陳東升，王 恒，陳茂愛(ài)，王愛(ài)國(guó)

1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082 2.山東大學(xué) 材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061 3.河北岳泓智機(jī)科技開(kāi)發(fā)有限公司，河北 衡水 053100

0 前言

TIG焊具有焊接過(guò)程穩(wěn)定、焊縫質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在焊接速度低、熔透能力低等缺點(diǎn)；傳統(tǒng)MIG焊生產(chǎn)效率高，但焊接低碳鋼和低合金鋼時(shí)因陰極斑點(diǎn)的跳躍性和黏著性易造成電弧不穩(wěn)、焊縫成形差等問(wèn)題，TIG-MIG復(fù)合焊接融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，并規(guī)避了各自的不足，是一種具有良好應(yīng)用前景的復(fù)合焊方法。

Kanemaru S[1-2]等人研究了不銹鋼TIG-MIG復(fù)合焊接工藝，發(fā)現(xiàn)MIG與直流TIG電弧相互耦合，克服了MIG電弧陰極斑點(diǎn)飄逸現(xiàn)象，顯著提高了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，改善了焊縫成形。婁小飛[3-4]等人發(fā)現(xiàn)直流TIG和MIG電弧之間電磁力的影響使得耦合電弧壓力顯著下降，在熔池表面形成的弧坑深度變淺，熔寬變小，熔池中后向液體流速度降低，從而避免了駝峰及咬邊的出現(xiàn)。陳姬[5-7]等人通過(guò)對(duì)直流TIG-MIG復(fù)合電弧進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)TIG和MIG電弧之間存在的電磁作用力使得TIG電弧的垂直度增加，TIG電弧的熱流密度隨之增大，對(duì)焊縫成形具有積極意義。楊濤[8]等人發(fā)現(xiàn)TIG電弧可以有效加熱MIG熔滴，降低焊接飛濺，并促進(jìn)熔池鋪展，從而形成良好的焊縫成形，實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)的焊接。上述研究主要集中于直流TIG電弧與MIG電弧的復(fù)合，但這種復(fù)合電弧僅僅在TIG電流大于MIG電流的條件下才能保持穩(wěn)定，采用較小的TIG電流時(shí)，電弧穩(wěn)定性顯著變差，焊縫成形質(zhì)量嚴(yán)重下降，出現(xiàn)駝峰、咬邊等焊接缺陷[9]。

方波交流具有正半波和負(fù)半波轉(zhuǎn)換速度快、電弧穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且通過(guò)方波交流脈寬的調(diào)節(jié)，可以合理地分配鎢極與工件之間的熱量，產(chǎn)生足夠的陰極清理作用，并減少鎢極的燒損，達(dá)到較大的熔深。高海光[10]對(duì)交流TIG-MIG復(fù)合焊接工藝進(jìn)行了研究，在交流TIG電流小于MIG電流的條件下獲得了穩(wěn)定的復(fù)合電弧，焊縫成形良好，說(shuō)明相對(duì)于直流TIG-MIG復(fù)合焊接，交流TIG-MIG復(fù)合焊的工藝窗口增大。但是由于正弦波的兩個(gè)半波持續(xù)時(shí)間不可調(diào)，且焊接電流正負(fù)極性轉(zhuǎn)變時(shí)刻電弧穩(wěn)定性差，因此電弧的耦合效果仍受到限制。而方波交流具有正半波與負(fù)半波轉(zhuǎn)換速度快、電流零點(diǎn)過(guò)渡區(qū)幾乎為零、電弧穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，另外，可以通過(guò)調(diào)節(jié)方波波形的極性比（方波交流中負(fù)半波持續(xù)時(shí)間在一個(gè)方波波形周期中所占比例為極性比）來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)電弧的耦合效果，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。

本文采用焊接過(guò)程參數(shù)與圖像同步采集系統(tǒng)，同步采集方波交流TIG-MIG復(fù)合焊的電壓、電流參數(shù)及焊接過(guò)程圖像，對(duì)不同極性比下的焊接過(guò)程電弧形態(tài)及熔滴過(guò)渡方式進(jìn)行分析，研究極性比的改變對(duì)焊接過(guò)程電弧穩(wěn)定性和焊縫成形質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)采用一臺(tái)逆變式脈沖MIG電源PULSE MIG-500Ⅲ和一臺(tái)交直流TIG電源WSME-500TIG，TIG電源選用方波交流模式，方波波形極性比可調(diào)。使用自制的焊槍加持裝置夾持TIG和MIG焊槍，焊槍的角度、高度及絲極間距可精確調(diào)節(jié)。利用焊接過(guò)程參數(shù)與過(guò)程圖像同步采集系統(tǒng)同步采集兩電弧的電流電壓、電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡圖像。圖像采集利用MV-D1024E-160高速CMOS攝像機(jī)配合Micro Enable Ⅳ圖像采集卡進(jìn)行，電弧電流和電壓的采集利用霍爾電流傳感器和電壓傳感器配合高速PCI數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。方波交流TIG-MIG復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 方波交流TIG-MIG復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of experimental set-up for square wave AC TIGMIG hybrid welding

試驗(yàn)用母材為3 mm厚Q235B低碳鋼板。MIG焊采用直流反接，焊絲為直徑1.2 mm的H08Mn2Si，噴嘴與工件之間距離16 mm，焊槍傾角70°，采用純Ar氣作為保護(hù)氣，氣體流量16 L/min；TIG焊采用直流正接，鎢極與工件間距離為3 mm，焊槍傾角60°，Ar氣流量4 L/min。絲極間距為4 mm，焊接速度2 m/min，其他工藝參數(shù)如表1所示，通過(guò)調(diào)節(jié)方波交流TIG中負(fù)半波持續(xù)時(shí)間在一個(gè)周期所占比例（即極性比）來(lái)進(jìn)行焊接對(duì)比試驗(yàn)。

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters

2 方波交流TIG-MIG復(fù)合電弧行為

在MIG電流為250 A、MIG電弧電壓為26.8 V、方波交流TIG電弧電流為50 A時(shí)，不同極性比下的方波交流TIG-MIG復(fù)合焊焊接電流及電弧電壓波形如圖2所示。由圖2可知，極性比為0（直流TIG）時(shí)，TIG電弧電流波形中出現(xiàn)了很多異常的低點(diǎn)，而對(duì)應(yīng)的TIG電弧電壓波形中出現(xiàn)異常的高點(diǎn)，說(shuō)明出現(xiàn)了斷弧現(xiàn)象；極性比為10時(shí)，TIG電弧電流及電壓波形中幾乎沒(méi)有異常變化點(diǎn)，說(shuō)明沒(méi)有斷弧現(xiàn)象發(fā)生，焊接過(guò)程相當(dāng)穩(wěn)定。

圖2 不同極性比下方波交流TIG-MIG復(fù)合焊接電流電壓波形Fig.2 Current voltage waveform of the square wave AC TIG-MIG hybrid welding under different polarity ratio

圖3為2 s的穩(wěn)定焊接時(shí)間內(nèi)不同極性比下TIG電弧斷弧次數(shù)之和。由圖3可知，極性比由0（直流TIG）增大到10后，TIG電弧斷弧次數(shù)由64次急劇減少至2次，而極性比的進(jìn)一步增大對(duì)電弧斷弧次數(shù)影響不大。這說(shuō)明利用直流TIG電弧時(shí)，小電流下的TIG-MIG復(fù)合電弧和焊接過(guò)程不穩(wěn)定，而利用方波交流TIG電弧時(shí)，可在很小的TIG電流下獲得穩(wěn)定的TIG-MIG復(fù)合電弧和穩(wěn)定的焊接過(guò)程。

圖3 不同極性比下方波交流TIG-MIG復(fù)合焊接2 s內(nèi)TIG電弧斷弧次數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistical number of TIG arc interruption in 2 s as a function of polarity ratio during the square wave AC TIG-MIG hybrid welding

極性比為0時(shí)，方波交流TIG-MIG復(fù)合焊即為直流TIG-MIG復(fù)合焊。由于TIG電弧采用直流正接，而MIG采用直流反接，兩者的電弧電流方向相反，兩電弧受到相互排斥的電磁力作用。MIG電弧電流較大，電弧挺度高，在電磁排斥力作用下形態(tài)改變較??；TIG電弧電流較小，電弧挺度差，在電磁排斥力作用下明顯偏離TIG鎢極軸線，如圖4所示。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，這種偏離可能會(huì)逐漸加劇，弧長(zhǎng)逐漸增大，增至一定程度后電弧熄滅（見(jiàn)圖4d）。

圖4 極性比為0時(shí)TIG-MIG復(fù)合電弧典型形態(tài)Fig.4 Arc shape of TIG-MIG hybrid welding at a polarity ratio of 0

極性比為10時(shí)，TIG電弧在直流正極性（工件為陽(yáng)極）半波和直流負(fù)極性（工件為陰極）半波之間周期性切換。當(dāng)波形處于正極性半波時(shí)，TIG電弧與MIG電弧之間產(chǎn)生電磁排斥力，TIG電弧有向外側(cè)逐漸偏離鎢極軸線的趨勢(shì)，見(jiàn)圖5a、5b。在很短的時(shí)間內(nèi)，TIG電弧由正極性半波切換到負(fù)極性半波，MIG電弧與TIG電弧之間產(chǎn)生的電磁吸引力使得TIG電弧又逐漸向內(nèi)返回至鎢極軸線，見(jiàn)圖5d。這樣TIG電弧不至于過(guò)分拉長(zhǎng)，幾乎不會(huì)發(fā)生斷弧現(xiàn)象。由于正極性半波的TIG電弧電流較大，兩個(gè)電弧耦合為一體，亮度大。在兩個(gè)半波之間的切換點(diǎn)附近，TIG電弧亮度開(kāi)始變低，見(jiàn)圖5c；而在負(fù)極性半波，由于作為陰極的工件發(fā)射電子能力較弱，TIG電流較小，電弧亮度顯著較低，但此時(shí)TIG并沒(méi)有斷弧，兩電弧之間相互吸引的趨勢(shì)明顯，見(jiàn)圖5d。

圖5 極性比為10時(shí)TIG-MIG復(fù)合電弧典型形態(tài)Fig.5 Arc shape of TIG-MIG hybrid welding at a polarity ratio of 10

3 方波交流TIG-MIG復(fù)合焊縫成形

不同極性比下TIG-MIG復(fù)合焊的宏觀焊縫成形如圖6所示。由圖可知，極性比為0時(shí)，焊縫呈現(xiàn)明顯的駝峰焊道特征，與同參數(shù)下單MIG焊縫類似，可見(jiàn)小電流直流TIG并不能改善MIG高速焊焊縫成形；當(dāng)極性比為10時(shí)，焊縫整體成形良好，表面光滑均勻，無(wú)咬邊、駝峰和飛濺等焊接缺陷；隨著極性比的增大，焊縫表面光滑程度有所下降，沿焊縫兩側(cè)焊趾部位呈現(xiàn)輕微的曲折波動(dòng)，存在較多的大顆粒飛濺。因此，設(shè)置適當(dāng)極性比可以有效提高焊縫成形質(zhì)量，極性比為10時(shí)焊縫成形最好。

圖6 不同極性比下TIG-MIG復(fù)合焊縫成形Fig.6 Weld of TIG-MIG hybrid under different polarity ratio

大極性比導(dǎo)致飛濺的原因是焊絲端部液態(tài)金屬的強(qiáng)烈擺動(dòng)。交流方波TIG-MIG復(fù)合焊接過(guò)程中，TIG波形處于正極性半波時(shí)，MIG焊絲端部錐狀液柱后偏，過(guò)渡熔滴向熔池后方過(guò)渡。焊絲軸線與焊絲端部錐狀液柱軸線形成一定角度α，如圖7所示。極性比為0（直流）時(shí)，焊絲端部錐狀液柱后偏角度最小，為15.5°；極性比為10和40時(shí)焊絲后偏角度基本相同，約為42°。這是由于極性比為0時(shí)，TIG波形完全處于正半波，MIG過(guò)渡熔滴始終保持穩(wěn)定的后偏的過(guò)渡形態(tài)；當(dāng)極性比增大，TIG波形階段性處于負(fù)半波，波形正反極性改變時(shí)，過(guò)渡熔滴受力改變，擺動(dòng)幅度增大，后偏角度增大。

圖7 TIG電弧為正極性半波時(shí)焊絲尖端錐狀液柱相對(duì)于焊絲軸線的后偏角度αFig.7 Back-deflection angle α of the conical liquid column at the tip of the wire relative to the wire axis when the TIG arc on positive half wave

TIG波形處于負(fù)極性半波時(shí)，焊絲端部的錐狀液柱前偏，與軸線形成一定角度β，如圖8所示。極性比為0（直流）時(shí)，焊絲端部尖錐液柱持續(xù)后偏，不會(huì)出現(xiàn)前偏現(xiàn)象，見(jiàn)圖7b；極性比為10時(shí)，方波波形處于負(fù)半波，過(guò)渡熔滴沿焊絲軸線過(guò)渡，前偏角度為0；極性比為40時(shí)，MIG過(guò)渡熔滴前偏角度最大，為11.2°。顯然，隨著極性比的增大，焊絲端部尖錐液柱擺動(dòng)幅度增大，而過(guò)大的擺動(dòng)幅度易將液態(tài)金屬拋到熔池之外形成飛濺。

圖8 TIG電弧為負(fù)極性半波時(shí)焊絲尖端錐狀液柱相對(duì)于焊絲軸線的前偏角度βFig.8 Forward-deflection angle β of the conical liquid column at the tip of the wire relative to the wire axis when the TIG arc on negative half wave

4 結(jié)論

針對(duì)直流TIG-MIG復(fù)合焊僅在TIG電流大于MIG電流的條件下才能保持穩(wěn)定，熱輸入相對(duì)于MIG焊顯著增大的問(wèn)題，提出了方波交流TIG-MIG復(fù)合焊工藝，研究了極性比對(duì)焊接過(guò)程穩(wěn)定性和焊縫成形的影響，結(jié)論如下：

（1）TIG電弧極性比為0（直流TIG）時(shí)，小TIG電弧電流（焊接電流50 A）的TIG-MIG復(fù)合焊接過(guò)程穩(wěn)定性差，復(fù)合電弧始終處于排斥狀態(tài)，TIG電弧明顯向外偏離鎢極軸線，斷弧現(xiàn)象嚴(yán)重；極性比為10～40時(shí)，復(fù)合電弧形態(tài)不斷擴(kuò)展和收縮，小TIG電弧電流的方波交流TIG-MIG復(fù)合焊接斷弧較少，焊接過(guò)程穩(wěn)定。

（2）極性比對(duì)方波交流TIG-MIG復(fù)合焊焊縫成形影響較大。極性比為0時(shí)，小TIG電弧電流的TIG-MIG復(fù)合焊焊縫成形質(zhì)量差，出現(xiàn)駝峰、飛濺等缺陷；而極性比為10時(shí)，焊縫整體成形良好，表面光滑均勻，無(wú)咬邊、駝峰飛濺等焊接缺陷；隨著極性比的進(jìn)一步增大，焊縫表面光滑程度有所下降，焊趾部位呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)，且存在較多的大顆粒飛濺。方波TIG電弧與MIG電弧的相互作用勢(shì)必會(huì)對(duì)熔池金屬流動(dòng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到焊縫成形，其與熔池金屬相互作用的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。