工艺参数对TIG-MIG复合电弧焊接过程的影响

2017-09-03毕学松马瑞芳

焊接 2017年7期

关键词：焊枪熔池电弧

毕学松马瑞芳孙潇

(唐山开元焊接自动化技术研究所有限公司, 河北唐山 063000)

工艺参数对TIG-MIG复合电弧焊接过程的影响

毕学松马瑞芳孙潇

(唐山开元焊接自动化技术研究所有限公司, 河北唐山 063000)

搭建TIG-MIG复合焊试验平台，分别改变焊接电流、焊枪夹角及电弧间距等参数进行系列焊接试验，研究了该复合焊工艺特点。结果表明，TIG-MIG复合焊能够实现纯氩气保护下的稳定焊接，并且TIG弧的电流需要大于MIG弧电流；焊枪夹角对焊接过程和焊缝成形影响不明显；电弧间距影响焊缝成形特点，试验确定间距约为5 mm时焊接效果最佳。

TIG-MIG复合焊电弧焊接电流焊缝成形

0 序言

提高焊接效率和焊缝质量一直是焊接领域研究的重点方向之一。复合热源焊接技术是实现高效和高质焊接有效途径之一，近年来相关研究较多，如激光-电弧复合焊，等离子-MIG复合焊，TIG-MIG复合焊等[1-2]。其中TIG-MIG复合电弧焊技术能够克服传统TIG和MIG焊接的局限性，表现出焊缝质量高和焊接效率高的特点，具有广阔的应用前景。

针对多种工程应用场合，已出现了多种TIG电弧和MIG电弧复合焊接方法。王军等人[3]提出TIG-MIG间接电弧技术，在降低了母材热输入同时提高了焊接效率。石玗等人[4-5]将TIG电弧旁路耦合在MIG电弧一侧或两侧，旁路TIG电弧的分流作用使MIG电弧压力和母材热输入显著降低，提高焊接速度。哈尔滨工业大学通过基于PID闭环控制实现TIG-MIG电弧复合，能够有效降低焊接飞溅，改善焊缝成形，实现了高效化和优质化的焊接[6]。近年来，国内外学者直接将TIG电弧和MIG电弧复合在一起进行试验研究，发现由于电弧间的相互作用，两电弧指向发生偏转，电弧压力减小，可显著提高焊接速度，改善焊缝质量[7-8]。

文中将TIG电弧与MIG电弧直接复合进行焊接，认识两电弧之间的相对位置及电流匹配关系对TIG-MIG复合焊接过程的影响。

1 试验方法与试验平台

TIG-MIG复合电弧焊接装置主要由钨极氩弧焊枪、熔化极氩弧焊枪、焊接电源、工作台及工件组成，如图1所示。其中TIG电源为恒流电源，型号为松下YC-500WXP，直流正接， MIG为恒压电源，型号为松下YD-500GL3，直流反接。采用6 mm厚的SUS304奥氏体不锈钢作为焊接工件，焊丝为φ1.2 mm的ER308LSi焊丝，保护气体为纯氩气。焊接时TIG电弧在前，MIG电弧在后，首先启动TIG电弧，在表面形成熔池后再启动MIG电弧进行焊接。

图1 试验装置原理图

改变TIG和MIG焊枪的几何位置进行试验，观察焊缝表面成形以及熔深、熔宽和余高的变化特点，观察焊接电弧特征。其中θM和θT分别为MIG焊枪和TIG焊枪与竖直方向的夹角;d为钨极尖端到焊丝的水平距离;L为钨极弧长;e为MIG的焊丝伸出长度。表1列出了试验过程中的主要预置参数。

表1 TIG-MIG试验参数表

2 试验结果与分析

2.1 TIG-MIG复合电弧焊接不锈钢

图2为分别采用纯氩气保护的MIG焊和TIG-MIG复合电弧焊的典型焊缝照片。采用纯氩气保护时，MIG电弧在母材一侧阴极斑点不稳定，引起电弧漂移和弧长不规则变动，导致焊接过程不稳定，产生大量飞溅，焊接不能连续进行。此时所得焊缝焊趾不齐，四周斑点清理范围较大且不均匀，成形较差，不能满足实际工程要求，如图2a所示。因此实际工程中，焊接不锈钢一般需要采用含有1%～5%O2或CO2的富氩气体作为保护气体，通过熔池表面形成氧化物稳定阴极斑点，实现稳定焊接。然而由于焊缝金属中加入氧元素，焊缝性能受到影响，如冲击韧性下降等[9-10]。

采用纯氩气保护的TIG-MIG复合电弧焊接时，阴极斑点漂移现象消除，焊接过程稳定，无飞溅产生。获得焊缝焊趾整齐，四周没有出现阴极清理作用产生的痕迹，表面有光泽，焊缝成形美观，典型焊缝照片如图2b所示。

图2 焊缝表面照片

在复合焊过程中，TIG电弧一方面加热MIG的焊丝尖端，改变了传统MIG焊接的熔滴过渡形式，使单独MIG焊接时的短路过渡改变为滴状过渡，从而显著降低了焊接过程飞溅。另一方面，TIG电弧在工件表面形成液态熔池，表明高温液态金属的热电子发射能力明显提高，为后续的MIG电弧提供了稳定的导电通道，从而稳定了MIG电弧的阴极斑点。

2.2 电流匹配关系影响

在TIG-MIG复合电弧焊接过程中，TIG电弧和MIG电弧的电流匹配关系对焊接过程及焊缝成形具有重要影响。其他参数保持为表1中基本参数的情况下，仅改变TIG电流和MIG电流进行系列试验。试验发现，当TIG电流大于MIG电流时，MIG电弧斑点无漂移现象，复合焊接过程稳定，无飞溅产生，此时形成焊缝焊趾平齐，焊缝成形良好，典型焊缝照片如图3a所示。而当MIG电流大于TIG电流时，MIG电弧阴极斑点不稳定，出现不规则移动现象，焊接飞溅增加，形成的焊缝边缘不齐，焊趾呈锯齿状，典型照片如图3b所示。

图3 电流匹配关系对焊缝影响

电流匹配关系对TIG-MIG复合电弧焊具有明显影响，其原因与MIG电弧阴极斑点作用范围有关。当TIG弧电流较大时，母材上形成的高温液态熔池范围较大，而后面MIG电弧阴极斑点作用范围较小，由于高温金属热电子发射能力较强，使MIG弧阴极斑点被稳定在TIG弧形成的熔池表面，焊接过程稳定。而MIG电弧较大时，MIG电弧作用范围超出了TIG电弧在母材上形成熔池的范围，其阴极斑点在熔池边缘的固态金属上不规则移动，引起焊接飞溅增加，形成的焊缝焊趾不整齐。可见，TIG-MIG复合电弧焊接过程中，焊接过程稳定，焊缝成形良好的必要条件之一是TIG弧电流大于MIG弧电流。

2.3 焊枪夹角影响

在其他参数保持为表1中基本参数不变的情况下，仅改变焊枪夹角θM和θT进行系列试验，认识其对TIG-MIG复合焊接过程和焊缝成形的影响。

观察焊接过程的电弧，焊枪夹角在较大范围内变化时，复合电弧形态相似，焊接过程都比较稳定，基本无飞溅产生。三种典型焊枪夹角下获得的焊缝照片如图4所示，可以看出，各个焊缝表面均比较光滑，焊趾整齐，成形良好，焊缝截面形状和尺寸也都比较相似，熔深均为3 mm左右。以上试验结果表明，在TIG-MIG复合焊接过程中，焊枪夹角对复合电弧特征以及焊缝成形影响不明显。

图4 焊枪夹角对焊缝成形的影响

焊缝成形与电弧形态及电弧力指向密切相关。在常规MIG焊接过程中，焊丝前倾角越大(即相当于θM越小)，电弧力对熔池金属向后排出的作用越小，熔池底部液体金属层越厚，因此熔深减小，与熔宽增大，余高减小。而在TIG-MIG复合电弧焊接过程中，一方面TIG电弧为后续MIG电弧提供稳定的阴极斑点，MIG弧更加稳定不会发生明显移动。另一方面由于电弧间的相互作用，两电弧指向均发生偏转，因此焊枪夹角发生变化时，MIG电弧形态和电弧力指向均不能明显改变，因此不会引起复合焊电弧稳定性及焊缝成形的明显改变。

2.4 电弧间距影响

在其他参数保持为表1中基本参数不变的情况下，仅改变电弧间距d进行试验，观察焊道截面形状。

结果显示电弧间距d对焊缝成型有较为明显影响，如图5所示。