空心钨极同轴填丝焊接丝弧交互作用机制

杨义成，杜兵，黄继华，黄瑞生，陈健，徐富家

(1.机械科学研究总院集团有限公司,北京,100044；2.北京科技大学,材料先进焊接与连接技术研究室,北京,100831；3.哈尔滨焊接研究院有限公司,哈尔滨,150028)

0 序言

钨极氩弧焊(tungsten inert gas welding,TIG)以其优异的焊接稳定性和过程可控性，在航空航天、军工、核电等领域关键部件的焊接中应用较为广泛[1-3].以该技术为基础发展起来的钨极氩弧旁轴填丝焊接技术在窄间隙焊接、高品质电弧增材制造等领域同样获得广泛关注.

随着柔性化制造技术的不断发展，常规TIG 焊炬因其焊接效率低，工艺实施过程具有方向性等技术特征，使其某些关键工程领域应用存在较大的局限性.为此国内外研究学者基于常规TIG 焊接电弧的稳定性提出了很多新型的焊接方法，其中包括TOP-TIG 焊[4]、双钨极焊[5]、TIG-MIG/MAG 复合焊[6]、激光-TIG 复合焊[7-8]、K-TIG 焊[9-10]等新型焊接方法，上述焊接方法均在一定程度上解决了常规钨极氩弧焊接效率低、电弧熔丝能力差等技术短板，促进了TIG 焊技术在工程领域的应用.迄今为止，以TIG 焊为基础形成的新型焊接方法在多维柔性化制造领域直接应用依然存在较大的技术难题亟需解决，究其原因，其核心问题在于未能真正解决加工工艺具有方向性这一技术难题.Spaniol 等人[11]采用热丝TIG 焊的方法将焊丝以较大角度从电弧上方送入熔池，在一定程度上解决了常规TIG 填丝焊工艺执行过程具有方向性的问题，实现了闭环构件的一次成形.

1 试验方法

试验用自主开发设计的空心钨极同轴填丝焊炬，型号为HWI-TC；所用TIG 焊电源为山东奥太公司生产，电源型号为WSME-630；送丝机为奥地利福尼斯公司生产，型号为VR7000；基体材料为Q235 钢，焊丝牌号为H08MnSiA，直径为1.2 mm，空心钨极填丝焊接过程如图1 所示.焊接前，利用机械加工方法去除试板表面油污及铁锈.

图1 空心钨极同轴填丝焊接过程示意图Fig.1 Schematic diagram of hollow tungsten arc welding with coaxial filler wire

为了深入分析空心钨极同轴送丝焊接丝弧交互作用机制，在试验分析方法方面首先利用高速摄像观察分析了空心钨极电弧形态；其次在焊丝送进过程中，分析电弧熔丝特征及其过渡过程中的动态行为；然后结合焊接过程电弧形态及亮度特征的转变，以电弧物理为基础，分别构建了焊丝熔化及熔滴过渡阶段焊丝末端熔融液滴的受力模型.所用高速摄像机的拍摄帧数为4 000 帧/s，曝光时间为60 μs.

2 试验结果与分析

2.1 空心钨极电弧特征及其焊接特性分析

图2 为实心钨极电弧和空心钨极电弧对比，可以看出，钨极高度均为4 mm，焊接电流为400 A时，空心钨极电弧形态与实心钨极之间存在较大差异.实心钨极电弧自上而下呈典型“钟罩形”，如图2a 所示，而空心钨极由于电子发射端面呈圆环面状，电子发射区域相较于实心钨极较大，使其形成的高温电弧靠近空心钨极区域呈现出近圆筒状，靠近工件表面区域呈现出帽沿状，整体呈现出一种“帽子形”特征，如图2b 所示，且整个电弧在工件表面辐照区明显大于实心钨极.

图2 空心钨极电弧和实心钨极电弧对比Fig.2 Difference between hollow tungsten arc and solid tungsten arc.(a) solid tungsten arc;(b) hollow tungsten arc

前期研究也指出，空心钨极电弧内部电流密度及最高温度均会有所下降[24]，且电磁收缩作用下形成的电弧压力也会随之降低[25]，该特性对于调控焊接热源热力行为具有重要意义.

实心钨极与空心钨极焊缝横截面成形特征如图3 所示.从图3 可以看出，实心钨极电流达到400 A 时，底部出现一个贯穿型空洞，无法形成高质量焊缝；而空心钨极由于电弧分布较为均匀，且电弧作用区域较大，在大电流下实现了稳定性成形.这主要是由于大电流焊接时，电弧压力较大，焊缝中极易产生凹坑或咬边等缺陷，成为制约常规实心钨极氩弧焊大电流、高效熔丝焊接的主要原因[26].

图3 实心钨极(400 A)和空心钨极(400 A)焊缝横截面Fig.3 Weld cross section of solid tungsten electrode(400 A) and hollow tungsten electrode (400 A).(a) solid tungsten electrode;(b) hollow tungsten electrode

2.2 熔滴形成阶段分析

空心钨极同轴填丝焊接时，焊丝末端熔滴从进入熔池的过程可分为两个关键阶段，其中第一阶段为熔滴形成阶段，该过程如图4 所示.焊丝以一定速度刚从钨极内孔送出时，如图4a 所示，该时刻记为t0+0 ms，此时焊丝末端仍然以高温固态为主，但在焊丝末端机械剪断后形成的尖端区域已在电弧热的作用下形成少量液膜，在表面张力作用下该区域趋于光滑；当焊丝最前段完全送入电弧内部时，焊丝前段开始从外表面熔化形成液态金属，如图4b 和图4c 所示，此时在表面张力作用下，较多的液态金属以规则形状包裹焊丝端部，这说明进入高温电弧内部的焊丝在热传导作用下，即可从末端熔化形成熔滴；随着焊丝的稳步送出，焊丝的末端的液滴进一步长大，同时在熔融液滴上方固态焊丝的边缘位置开始形成表层熔化区，其过程如图4b～图4i 所示；从图4a～ 图4i 的过程可以看出，在焊丝末端液滴和液态熔池接触前，焊丝末端的液滴是一个持续长大的过程，且表层熔化区域的长度也在不断拉长.

图4 熔滴形成阶段丝弧交互作用Fig.4 Welding wire-arc interaction during droplet formation.(a) t0+0 ms;(b) t0+6.25 ms;(c) t0 +12.75 ms;(d) t0+19.25 ms;(e) t0+35.5 ms;(f)t0+87.5 ms;(g) t0+105 ms;(h) t0+175 ms;(i)t0+280.75 ms

焊丝以4 m/min 的速度稳定送出，在不考虑焊丝熔化的情况下，理论上焊丝从钨极内孔送出，到达工件表面所需的时间t1仅需60 ms 左右.然而如图4f 所示，在87.5 ms 时焊丝末端依然未与液态金属接触，这是因为随着焊接过程的进行，焊丝进入电弧内部核心高温区，焊丝前段即刻由高温固态转变为高温液态，在重力、表面张力和等离子流力等的共同作用下，熔融液滴逐渐累积长大，形成了径向尺寸远大于焊丝直径的液滴，液滴只有尺寸的变化，无不平衡受力导致的剧烈波动过程，该阶段的受力特征可以认为是处于静力平衡状态.

结合上述分析可知，焊丝在电弧热作用下不断熔化，焊丝末端的液滴尺寸持续累积长大，液滴重量稳定增加，由此带来的惯性力会随之提升.此时，诸如焊丝送进过程的不规则振动等外界因素带来的干扰，会在不同程度上打破原有的受力平衡体系，使液滴的受力处于不平衡状态，此时液滴极易发生偏转，其结果如图4h 所示.焊丝末端与液态熔池接触前一瞬间如图4i 所示，此时焊丝从钨极末端送出的时间t2约为280.75 ms，是理论到达时间t0(焊丝送出距离)焊丝不熔化时的3.7 倍.

张嘉峰 男，1993年生于河北邯郸.现为92118部队助理工程师.主要研究方向为雷达极化信息处理、新体制雷达技术及电子战建模与仿真.

假定焊丝末端的熔滴是一个规则的球形，根据理论到达时间t1和实际到达时间t2的差值Δt、送丝速度vf，由体积守恒定律，即可计算出焊丝末端熔滴直径D，计算过程如式(1)所示，即

式中：Δt为205.75 ms；vf为送丝速度(66.7 mm/s)；d为焊丝直径(1.2 mm)；由此计算出熔滴的直径D约为3.1 mm，与图4i 中熔滴实际尺寸3.0 mm 较为接近.

2.3 熔滴过渡阶段分析

随着焊接过程进行，焊丝末端液滴底部开始和液态熔池表面接触，此时液滴作为导电媒介将固态焊丝与液态熔池导通，焊丝与液态金属和工件的电位几乎一致，焊丝此时瞬间变为阳极.由最小电压原理可知，当焊丝与工件电位相同时，焊丝和钨极内孔壁之间距离(约0.9 mm)远小于钨极末端和液态熔池之间的距离(约4 mm)，因此电弧的导电通道更容易在钨极内孔和焊丝之间建立，此时焊接电弧部分阳极作用区会在极短时间内由液态熔池转移至焊丝，该现象称为电弧的“爬升”(图5).

图5 熔滴过渡阶段丝弧交互作用Fig.5 Welding wire-arc interaction during droplet transformation.(a) t0+280.75 ms;(b) t0+281.25 ms;(c) t0+283.5 ms;(d) t0+285.5 ms;(e) t0 +288.25 ms;(f) t0+289.5 ms

电弧在“爬升”阶段，钨极外部电弧亮度瞬间降低，其结果如图5c 和图5d 所示.随着电弧的持续爬升，焊接电弧作用的阳极区大部分转移至焊丝，此时电弧形态由最初高亮的“帽子形”逐步收缩为一个近“直筒形”电弧，其形貌如图5e 和图5f 所示.

2.4 熔滴过渡过程分析

为了深入探明焊丝末端熔滴形成及过渡阶段的动力学特征，同样将熔滴的受力分为熔滴形成和熔滴过渡两个阶段进行独立分析.

2.4.1 熔滴形成阶段

图6 为熔滴形成及熔滴过渡阶段受力分析.熔滴形成阶段如图6a 所示，在该过程中熔滴悬挂于焊丝末端，此时重力Fg对焊丝末端熔融液滴的过渡起到良好的促进作用；熔融液滴与固态焊丝连接部位存在的表面张力Fγ是阻碍熔滴向熔池过渡的关键因素之一，随着熔滴尺寸的增加，只有当竖直向下的综合作用力大于表面张力时，熔滴才会从焊丝末端脱落进入熔池，当只考虑重力对熔滴过渡的影响时，焊丝末端熔融液滴最大直径D1的计算方法，可由式(2)～ 式(4)计算获得.

图6 熔滴形成及熔滴过渡阶段受力分析Fig.6 Stress analysis of droplet formation and transition stage.(a) droplet formation stage;(b) droplet transition stage

式中：R为焊丝直径0.6 mm；ρl为碳钢熔滴的密度,一般取值为7.0 g/cm3；γs为熔滴与焊丝之间表面张力系数，一般对于碳钢该系数设定为1.2 N/m.

结合式(2)、式(3)和式(4)可计算得到的熔滴尺寸D1可以达到6.3 mm，大于钨极到工件之间的距离4 mm，因此可以判断出焊丝末端的熔滴很难在不借助外力的作用下以滴状过渡的方式直接进入熔池.此外在熔滴形成阶段，除了重力会促进熔滴过渡外，等离子流力也会促进熔滴的过渡.但是在空隙钨极同轴填丝焊接过程中，电弧接近圆筒状，等离子流力竖直向下对熔滴产生的冲击力就相对更小，由此可以判断其对熔滴过渡的影响不大.

2.4.2 熔滴过渡阶段

熔滴过渡阶段，如图6b 所示，熔滴底部会与液态熔池表面接触，两者之间形成的表面张力会促进熔滴过渡.当焊接电流从焊丝末端熔滴内部流过时，可在熔滴中产生电磁力Fe，其方向由小截面指向大截面.焊丝末端熔滴导电的瞬间只有底部极小的区域与熔池接触，发射角就相对很小，在较大电流密度的作用下，液滴内部就会产生较大电磁收缩力.在该力作用下，焊丝末端的液滴和高温液态熔池之间的液桥过渡方式会被瞬间打破，此时液滴在表面张力、重力、电磁收缩力的作用下发生严重的熔滴振荡行为，导致液滴在焊丝和液态熔池之间开始发生剧烈的摆动，如图5c～ 图5e 所示，直至液滴和液态熔池之间的导电通道断开，开始下一个熔滴过渡周期.在导电通道断开之前，液滴依然和会带着液态熔池的表面以“液态金属线”的方式连接，如图5f 所示，摆动的液滴会带着“液态金属线”一起快速运动，液态金属线的无规则摆动则会直接影响到液态熔池稳定流动，使熔滴过渡阶段可控性下降.

2.5 焊接效果

当焊接电流为400 A、焊接速度为0.4 m/min、钨极距工件表面为4 mm、送丝速度为4 m/min 时焊缝形貌如图7 所示.从图7 可以看出，通过空心钨极同轴填丝方法探索，初步获得鱼鳞纹致密、均匀稳定的高质量焊缝，这也说明该焊接方法具有较高的可行性，是一种具备较好发展前景的高效、优质焊接新方法.

图7 空心钨极同轴填丝焊缝形貌Fig.7 Weld appearance of hollow cathode arc welding with coaxial filler wire

3 结论

(1)区别于实心钨极的“钟罩形”电弧，空心钨极电弧的形态接近“帽子形”特征，相同能量输入条件下电弧的作用区域更大，焊缝呈现出宽而浅的特征.

(2)高温电弧作用下焊丝末端的熔滴以接触过渡的方式进入熔池，熔滴过渡过程中，电弧形态由“帽子形”转变为“直筒形”.

(3)熔滴形成阶段的受力状态较为稳定，熔滴过渡时，围绕焊丝末端出现摆动现象，并有效完成熔滴的过渡.