超聲波TIG復合電弧下焊縫熔深、熔寬分析

核工業工程研究設計有限公司 （北京 101300） 田玉鑫 馮英超

1. 概述

不添絲的TIG焊接工藝指的是在焊接過程中不添加焊絲而利用焊接熱量直接熔化焊縫金屬，使焊縫金屬實現良好成形的焊接工藝，具有不開坡口、焊口組對簡單、焊接效率高、節省焊接填充材料的優點，因此在現代焊接生產中作為一種高品質焊接方法而被廣泛地應用。但是其也存在著一定的不足：熔深很難突破3mm，一般僅用于2.5mm以內的不銹鋼、碳鋼、合金管道的焊接。

對許多行業的工藝管道而言，其壁厚一般集中在5.0mm以內，若是采用TIG焊工藝進行焊接，存在著一定的不足：

（1）只能實現2.5mm厚度不開坡口的焊接，而對于工藝管道其他數量較多的厚度范圍（2.5～5.0mm）則只能開坡口進行焊接，這就使得整個機加工和焊接周期較長；同時也存在著一定數量的焊接填充材料的消耗。

（2）TIG焊接電弧的穿透力較弱，在焊接2.0～2.5mm厚度管道時，若是管道壁厚不均勻或是管道存在的圓度差較大，則局部區間可能出現未焊透的風險。

超聲波TIG復合電弧焊是一種新型的焊接方法，焊接過程中在傳統TIG電弧上疊加一定頻率的超聲波，由于加入了超聲波能量，使得焊縫的熔深、熔寬發生了顯著的變化，其焊接的厚度范圍可能會更大。

2. 試驗方案

（1）焊接設備 ULTRA—TIG450焊機：超聲波TIG電流模式；PS406焊機：脈沖TIG電流模式。

（2）焊接母材φ159mm×5.0mm的304L不銹鋼管件，I形坡口對接焊接。其組對如圖1所示。

（3）焊接參數 具體選用參數如表1所示。

表1 焊接參數

（4）試驗目的 采用相同的焊接參數，通過不同的電流模式，比較兩種模式下焊縫的熔寬和熔深數據。

3. 試驗組織及實施

（1）焊接試件準備 ①打磨坡口周圍的氧化膜，打磨寬度約15mm即可。②用丙酮溶液擦洗坡口表面，去除油污。③采用手工TIG焊組對、點固，保證兩組管件組對情況基本相同。

（2）焊接實施 使用表1焊接參數焊接。

（3）試件的外觀檢測 因焊透的管件無法確認有效的熔深，完成焊接后需通過外觀檢測確認2組管件均未焊透，為有效試驗結果。

（4）金相試件的選取 起弧位置定為0°，沿焊接方向分別標記為90°、180°、270°。分別在這4個位置取樣做宏觀金相檢測。

（5）金相檢測結果 根據4個位置的金相檢測結果，對焊縫進行分析，主要包括焊縫斷面容貌、焊縫熔深、焊縫熔寬三方面。焊縫的宏觀金相如圖2所示。

圖2 TIG、超聲波TIG焊縫斷面宏觀金相圖（90°）

焊縫的熔深對比如表2、圖3所示。

表2 焊縫熔深金相結果 （mm）

圖3 焊縫熔深對比

焊縫的熔寬對比如表3、圖4所示。

表3 焊縫熔寬金相結果 （mm）

圖4 焊縫熔寬對比

（6）結果分析 通過試驗數據可以看出：①超聲波TIG和TIG同位置相比，焊縫熔深平均提高86.2%；焊縫熔寬平均縮小14.1%。②由于受到焊接過程中管件溫度升高的影響，焊縫的熔深、熔寬均伴隨著焊接時間的延長而逐漸增大。③TIG的深寬比僅為0.266，超聲波TIG的深寬比達到0.577，比TIG提高了117%。

4. 機理分析

（1）熔深分析 超聲的熱作用、聲流效應引起的熔池升溫和熱對流是熔深增加的主要原因。在超聲傳播過程中，由于液態金屬的粘滯性，一部分聲能被液體吸收并轉化為熱能，故導致熔池金屬溫度的升高。同時，這種吸收導致超聲振幅的有限衰減，在熔池內形成了從上至下的聲壓梯度，導致液體流動。當聲壓超過一定值時，液體中可以產生一個流體的噴射，這就是聲流。在聲流效應的作用下，溫度更高的液態金屬高速向熔池底部流動，從而形成了更大的熔深。

（2）熔寬分析 超聲波TIG焊接過程中由于電弧在超聲能量作用下，電弧橫向受到了壓縮作用，使電弧能量更加集中，磁場強度增加。根據磁場強度計算公式，電弧中的磁場強度與導電半徑的平方成反比，電弧高溫區被壓縮，磁場強度大幅增加，電磁對流增強，使熔池表面金屬向中心流動，使焊縫寬度減小。

焊接過程中拍攝焊接電弧進行對比，圖5為焊接過程中的焊接電弧形狀。

圖5 焊接過程中的焊接電弧

由圖5可看出，超聲波TIG電弧明顯比TIG電弧集中，有利于形成更窄的焊縫。

5. 結語

（1）超聲波TIG復合焊能顯著增大焊接熔深，能夠焊接較大的厚度，從現有的試驗結果來看，可以實現5.0mm不銹鋼、碳鋼材質不開坡口的焊接。

（2）超聲波TIG復合焊擁有較強的穿透性，對錯邊量的要求降低，可以使管道在橢圓度較大的情況下，仍能實現良好焊接。大量的試驗證明，在錯邊量、組對間隙均為1.0mm（同一點）時，仍能實現良好焊接，從而更有利于焊接生產質量的保障。

（3）焊接電弧能量集中，能夠改善焊縫表面成形，使工件變形小、熱影響區小，有利于提高焊接接頭質量。