔池特性研究

瞿懷宇, 劉芬霞, 劉文蘭, 馮曉春, 余江瑞, 付小月

(1. 蘭州理工大學 技術工程學院, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學 能源與動力工程學院, 甘肅 蘭州 730050)

鎢極氬弧焊(TIG)具有焊縫純凈度高、焊接品質高的優(yōu)點,廣泛應用于航空航天、壓力容器制造等領域,但TIG焊生產(chǎn)效率低,限制了這種焊接方法的進一步應用.提高焊接生產(chǎn)效率是推廣TIG焊應用范圍的關鍵,而增大焊接電流是提高TIG焊接效率的途徑之一.劉自剛等[1-2]通過提高鎢極冷卻能力增大焊接電流,基于此,提出了一種改進的TIG焊接方法——深熔鎢極氬弧焊(deep penetration TIG welding,簡稱為“DP-TIG焊”).該焊接方法通過雙層水冷結構的焊槍對鎢極高效冷卻,強制壓縮焊接電弧,獲得挺度高、能量密度大的焊接電弧,實現(xiàn)增大單道焊接熔深、提高焊接速度、增大熔敷速率的目的.

但增大焊接電流會使焊縫出現(xiàn)咬邊、駝峰等缺陷[3].因此,改善大電流條件下的焊縫成形尤為重要.磁場輔助焊接是近年來新興的技術手段,通過磁場作用影響熔池流動、電弧形態(tài)及熔滴過渡行為等可改善焊縫成形及組織、提高焊縫性能及生產(chǎn)效率[4-8].目前,研究者主要將不同形式磁場施加到傳統(tǒng)TIG焊上,研究磁場對傳統(tǒng)TIG電弧及焊縫成形的影響[9-12],鮮有關于磁場對DP-TIG焊電弧和焊縫成形影響的報道.

本文在橫向交變磁場作用下,研究不同勵磁參數(shù)對DP-TIG電弧和熔池特性的影響,對揭示磁控作用下DP-TIG焊縫成形機理、提高其焊接效率以及擴大該方法應用范圍具有重要意義.

1 試驗條件

試驗母材為Q345B,規(guī)格為500 mm×200 mm×12 mm,焊材牌號為ERNiCrMo-3,焊絲直徑為1.2 mm.焊接電源采用米勒Dynasty700,焊接電流在0～700 A調(diào)節(jié).自行研制磁控裝置,其可分別調(diào)節(jié)勵磁電流和交變頻率,勵磁電流在0～100 A調(diào)節(jié),交變頻率在0～500 Hz調(diào)節(jié).試驗系統(tǒng)如圖1所示,采用的焊接工藝參數(shù)見表1.

圖1 焊接試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of welding test system

表1 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結果與分析

2.1 橫向交變磁場下的電弧狀態(tài)

采用高速攝像系統(tǒng)對電弧狀態(tài)進行拍攝,在無勵磁電流時,電弧狀態(tài)呈現(xiàn)為傳統(tǒng)TIG電弧鐘罩狀,如圖2a所示.當勵磁電流為20 A、交變頻率為5 Hz時,電弧發(fā)生明顯的偏轉現(xiàn)象,如圖2b所示.隨著交變頻率的增加,電弧偏擺的幅度降低,逐漸又呈現(xiàn)為鐘罩狀.如圖2c所示,勵磁電流為20 A,交變頻率為20 Hz時,電弧為鐘罩狀,但電弧陽極表面寬度相比無勵磁條件下增大,說明在此條件下,焊接電弧出現(xiàn)了發(fā)散現(xiàn)象.

圖2 不同勵磁參數(shù)下的電弧形態(tài) Fig.2 Arc shapes under different magnetic excitation parameters

2.2 不同勵磁參數(shù)對電弧壓力的影響規(guī)律

在焊接電流400 A、勵磁電流20 A的條件下,分別給定勵磁交變頻率為0、5、20、100、500 Hz,采用小孔法測量DP-TIG電弧陽極表面的壓力[13-14],如圖3所示.

從圖3可以看到,當無勵磁電流時,電弧壓力峰值達到了950 Pa以上,在勵磁交變頻率5～500 Hz,隨勵磁交變頻率增大,DP-TIG電弧壓力峰值先降低后增大,其中,勵磁交變頻率為20Hz時,電弧壓力峰值最低,降為650 Pa,相比無勵磁電流時的峰值壓力降低了約1/3.因此,可通過調(diào)整橫向交變磁控參數(shù)改變DP-TIG電弧壓力分布情況,從而實現(xiàn)不同的焊接工藝,小孔焊接時采用較高的交變頻率,表面堆焊時采用較低的交變頻率.

圖3 不同勵磁交變頻率下電弧壓力Fig.3 Arc pressures under different magnetic excitation frequencies

2.3 不同勵磁參數(shù)下的熔池截面形狀

大電流DP-TIG焊不填絲焊接,在無勵磁電流條件下,當焊接速度達到臨界值時,焊縫表面成形出現(xiàn)咬邊和駝峰缺陷,采用金相腐蝕法觀察熔池截面,焊縫內(nèi)部存在夾渣和熔合不良現(xiàn)象,且缺陷部位集中在最大熔深處,如圖4a所示,其中,夾渣由大電流條件下燒損的鎢極或焊縫表面氧化物在電弧力作用下被卷入焊縫底部產(chǎn)生.當采用橫向交變磁控焊接時,焊縫表面成形得到改善,截面無夾渣和熔合不良情況,如圖4b所示為勵磁電流20 A、勵磁交變頻率5 Hz時的熔池截面形狀.通過調(diào)節(jié)勵磁電流和交變頻率可改變焊縫熔深,熔池截面形狀由指狀向鍋底狀過渡,如圖4c、4d所示.橫向磁場作用下,熔池截面形狀改變主要是由于電弧形態(tài)變化導致電弧中心壓力峰值降低、溫度分布梯度變緩.

圖4 不同勵磁參數(shù)下熔池截面形狀Fig.4 Weld pool section profiles under different magnetic excitation parameters

2.4 橫向磁控DP-TIG焊接工藝驗證—鎳基堆焊

對于堆焊而言,希望焊材被母材稀釋的越少越好,即焊縫熔深應盡可能淺,從而達到更好防護母材的效果,因此,應采用較小的電弧壓力進行焊接.取勵磁電流20 A、交變頻率20 Hz,在Q345B板材表面堆焊一層鎳基金屬,堆焊厚度為3 mm,堆焊焊縫表面成形如圖5所示.

從圖5可以看到,焊縫過渡光滑,表面成形良好,無咬邊.采用X射線對焊縫進行檢測,焊縫內(nèi)部無氣孔、熔合不良等缺陷.采用光譜分析儀對焊縫表面各區(qū)域化學成分進行檢測,焊縫表面各點鐵含量均小于5%,焊材被稀釋程度較低.

3 討論

當沒有外加磁場時,DP-TIG焊電弧壓力呈高斯分布,電弧中心壓力較高,當焊接速度升至某一臨界值時,在高焊速及大電流條件下,電弧壓力使得熔池表面下塌為一個很薄的液態(tài)金屬層.同時,由于焊接速度較高,熔池被拉長變窄,電弧下方的液態(tài)金屬被推向熔池尾部并堆積.當電弧繼續(xù)前移時,熔池前部的凹陷區(qū)域和熔池尾部交接的過渡區(qū)域因不能獲得充足的熱焓而提前凝固,從而阻止了熔池液態(tài)金屬繼續(xù)向尾部流動,也阻止了熔池尾部液態(tài)金屬的向前回流.因此,在大電流高速焊接時焊縫表面極易出現(xiàn)咬邊和駝峰缺陷.如圖6所示,電弧作用力Pa與熔池靜壓力Pc以及熔池表面張力Ph在焊接過程中應達到動態(tài)平衡,但當電弧作用力大于熔池靜壓力和表面張力之和時,焊縫過渡點易出現(xiàn)如圖4a所示的夾渣和未熔合缺陷.外加周期變化橫向交變磁場時,電弧等離子體最大溫度、陽極表面電弧壓力、陽極表面電流密度在每個周期內(nèi)呈現(xiàn)一定波動性,電弧峰值壓力降低,加之磁場的攪拌作用,熔池后排力降低,流動性增加,減少了焊縫成形咬邊和駝峰缺陷.

施加橫向交變磁場后,熔池液態(tài)金屬向后流速逐漸降低、橫向流速逐漸增加,從而影響熔池表面的溫度分布,溫度梯度較平緩,熔池內(nèi)的溫度分布更加均勻,改善了熔池冷卻條件,因此,熔池截面由指狀向鍋底狀過渡.

對于堆焊而言,較低的電弧壓力和平緩的溫度分布有利于降低焊接熔深,從而降低母材對焊材的稀釋作用.此外,鎳基合金熔池金屬粘度較大,熔池流動性差.因此,外加交變磁場可改善鎳基堆焊時熔池金屬的流動性,從而獲得良好的焊縫成形.

4 結論

外加橫向交變磁場能夠改善DP-TIG焊縫成形缺陷,主要結論如下：

1) 在橫向交變磁場作用下,隨著勵磁交變頻率的增大,DP-TIG電弧壓力峰值先降低后增大.在交變頻率為20 Hz時,電弧峰值壓力最低,相比無勵磁電流時降低約1/3.

2) 在橫向交變磁場作用下,隨著勵磁交變頻率的增大,DP-TIG熔池截面形狀由指狀向鍋底狀過渡,且通過調(diào)整交變頻率可改變焊縫熔深.在交變頻率為20 Hz時,焊縫熔深最淺,在此參數(shù)下進行鎳基堆焊,焊縫表面鐵含量可達到5%以下.