磁控Plasma-FCAW 水下復合焊工藝焊縫成形分析

王波，楊帆，李連波，張洪濤，鄧清文

(1.哈爾濱工業(yè)大學,先進焊接與連接國家重點實驗室,哈爾濱,150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(威海),山東省特種焊接技術重點實驗室,威海,264209；3.山東船舶技術研究院,威海,264209；4.海洋石油工程股份有限公司,天津,300451)

0 序言

近年來，隨著世界范圍內海洋油氣資源的深入開發(fā)和利用，大量的水下結構建造和修復工作對水下焊接效率和質量提出了更高的要求[1-2].其中水下藥芯焊絲電弧焊(flux cored arc welding，FCAW)作為目前應用較為廣泛的水下濕法焊接技術，具有設備簡便、成本低廉、適用性強等優(yōu)勢[3-4].然而，由于水下焊接環(huán)境的特殊傳熱特性，造成了水下FCAW 工藝焊縫成形較差；同時傳統的FCAW 工藝主要通過控制焊接電流實現焊絲熔敷效率的增加[5]，而焊接電流的增加會受到水下復雜環(huán)境因素以及工藝自身特性的嚴重限制.水環(huán)境中焊接熔池金屬的冷卻速率、熱循環(huán)過程與陸上環(huán)境差異較大，導致水下傳統的FCAM 工藝焊接效率和焊縫成形能力提升受到限制.此外，水下焊接工藝中的焊縫成形及其截面幾何特征與焊接接頭的力學性能密切相關[6-7].為解決上述問題，國內外學者先后提出了同軸等離子-FCAW 復合水下焊[8]、外部附加熱場水下焊接[9]、超聲輔助水下濕法焊[10]等一系列焊接新工藝，旨在通過施加外部能場調控水下焊接傳熱傳質過程焊縫熱循環(huán)，進而達到改善水下焊縫成形、提升焊接效率和優(yōu)化接頭力學性能的目的.

針對目前現有單一熱源水下焊接存在的焊接效率低、成形能力差等問題，文中提出了一種新型的水下旁軸等離子-藥芯焊絲電弧復合焊（plasma-flux cored arc welding，Plasma-FCAW）方法，系統研究了主要工藝參數對焊縫成形的影響.該工藝在保留等離子弧焊工藝(plasma arc welding，PAW)深熔特性與FCAW 工藝高效、高熔敷率的同時，可通過輔助磁場實現了兩電弧的柔性耦合.在焊接過程中，高能量密度的等離子弧對工件起到預熱的效果，降低焊縫金屬冷卻速率；等離子弧的深熔效應可增加焊接熔深，提升焊接效率.該工藝對實際水下焊接工藝效率提升、接頭焊接熱輸入、熱循環(huán)過程控制以及接頭力學性能優(yōu)化等方面均具有積極效果.

1 試驗方法

試驗所用Plasma-FCAW 水下復合焊接試驗系統如圖1 所示，系統主要由復合焊炬、等離子焊接電源、FCAW 焊接電源、運動平臺以及試驗水槽構成.其中FCAW 電源型號為LORCH S8 RoBoMIG；等離子焊接電源為自行研制，輸出電流為5～ 280 A.試驗水槽外壁尺寸為800 mm × 150 mm × 400 mm，試驗過程槽內水深200 mm 且工件放置在距離水面50 mm 處.考慮到焊接過程中水溫升高會對試驗產生不利影響，整個試驗過程中使用工業(yè)冷水機對槽內水介質進行冷卻并維持水溫在20 ℃.試驗過程中，復合焊炬保持在固定位置，等離子弧在前，并通過運動平臺實現工件的直線運動.焊炬入水前引燃等離子的小弧(維持電弧)，并在焊炬到達焊接起始點后引燃等離子主弧.

圖1 Plasma-FCAW 水下復合焊試驗系統Fig.1 Plasma-FCAW underwater hybrid welding system

試驗母材采用規(guī)格200 mm × 50 mm × 8 mm的Q355B 低碳鋼板.選用牌號為CHT81Ni1 藥芯焊絲，焊絲直徑為1.2 mm.采用平板堆焊方式進行工藝試驗，試驗過程中采用150 mm/min 的恒定焊接速度，等離子噴嘴軸線垂直于工件且端面距離工件表面5 mm，工藝參數如表1 所示.使用99.99%Ar 作為離子氣體，焊接過程中不施加其它保護氣體.在等離子弧和FCAW 電弧兩側施加兩組電磁場，用于調控兩個電弧由于極性不同導致的電磁排斥問題，并使用特斯拉計測量等離子噴嘴軸線正下方5 mm 處的磁場強度.

表1 焊接工藝試驗參數Table 1 Welding process parameters

2 調控磁場設計與電弧受力分析

根據水下焊接工況設計的Plasma-FCAW 復合焊炬實物及其細節(jié)設計如圖2 所示.復合焊工藝原理示意圖如圖3 所示.由于焊接過程中PAW 工藝采用直流正接，而FCAW 工藝采用直流反接，兩種焊接工藝電弧電流方向相反，兩個電弧距離較近時發(fā)生嚴重的排斥現象.因此需要在兩電弧連線平面兩側施加外部磁場迫使兩個電弧相互靠攏，進而實現等離子弧與FCAW 電弧的柔性復合[11].

圖2 Plasma-FCAW 復合焊炬Fig.2 Plasma-FCAW underwater hybrid welding torch.(a) front view;(b) side view;(c) profile display

圖3 Plasma-FCAW 水下復合焊工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of Plasma-FCAW underwater hybrid welding

基于此目的設計的異形磁極對稱分布在等離子電弧和FCAW 電弧軸線連線平面兩側(圖2a 和圖2b)，勵磁電流通過線圈和異形磁極在電弧兩側產生平行磁場B.由焊接電流產生的電磁斥力F嚴重影響了電弧的弧根位置和熔滴受力狀態(tài)，尤其對FCAW 電弧的傳熱傳質過程影響巨大[12].在不考慮水下焊接環(huán)境的條件下，F可由式(1)計算.

式中：μ為真空磁導率；IF和IP分別為FCAW 電弧和等離子電弧中的電流；D為兩電弧軸心間距.

施加外部橫向調控磁場后對兩電弧產生的相互作用力F'可由式(2)計算.

式中：B為施加在電弧兩側的磁場強度.

由于等離子電弧為拘束電弧，具有相對較好的電弧挺度，因此受到電磁斥力的影響較小.而FCAW 電弧為自由電弧，受到電磁斥力的影響極大.施加調控磁場后FCAW 電弧的受到的合力F″可由式(1)和式(2)計算，即

由式(3)可知，復合焊接過程中在IF和IP確定的情況下，FCAW 電弧的受力狀態(tài)和電弧間距D主要取決于調控磁場強度B.使用特斯拉計對圖4中測試點(黑點位置)的磁場強度進行測定，根據測量結果繪制的勵磁電流Ie與測試位置磁場強度的關系如圖4 中曲線所示.由圖4 可知，在施加的勵磁電流Ie在0.3～ 1.8 A 參數范圍內調節(jié)時，測試點磁場強度在1.7～ 3.3 mT 范圍內近似呈線性變化.

圖4 不同勵磁電流下測試位置的磁場強度Fig.4 Magnetic field strength under different excitation current

3 試驗結果與討論

3.1 調控磁場強度對焊縫成形的影響

圖5 為磁場強度(使用勵磁電流表示)對焊縫成形及其橫截面形貌的影響.復合電弧耦合過程的穩(wěn)定性對焊縫成形具有決定性影響，由于水下焊接環(huán)境中直接獲取電弧形態(tài)難度較大，因此文中通過焊縫最終成形特征驗證焊接過程的電弧穩(wěn)定性.從圖5a 可以看出，在無磁場條件下焊縫成形受到電弧排斥作用影響而發(fā)生熔池和焊縫偏移現象，出現蛇形焊縫；從焊縫截面可以觀察到氣孔.隨著磁場強度的增加，焊縫偏移和氣孔缺陷消失，并在勵磁電流1.8 A 下(磁場強度為3.3 mT)具有良好的對稱性焊縫成形.

圖5 不同磁場強度下焊縫成形及其橫截面形貌Fig.5 Weld formation and cross-section morphology under different magnetic field intensities.(a)without magnetic field;(b) Ie=0.6 A;(c) Ie=1.2 A;(d) Ie=1.8 A

調控磁場強度(對應圖4 勵磁電流與磁場強度關系)對焊縫熔深和熔寬的影響，如圖6 所示.結果表明，調控磁場強度的改變對焊縫熔深和熔寬會造成不同程度的影響，且熔深與熔寬的變化呈現相反趨勢.其原因主要是調控磁場的變化對拘束電弧(等離子弧)偏離原始電弧軸線的程度會產生一定影響，而自由電弧(FCAW 弧)受到的影響相對較大.焊接熔深主要取決于等離子弧的熱力作用，焊縫熔寬和余高則主要為FCAW 電弧帶來的金屬沉積.在相同工藝參數下，單位時間單位截面區(qū)域的沉積金屬體積是相同的，因此在磁場強度變化過程中會出現熔深增加熔寬下降和熔深降低熔寬增加的現象.

圖6 勵磁電流(磁場強度)對焊縫熔寬、熔深的影響Fig.6 Influence of magnetic field intensity (excitation current) on weld width and penetration

3.2 等離子電流對焊縫成形的影響

圖7 為等離子電流對焊縫成形及其橫截面形貌的影響.在等離子電流60～ 140 A 區(qū)間范圍內，均可獲得成形均勻、連續(xù)焊縫，且未出現蛇形焊縫，工件表面出現少許飛濺，焊縫截面未觀察到氣孔及裂紋.

圖7 等離子電流對焊縫成形及其橫截面形貌的影響Fig.7 Effect of plasma current on weld forming and cross-section morphology.(a) 60 A;(b) 80 A;(c)100 A;(d) 120 A;(e) 140 A

結合圖8 中不同等離子焊接電流下的焊縫熔深、熔寬統計結果以及對兩個電弧相互作用的分析可知，等離子電流為60 和80 A 時熔深淺，余高大；等離子電流為120 和140 A 時，焊縫出現咬邊；等離子電流為100 A 時成形最好，焊縫表面幾乎無飛濺，焊縫成形連續(xù)均勻.等離子電流超過80 A 后焊縫熔寬變化區(qū)域穩(wěn)定，熔深與等離子電流近似呈線性增長，表明等離子電流的變化在水下復合焊接過程中主要起到增強深熔焊接能力和改善復合焊接過程穩(wěn)定性的作用.

圖8 等離子電流對焊縫熔寬、熔深的影響Fig.8 Influence of plasma current on weld width and penetration

3.3 FCAW 電弧電壓對焊縫成形的影響

FCAW 采用電壓和送絲速度二元化調節(jié)模式，FCAW 電弧電壓對焊縫成形及其橫截面形貌的影響如圖9 所示.FCAW 電弧電壓在25～ 33 V 的變化區(qū)間內，均可以實現較為穩(wěn)定的水下焊接過程.FCAW 電弧電壓較小時焊縫表面成形較差，歸因于電弧長度過短.電弧長度隨著FCAW 電弧電壓增加而同步增長，但電弧長度過大會出現飛濺增加等問題.

圖9 FCAW 電弧電壓對焊縫成形及其橫截面形貌的影響Fig.9 Effect of FCAW arc voltage on weld forming and cross-section morphology.(a) 25 V;(b) 27 V;(c)29 V;(d) 31 V;(e) 33 V

圖10 為FCAW 電弧電壓對焊縫熔寬、熔深的影響.從圖10 可以看出，FCAW 電弧電壓對焊縫熔寬的影響較小，而對焊縫熔深的影響較大，產生這種差異的原因在于熔化極氣保焊的工藝特性.在FCAW 電弧電壓增加時伴隨著電弧長度的增加.由于FCAW 電弧為自由非約束電弧，因此在電弧長度增加后會導致弧根圓半徑的增加，造成電弧力分布面積變大，進而導致深熔下降.而在此過程中，變化的電弧長度和弧根圓半徑直接影響電弧對工件在焊接過程中的傳熱傳質效率.由于外界水環(huán)境的存在導致熔池外側區(qū)域出現劇烈的換熱過程，FCAW 電弧長度的變化不足以對水環(huán)境下的熔池提供向外側擴展的驅動力，因此焊縫熔寬的統計結果趨向于平穩(wěn).最終根據工藝試驗結果，在所選用工藝參數下，FCAW 電弧電壓達到 29 V 時，焊縫成形較好.

圖10 FCAW 電弧電壓對焊縫熔寬、熔深的影響Fig.10 Influence of FCAW arc voltage on weld width and penetration

3.4 FCAW 送絲速度對焊縫成形的影響

圖11 為FCAW 送絲速度對焊縫成形及其橫截面形貌的影響.對于FCAW 焊接方法，送絲速度的變化直接決定焊接過程中填充金屬進入焊縫的體積和質量.送絲速度(4 m/min)過小時，焊縫出現明顯的不均勻成形，并在焊縫中間位置出現由于熔滴過渡不穩(wěn)定導致的焊接缺陷.隨著送絲速度(6 m/min)的逐步增加，焊縫表面成形缺陷消失，焊縫成形連續(xù)均勻.但隨著送絲速度(8 m/min)的繼續(xù)增加，焊縫出現輕微咬邊缺陷.

圖11 FCAW 送絲速度對焊縫成形及其橫截面形貌的影響Fig.11 Effect of FCAW wire feeding speed on weld forming and cross-section morphology.(a) 4 m/min;(b) 5 m/min;(c) 6 m/min;(d) 7 m/min;(e)8 m/min

圖12 為FCAW 送絲速度對焊縫熔深、熔寬的影響.FCAW 送絲速度的變化直接影響焊接電流的變化，進而影響到焊接熱輸入的改變.對于FCAW焊接方法，送絲速度的變化直接決定單位時間內填充金屬進入焊接熔池中的體積.因此在焊接過程穩(wěn)定的情況下，FCAW 送絲速度與焊縫熔深、熔寬在穩(wěn)定焊接參數區(qū)間內近似呈線性關系.

圖12 FCAW 送絲速度對焊縫熔寬、熔深的影響Fig.12 Influence of FCAW wire feeding speed on weld width and penetration

3.5 不同焊接工藝下焊縫成形特征

基于上述工藝試驗獲取的優(yōu)化工藝參數對水下Plasma-FCAW 復合焊接、PAW、FCAW 3 種焊接工藝下的焊縫成形進行對比研究，焊縫成形及其橫截面宏觀形貌如圖13 所示.由圖13 可知，與Plasma-FCAW 復合焊工藝的穩(wěn)定成形相比，PAW 工藝焊縫出現周期性斷續(xù)凹坑，且從焊縫截面可以觀察到在熔池底部出現空洞缺陷，這是等離子弧在大電流下電弧壓力大且集中的直接表現.而FCAW 工藝形成的焊縫邊緣飛濺較多，且焊縫截面呈非對稱形狀，說明該工藝成形穩(wěn)定性相對較差.

圖13 不同焊接工藝下焊縫成形及其橫截面形貌Fig.13 Weld forming and cross-section morphology of different welding processes.(a) Plasma-FCAW;(b) PAW;(c) FCAW

分別對3 種焊接工藝下的焊縫截面幾何特征參數(熔寬、熔深、余高、深寬比和熔深/余高比值)進行統計，統計結果如圖14 所示.從圖14 可以看出，在熔深方面，plasma-FCAW 復合焊工藝略低于PAW 工藝，而相比于FCAW 工藝熔深增加達到40%，在實際應用中熔深對焊接效率和水下結構焊接性具有決定性作用.此外，兩者深寬比幾乎相同，結合其它焊縫橫截面結合特征參數可以推斷，plasma-FCAW 復合焊工藝相較于FCAW，在保證焊接過程穩(wěn)定性的同時焊接效率可以得到顯著提升.

圖14 不同焊接工藝下焊縫橫截面特征參數Fig.14 Characteristic parameters of cross-section weld morphology of different welding processes

4 結論

(1) 基于PAW 和FCAW 工藝方法通過外部磁場調控策略設計并提出了水下Plasma-FCAW 復合焊工藝，分析并驗證了外部調控磁場與所施加勵磁電流之的關系.結果表明，勵磁電流在0.3～ 1.8 A區(qū)間變化時，耦合電弧下方位置磁場強度為1.7～3.3 mT，且兩者之間近似呈線性關系.

(2) 研究了主要焊接工藝參數對水下Plasma-FCAW 復合焊焊縫成形及其橫截面幾何特征的影響.結果表明，外部調控磁場和FCAW 電弧電壓對水下復合焊接過程穩(wěn)定性的影響較大,磁場強度達到3.3 mT 時焊接過程較為穩(wěn)定；等離子電流和FCAW 電弧電壓主要影響焊縫熔深，而FCAW 送絲速度則對焊縫熔深和熔寬均有較大影響.

(3) 相比于水下FACW 工藝，Plasma-FCAW 復合焊工藝在具有幾乎相同深寬比條件下焊接熔深增加達到40%，且焊縫橫截面成形對稱性較好，表明Plasma-FCAW 復合焊在實際應用中具有更高的焊接效率和焊接穩(wěn)定性.