外加磁場(chǎng)對(duì)高速TIG焊的焊縫成形影響

韓 琦，江淑園，賈斯法，劉啟明，黃 磊

（1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134；2.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

0 引言

不銹鋼按照顯微組織不同可以分為鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼[1]，其在腐蝕性環(huán)境中具有高度化學(xué)穩(wěn)定性，因此被廣泛用于航空航天、醫(yī)療器械、建筑等行業(yè)。普通TIG焊具有電弧燃燒穩(wěn)定、飛濺小、焊縫成形美觀等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)代制造業(yè)中焊接結(jié)構(gòu)件的快速增多，普通TIG焊接速度、生產(chǎn)效率已經(jīng)無(wú)法滿足需求，這就需要提高TIG焊接速度，但高速TIG焊電弧容易后傾，焊縫出現(xiàn)咬邊、駝峰等焊縫表面成形缺陷[2]。為了既能使焊縫成形美觀，保證焊接質(zhì)量，又能提高焊接速度，目前，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)常云龍[3]在高速TIG焊奧氏體不銹鋼實(shí)驗(yàn)中引入橫向磁場(chǎng)，解決了因高速焊引起的咬邊、駝峰現(xiàn)象。山東大學(xué)王林[4]將橫向磁場(chǎng)引入到高速GMAW焊接過(guò)程中，通過(guò)外加磁場(chǎng)抑制熔池內(nèi)后向液體流的動(dòng)量，從而有效抑制駝峰焊道和咬邊，改善焊縫成形。大量研究表明，將磁場(chǎng)引入到高速熔化焊接過(guò)程中，在合理的焊接參數(shù)和一定范圍內(nèi)的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度下，外加磁場(chǎng)可以有效控制焊接電弧形態(tài)和運(yùn)動(dòng)方式，提高電弧“挺度”，從而可獲得良好的焊縫成形和綜合的力學(xué)性能[5，6]。

以上大多數(shù)研究通常是在高速焊接過(guò)程中引入橫向磁場(chǎng)。相比橫向磁場(chǎng)的發(fā)生裝置，縱向磁場(chǎng)的發(fā)生裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低、容易操作、輸出磁場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。本研究以厚度為1.2 mm的409不銹鋼作為焊接母材，對(duì)高速TIG焊接過(guò)程施加不同直流縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分別對(duì)焊接電弧的形態(tài)變化和焊縫成形進(jìn)行了機(jī)理分析。既豐富和完善了磁控焊接技術(shù)理論體系，又具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和參數(shù)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)選用厚度為1.2 mm的409不銹鋼，將其加工成為300 mm×75 mm×1.2 mm的試樣，用砂紙打磨表面露出金屬光澤，如圖1所示，其成分見(jiàn)表1。

表1 409不銹鋼的化學(xué)成分

圖1 409不銹鋼試樣

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中使用日立AD-GP2V交直流兩用脈沖TIG焊機(jī)如圖2所示。圖3是高速攝像頭，主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中磁控高速TIG焊接電弧狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，拍攝速度為1秒鐘2000張。外加縱向磁場(chǎng)裝置示意圖如圖4所示。

圖2 TIG焊機(jī)實(shí)物

圖3 高速攝像頭

圖4 外加縱向磁場(chǎng)裝置示意圖

1.3 焊接參數(shù)

本次進(jìn)行的高速TIG焊接實(shí)驗(yàn)選用的焊接電流為165 A，焊接電壓為10 V，焊接速度為2 m/min，氣體流量為10 L/min。外加直流縱向磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0mT、5.6mT、9.7mT、14.7mT、21.7mT。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外加直流縱向磁場(chǎng)對(duì)高速TIG焊接電弧形態(tài)的影響

通過(guò)高速攝影儀獲取在施加不同磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)高速TIG焊接電弧的形態(tài)，如圖5所示。

圖5 焊接參數(shù)一定，不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下電弧形態(tài)

當(dāng)焊接電流為165 A，焊接電壓為10 V，焊接速度為2 m/min，氣體流量為10 L/min時(shí)，圖5中（a）、（b）、（c）、（d）和（e）分別是磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 mT、5.6mT、9.7mT、14.7mT、21.7mT下的電弧形態(tài)?？梢钥闯?，當(dāng)無(wú)外加磁場(chǎng)作用于高速TIG焊時(shí)，焊接電弧呈自然狀態(tài)的錐形，電弧稍微后傾；當(dāng)有外加磁場(chǎng)作用于高速TIG焊時(shí)，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，電弧逐漸向外擴(kuò)張，半徑增大，電弧形態(tài)由錐形變成下部擴(kuò)張、上部收縮的鐘罩形，此時(shí)電弧的挺度也有所增加，電弧后傾現(xiàn)象有所消除。這是由于高速TIG焊接電弧主要由帶電粒子及中性粒子組成，通常帶電粒子會(huì)受到熱擴(kuò)張力、徑向電場(chǎng)力等合力的作用，沿著電弧徑向方向由電弧中心向外邊緣運(yùn)動(dòng)并與直流縱向磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，在洛倫茲力的作用下，帶電粒子圍繞電弧中心軸線做快速的螺旋線運(yùn)動(dòng)，電弧挺度有所提高，此時(shí)的帶電粒子也會(huì)受到離心力的作用繼續(xù)向電弧外邊緣運(yùn)動(dòng)，宏觀上看磁控高速TIG焊接電弧的形態(tài)整體呈鐘罩形[7]。同時(shí)，由于電弧中帶電粒子及中性粒子的快速運(yùn)動(dòng)，電弧和外加磁場(chǎng)對(duì)熔池進(jìn)行攪拌，起到了細(xì)化焊縫的一次結(jié)晶組織[8]。

2.2 外加直流縱向磁場(chǎng)對(duì)高速TIG焊焊縫成形的影響

在保持焊接電流為165 A，焊接電壓為10 V，焊接速度為2 m/min，氣體流量為10 L/min時(shí)，對(duì)409不銹鋼進(jìn)行高速TIG焊接實(shí)驗(yàn)。圖6（a）（b）分別是無(wú)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為21.7mT時(shí)高速TIG焊的焊縫形貌。

圖6 不同外加縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度下焊縫形貌

顯然，圖6（a）是在無(wú)外加磁場(chǎng)作用下高速TIG焊焊縫形貌，可以明顯看出焊縫表面呈現(xiàn)出不規(guī)則、不均勻的紋路，并出現(xiàn)咬邊、駝峰焊道、不連續(xù)等缺陷。這是由于高速TIG焊接過(guò)程中，電弧陽(yáng)極斑點(diǎn)滯后，電弧容易產(chǎn)生后傾。一方面，高速TIG焊接，熔池內(nèi)的熔融液態(tài)金屬存在時(shí)間短，液態(tài)金屬快速凝固，焊縫兩側(cè)部分缺少足夠的液態(tài)金屬填充，所以易形成咬邊；另一方面，電弧后傾對(duì)熔池內(nèi)熔融的液態(tài)金屬有一定的后排作用，電弧吹力較大時(shí)，甚至?xí)讶鄢貎?nèi)的液態(tài)金屬吹到已經(jīng)凝固的焊縫表面，造成焊縫不連續(xù)、不規(guī)則。圖6（b）是在外加磁場(chǎng)為21.7mT時(shí)的焊縫形貌，此時(shí)焊縫連續(xù)均勻、美觀，不存在咬邊、駝峰焊道、不連續(xù)等缺陷。這說(shuō)明施加一定強(qiáng)度的縱向磁場(chǎng)對(duì)消除焊縫咬邊、駝峰焊道、不連續(xù)等缺陷具有一定作用，與現(xiàn)有的研究通過(guò)施加橫向磁場(chǎng)消除焊縫咬邊和駝峰焊道有相似的效果，如圖7（b）所示[3]。這是因?yàn)橥饧涌v向磁場(chǎng)與焊接電弧內(nèi)帶電粒子相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，在洛倫茲力的作用下，電弧內(nèi)帶電粒子圍繞電弧中心軸線做螺旋線狀快速運(yùn)動(dòng)，增加了電弧的“挺度”，后傾的電弧在一定程度上被拉直，從而減少焊縫出現(xiàn)咬邊、不連續(xù)等缺陷。

圖7 不同外加橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度下焊縫形貌

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于高速TIG焊接出現(xiàn)的焊接電弧后傾，焊縫成形差，易產(chǎn)生咬邊、駝峰焊道、不連續(xù)等表面缺陷，通過(guò)引入一定強(qiáng)度的外加縱向磁場(chǎng)，焊接電弧后傾現(xiàn)象減弱，同時(shí)，焊縫成形好，咬邊、駝峰焊道、不連續(xù)等現(xiàn)象消除。

（1）無(wú)外加磁場(chǎng)的普通高速TIG焊，在一定焊接參數(shù)下，焊接電弧呈自然狀態(tài)錐形且后傾。焊縫則出現(xiàn)咬邊、不連續(xù)等缺陷。

（2）當(dāng)焊接參數(shù)一定時(shí)，施加合理范圍內(nèi)的外部縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度，高速TIG焊接電弧由無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)自然狀態(tài)的錐形變成下部擴(kuò)張、上部收縮的鐘罩形。

（3）當(dāng)焊接參數(shù)一定時(shí)，施加合理范圍內(nèi)的外部縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度，高速TIG焊焊縫表面呈規(guī)則的魚(yú)鱗紋狀，且連續(xù)均勻、無(wú)咬邊缺陷。