基于热传导的热丝TIG焊接技术

曹福俊，赵景奇，杜成超

（1.江苏科技大学材料学院，江苏镇江212000；2.江苏宝钢精密钢丝有限公司，江苏南通226000；3.武汉大学动力与机械学院，湖北武汉430072）

0 前言

热丝TIG焊是一种焊丝预先加热的TIG焊，较普通TIG焊而言，热丝TIG的焊接效率高[1-2]、焊缝成形好[3-4]，因此热丝TIG焊广泛应用于压力容器和船舶制造等领域。目前，加热焊丝的方式有电阻加热、感应加热、电弧加热3种[5]。其中电阻加热是利用焊丝本身的电阻产热，较其他两种加热方式而言，其装置简单，易于布置，成本较低。但电阻加热也有不足之处，例如：磁偏吹、焊丝电弧现象、最优热丝电源参数调节困难等[6－7]。范成磊[8]等人提出的高频感应热丝设备复杂，增加了感应频率和线圈电感等影响因素，导致热丝TIG工艺参数调试困难。

本研究以热丝TIG焊为研究对象，利用热传导方式实现焊丝预先加热，避免电阻热丝产生的一系列问题，构建了热丝温控数学模型，有效控制了焊前焊丝温度，简化热丝TIG焊影响因素。与高频感应热丝TIG和电弧热丝TIG相比，装置简单易操作，且设备成本较低，在管道焊接行业具有一定的适用性。进而开展热丝TIG焊与普通TIG焊的对比试验，研究焊接成形以及焊接接头的显微组织和力学性能，在此基础上确定基于热传导的热丝TIG焊的优势。

1 试验设备、材料和方法

1.1 热丝TIG装置

基于直径φ1.2 mm焊丝，设计中空热丝装置，加载于焊枪端部，焊丝穿过其中。焊接过程中，热丝装置通电加热，以热传导方式间接加热焊丝，加热后的焊丝由送丝机构驱动送进TIG电弧中，在电弧作用下，焊丝熔化进入熔池，原理如图1所示。

热丝装置如图2所示，加热器采用热传导方式对焊丝进行加热。

图1 热丝TIG装置原理

图2 热丝TIG焊接设备

1.2 热丝温控数学模型

本研究中温度传感器仅监测加热器的温度。为准确控制焊丝温度，首先研究在特定加热器温度下，焊丝温度与送丝速度的关系，如图3所示。可以看出，焊丝温度随送丝速度的提高而逐渐下降。

当将焊丝温度控制在特定值（例如220℃）时，可以得到 Data1、Data2、Data3、Data4，分别对应的加热器温度为300℃、400℃、500℃、600℃，由Matlab拟合加热器温度与送丝速度之间的温控数学模型，如图4所示。简化温控数学模型为线性关系，可得

式中 v为送丝速度；T为温控器加热温度。

图3 焊丝温度与送丝速度的关系

基于上述热丝温控数学模型，在0～3500mm/min送丝速度区间内，焊前输入送丝速度参数，温控系统自动输出加热器温度值，由温控器控制加热功率，将焊丝温度维持在220℃。实测结果表明，在多个送丝速度下，焊丝的温度误差为±5℃，能够满足工艺控制需要。

图4 加热器温度与送丝速度的关系

1.3 试验材料和方法

采用A106钢光管表面熔敷工艺研究热丝温度对熔敷金属的影响。采用天泰φ1.2 mm焊丝，牌号为TM-56，符合AWS A5.18 ER70S-6标准，保护气体选用 99.99%Ar，气体流量 15～20 L/min，熔敷工艺参数如表1所示。

采用焊缝成形可行性的方法研究普通TIG和热丝TIG焊的工艺范围，焊接工艺参数如表2所示。接头形式如图5所示。

表1 熔敷焊接工艺参数

表2 打底+填充+盖面焊接工艺参数

图5 焊接接头尺寸及焊接示意

预磨和抛光接头截面，利用4%硝酸酒精腐蚀界面，采用金相显微镜观察金相组织，采用显微硬度机测定焊接接头的显微硬度，载荷200 g，保载时间5 s，测试位置距管道内壁2 mm。利用线切割获得沿管道长度方向的拉伸试样，焊缝区位于拉伸试样中间，采用电子万能试验机进行拉伸，拉伸速度0.5 mm/s。

2 试验结果及讨论

2.1 焊丝温度对TIG焊接工艺的影响

堆焊层的熔宽和余高随焊丝温度的变化关系如图6所示，当焊丝温度由25℃提高到250℃时，堆焊层的熔宽由12.4 mm提高到13.3 mm，而堆焊层的余高则由2.2 mm下降到1.7 mm。这说明焊丝温度的提高有利于熔敷金属在母材表面的铺展，因此熔覆层的熔宽增加，余高逐渐减小。

图6 熔覆层宽度和余高随焊丝温度的变化关系

当焊丝温度为25℃和220℃时，熔覆层的形貌如图7所示。可以看出，随着焊丝温度的提高，熔覆层表面纹路更加均匀。

图7 焊丝温度为25℃和220℃时熔覆层表面形貌

由以上研究可知，热丝TIG焊中焊丝的温度越高，焊接优势越明显。但为了使该热丝技术能应用于更多的场合，尤其是手工TIG焊接，以下研究将热丝温度选为220℃，避免更高的焊丝温度对操作人员造成伤害。

为研究热丝对焊接工艺的影响，采用特定的焊接电流、电压、气体流量（见表2），保持送丝速度和焊接速度的比例，施焊后观察焊缝表面，根据焊缝表面的成形优劣，判定可接受的焊接工艺，得到如图8a、图8b所示的焊接工艺窗口。可以看出，在相同的焊接电流、电压、气体流量下，220℃热丝后，打底焊道的焊接速度可提高到160 mm/min，送丝速度可提高到2 000 mm/min。

焊丝熔化效率与送丝速度成线性关系

式中 v为送丝速度（单位：mm/min）；A为熔化效率（单位：%）。计算得出热丝TIG打底焊接过程，焊丝熔化效率提高约100%；热丝TIG填充盖面焊接过程，焊丝熔化效率提高约200%。

当焊接速度160mm/min、送丝速度2000mm/min时，冷丝和热丝TIG焊缝表面形貌如图8c所示，热丝TIG的焊缝表面更为细腻。

图8 可接受的焊接工艺参数及打底焊层的表面形貌

对于普通TIG而言，焊丝送入电弧下方时势必吸收更多的电弧热量，因而对电弧有“激冷”作用，增加了电弧的不稳定性。对于热丝TIG而言，焊丝在送入电弧下方前已经被加热，因此从电弧中吸收的能量更少，这有利于维持焊接电弧的稳定性，保证较好的焊缝表面成形。因此热丝TIG能够适应更高的送丝速度和焊接速度。

2.2 热丝TIG焊接接头显微组织和力学性能

采用普通TIG和热丝TIG焊接技术（各自焊接参数的上限），得到的焊接接头宏观组织形貌如图9所示，两接头形貌接近。

3层焊缝的显微组织如图10所示，对于第一层和第二层而言，焊缝的显微组织均为铁素体+少量珠光体；对于第三层而言，其组织主要为铁素体柱状组织+等轴组织。由图10可知，热丝TIG焊接接头的组织更为细小，细小的显微组织意味着更快的冷却速度以及较低的焊接热输入。

图9 焊接接头的宏观形貌

焊接接头底层焊缝的显微硬度如图11所示。母材区的显微硬度约为145 HV，焊接接头热影响区细晶区的最高硬度约为190 HV；而热丝TIG焊焊缝区的显微硬度略高于普通TIG，主要原因是热丝TIG焊缝区的晶粒更为细小，因此具有较明显的细晶强化作用，其硬度更高。两种焊接接头均在正火区出现了硬度峰值，约为195 HV，过热区硬度略低于焊缝，且高于母材。

图10 焊接接头各层的显微组织

以热丝TIG焊接接头为例分析接头热影响区的显微硬度。对A106钢而言，其供货态显微组织主要由铁素体+珠光体构成，如图12a所示。在焊接热循环作用下，接头过热区经过完全奥氏体化后冷却至室温，其显微组织主要由铁素体构成，铁素体晶粒尺寸小于母材原始组织，因此，过热区的硬度高于母材。焊接接头正火区和部分相变区的显微组织如图12c所示，正火区的组织较过热区更为细小，因此在焊接接头的正火区出现了硬度峰值。

图11 焊接接头底层的显微硬度分布

图12 母材和热影响区的显微组织

两种焊接接头的拉伸强度约为495～520 MPa，拉伸断裂接头的宏观形貌如图13所示，其断裂位置位于母材区。可见该热丝TIG焊接方式并未对焊接接头的力学性能造成不利影响。

图13 拉伸试样的断裂宏观形貌

3 结论

（1）提出利用热传导方式实现热丝TIG焊的新方法，消除了磁偏吹和焊丝电弧等现象，设备成本低、操作简单，适用于管道焊接。

（2）设计适用于焊丝加热的热传导加热装置和温度闭环控制系统，搭建了加热器温度和送丝速度之间的温控数学模型，设定送丝速度在0～3 500 mm/min范围内可实现稳定输出220℃的焊丝温度，且温度误差为±5℃。

（3）基于热传导的热丝TIG焊能够改善焊接成形，提高焊接速度。在获得质量接近的焊接成形时，由于热丝TIG焊的焊丝对电弧的激冷作用较小，因此220℃热丝TIG的焊接效率较普通TIG焊提高至少100%。

（4）在获得质量接近的焊接成形时，220℃热丝TIG的焊缝区显微组织较普通TIG焊细小，焊缝区硬度略高于普通TIG，焊接接头力学性能良好，断裂位置均位于A106钢母材。

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