外加磁場對高速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)學院 航空工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134；2.南昌航空大學 航空制造工程學院，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。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，沈陽工業(yè)大學常云龍[3]在高速TIG焊奧氏體不銹鋼實驗中引入橫向磁場，解決了因高速焊引起的咬邊、駝峰現(xiàn)象。山東大學王林[4]將橫向磁場引入到高速GMAW焊接過程中，通過外加磁場抑制熔池內(nèi)后向液體流的動量，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，將磁場引入到高速熔化焊接過程中，在合理的焊接參數(shù)和一定范圍內(nèi)的外加磁場強度下，外加磁場可以有效控制焊接電弧形態(tài)和運動方式，提高電弧“挺度”，從而可獲得良好的焊縫成形和綜合的力學性能[5，6]。

以上大多數(shù)研究通常是在高速焊接過程中引入橫向磁場。相比橫向磁場的發(fā)生裝置，縱向磁場的發(fā)生裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、容易操作、輸出磁場強度穩(wěn)定等優(yōu)勢。本研究以厚度為1.2 mm的409不銹鋼作為焊接母材，對高速TIG焊接過程施加不同直流縱向磁場強度進行實驗研究，分別對焊接電弧的形態(tài)變化和焊縫成形進行了機理分析。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用價值。

1 實驗材料、設備和參數(shù)

1.1 實驗材料

本實驗選用厚度為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，其成分見表1。

表1 409不銹鋼的化學成分

圖1 409不銹鋼試樣

1.2 實驗設備

實驗中使用日立AD-GP2V交直流兩用脈沖TIG焊機如圖2所示。圖3是高速攝像頭，主要是對實驗過程中磁控高速TIG焊接電弧狀態(tài)進行實時采集，拍攝速度為1秒鐘2000張。外加縱向磁場裝置示意圖如圖4所示。

圖2 TIG焊機實物

圖3 高速攝像頭

圖4 外加縱向磁場裝置示意圖

1.3 焊接參數(shù)

本次進行的高速TIG焊接實驗選用的焊接電流為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。外加直流縱向磁場的磁場強度分別為0mT、5.6mT、9.7mT、14.7mT、21.7mT。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 外加直流縱向磁場對高速TIG焊接電弧形態(tài)的影響

通過高速攝影儀獲取在施加不同磁場強度時高速TIG焊接電弧的形態(tài)，如圖5所示。

圖5 焊接參數(shù)一定，不同磁場強度下電弧形態(tài)

當焊接電流為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，圖5中（a）、（b）、（c）、（d）和（e）分別是磁場強度為0 mT、5.6mT、9.7mT、14.7mT、21.7mT下的電弧形態(tài)。可以看出，當無外加磁場作用于高速TIG焊時，焊接電弧呈自然狀態(tài)的錐形，電弧稍微后傾；當有外加磁場作用于高速TIG焊時，隨著磁感應強度的增加，電弧逐漸向外擴張，半徑增大，電弧形態(tài)由錐形變成下部擴張、上部收縮的鐘罩形，此時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，通常帶電粒子會受到熱擴張力、徑向電場力等合力的作用，沿著電弧徑向方向由電弧中心向外邊緣運動并與直流縱向磁場相互作用產(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動，電弧挺度有所提高，此時的帶電粒子也會受到離心力的作用繼續(xù)向電弧外邊緣運動，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，由于電弧中帶電粒子及中性粒子的快速運動，電弧和外加磁場對熔池進行攪拌，起到了細化焊縫的一次結(jié)晶組織[8]。

2.2 外加直流縱向磁場對高速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，對409不銹鋼進行高速TIG焊接實驗。圖6（a）（b）分別是無外加磁場強度和外加磁場強度為21.7mT時高速TIG焊的焊縫形貌。

圖6 不同外加縱向磁場強度下焊縫形貌

顯然，圖6（a）是在無外加磁場作用下高速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焊接過程中，電弧陽極斑點滯后，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，甚至會把熔池內(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）是在外加磁場為21.7mT時的焊縫形貌，此時焊縫連續(xù)均勻、美觀，不存在咬邊、駝峰焊道、不連續(xù)等缺陷。這說明施加一定強度的縱向磁場對消除焊縫咬邊、駝峰焊道、不連續(xù)等缺陷具有一定作用，與現(xiàn)有的研究通過施加橫向磁場消除焊縫咬邊和駝峰焊道有相似的效果，如圖7（b）所示[3]。這是因為外加縱向磁場與焊接電弧內(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動，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 不同外加橫向磁場強度下焊縫形貌

3 結(jié)語

對于高速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，通過引入一定強度的外加縱向磁場，焊接電弧后傾現(xiàn)象減弱，同時，焊縫成形好，咬邊、駝峰焊道、不連續(xù)等現(xiàn)象消除。

（1）無外加磁場的普通高速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）當焊接參數(shù)一定時，施加合理范圍內(nèi)的外部縱向磁場強度，高速TIG焊接電弧由無外加磁場時自然狀態(tài)的錐形變成下部擴張、上部收縮的鐘罩形。

（3）當焊接參數(shù)一定時，施加合理范圍內(nèi)的外部縱向磁場強度，高速TIG焊焊縫表面呈規(guī)則的魚鱗紋狀，且連續(xù)均勻、無咬邊缺陷。