尖角磁場(chǎng)極性對(duì)雙鎢極氬弧焊電弧形態(tài)和焊縫特征的影響

劉潤(rùn)濤，朱言利，王澤力，劉黎明

(大連理工大學(xué) 遼寧省先進(jìn)連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連,116024)

0 序言

雙鎢極氬弧焊(Twin-electrode TIG，T-TIG)作為一種新型焊接方法，具有獨(dú)特的鎢極結(jié)構(gòu)，由兩臺(tái)電源供電，在兩個(gè)鎢極之間形成一個(gè)耦合電弧，具有自動(dòng)化程度高、適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，正在被越來(lái)越多的研究者重視[1-3].研究表明TTIG 比傳統(tǒng)TIG 電弧具有更低的電弧壓力和更穩(wěn)定的熔池特征[4].同時(shí)在大電流焊接時(shí)，由于TTIG 的電弧壓力較小，能有效地減小熔穿、駝峰等缺陷，從而實(shí)現(xiàn)高效焊接[5-6].然而，T-TIG 電弧比較發(fā)散，能量利用率較低，焊接熔深淺.因此，有必要優(yōu)化T-TIG 能量分布，進(jìn)一步提高其生產(chǎn)效率.

外加磁場(chǎng)具有成本低，安裝靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在改善電弧能量分布方面有很大優(yōu)勢(shì)[7-9].LIU 等人[10-11]將尖角磁場(chǎng)作用于K-TIG (Keyhole TIG)，結(jié)果表明尖角磁場(chǎng)可以使K-TIG 電弧形態(tài)約束為橢圓形，提高電弧電壓及降低熱輸入.ZHU 等人[12-13]通過(guò)將自行設(shè)計(jì)的尖角磁場(chǎng)作用于T-TIG，發(fā)現(xiàn)外加磁場(chǎng)能夠有效增強(qiáng)小電流T-TIG 的公共導(dǎo)電通道特性，以及優(yōu)化大電流T-TIG 電弧的能量分配，從而提高焊絲熔敷率.然而，現(xiàn)有的研究大都集中在磁場(chǎng)對(duì)單電極電弧或其熔池的影響，而對(duì)TTIG 的影響也只是通過(guò)單一極性磁場(chǎng)對(duì)其電弧進(jìn)行調(diào)控，利用變極性磁場(chǎng)對(duì)T-TIG 進(jìn)行調(diào)控的研究并沒(méi)有提及，因此通過(guò)對(duì)T-TIG 施加兩種不同極性的尖角磁場(chǎng)，進(jìn)而研究其對(duì)T-TIG 電弧形態(tài)和焊縫特征的影響.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 為尖角磁場(chǎng)輔助T-TIG 焊接系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)主要由兩臺(tái)焊接電源、磁控裝置(包括勵(lì)磁電源、勵(lì)磁線圈)及攝像裝置組成.兩臺(tái)電源分別對(duì)兩把焊槍供電，并獨(dú)立可調(diào)，同時(shí)通過(guò)自行設(shè)計(jì)的夾具對(duì)焊槍進(jìn)行夾緊，可以調(diào)整焊槍角度，高度和鎢極間距.焊接采用平板堆焊的形式，母材選用規(guī)格為100 mm × 100 mm × 8 mm 的Q345 鋼，母材化學(xué)成分見(jiàn)表1.保護(hù)氣體為純Ar 氣，氣體流量為12 L/min，具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2.

圖1 焊接系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of welding system

表1 母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of base metal

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

焊接過(guò)程中利用MS50K 高速攝像機(jī)對(duì)電弧形態(tài)進(jìn)行采集，參數(shù)設(shè)置為曝光時(shí)間400 μs，采集窗口大小320 pixel × 240 pixel，幀頻2 000 幀/s.同時(shí)利用非接觸式SAT-G95 紅外攝像儀對(duì)焊接過(guò)程中焊縫平均溫度進(jìn)行采集，該設(shè)備具有選區(qū)測(cè)溫和實(shí)時(shí)采集功能，設(shè)置測(cè)距為1 m，輻射率為0.84，環(huán)境溫度設(shè)定為15 ℃.

1.2 磁發(fā)生裝置

圖2 為磁發(fā)生裝置，采用的線圈匝數(shù)為6 匝，線圈內(nèi)置直徑為8 mm 的鐵芯，外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以通過(guò)改變勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié).勵(lì)磁線圈中的磁場(chǎng)將通過(guò)底部的四個(gè)厚度為4 mm 導(dǎo)磁桿引至焊接電弧，利用高斯計(jì)測(cè)量導(dǎo)磁桿端部的磁感應(yīng)強(qiáng)度，尖角磁場(chǎng)加入到電弧中，與焊接電流相作用，從而控制焊接電弧和熔池流動(dòng)行為.同時(shí)線圈內(nèi)通以循環(huán)水，防止大電流條件下線圈過(guò)熱.

圖2 磁發(fā)生裝置Fig.2 Magnetic generating device

通過(guò)變換極性來(lái)形成兩種不同方向的尖角磁場(chǎng)，如圖3 所示，按平行于鎢極排列方向(x軸)上磁場(chǎng)分布的不同，分為正極性尖角磁場(chǎng)(圖3a)和負(fù)極性尖角磁場(chǎng)(圖3b)，即沿x軸方向磁場(chǎng)分布為順時(shí)針是正極性尖角磁場(chǎng)，沿x軸方向磁場(chǎng)分布為逆時(shí)針是負(fù)極性尖角磁場(chǎng)，從而探究其對(duì)T-TIG 電弧形態(tài)和焊縫特征的影響規(guī)律.

圖3 不同極性的磁場(chǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of magnetic fields of different polarities.(a) positive cusp magnetic field;(b)negative cusp magnetic field

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 尖角磁場(chǎng)極性對(duì)T-TIG 電弧形態(tài)的影響

圖4 是從xOz面和yOz面觀察到的T-TIG 電弧形態(tài).經(jīng)過(guò)施加正極性尖角磁場(chǎng)(圖4c)，耦合電弧在xOz面出現(xiàn)了整體收縮現(xiàn)象，電弧寬度減小.通過(guò)表3 的電弧尺寸可以發(fā)現(xiàn)，電弧寬度由原來(lái)的9.97 mm 變成了8.27 mm，減小了17.1%.施加負(fù)極性尖角磁場(chǎng)(圖4e) 后，耦合電弧整體擴(kuò)張，電弧寬度達(dá)到10.95 mm，增加9.8%；另外經(jīng)過(guò)正極性尖角磁場(chǎng)(圖4d) 的施加，耦合電弧在yOz面進(jìn)行了整體擴(kuò)張，電弧尺寸由初始的8.39 mm 變?yōu)?0.13 mm，增大20.7%.施加負(fù)極性尖角磁場(chǎng)(圖4f)后，耦合電弧在該面有了整體壓縮現(xiàn)象，電弧寬度變?yōu)?.15 mm，減小14.8%.可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)正極性尖角磁場(chǎng)的施加，T-TIG 電弧寬度在xOz面和yOz面的變化程度都要比負(fù)極性尖角磁場(chǎng)的大.

圖4 T-TIG 電弧形態(tài)變化Fig.4 Morphological change of T-TIG arc.(a) arc shape of xOz surface without magnetic field;(b) arc shape of yOz surface without magnetic field;(c) arc shape of xOz surface with positive cusp magnetic field;(d) arc shape of yOz surface with positive cusp magnetic field;(e) arc shape of xOz surface with negative cusp magnetic field;(f)arc shape of yOz surface with negative cusp magnetic field

表3 電弧寬度Table 3 Arc width mm

通過(guò)上述試驗(yàn)現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)尖角磁場(chǎng)對(duì)TTIG 的電弧形態(tài)有影響，因此構(gòu)建電弧物理模型對(duì)其進(jìn)一步解釋，并采用正極性尖角磁場(chǎng)進(jìn)行說(shuō)明.圖5 顯示了雙鎢極與尖角磁場(chǎng)之間的相對(duì)位置以及各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其中B代表T-TIG 各電極產(chǎn)生的自感應(yīng)磁場(chǎng)，而B(niǎo)A代表外部施加的尖角磁場(chǎng)，假設(shè)電流方向垂直紙面向外，則根據(jù)安培定則，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針.

圖5 施加尖角磁場(chǎng)前后T-TIG 磁場(chǎng)分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of T-TIG magnetic field distribution before and after applying a cusp magnetic field.(a) before applying cusp magnetic field;(b) after applying cusp magnetic field

對(duì)于T-TIG 來(lái)說(shuō)，首先受到自感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的自磁收縮力FE作用，可以表示為[12]

式中：I為各電極電流；r為帶電粒子的位置；J(r)為電流密度；B(r)為自感應(yīng)磁通密度；μ0為自由空間磁導(dǎo)率；R為弧柱半徑；σI為焊接電流的分布系數(shù)；FE指向電弧中心，維持電弧在固定的位置.TTIG 的每一個(gè)電極也受到來(lái)自另一個(gè)電極的作用力FD影響，可以表示為[14]

式中：ID為另一個(gè)電極的電流；BD為另一個(gè)電極的磁通密度；D為兩個(gè)電極之間的距離；FD指向耦合電弧的中心軸，從而使得兩個(gè)電弧具有向中心軸聚集的趨勢(shì).每個(gè)電極還受到外部尖角磁場(chǎng)產(chǎn)生的作用力FA，可以表示為

式中：BA為外部磁通密度.尖角磁場(chǎng)產(chǎn)生的作用力FA加強(qiáng)了T-TIG 電弧左右側(cè)的電磁收縮力，同時(shí)減弱了其前后側(cè)的電磁收縮力，所以使T-TIG 電弧左右側(cè)被壓縮，前后側(cè)出現(xiàn)擴(kuò)張.這與正極性磁場(chǎng)使電弧在xOz面壓縮，在yOz面擴(kuò)張，而負(fù)極性磁場(chǎng)使電弧在xOz面擴(kuò)張，在yOz面壓縮的現(xiàn)象符合.

2.2 尖角磁場(chǎng)對(duì)T-TIG 焊接溫度場(chǎng)的影響

尖角磁場(chǎng)使T-TIG 電弧形態(tài)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致電弧能量分布改變，表現(xiàn)為電弧作用到焊縫上，使焊縫溫度場(chǎng)產(chǎn)生改變，因而可以通過(guò)研究焊縫溫度場(chǎng)的變化來(lái)間接說(shuō)明尖角磁場(chǎng)對(duì)T-TIG 焊縫特征的影響.為了使表征結(jié)果具有針對(duì)性，采取對(duì)T-TIG施加正極性尖角磁場(chǎng)來(lái)完成溫度場(chǎng)測(cè)量操作.如圖6所示，電弧熄滅3 s 后利用紅外攝像儀進(jìn)行拍攝，在焊縫上等距選取三個(gè)位置，沿著母材至焊縫再到母材的方向進(jìn)行溫度值測(cè)量，從而獲得圖7 所示的溫度變化曲線.

圖6 位置分布示意圖Fig.6 Location distribution diagram

從位置1 溫度變化(圖7a) 來(lái)看，經(jīng)過(guò)施加正極性磁場(chǎng)后，溫度分布呈現(xiàn)向中心靠攏的現(xiàn)象；位置2 溫度變化(圖7b) 表明，經(jīng)過(guò)正極性磁場(chǎng)的施加，曲線變得更加陡峭，溫度梯度變大；位置3 溫度變化(圖7c)說(shuō)明磁場(chǎng)使溫度分布曲線有了明顯的收縮，曲線整體斜率變大.

圖7 焊縫不同位置溫度曲線Fig.7 Temperature curves of different positions of the weld.(a) temperature curve at position 1;(b) temperature curve at position 2;(c) temperature curve at position 3

可以看出，經(jīng)過(guò)正極性磁場(chǎng)的施加后，三個(gè)位置的溫度曲線都有了整體收縮的趨勢(shì)，同時(shí)曲線尖端更加突出，表示尖角磁場(chǎng)使溫度分布更加集中，這與正極性尖角磁場(chǎng)在xOz面對(duì)T-TIG 進(jìn)行壓縮的特性符合(圖4c).

2.3 尖角磁場(chǎng)極性對(duì)T-TIG 焊縫成形的影響

圖8 為不同極性的尖角磁場(chǎng)作用于T-TIG 的焊縫橫截面對(duì)比.從焊縫截面來(lái)看，經(jīng)過(guò)對(duì)T-TIG施加尖角磁場(chǎng)后，焊縫熔深有了不同程度的變化.未施加磁場(chǎng)時(shí)焊縫熔深為1.94 mm(圖8a)，經(jīng)過(guò)正極性尖角磁場(chǎng)的施加之后，焊縫熔深達(dá)到2.66 mm(圖8b)，增長(zhǎng)37.1%，熔寬基本變化不大.經(jīng)過(guò)對(duì)TTIG 施加負(fù)極性尖角磁場(chǎng)后，焊縫熔深變?yōu)?.89 mm(圖8c)，無(wú)明顯變化，熔寬有所提高.因此，正極性尖角磁場(chǎng)更有利于焊縫熔深的增加.

圖8 焊縫橫截面對(duì)比Fig.8 Weld cross section comparison.(a) no magnetic field applied;(b) apply positive cusp magnetic field;(c) apply negative cusp magnetic field

熔深的改變主要是由于作用在熔池表面的力的效果，而作用力中起關(guān)鍵作用的是電弧壓力.耦合電弧中心軸上的電弧壓力Py=0可以表示為[15-16]

式中：ρ表示等離子體密度；vy=0為等離子體流速；Jy=0表示耦合電弧中軸線上的電流密度；e表示電子電量；k表示玻爾茲曼常數(shù)；T為電弧等離子體溫度；me表示電子質(zhì)量；ne為電子密度；E表示電場(chǎng)強(qiáng)度；λ為自由程.

可見(jiàn)，電流密度與電子密度和電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)相關(guān)，而外加正極性尖角磁場(chǎng)單側(cè)壓縮了T-TIG 電弧，提高了中心區(qū)域電子密度[12]，同時(shí)Liu 等人[11]的研究證實(shí)了電弧被單側(cè)壓縮后，電弧電壓增加，由式(9)可得電流密度提高，結(jié)合式(7)和式(8)可知電弧壓力增加，進(jìn)而增加T-TIG 對(duì)母材的沖擊作用，有利于提高熔深.

2.4 尖角磁場(chǎng)極性對(duì)T-TIG 組織影響

圖9 為不同尖角磁場(chǎng)下T-TIG 熱影響區(qū)和焊縫區(qū)組織.在熱影響區(qū)組織中，除了存在鐵素體(F)和珠光體(P)外，同時(shí)在晶界處存在羽毛狀的上貝氏體組織(UB)，另外相比于未加磁場(chǎng)的晶粒，平均晶粒大小為78.27 μm，而施加正極性磁場(chǎng)后平均晶粒大小為53.63 μm，施加負(fù)極性尖角磁場(chǎng)后平均晶粒大小為50.66 μm，可見(jiàn)兩種磁場(chǎng)下的晶粒大小都有了較小程度的細(xì)化(圖9c、圖9e)；焊縫區(qū)的組織基本與熱影響區(qū)一致，主要為鐵素體、珠光體與上貝氏體組織，無(wú)明顯變化.未加磁場(chǎng)時(shí)焊縫區(qū)平均晶粒大小為120.97 μm，施加正極性磁場(chǎng)后平均晶粒大小為118.28 μm，施加負(fù)極性磁場(chǎng)后平均晶粒大小為118.38 μm，作用兩種尖角磁場(chǎng)后，焊縫區(qū)晶粒大小無(wú)明顯變化(圖9d、圖9f).

圖9 顯微組織形貌對(duì)比Fig.9 Microstructure and morphology comparison.(a) microstructure of heat affected zone without magnetic field;(b)microstructure of weld zone without magnetic field;(c) microstructure of weld zone with positive cusp magnetic field;(d) microstructure of weld zone positive cusp magnetic field;(e) microstructure of heat affected zone with negative cusp magnetic field;(f) microstructure of weld zone with negative cusp magnetic field

2.5 能量利用效率的定量分析

根據(jù)3 種焊接模式下的焊縫截面可以發(fā)現(xiàn)，焊縫熔深有了變化，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)由熱源提供的能量有所改變，因此采用能量利用效率Em來(lái)定量進(jìn)行表征，表示為[17]

式中：Em表示能量利用效率；v為焊接速度；S為接頭橫截面積；ρ為材料密度；c為比熱容；Tm為熔點(diǎn)；T0為室溫；H為熔化潛熱，從而得到表4 中數(shù)據(jù).

表4 能量利用效率相關(guān)參數(shù)Table 4 Parameters related to energy utilization efficiency

可以發(fā)現(xiàn)，施加正極性尖角磁場(chǎng)后，能量利用效率比未施加時(shí)提高了31.6%，而施加負(fù)極性磁場(chǎng)后，能量利用效率改變了5.3%，無(wú)明顯變化.這是因?yàn)檎龢O性尖角磁場(chǎng)使能量更為集中，增加了焊縫熔深，單位時(shí)間內(nèi)熔化母材更多，接頭橫截面積提高，因而能量利用效率更大.

3 結(jié)論

(1)T-TIG 耦合電弧受到來(lái)自外部尖角磁場(chǎng)產(chǎn)生的作用力，從而正極性磁場(chǎng)使電弧在xOz面壓縮，在yOz面擴(kuò)張，負(fù)極性磁場(chǎng)正好相反.綜合兩種磁場(chǎng)對(duì)T-TIG 電弧在xOz面和yOz面的影響，正極性磁場(chǎng)對(duì)電弧形態(tài)的影響更顯著.

(2)外加尖角磁場(chǎng)使T-TIG 溫度場(chǎng)更集中，同時(shí)對(duì)T-TIG 施加正極性磁場(chǎng)，可以使焊縫熔深增加37.1%，而施加負(fù)極性磁場(chǎng)后熔深無(wú)明顯變化.兩種磁場(chǎng)對(duì)T-TIG 焊接熱影響區(qū)組織有細(xì)化作用.

(3)施加正極性磁場(chǎng)可以提高能量利用效率，與未施加時(shí)相比增加31.6%，而施加負(fù)極性磁場(chǎng)后能量利用效率無(wú)明顯變化.