磁控TIG焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)

韓 琦 劉啟明 黃 磊

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212134）

焊接技術(shù)作為一種熱加工技術(shù)，在航空、航天工程、核電工程、深海探測(cè)工程、船舶制造、建筑等方面應(yīng)用廣泛。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在制造業(yè)方面，我國(guó)正在由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。傳統(tǒng)焊接技術(shù)已無(wú)法滿足高端裝備制造業(yè)的要求，于是出現(xiàn)了一些新型焊接技術(shù)，如激光焊、電子束焊、等離子弧焊、摩擦焊和磁控焊接技術(shù)等[1]。

傳統(tǒng)TIG焊，即鎢極氣體保護(hù)焊，屬于非熔化極氣體保護(hù)焊。通常是鎢電極與要焊接的工件之間的電弧使金屬熔化而形成焊縫。其具有電弧穩(wěn)定、噪聲小、飛濺少、焊縫成形美觀等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)TIG焊接存在一定的不足，比如：高速焊中電弧容易出現(xiàn)后拖現(xiàn)象、焊縫熔深淺、不適用厚板焊接等。為了解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多焊接專家學(xué)者[2-3]將磁場(chǎng)引入到焊接過(guò)程中，通過(guò)外加磁場(chǎng)與焊接電弧、熔滴、熔池內(nèi)的液態(tài)金屬相互作用，大大提高了生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。而磁控TIG焊是在傳統(tǒng)TIG焊的基礎(chǔ)上附加磁控裝置，其操作簡(jiǎn)單，能耗少，成本低，既具有傳統(tǒng)TIG焊的優(yōu)點(diǎn)，也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)TIG焊焊接過(guò)程中的不足。根據(jù)外加磁場(chǎng)施加方式的不同，可將外加磁場(chǎng)分為橫向磁場(chǎng)、縱向磁場(chǎng)和尖角磁場(chǎng)。

一、外加橫向磁場(chǎng)的TIG焊

外加橫向磁場(chǎng)是指外加磁力線垂直通過(guò)電弧軸線，如圖1所示，通過(guò)改變電弧形態(tài)、熱量分布、壓力分布、挺度和熔池內(nèi)金屬流動(dòng)方式，很好地解決了TIG焊接過(guò)程中出現(xiàn)的電弧后托、咬邊、駝峰、側(cè)壁熔合難等問(wèn)題。因此，在TIG焊中外加橫向磁場(chǎng)引起了許多焊接研究者的關(guān)注。北京工業(yè)大學(xué)華愛(ài)兵[4]在奧氏體不銹鋼TIG焊接中引入橫向螺旋磁場(chǎng)，研究勵(lì)磁參數(shù)對(duì)TIG焊接電弧的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)方式的影響以及對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在一定的勵(lì)磁參數(shù)下，可以有效地控制電弧形態(tài)和電弧對(duì)母材的作用范圍，從而控制焊縫成形。

圖1 外加橫向磁場(chǎng)裝置示意圖

楊豐兆、賈思峰等人[5-6]將橫向磁場(chǎng)引入到TIG焊接過(guò)程中，提高了焊接中電弧挺度，解決了電弧后托、咬邊和焊縫成形差問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高速TIG焊接。為了解決高速TIG焊容易出現(xiàn)未焊透、焊縫不連續(xù)問(wèn)題，傅新皓[7]在傳統(tǒng)TIG焊中引入橫向交變磁場(chǎng)，研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)于無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，尤其在高頻磁場(chǎng)下，電弧中心熱量和弧柱中心氣動(dòng)壓力均變大；為了解決厚板窄間隙側(cè)壁熔合難問(wèn)題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫清潔[8]使用磁控TIG焊作用于雙U型坡口的厚板焊接試驗(yàn)中。結(jié)果顯示：焊縫的強(qiáng)度最高值達(dá)了712MPa。胡金亮[9]重點(diǎn)闡述了外加橫向磁場(chǎng)對(duì)厚板鈦合金磁控窄間隙TIG焊接電弧擺動(dòng)的作用機(jī)理，說(shuō)明焊縫成形的影響因素。同時(shí)對(duì)鈦合金磁控窄間隙TIG焊接接頭的顯微組織、力學(xué)性能及焊后殘余應(yīng)力分布特征做了研究。

二、外加縱向磁場(chǎng)的TIG焊

外加縱向磁場(chǎng)裝置示意圖如圖2所示。電弧中的帶電粒子受外加磁場(chǎng)的作用沿著磁力線方向做螺旋運(yùn)動(dòng)，焊接電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn)，對(duì)熔池起到了一定的攪拌作用，細(xì)化焊縫組織，提高焊接質(zhì)量。有關(guān)外加縱向磁場(chǎng)對(duì)TIG焊影響的研究中，南昌航空大學(xué)李軍，江淑園[10]在鋁合金TIG焊中引入直流縱向磁場(chǎng)，結(jié)果顯示：相比于無(wú)外加磁場(chǎng)情況下，焊縫表面紋路清晰規(guī)則，焊縫組織得到明顯細(xì)化，焊縫的力學(xué)性能顯著提高。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)王同歡[11]在TA2 TIG焊接中引入了交變磁場(chǎng)，由于洛倫茲力的作用，電弧發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)熔池起到攪拌作用，焊縫組織得到細(xì)化，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和勵(lì)磁頻率，獲得了焊接接頭組織性能的影響規(guī)律。重慶大學(xué)王聰[12]使用ANSYS建立外加縱向磁場(chǎng)TIG焊熔池的數(shù)值模型，模擬出TIG焊熔池的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)分布。沈陽(yáng)航空航天大學(xué)趙磊[13]等人通過(guò)建立TIG焊電弧模型，分別研究在只外加交變縱向磁場(chǎng)和同時(shí)外加交變縱向磁場(chǎng)及脈沖電流時(shí)對(duì)電弧的影響。研究表明，在一定的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度和交變頻率下，當(dāng)磁場(chǎng)方向?yàn)檎娀∈湛s下壓，當(dāng)電弧方向?yàn)樨?fù)，電弧拉長(zhǎng)；當(dāng)施加交變縱向磁場(chǎng)并與交變磁場(chǎng)相匹配的脈沖電流時(shí)，當(dāng)電弧處于工作階段且磁場(chǎng)方向?yàn)檎娀∈湛s下壓，電弧能量集中，有利于母材熔化。當(dāng)電弧處于維弧階段且磁場(chǎng)方向?yàn)樨?fù)，電弧能量分散。多數(shù)學(xué)者的研究主要限于磁控焊接工藝，而沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)張洪旭[14]的研究方向是產(chǎn)生外加磁場(chǎng)的電源。采用逆變技術(shù)研制了一種高頻磁控電源，并分別對(duì)磁控電源的主電路、同步電路、控制電路、保護(hù)電路等進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。之后將優(yōu)化的磁控電源應(yīng)用到TIG焊接中。最后通過(guò)對(duì)比磁控TIG焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的勵(lì)磁電源的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

圖2 外加縱向磁場(chǎng)裝置示意圖

三、外加尖角磁場(chǎng)的TIG焊

產(chǎn)生外加尖角磁場(chǎng)的裝置示意圖如圖3所示。焊接電弧通過(guò)尖角磁場(chǎng)，受磁場(chǎng)的壓縮作用，焊接電弧的電流密度、能量密度和壓力在長(zhǎng)徑方向上都明顯增加。因此，在引入尖角磁場(chǎng)進(jìn)行厚板TIG焊時(shí)，只需調(diào)大勵(lì)磁電流就可以增加電弧的穿透力，這既提高了焊接效率，也降低了焊接損耗。20世紀(jì)八十年代，趙彭生、趙國(guó)華等人[15-17]將雙尖角磁場(chǎng)引入到TIG焊中，對(duì)其原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。研究中有發(fā)現(xiàn)，截面形狀呈扁球狀，由于焊接電弧被壓縮，因此電弧的長(zhǎng)軸方向上，電弧中心的電流密度、能量以及壓強(qiáng)都有所增加。謝曉梅、陳集[18]等人將尖角磁場(chǎng)引入到等離子弧焊接實(shí)驗(yàn)研究中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，尖角磁場(chǎng)對(duì)等離子電弧具有約束作用，電弧橫截面積減小，電弧的能量密度和電流密度均增加。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)關(guān)子奇[19]基于機(jī)器人平臺(tái)研究外加交變尖角磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流與勵(lì)磁頻率對(duì)焊接電弧和焊縫組織的影響。結(jié)果表明，施加交變尖角磁場(chǎng)后電弧截面由圓形變?yōu)闄E圓形。并且隨著勵(lì)磁電流的加大，電弧的收縮程度先增大后減小。電弧壓力和電流密度由正態(tài)分布的峰狀變?yōu)槎秳?dòng)峰狀。焊縫表面均勻致密，呈魚鱗紋狀；焊縫枝晶組織得到細(xì)化，拉伸強(qiáng)度和硬度得到明顯提高。

圖3 外加尖角磁場(chǎng)裝置示意圖

四、結(jié)束語(yǔ)與展望

本文詳細(xì)闡述了不同方式的外加磁場(chǎng)對(duì)TIG焊接電弧、熔池、焊縫組織和力學(xué)性能的影響，并介紹了不同方式外加磁場(chǎng)所適用的領(lǐng)域。隨著先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，1.焊接技術(shù)趨向于高效化、自動(dòng)化與智能化發(fā)展，將磁控系統(tǒng)搭載自動(dòng)化設(shè)備，可提高焊接生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量；2.在研究過(guò)程中，采用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的研究方式，通常先利用模擬軟件對(duì)焊接電弧、熔滴、熔池的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證所模擬的結(jié)果，這已成為當(dāng)下的重要研究手段和趨勢(shì)；3.在外加磁場(chǎng)作用下，還涌現(xiàn)出一些新的技術(shù)，如磁控電弧增材制造技術(shù)、磁旋弧焊接技術(shù)、磁控激光焊接[20-21]。