畢學(xué)松 馬瑞芳 孫 瀟

(唐山開元焊接自動化技術(shù)研究所有限公司, 河北 唐山 063000)

工藝參數(shù)對TIG-MIG復(fù)合電弧焊接過程的影響

畢學(xué)松 馬瑞芳 孫 瀟

(唐山開元焊接自動化技術(shù)研究所有限公司, 河北 唐山 063000)

搭建TIG-MIG復(fù)合焊試驗(yàn)平臺，分別改變焊接電流、焊槍夾角及電弧間距等參數(shù)進(jìn)行系列焊接試驗(yàn)，研究了該復(fù)合焊工藝特點(diǎn)。結(jié)果表明，TIG-MIG復(fù)合焊能夠?qū)崿F(xiàn)純氬氣保護(hù)下的穩(wěn)定焊接，并且TIG弧的電流需要大于MIG弧電流；焊槍夾角對焊接過程和焊縫成形影響不明顯；電弧間距影響焊縫成形特點(diǎn)，試驗(yàn)確定間距約為5 mm時焊接效果最佳。

TIG-MIG復(fù)合焊 電弧 焊接電流 焊縫成形

0 序 言

提高焊接效率和焊縫質(zhì)量一直是焊接領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向之一。復(fù)合熱源焊接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效和高質(zhì)焊接有效途徑之一，近年來相關(guān)研究較多，如激光-電弧復(fù)合焊，等離子-MIG復(fù)合焊，TIG-MIG復(fù)合焊等[1-2]。其中TIG-MIG復(fù)合電弧焊技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)TIG和MIG焊接的局限性，表現(xiàn)出焊縫質(zhì)量高和焊接效率高的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

針對多種工程應(yīng)用場合，已出現(xiàn)了多種TIG電弧和MIG電弧復(fù)合焊接方法。王軍等人[3]提出TIG-MIG間接電弧技術(shù)，在降低了母材熱輸入同時提高了焊接效率。石玗等人[4-5]將TIG電弧旁路耦合在MIG電弧一側(cè)或兩側(cè)，旁路TIG電弧的分流作用使MIG電弧壓力和母材熱輸入顯著降低，提高焊接速度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過基于PID閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)TIG-MIG電弧復(fù)合，能夠有效降低焊接飛濺，改善焊縫成形，實(shí)現(xiàn)了高效化和優(yōu)質(zhì)化的焊接[6]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者直接將TIG電弧和MIG電弧復(fù)合在一起進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)由于電弧間的相互作用，兩電弧指向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電弧壓力減小，可顯著提高焊接速度，改善焊縫質(zhì)量[7-8]。

文中將TIG電弧與MIG電弧直接復(fù)合進(jìn)行焊接，認(rèn)識兩電弧之間的相對位置及電流匹配關(guān)系對TIG-MIG復(fù)合焊接過程的影響。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)平臺

TIG-MIG復(fù)合電弧焊接裝置主要由鎢極氬弧焊槍、熔化極氬弧焊槍、焊接電源、工作臺及工件組成，如圖1所示。其中TIG電源為恒流電源，型號為松下YC-500WXP，直流正接， MIG為恒壓電源，型號為松下YD-500GL3，直流反接。采用6 mm厚的SUS304奧氏體不銹鋼作為焊接工件，焊絲為φ1.2 mm的ER308LSi焊絲，保護(hù)氣體為純氬氣。焊接時TIG電弧在前，MIG電弧在后，首先啟動TIG電弧，在表面形成熔池后再啟動MIG電弧進(jìn)行焊接。

圖1 試驗(yàn)裝置原理圖

改變TIG和MIG焊槍的幾何位置進(jìn)行試驗(yàn)，觀察焊縫表面成形以及熔深、熔寬和余高的變化特點(diǎn)，觀察焊接電弧特征。其中θM和θT分別為MIG焊槍和TIG焊槍與豎直方向的夾角;d為鎢極尖端到焊絲的水平距離;L為鎢極弧長;e為MIG的焊絲伸出長度。表1列出了試驗(yàn)過程中的主要預(yù)置參數(shù)。

表1 TIG-MIG試驗(yàn)參數(shù)表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 TIG-MIG復(fù)合電弧焊接不銹鋼

圖2為分別采用純氬氣保護(hù)的MIG焊和TIG-MIG復(fù)合電弧焊的典型焊縫照片。采用純氬氣保護(hù)時，MIG電弧在母材一側(cè)陰極斑點(diǎn)不穩(wěn)定，引起電弧漂移和弧長不規(guī)則變動，導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，產(chǎn)生大量飛濺，焊接不能連續(xù)進(jìn)行。此時所得焊縫焊趾不齊，四周斑點(diǎn)清理范圍較大且不均勻，成形較差，不能滿足實(shí)際工程要求，如圖2a所示。因此實(shí)際工程中，焊接不銹鋼一般需要采用含有1%～5%O2或CO2的富氬氣體作為保護(hù)氣體，通過熔池表面形成氧化物穩(wěn)定陰極斑點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定焊接。然而由于焊縫金屬中加入氧元素，焊縫性能受到影響，如沖擊韌性下降等[9-10]。

采用純氬氣保護(hù)的TIG-MIG復(fù)合電弧焊接時，陰極斑點(diǎn)漂移現(xiàn)象消除，焊接過程穩(wěn)定，無飛濺產(chǎn)生。獲得焊縫焊趾整齊，四周沒有出現(xiàn)陰極清理作用產(chǎn)生的痕跡，表面有光澤，焊縫成形美觀，典型焊縫照片如圖2b所示。

圖2 焊縫表面照片

在復(fù)合焊過程中，TIG電弧一方面加熱MIG的焊絲尖端，改變了傳統(tǒng)MIG焊接的熔滴過渡形式，使單獨(dú)MIG焊接時的短路過渡改變?yōu)榈螤钸^渡，從而顯著降低了焊接過程飛濺。另一方面，TIG電弧在工件表面形成液態(tài)熔池，表明高溫液態(tài)金屬的熱電子發(fā)射能力明顯提高，為后續(xù)的MIG電弧提供了穩(wěn)定的導(dǎo)電通道，從而穩(wěn)定了MIG電弧的陰極斑點(diǎn)。

2.2 電流匹配關(guān)系影響

在TIG-MIG復(fù)合電弧焊接過程中，TIG電弧和MIG電弧的電流匹配關(guān)系對焊接過程及焊縫成形具有重要影響。其他參數(shù)保持為表1中基本參數(shù)的情況下，僅改變TIG電流和MIG電流進(jìn)行系列試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TIG電流大于MIG電流時，MIG電弧斑點(diǎn)無漂移現(xiàn)象，復(fù)合焊接過程穩(wěn)定，無飛濺產(chǎn)生，此時形成焊縫焊趾平齊，焊縫成形良好，典型焊縫照片如圖3a所示。而當(dāng)MIG電流大于TIG電流時，MIG電弧陰極斑點(diǎn)不穩(wěn)定，出現(xiàn)不規(guī)則移動現(xiàn)象，焊接飛濺增加，形成的焊縫邊緣不齊，焊趾呈鋸齒狀，典型照片如圖3b所示。

圖3 電流匹配關(guān)系對焊縫影響

電流匹配關(guān)系對TIG-MIG復(fù)合電弧焊具有明顯影響，其原因與MIG電弧陰極斑點(diǎn)作用范圍有關(guān)。當(dāng)TIG弧電流較大時，母材上形成的高溫液態(tài)熔池范圍較大，而后面MIG電弧陰極斑點(diǎn)作用范圍較小，由于高溫金屬熱電子發(fā)射能力較強(qiáng)，使MIG弧陰極斑點(diǎn)被穩(wěn)定在TIG弧形成的熔池表面，焊接過程穩(wěn)定。而MIG電弧較大時，MIG電弧作用范圍超出了TIG電弧在母材上形成熔池的范圍，其陰極斑點(diǎn)在熔池邊緣的固態(tài)金屬上不規(guī)則移動，引起焊接飛濺增加，形成的焊縫焊趾不整齊?？梢?，TIG-MIG復(fù)合電弧焊接過程中，焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形良好的必要條件之一是TIG弧電流大于MIG弧電流。

2.3 焊槍夾角影響

在其他參數(shù)保持為表1中基本參數(shù)不變的情況下，僅改變焊槍夾角θM和θT進(jìn)行系列試驗(yàn)，認(rèn)識其對TIG-MIG復(fù)合焊接過程和焊縫成形的影響。

觀察焊接過程的電弧，焊槍夾角在較大范圍內(nèi)變化時，復(fù)合電弧形態(tài)相似，焊接過程都比較穩(wěn)定，基本無飛濺產(chǎn)生。三種典型焊槍夾角下獲得的焊縫照片如圖4所示，可以看出，各個焊縫表面均比較光滑，焊趾整齊，成形良好，焊縫截面形狀和尺寸也都比較相似，熔深均為3 mm左右。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，在TIG-MIG復(fù)合焊接過程中，焊槍夾角對復(fù)合電弧特征以及焊縫成形影響不明顯。

圖4 焊槍夾角對焊縫成形的影響

焊縫成形與電弧形態(tài)及電弧力指向密切相關(guān)。在常規(guī)MIG焊接過程中，焊絲前傾角越大(即相當(dāng)于θM越小)，電弧力對熔池金屬向后排出的作用越小，熔池底部液體金屬層越厚，因此熔深減小，與熔寬增大，余高減小。而在TIG-MIG復(fù)合電弧焊接過程中，一方面TIG電弧為后續(xù)MIG電弧提供穩(wěn)定的陰極斑點(diǎn)，MIG弧更加穩(wěn)定不會發(fā)生明顯移動。另一方面由于電弧間的相互作用，兩電弧指向均發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此焊槍夾角發(fā)生變化時，MIG電弧形態(tài)和電弧力指向均不能明顯改變，因此不會引起復(fù)合焊電弧穩(wěn)定性及焊縫成形的明顯改變。

2.4 電弧間距影響

在其他參數(shù)保持為表1中基本參數(shù)不變的情況下，僅改變電弧間距d進(jìn)行試驗(yàn)，觀察焊道截面形狀。

結(jié)果顯示電弧間距d對焊縫成型有較為明顯影響，如圖5所示。

圖5 焊槍間距對焊縫成型的影響

d較小時，復(fù)合焊焊縫余高較大，形成“凸”形狀的窄焊縫，典型照片如圖5a所示。對于焊縫形成“凸”形狀的原因，與MIG熔滴向熔池過渡的角度相關(guān)。當(dāng)距離較近時，兩電弧排斥力影響增大，在排斥力的作用下，MIG熔滴的角度有最初的前傾角變小，甚至變?yōu)楹笸私?，因此形成了“凸”形狀的焊道?/p>

而電弧距離過大時，MIG電弧和TIG電弧幾乎完全分離，復(fù)合焊接過程不穩(wěn)定，飛濺變大。可見，電弧間距d既不能太小也不能太大，通過試驗(yàn)確定，d約為5 mm時復(fù)合焊接過程穩(wěn)定和焊縫成形良好，典型照片如圖5b所示。

對于熔深，隨著焊炬間距d增加焊縫深度也增大，其原因可能有兩方面，一方面可能是距離較大時排斥力減小，熔滴過渡傾角減小，利于形成較大熔深。另一方面是焊炬間距增大后，TIG弧對MIG焊絲預(yù)熱效果減小，并且對MIG電弧的干擾減弱，使得電弧力和熔滴沖擊力變大，更利于大熔深。

3 結(jié) 論

(1)TIG-MIG復(fù)合焊能夠在純氬氣保護(hù)的情況下實(shí)現(xiàn)不銹鋼的穩(wěn)定焊接，焊縫成形良好。

(2)TIG-MIG復(fù)合焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形良好時，需要TIG弧電流大于MIG弧電流。

(3)焊槍夾角在較大范圍內(nèi)變化時，TIG-MIG復(fù)合焊接過程穩(wěn)定程度及焊縫成形都沒有發(fā)生明顯變化。

(4)TIG-MIG復(fù)合焊中，電弧間距d較小時，焊縫截面形狀趨于“凸”形，d過大時復(fù)合焊過程不穩(wěn)定，試驗(yàn)確定d約為5 mm時復(fù)合焊效果良好。

[1] 王旭友, 徐 良, 陳曉宇. 激光-熔化極電弧復(fù)合熱源焊接特性[J]. 焊接, 2014(8): 9-12.

[2] 王長春, 杜 兵. 等離子-MIG/MAG復(fù)合熱源焊接技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 焊接, 2009(12): 62-64.

[3] 王 軍, 馮吉才, 何 鵬, 等. TIG-MIG間接電弧焊接工藝[J]. 焊接學(xué)報, 2009, 30(2): 145-148.

[4] 石 玗, 薛 誠, 鐘 浩, 等. 單旁路耦合電弧GMAW 高速焊接工藝[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2010,44(S1): 50-53.

[5] 石 玗, 石銘霄, 薛 誠, 等. 雙旁路耦合電弧MIG 焊工藝研究[J]. 電焊機(jī), 2010,40(6): 30-33.

[6] 楊 濤, 張生虎, 高洪明, 等. TIG-MIG復(fù)合焊電弧特性機(jī)理分析[J]. 焊接學(xué)報, 2012, 33(7): 25-28.

[7] Shuhei, Tomoak, Toyoyuk, et al．Study for TIG-MIG hybrid welding process[J]. Weld World, 2014(58): 11-18．

[8] 婁小飛, 陳茂愛, 武傳松, 等. 高速TIG-MIG復(fù)合焊焊縫駝峰及咬邊消除機(jī)理[J]. 焊接學(xué)報, 2014, 35(8): 87-90.

[9] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會編. 焊接手冊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008：434-463.

[10] 王愛民, 荊 文. ZG0Cr13Ni5Mo不銹鋼不同比例保護(hù)氣體焊接工藝研究[J]. 焊接, 2013(3): 55-57.

2017-02-07

TG444

畢學(xué)松，1983年出生，博士，工程師。主要從事焊接新技術(shù)與新工藝研發(fā)工作，已發(fā)表論文10余篇。