磁控TIG焊接技術的研究現(xiàn)狀和趨勢

韓 琦 劉啟明 黃 磊

（江蘇航空職業(yè)技術學院航空工程學院 江蘇鎮(zhèn)江 212134）

焊接技術作為一種熱加工技術，在航空、航天工程、核電工程、深海探測工程、船舶制造、建筑等方面應用廣泛。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，在制造業(yè)方面，我國正在由制造大國向制造強國邁進。傳統(tǒng)焊接技術已無法滿足高端裝備制造業(yè)的要求，于是出現(xiàn)了一些新型焊接技術，如激光焊、電子束焊、等離子弧焊、摩擦焊和磁控焊接技術等[1]。

傳統(tǒng)TIG焊，即鎢極氣體保護焊，屬于非熔化極氣體保護焊。通常是鎢電極與要焊接的工件之間的電弧使金屬熔化而形成焊縫。其具有電弧穩(wěn)定、噪聲小、飛濺少、焊縫成形美觀等優(yōu)點，但在實際生產(chǎn)過程中也發(fā)現(xiàn)TIG焊接存在一定的不足，比如：高速焊中電弧容易出現(xiàn)后拖現(xiàn)象、焊縫熔深淺、不適用厚板焊接等。為了解決上述問題，國內外許多焊接專家學者[2-3]將磁場引入到焊接過程中，通過外加磁場與焊接電弧、熔滴、熔池內的液態(tài)金屬相互作用，大大提高了生產(chǎn)效率和焊接質量。而磁控TIG焊是在傳統(tǒng)TIG焊的基礎上附加磁控裝置，其操作簡單，能耗少，成本低，既具有傳統(tǒng)TIG焊的優(yōu)點，也彌補了傳統(tǒng)TIG焊焊接過程中的不足。根據(jù)外加磁場施加方式的不同，可將外加磁場分為橫向磁場、縱向磁場和尖角磁場。

一、外加橫向磁場的TIG焊

外加橫向磁場是指外加磁力線垂直通過電弧軸線，如圖1所示，通過改變電弧形態(tài)、熱量分布、壓力分布、挺度和熔池內金屬流動方式，很好地解決了TIG焊接過程中出現(xiàn)的電弧后托、咬邊、駝峰、側壁熔合難等問題。因此，在TIG焊中外加橫向磁場引起了許多焊接研究者的關注。北京工業(yè)大學華愛兵[4]在奧氏體不銹鋼TIG焊接中引入橫向螺旋磁場，研究勵磁參數(shù)對TIG焊接電弧的形態(tài)和運動方式的影響以及對焊縫成形的影響規(guī)律。結果表明，在一定的勵磁參數(shù)下，可以有效地控制電弧形態(tài)和電弧對母材的作用范圍，從而控制焊縫成形。

圖1 外加橫向磁場裝置示意圖

楊豐兆、賈思峰等人[5-6]將橫向磁場引入到TIG焊接過程中，提高了焊接中電弧挺度，解決了電弧后托、咬邊和焊縫成形差問題，實現(xiàn)了高速TIG焊接。為了解決高速TIG焊容易出現(xiàn)未焊透、焊縫不連續(xù)問題，傅新皓[7]在傳統(tǒng)TIG焊中引入橫向交變磁場，研究發(fā)現(xiàn)相對于無外加磁場時，尤其在高頻磁場下，電弧中心熱量和弧柱中心氣動壓力均變大；為了解決厚板窄間隙側壁熔合難問題，哈爾濱工業(yè)大學孫清潔[8]使用磁控TIG焊作用于雙U型坡口的厚板焊接試驗中。結果顯示：焊縫的強度最高值達了712MPa。胡金亮[9]重點闡述了外加橫向磁場對厚板鈦合金磁控窄間隙TIG焊接電弧擺動的作用機理，說明焊縫成形的影響因素。同時對鈦合金磁控窄間隙TIG焊接接頭的顯微組織、力學性能及焊后殘余應力分布特征做了研究。

二、外加縱向磁場的TIG焊

外加縱向磁場裝置示意圖如圖2所示。電弧中的帶電粒子受外加磁場的作用沿著磁力線方向做螺旋運動，焊接電弧發(fā)生旋轉，對熔池起到了一定的攪拌作用，細化焊縫組織，提高焊接質量。有關外加縱向磁場對TIG焊影響的研究中，南昌航空大學李軍，江淑園[10]在鋁合金TIG焊中引入直流縱向磁場，結果顯示：相比于無外加磁場情況下，焊縫表面紋路清晰規(guī)則，焊縫組織得到明顯細化，焊縫的力學性能顯著提高。沈陽工業(yè)大學王同歡[11]在TA2 TIG焊接中引入了交變磁場，由于洛倫茲力的作用，電弧發(fā)生高速旋轉，對熔池起到攪拌作用，焊縫組織得到細化，通過調節(jié)勵磁電流和勵磁頻率，獲得了焊接接頭組織性能的影響規(guī)律。重慶大學王聰[12]使用ANSYS建立外加縱向磁場TIG焊熔池的數(shù)值模型，模擬出TIG焊熔池的溫度場與速度場分布。沈陽航空航天大學趙磊[13]等人通過建立TIG焊電弧模型，分別研究在只外加交變縱向磁場和同時外加交變縱向磁場及脈沖電流時對電弧的影響。研究表明，在一定的外加磁場強度和交變頻率下，當磁場方向為正，電弧收縮下壓，當電弧方向為負，電弧拉長；當施加交變縱向磁場并與交變磁場相匹配的脈沖電流時，當電弧處于工作階段且磁場方向為正，電弧收縮下壓，電弧能量集中，有利于母材熔化。當電弧處于維弧階段且磁場方向為負，電弧能量分散。多數(shù)學者的研究主要限于磁控焊接工藝，而沈陽工業(yè)大學張洪旭[14]的研究方向是產(chǎn)生外加磁場的電源。采用逆變技術研制了一種高頻磁控電源，并分別對磁控電源的主電路、同步電路、控制電路、保護電路等進行設計和優(yōu)化。之后將優(yōu)化的磁控電源應用到TIG焊接中。最后通過對比磁控TIG焊接實驗結果和模擬結果，驗證了所設計的勵磁電源的穩(wěn)定性和實用性。

圖2 外加縱向磁場裝置示意圖

三、外加尖角磁場的TIG焊

產(chǎn)生外加尖角磁場的裝置示意圖如圖3所示。焊接電弧通過尖角磁場，受磁場的壓縮作用，焊接電弧的電流密度、能量密度和壓力在長徑方向上都明顯增加。因此，在引入尖角磁場進行厚板TIG焊時，只需調大勵磁電流就可以增加電弧的穿透力，這既提高了焊接效率，也降低了焊接損耗。20世紀八十年代，趙彭生、趙國華等人[15-17]將雙尖角磁場引入到TIG焊中，對其原理進行了詳細的闡述。研究中有發(fā)現(xiàn)，截面形狀呈扁球狀，由于焊接電弧被壓縮，因此電弧的長軸方向上，電弧中心的電流密度、能量以及壓強都有所增加。謝曉梅、陳集[18]等人將尖角磁場引入到等離子弧焊接實驗研究中。結果發(fā)現(xiàn)，尖角磁場對等離子電弧具有約束作用，電弧橫截面積減小，電弧的能量密度和電流密度均增加。沈陽工業(yè)大學關子奇[19]基于機器人平臺研究外加交變尖角磁場的勵磁電流與勵磁頻率對焊接電弧和焊縫組織的影響。結果表明，施加交變尖角磁場后電弧截面由圓形變?yōu)闄E圓形。并且隨著勵磁電流的加大，電弧的收縮程度先增大后減小。電弧壓力和電流密度由正態(tài)分布的峰狀變?yōu)槎秳臃鍫睢：缚p表面均勻致密，呈魚鱗紋狀；焊縫枝晶組織得到細化，拉伸強度和硬度得到明顯提高。

圖3 外加尖角磁場裝置示意圖

四、結束語與展望

本文詳細闡述了不同方式的外加磁場對TIG焊接電弧、熔池、焊縫組織和力學性能的影響，并介紹了不同方式外加磁場所適用的領域。隨著先進制造業(yè)的發(fā)展，1.焊接技術趨向于高效化、自動化與智能化發(fā)展，將磁控系統(tǒng)搭載自動化設備，可提高焊接生產(chǎn)率和焊接質量；2.在研究過程中，采用實驗和模擬相結合的研究方式，通常先利用模擬軟件對焊接電弧、熔滴、熔池的溫度場、流場等進行數(shù)值模擬和分析，再結合實驗進行驗證所模擬的結果，這已成為當下的重要研究手段和趨勢；3.在外加磁場作用下，還涌現(xiàn)出一些新的技術，如磁控電弧增材制造技術、磁旋弧焊接技術、磁控激光焊接[20-21]。