極性比對高速方波交流TIG-MIG復合焊電弧穩定性及焊縫成形的影響

陳東升，王 恒，陳茂愛，王愛國

1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082 2.山東大學 材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室，山東 濟南 250061 3.河北岳泓智機科技開發有限公司，河北 衡水 053100

0 前言

TIG焊具有焊接過程穩定、焊縫質量好等優點，但同時存在焊接速度低、熔透能力低等缺點；傳統MIG焊生產效率高，但焊接低碳鋼和低合金鋼時因陰極斑點的跳躍性和黏著性易造成電弧不穩、焊縫成形差等問題，TIG-MIG復合焊接融合了兩者的優點，并規避了各自的不足，是一種具有良好應用前景的復合焊方法。

Kanemaru S[1-2]等人研究了不銹鋼TIG-MIG復合焊接工藝，發現MIG與直流TIG電弧相互耦合，克服了MIG電弧陰極斑點飄逸現象，顯著提高了焊接過程的穩定性，改善了焊縫成形。婁小飛[3-4]等人發現直流TIG和MIG電弧之間電磁力的影響使得耦合電弧壓力顯著下降，在熔池表面形成的弧坑深度變淺，熔寬變小，熔池中后向液體流速度降低，從而避免了駝峰及咬邊的出現。陳姬[5-7]等人通過對直流TIG-MIG復合電弧進行數值模擬計算，發現TIG和MIG電弧之間存在的電磁作用力使得TIG電弧的垂直度增加，TIG電弧的熱流密度隨之增大，對焊縫成形具有積極意義。楊濤[8]等人發現TIG電弧可以有效加熱MIG熔滴，降低焊接飛濺，并促進熔池鋪展，從而形成良好的焊縫成形，實現高效優質的焊接。上述研究主要集中于直流TIG電弧與MIG電弧的復合，但這種復合電弧僅僅在TIG電流大于MIG電流的條件下才能保持穩定，采用較小的TIG電流時，電弧穩定性顯著變差，焊縫成形質量嚴重下降，出現駝峰、咬邊等焊接缺陷[9]。

方波交流具有正半波和負半波轉換速度快、電弧穩定等優點，且通過方波交流脈寬的調節，可以合理地分配鎢極與工件之間的熱量，產生足夠的陰極清理作用，并減少鎢極的燒損，達到較大的熔深。高海光[10]對交流TIG-MIG復合焊接工藝進行了研究，在交流TIG電流小于MIG電流的條件下獲得了穩定的復合電弧，焊縫成形良好，說明相對于直流TIG-MIG復合焊接，交流TIG-MIG復合焊的工藝窗口增大。但是由于正弦波的兩個半波持續時間不可調，且焊接電流正負極性轉變時刻電弧穩定性差，因此電弧的耦合效果仍受到限制。而方波交流具有正半波與負半波轉換速度快、電流零點過渡區幾乎為零、電弧穩定等優點，另外，可以通過調節方波波形的極性比（方波交流中負半波持續時間在一個方波波形周期中所占比例為極性比）來調節兩個電弧的耦合效果，因此有必要對其進行深入研究。

本文采用焊接過程參數與圖像同步采集系統，同步采集方波交流TIG-MIG復合焊的電壓、電流參數及焊接過程圖像，對不同極性比下的焊接過程電弧形態及熔滴過渡方式進行分析，研究極性比的改變對焊接過程電弧穩定性和焊縫成形質量的影響。

1 試驗設備和方法

試驗采用一臺逆變式脈沖MIG電源PULSE MIG-500Ⅲ和一臺交直流TIG電源WSME-500TIG，TIG電源選用方波交流模式，方波波形極性比可調。使用自制的焊槍加持裝置夾持TIG和MIG焊槍，焊槍的角度、高度及絲極間距可精確調節。利用焊接過程參數與過程圖像同步采集系統同步采集兩電弧的電流電壓、電弧形態和熔滴過渡圖像。圖像采集利用MV-D1024E-160高速CMOS攝像機配合Micro Enable Ⅳ圖像采集卡進行，電弧電流和電壓的采集利用霍爾電流傳感器和電壓傳感器配合高速PCI數據采集卡實現。方波交流TIG-MIG復合焊接實驗系統結構示意如圖1所示。

圖1 方波交流TIG-MIG復合焊接實驗系統結構示意Fig.1 Schematic of experimental set-up for square wave AC TIGMIG hybrid welding

試驗用母材為3 mm厚Q235B低碳鋼板。MIG焊采用直流反接，焊絲為直徑1.2 mm的H08Mn2Si，噴嘴與工件之間距離16 mm，焊槍傾角70°，采用純Ar氣作為保護氣，氣體流量16 L/min；TIG焊采用直流正接，鎢極與工件間距離為3 mm，焊槍傾角60°，Ar氣流量4 L/min。絲極間距為4 mm，焊接速度2 m/min，其他工藝參數如表1所示，通過調節方波交流TIG中負半波持續時間在一個周期所占比例（即極性比）來進行焊接對比試驗。

表1 焊接工藝參數Table 1 Welding parameters

2 方波交流TIG-MIG復合電弧行為

在MIG電流為250 A、MIG電弧電壓為26.8 V、方波交流TIG電弧電流為50 A時，不同極性比下的方波交流TIG-MIG復合焊焊接電流及電弧電壓波形如圖2所示。由圖2可知，極性比為0（直流TIG）時，TIG電弧電流波形中出現了很多異常的低點，而對應的TIG電弧電壓波形中出現異常的高點，說明出現了斷弧現象；極性比為10時，TIG電弧電流及電壓波形中幾乎沒有異常變化點，說明沒有斷弧現象發生，焊接過程相當穩定。

圖2 不同極性比下方波交流TIG-MIG復合焊接電流電壓波形Fig.2 Current voltage waveform of the square wave AC TIG-MIG hybrid welding under different polarity ratio

圖3為2 s的穩定焊接時間內不同極性比下TIG電弧斷弧次數之和。由圖3可知，極性比由0（直流TIG）增大到10后，TIG電弧斷弧次數由64次急劇減少至2次，而極性比的進一步增大對電弧斷弧次數影響不大。這說明利用直流TIG電弧時，小電流下的TIG-MIG復合電弧和焊接過程不穩定，而利用方波交流TIG電弧時，可在很小的TIG電流下獲得穩定的TIG-MIG復合電弧和穩定的焊接過程。

圖3 不同極性比下方波交流TIG-MIG復合焊接2 s內TIG電弧斷弧次數統計Fig.3 Statistical number of TIG arc interruption in 2 s as a function of polarity ratio during the square wave AC TIG-MIG hybrid welding

極性比為0時，方波交流TIG-MIG復合焊即為直流TIG-MIG復合焊。由于TIG電弧采用直流正接，而MIG采用直流反接，兩者的電弧電流方向相反，兩電弧受到相互排斥的電磁力作用。MIG電弧電流較大，電弧挺度高，在電磁排斥力作用下形態改變較?。籘IG電弧電流較小，電弧挺度差，在電磁排斥力作用下明顯偏離TIG鎢極軸線，如圖4所示。隨著焊接過程的進行，這種偏離可能會逐漸加劇，弧長逐漸增大，增至一定程度后電弧熄滅（見圖4d）。

圖4 極性比為0時TIG-MIG復合電弧典型形態Fig.4 Arc shape of TIG-MIG hybrid welding at a polarity ratio of 0

極性比為10時，TIG電弧在直流正極性（工件為陽極）半波和直流負極性（工件為陰極）半波之間周期性切換。當波形處于正極性半波時，TIG電弧與MIG電弧之間產生電磁排斥力，TIG電弧有向外側逐漸偏離鎢極軸線的趨勢，見圖5a、5b。在很短的時間內，TIG電弧由正極性半波切換到負極性半波，MIG電弧與TIG電弧之間產生的電磁吸引力使得TIG電弧又逐漸向內返回至鎢極軸線，見圖5d。這樣TIG電弧不至于過分拉長，幾乎不會發生斷弧現象。由于正極性半波的TIG電弧電流較大，兩個電弧耦合為一體，亮度大。在兩個半波之間的切換點附近，TIG電弧亮度開始變低，見圖5c；而在負極性半波，由于作為陰極的工件發射電子能力較弱，TIG電流較小，電弧亮度顯著較低，但此時TIG并沒有斷弧，兩電弧之間相互吸引的趨勢明顯，見圖5d。

圖5 極性比為10時TIG-MIG復合電弧典型形態Fig.5 Arc shape of TIG-MIG hybrid welding at a polarity ratio of 10

3 方波交流TIG-MIG復合焊縫成形

不同極性比下TIG-MIG復合焊的宏觀焊縫成形如圖6所示。由圖可知，極性比為0時，焊縫呈現明顯的駝峰焊道特征，與同參數下單MIG焊縫類似，可見小電流直流TIG并不能改善MIG高速焊焊縫成形；當極性比為10時，焊縫整體成形良好，表面光滑均勻，無咬邊、駝峰和飛濺等焊接缺陷；隨著極性比的增大，焊縫表面光滑程度有所下降，沿焊縫兩側焊趾部位呈現輕微的曲折波動，存在較多的大顆粒飛濺。因此，設置適當極性比可以有效提高焊縫成形質量，極性比為10時焊縫成形最好。

圖6 不同極性比下TIG-MIG復合焊縫成形Fig.6 Weld of TIG-MIG hybrid under different polarity ratio

大極性比導致飛濺的原因是焊絲端部液態金屬的強烈擺動。交流方波TIG-MIG復合焊接過程中，TIG波形處于正極性半波時，MIG焊絲端部錐狀液柱后偏，過渡熔滴向熔池后方過渡。焊絲軸線與焊絲端部錐狀液柱軸線形成一定角度α，如圖7所示。極性比為0（直流）時，焊絲端部錐狀液柱后偏角度最小，為15.5°；極性比為10和40時焊絲后偏角度基本相同，約為42°。這是由于極性比為0時，TIG波形完全處于正半波，MIG過渡熔滴始終保持穩定的后偏的過渡形態；當極性比增大，TIG波形階段性處于負半波，波形正反極性改變時，過渡熔滴受力改變，擺動幅度增大，后偏角度增大。

圖7 TIG電弧為正極性半波時焊絲尖端錐狀液柱相對于焊絲軸線的后偏角度αFig.7 Back-deflection angle α of the conical liquid column at the tip of the wire relative to the wire axis when the TIG arc on positive half wave

TIG波形處于負極性半波時，焊絲端部的錐狀液柱前偏，與軸線形成一定角度β，如圖8所示。極性比為0（直流）時，焊絲端部尖錐液柱持續后偏，不會出現前偏現象，見圖7b；極性比為10時，方波波形處于負半波，過渡熔滴沿焊絲軸線過渡，前偏角度為0；極性比為40時，MIG過渡熔滴前偏角度最大，為11.2°。顯然，隨著極性比的增大，焊絲端部尖錐液柱擺動幅度增大，而過大的擺動幅度易將液態金屬拋到熔池之外形成飛濺。

圖8 TIG電弧為負極性半波時焊絲尖端錐狀液柱相對于焊絲軸線的前偏角度βFig.8 Forward-deflection angle β of the conical liquid column at the tip of the wire relative to the wire axis when the TIG arc on negative half wave

4 結論

針對直流TIG-MIG復合焊僅在TIG電流大于MIG電流的條件下才能保持穩定，熱輸入相對于MIG焊顯著增大的問題，提出了方波交流TIG-MIG復合焊工藝，研究了極性比對焊接過程穩定性和焊縫成形的影響，結論如下：

（1）TIG電弧極性比為0（直流TIG）時，小TIG電弧電流（焊接電流50 A）的TIG-MIG復合焊接過程穩定性差，復合電弧始終處于排斥狀態，TIG電弧明顯向外偏離鎢極軸線，斷弧現象嚴重；極性比為10～40時，復合電弧形態不斷擴展和收縮，小TIG電弧電流的方波交流TIG-MIG復合焊接斷弧較少，焊接過程穩定。

（2）極性比對方波交流TIG-MIG復合焊焊縫成形影響較大。極性比為0時，小TIG電弧電流的TIG-MIG復合焊焊縫成形質量差，出現駝峰、飛濺等缺陷；而極性比為10時，焊縫整體成形良好，表面光滑均勻，無咬邊、駝峰飛濺等焊接缺陷；隨著極性比的進一步增大，焊縫表面光滑程度有所下降，焊趾部位呈現明顯的波動，且存在較多的大顆粒飛濺。方波TIG電弧與MIG電弧的相互作用勢必會對熔池金屬流動產生影響，進而影響到焊縫成形，其與熔池金屬相互作用的機理有待進一步研究。