304不锈钢K-TIG焊接工艺

2022-09-01唐君才陈和魏占静

机械制造文摘(焊接分册) 2022年3期

唐君才，陈和，魏占静

(1. 珠海瑞凌焊接自动化有限公司，广东珠海 519075；2. 深圳瑞凌实业股份有限公司，广东深圳 518000)

0 前言

304不锈钢具有优异的耐腐蚀性能，韧性及延展性，易于成形和加工等使其在工业生产中得到广泛的应用。国内外对304不锈钢焊接开展了大量的研究[1-3]。K-TIG是一种低成本高效率的非熔化极焊接方法，其基本原理是利用高电流密度的TIG电弧产生的电弧力增加焊接熔深，并达到熔透工件形成小孔效应使焊缝熔透并成形。其焊缝成形的原理和焊接质量非常接近等离子焊接的效果，但其设备及耗材的成本却远低于同等功能的等离子焊接系统，并且操作简单、焊接参数容错性好。K-TIG的电弧是在电磁自压缩效应及冷却作用下的热压缩效应所形成的一种压缩电弧[4]。K-TIG与传统TIG相比其电弧能量密度穿透力都远强于传统TIG，大电流下的K-TIG电弧能够实现一定厚度钢板单面焊双面成形，且无需开坡口[5-8]。此外，与激光焊及真空电子束焊焊接相比，K-TIG焊接工艺参数调节方便、焊接环境及工装要求较低，设备价格低等优点。因此，近年来国内各相关行业已经逐步开展了K-TIG接工艺的生产应用。

1 试验设备及材料

焊接设备为瑞凌自主生产的K-TIG焊接电源，焊枪为标准的1 000 A大型水冷焊枪，采用龙门式的专机作为焊枪的运动机构，采用Mecaweld超级宽动态电弧监控相机观察电弧形态，搭建的焊接工作站如图1a所示，K-TIG焊接电源及焊枪如图1b、图1c所示。试验板材为304不锈钢，保护气体为100%Ar，气体流量为15～20 L/min，钨极直径为5 mm，试验使用3 mm，5 mm，8 mm，10 mm的304不锈钢进行平板焊接试验和对接试验。

图1 焊接试验设备

2 试验结果与分析

2.1 焊接电流对焊接的影响

焊接电流是K-TIG工艺中最关键技术参数，焊接熔透和成形的好坏主要由焊接电流来决定。电流过大会焊穿，电流过小则不能熔透无法成形。电极与工件间的电弧引燃后，将焊接电流增加到传统TIG焊接电流的上限以上，当电弧的电流密度达到一定值产生足够的电弧压力穿透熔池时，将该电流定义为某一特定工件厚度的临界电流值。焊接电流达到临界值后再适当增大电流，就会在熔池背面形成一个稳定的电弧明显透过的小孔，当电极以焊接速度移动时该小孔仍可以长时间稳定保持，这时的电流就是合适的焊接电流。所以，焊接电流是否合适的标准就是能否形成小孔并在焊接速度下稳定持久的保持小孔的存在。与等离子电弧相比较K-TIG电弧下形成小孔并得以保持的电流范围更大一些；根据不同的板厚和焊接速度这一电流的范围在10～30 A左右。其焊接参数的容错性更好，操作更简单。试验采用4组不同板厚的304不锈钢试板进行K-TIG平板焊接试验，表1是在试验中得出的不同板厚的K-TIG临界焊接电流。

表1 不同板厚的临界焊接电流

为了进一步研究不同电流对对接焊缝熔深的影响，采用表2的参数对8 mm的304不锈钢试板进行K-TIG焊接试验，焊缝横截面宏观形貌如图2所示。当焊接电流为400 A时，焊缝未熔透，此时焊缝熔深为6 mm；当焊接电流为495 A时，焊缝完全熔透，可清晰看到贯穿母材的锥形熔深。由此可以得出焊接电流在495 A时K-TIG实现了8 mm厚304不锈钢对接单面焊双面成形，焊缝形貌如图3所示。

表2 对接工艺参数

图2 焊缝横截面宏观形貌

图3 8 mm不锈钢对接焊缝形貌

图4为焊接电流495 A时，使用电弧监控相机拍摄的焊接过程中工件正面和背面照片。从正面图中可以看出，电弧集中，电弧深深的扎入到母材中。从工件背面可以清楚的看到电弧弧光，可见焊接电弧已经穿透母材，形成了小孔电弧从工件正面穿过去。当电流为400 A时，此时电流相对较小电弧穿透能力偏弱尚不足以形成贯穿母材的小孔；当电流增加到495 A时，在大电流情况下电弧作用力加大在熔池背面形成一个稳定的电弧明显透过的小孔。因此8 mm厚的304不锈钢在焊接电流达到了495 A时工件被焊透，形成了单面焊双面成形的焊缝。

图4 电弧穿透工件形貌

K-TIG熔深产生的主要驱动力有电磁收缩力、等离子流力、金属蒸发的反冲作用力。随着电流的增大垂直于轴线的电磁收缩力增加，使得电弧截面收缩等离子流速更快，等离子流力也更大。随着K-TIG电流增加电弧温度和等离子流速迅速增加[9-10]，母材在两者作用下迅速熔化并部分蒸发，而由金属蒸发所产生的反冲作用力作用于熔池增加熔深。因此，电流增大使得电磁收缩力、等离子流力和金属蒸发反冲作用力组成的电弧压力增加，所以熔深随着电流增大而迅速增加。

表3为5 mm，10 mm厚304不锈钢对接试验形成稳定的熔透焊缝的参数值，焊缝如图5、图6所示，从图中可以看出采用K-TIG焊接5 mm，10 mm一次性焊透且背面焊缝成形良好，实现了单面焊双面成形，获得稳定的焊缝形状。在合适的焊接电流下，穿孔后，熔池内部液态金属受到电弧压力、表面张力和内部静压力等作用下达到动态平衡，此时小孔就会处于稳定状态，保持形状基本不变。当电弧向前移动，小孔前端金属熔化，熔化的液态金属从小孔两侧向后方移动，并在小孔后方汇合。小孔也就随之向前移动，小孔后方熔池温度降低逐渐凝固成焊缝。

表3 对接试验工艺参数

图5 5 mm不锈钢对接焊缝

图6 10 mm不锈钢对接焊缝

2.2 不同工艺参数下的电弧形态

采用不同的焊接电流、钨极高度在不锈钢上进行焊接，观察在不同参数下K-TIG焊接过程中的电弧形态。图7为钨极尖角30°离工件高度1 mm时不同焊接电流下的电弧形态，从图中可以看出当焊接电流为300 A时，电弧形态呈钟罩形，电弧形状比较发散；当电流增加到500 A时，电弧形态呈尖锥形，电弧有着明显的收缩，且电弧深深的扎到母材中去，形成小孔。K-TIG电弧是采用高效冷却作用及大电流的一种焊接方法，其电弧主要受到热压缩效应以及大电流下的电磁压缩效应。随着电流增加电磁压缩作用增强，电弧收缩程度增加。

图7 不同焊接电流下的电弧形态

图8为钨极尖角30°焊接电流300 A时，不同钨极高度下的电弧形态。可以看到当焊接电流不变时，钨极高度从1 mm拉高到3 mm，电弧被拉伸，电弧也较高度为1 mm时发散。当钨极高度为1 mm时，电弧在热压缩及电磁压缩作用下电弧收缩明显，当钨极高度拉高到3 mm时，电弧也被拉长此时电弧压缩作用减弱，电弧收缩程度相比之前降低。