双TIG活性电弧焊接工艺

张佳, 郭超, 邵沛泽, 王新鑫, 樊丁

(1.重庆理工大学，重庆 400054;2.重庆市特种焊接材料与技术高校工程研究中心，重庆 400054;3.兰州理工大学，兰州 730050)

0 前言

钨极惰性气体保护焊(Tungsten inert gas arc welding, TIG welding)是一种高质量的焊接方法，因具有焊缝成形优良、焊接过程稳定及焊接质量高等诸多优点，在工业中得到广泛应用。然而，由于钨极的载流能力有限，电弧不集中，导致单道焊缝熔深浅，焊接生产率低，且当速度超过临界值后会出现咬边和驼峰等焊接缺陷[1]。

为了解决这一问题，研究人员提出了多种高效焊接方法[2-5]，最具带代表性的是A-TIG (Activating flux TIG)[5]。随着A-TIG焊研究的深入，研究人员认为，对于铁系合金而言，表面张力温度系数的改变是引起焊缝熔深增加的最主要原因[6]。Lu等人[7]提出AA-TIG (Advanced activating TIG welding)，该方法采用双层气体引入活性O元素，可以明显增加熔深。樊丁等人[8-9]提出了电弧辅助活性TIG (Arc assisted activating TIG)，不但能增加焊缝熔深，而且还可以在高速焊接时克服咬边和驼峰等缺陷[10-11]。

文中提出双TIG活性电弧焊接法，采用2支TIG焊枪前后排布进行焊接，焊枪在垂直于母材平面内成60°夹角，前置焊枪的焊接电流小于后置焊枪，采用2台相互独立的焊接电源分别对2支焊枪供电。后置焊枪采用Ar作为保护气体，前置焊枪采用O2+Ar的混合气体保护，从而使电弧具有活性。其中，钨极间距定义为2个钨极尖端的水平距离，弧长定义为钨极尖端到母材的垂直距离。该方法简便易行，可以在高于普通TIG焊接速度的条件下实现深熔焊接。研究了O2流量、焊接电流、弧长、钨极间距和焊接速度等工艺参数对焊缝成形的影响，并考察了焊缝组织及力学性能。

1 试验材料及方法

试验中选用SUS304不锈钢进行平板表面熔焊试验，板材尺寸为200 mm×100 mm×5 mm。焊接前打磨母材表面，直至露出金属光泽，然后用丙酮擦拭，去除母材表面的油污等杂质。选用3.2 mm铈钨极，钨极尖端角度为60°。在焊接时，焊枪固定不动，起弧后母材随着焊接平台移动完成焊接。待试板冷却后拍照记录焊缝表面成形，取样、打磨、腐蚀并观察焊缝形貌和焊缝组织。按照GB/T 228—2002《金属材料室温冲击试验方法》制备焊接接头冲击试样，试样加工成尺寸为55 mm×10 mm×2.5 mm，进行V形缺口夏比冲击试验。焊接工艺参数见表1。

表1 焊接工艺参数

2 试验结果及讨论

2.1双TIG活性电弧形态

图1为总电流300 A，弧长3 mm，保护气流量15 L/min时，传统TIG电弧焊和双TIG活性电弧焊的电弧形貌。可以看出，传统TIG电弧形貌为典型的钟罩型，而双TIG活性电弧由于2个电弧之间的相互吸引作用，形成耦合电弧。由于后置焊枪钨极电流大，前置焊枪钨极电流小，大电流钨极产生的阴极射流更强，在其作用下电弧整体上向小电流一侧偏移。

图1 电弧形貌对比

2.2焊缝形貌比较

图2为基本工艺参数下普通TIG、引入O2的TIG、双TIG和双TIG活性电弧的焊缝成形对比。 可以看到，传统TIG焊缝熔深为3.0 mm，焊缝熔宽为14.4 mm。引入O2的普通TIG焊缝熔深达到5 mm，熔宽达到13.6 mm，但焊缝表面氧化严重，成形较差，且伴有轻微咬边。双TIG电弧焊缝熔深为2.1 mm，焊缝熔宽为13.4 mm。与之相比，双TIG活性电弧焊焊缝完全熔透，熔宽仅8.7 mm，焊缝表面有轻微的氧化，焊缝成形良好。可见，在保持工艺参数相同时，双TIG活性电弧焊的焊缝成形良好，焊缝熔深最大，且熔宽较小。

图2 焊缝成形对比

2.3钨极尖端形貌对比

图3为焊接后钨极尖端烧损程度比较。普通TIG时，当保护气体为纯Ar，气体流量为15 L/min时，钨极氧化不明显，如图3a所示；当保护气体中添加0.6 L/min的O2时，钨极氧化十分严重，如图3b所示；采用双TIG活性电弧焊接时，后置焊枪采用Ar保护，气体流量为15 L/min，前置焊枪采用Ar+O2保护，气体流量为(10+0.6) L/min。可以完全避免钨极尖端烧损，如图3c所示。可见双TIG活性电弧焊接方法可以有效避免钨极烧损，延长使用寿命。

图3 钨极尖端烧损比较

2.4焊接工艺参数对焊缝成形的影响

2.4.1O2流量

图4为基本焊接工艺参数下，前置焊枪保护气体中O2流量对焊缝成形的影响。由图4可见，随着保护气中O2流量的增加，焊缝熔深先增加后减小，在0.6 L/min和1.0 L/min的O2流量下完全熔透，且在0.6 L/min时熔宽最小，达到8.7 mm。

图4 O2流量的影响

目前，对于活性元素增加熔深机理的研究结果表明[11-12]：对于铁合金而言，活性元素的引入使熔池表面张力温度系数由负变正，从而改变了熔池中液态金属的流动方向，由传统的由内向外流动转变为由外向内的流动，最终导致焊缝熔深增加。

根据Sahoo等人[13]的研究，随着熔池中O元素含量的增加，表面张力温度系数先增加后减小。在该试验中，随着保护气中O2流量的增加，通过双TIG电弧进入到熔池的O元素含量增多，表面张力温度系数由负变正，熔池中Marangoni对流方向逆转，变成由外向内的对流，焊缝熔深增加；随着O2流量的进一步增加，表面张力温度系数反而减小，导致Marangoni对流的驱动力减小，热对流强度减弱，熔深减小。至于熔宽的变化，焊接过程中热输入保持不变，当熔池金属向内流动时，热量向中心传递，而对熔池边缘的熔化减弱，向内对流越强，熔化的越少，导致熔宽越小，因此，熔宽表现出与熔深变化相反的规律。

2.4.2焊接电流

图5为基本焊接工艺参数下，焊接电流对焊缝成形的影响。由图可知，在保持总电流不变时，随着后置焊枪电流的增加(前置焊枪电流的减小)，焊缝熔深先增加后减小，熔宽逐渐增加。

图5 焊接电流的影响

随着后置焊枪电流的增加，大电流钨极产生的等离子流更加强烈，此时小电流侧(即前置焊枪)混入O2在等离子流的作用下更多的被传递到电弧外围[14]，从而使熔池表面附近的O元素减少。因此，随后置焊枪电流的增加，进入熔池的O元素亦随之降低。当后置焊枪电流增大时，进入熔池的O元素减少，如2.4.1章节分析所述，在电流为160 A+140 A时进入过多，熔深反而变浅。而当180 A+120 A，200 A+100 A时，进入熔池的O元素对增加熔深最为有利。随着电流进一步增加，进入熔池的O元素过少，熔深变浅。而熔宽增加是由于后置焊枪电流的增加，电弧覆盖区域扩展，同时向内流动减弱，使得熔池边缘的熔化被加强。

2.4.3钨极间距

图6为基本焊接工艺参数下，钨极间距对焊缝成形的影响。由图可知，当钨极间距从3 mm增加时，焊缝熔深逐渐减小，焊缝熔宽逐渐增加。当钨极间距为3 mm时焊缝完全熔透，熔宽最小。

图6 钨极间距的影响

随着钨极间距的增大，两阴极射流之间的吸引力减小，O元素向电弧中心区域的扩散距离增加，到达熔池表面的O元素减少，进入到熔池中的O元素也减少，从而导致熔池表面的Marangoni对流减弱，焊缝熔深减小。此外，随着钨极间距变大，两电弧之间的吸引力减弱，电弧要比钨极间距为3 mm时的电弧更加扩展，电弧覆盖的区域增加，同时向内流动减弱，对熔池边缘的熔化作用加强，导致熔宽增加。

2.4.4弧长

图7为基本焊接工艺参数下，弧长对焊缝成形的影响。由图可知，随着弧长的增加，焊缝熔深呈现先增加后减小的趋势，焊缝熔宽逐渐增加。弧长为3 mm时，焊缝熔深最大，熔宽较小。

图7 弧长的影响

随着弧长的增加，后置焊枪的等离子流沿着钨极轴线方向的流动更加显著，O元素在等离子流的作用下更多的被传递到电弧外围区域，导致进入熔池中的O元素减小，焊缝熔深下降。至于熔宽的增加，主要是因为随着弧长增加，电弧覆盖熔池区域增加及向内流动减弱，对熔池边缘的熔化作用增强。

2.4.5焊接速度

图8为基本焊接工艺参数下，焊接速度对焊缝成形的影响。由图可知，随着焊接速度的增加，焊缝熔深和熔宽均减小。当焊接速度超过16 mm/s时，O元素对熔深增加的作用不明显。

随着焊接速度的提高，熔池在液态条件下停留的时间变短，扩散到熔池中的O元素没有充足的时间发挥作用，使得活性元素O元素对焊缝熔深增加的作用逐渐下降，以至在超过一定的速度后几乎无影响。

图8 焊接速度的影响

由上述结果可知，以上各焊接工艺参数都会影响O元素在电弧中的传质行为，进而影响O元素在熔池中的量，最终影响焊缝形貌。然而，只有当控制其在一个适中的范围时，熔深的增加才最明显。

3 焊缝的显微组织

图9为基本焊接工艺参数下，O2流量分别为0 L/min和0.6 L/min时的焊缝显微组织。可见，焊缝组织均由大量奥氏体和少量铁素体组成，铁素体表现为骨架状和板条状的混合形态。总体而言，O元素对焊缝微观组织无明显影响。

图9 不同O2流量下的焊缝显微组织

4 焊缝的力学性能

图10为常温下的冲击试验结果。由图可知，O2的引入会造成焊缝冲击吸收能量下降，且随着O2比例的增加，冲击吸收能量呈下降趋势。母材的冲击吸收能量为35 J，基本焊接工艺参数下，焊缝冲击吸收能量为32.3 J，当O2流量增加到1.5 L/min时，焊缝冲击吸收能量降低到25.3 J。樊丁等人[15]的研究也表现出类似的规律，出现这种变化的原因可能有以下几个方面：①引入的O2会在焊接过程中生成氧化物并滞留在焊缝中，造成氧化物夹渣；②焊缝中形成硬而脆的第二相粒子；③焊缝中铁素体含量的增多，这些因素都会使焊缝韧性下降。

图10 焊缝冲击试验结果

由上述结果可知，在焊接过程中需要精确控制保护气中O2的流量，才能在实现焊缝熔深显著增加的基础上，保证焊缝具有较好的力学性能。在文中的试验条件下，当O2流量为0.6 L/min，即前置焊枪保护气中O2体积分数为5.66%时，就可以保证焊缝熔透，且冲击韧性只有轻微下降。

5 结论

(1)双TIG活性电弧焊能在高于普通TIG焊接速度的条件下实现深熔焊接。

(2)进入到熔池中的O元素含量对焊缝形貌有很大影响。各焊接工艺参数都会影响O元素在电弧中的传递行为，进而影响其在熔池中的含量，最后对焊缝成形产生影响。

(3)与不加O元素时相比，O元素的引入对焊缝微观组织无明显影响。冲击韧性随O元素引入量的增加而下降，但是，较低的O2混合比可以在保证熔深的同时，获得良好的力学性能。