尖角磁场极性对双钨极氩弧焊电弧形态和焊缝特征的影响

2023-05-16刘润涛朱言利王泽力刘黎明

焊接学报 2023年3期

刘润涛，朱言利，王泽力，刘黎明

(大连理工大学辽宁省先进连接技术重点实验室,大连,116024)

0 序言

双钨极氩弧焊(Twin-electrode TIG，T-TIG)作为一种新型焊接方法，具有独特的钨极结构，由两台电源供电，在两个钨极之间形成一个耦合电弧，具有自动化程度高、适应性强、生产成本低等优点，正在被越来越多的研究者重视[1-3].研究表明TTIG 比传统TIG 电弧具有更低的电弧压力和更稳定的熔池特征[4].同时在大电流焊接时，由于TTIG 的电弧压力较小，能有效地减小熔穿、驼峰等缺陷，从而实现高效焊接[5-6].然而，T-TIG 电弧比较发散，能量利用率较低，焊接熔深浅.因此，有必要优化T-TIG 能量分布，进一步提高其生产效率.

外加磁场具有成本低，安装灵活、可靠性高等优点，在改善电弧能量分布方面有很大优势[7-9].LIU 等人[10-11]将尖角磁场作用于K-TIG (Keyhole TIG)，结果表明尖角磁场可以使K-TIG 电弧形态约束为椭圆形，提高电弧电压及降低热输入.ZHU 等人[12-13]通过将自行设计的尖角磁场作用于T-TIG，发现外加磁场能够有效增强小电流T-TIG 的公共导电通道特性，以及优化大电流T-TIG 电弧的能量分配，从而提高焊丝熔敷率.然而，现有的研究大都集中在磁场对单电极电弧或其熔池的影响，而对TTIG 的影响也只是通过单一极性磁场对其电弧进行调控，利用变极性磁场对T-TIG 进行调控的研究并没有提及，因此通过对T-TIG 施加两种不同极性的尖角磁场，进而研究其对T-TIG 电弧形态和焊缝特征的影响.

1 试验方法

1.1 试验系统

图1 为尖角磁场辅助T-TIG 焊接系统示意图，系统主要由两台焊接电源、磁控装置(包括励磁电源、励磁线圈)及摄像装置组成.两台电源分别对两把焊枪供电，并独立可调，同时通过自行设计的夹具对焊枪进行夹紧，可以调整焊枪角度，高度和钨极间距.焊接采用平板堆焊的形式，母材选用规格为100 mm × 100 mm × 8 mm 的Q345 钢，母材化学成分见表1.保护气体为纯Ar 气，气体流量为12 L/min，具体焊接工艺参数见表2.

图1 焊接系统示意图Fig.1 Schematic diagram of welding system

表1 母材化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of base metal

表2 焊接工艺参数Table 2 Welding process parameters

焊接过程中利用MS50K 高速摄像机对电弧形态进行采集，参数设置为曝光时间400 μs，采集窗口大小320 pixel × 240 pixel，帧频2 000 帧/s.同时利用非接触式SAT-G95 红外摄像仪对焊接过程中焊缝平均温度进行采集，该设备具有选区测温和实时采集功能，设置测距为1 m，辐射率为0.84，环境温度设定为15 ℃.

1.2 磁发生装置

图2 为磁发生装置，采用的线圈匝数为6 匝，线圈内置直径为8 mm 的铁芯，外加磁场的磁场强度可以通过改变励磁电流进行调节.励磁线圈中的磁场将通过底部的四个厚度为4 mm 导磁杆引至焊接电弧，利用高斯计测量导磁杆端部的磁感应强度，尖角磁场加入到电弧中，与焊接电流相作用，从而控制焊接电弧和熔池流动行为.同时线圈内通以循环水，防止大电流条件下线圈过热.

图2 磁发生装置Fig.2 Magnetic generating device

通过变换极性来形成两种不同方向的尖角磁场，如图3 所示，按平行于钨极排列方向(x轴)上磁场分布的不同，分为正极性尖角磁场(图3a)和负极性尖角磁场(图3b)，即沿x轴方向磁场分布为顺时针是正极性尖角磁场，沿x轴方向磁场分布为逆时针是负极性尖角磁场，从而探究其对T-TIG 电弧形态和焊缝特征的影响规律.

图3 不同极性的磁场示意图Fig.3 Schematic diagram of magnetic fields of different polarities.(a) positive cusp magnetic field;(b)negative cusp magnetic field

2 试验结果与分析

2.1 尖角磁场极性对T-TIG 电弧形态的影响

图4 是从xOz面和yOz面观察到的T-TIG 电弧形态.经过施加正极性尖角磁场(图4c)，耦合电弧在xOz面出现了整体收缩现象，电弧宽度减小.通过表3 的电弧尺寸可以发现，电弧宽度由原来的9.97 mm 变成了8.27 mm，减小了17.1%.施加负极性尖角磁场(图4e) 后，耦合电弧整体扩张，电弧宽度达到10.95 mm，增加9.8%；另外经过正极性尖角磁场(图4d) 的施加，耦合电弧在yOz面进行了整体扩张，电弧尺寸由初始的8.39 mm 变为10.13 mm，增大20.7%.施加负极性尖角磁场(图4f)后，耦合电弧在该面有了整体压缩现象，电弧宽度变为7.15 mm，减小14.8%.可以发现，经过正极性尖角磁场的施加，T-TIG 电弧宽度在xOz面和yOz面的变化程度都要比负极性尖角磁场的大.

图4 T-TIG 电弧形态变化Fig.4 Morphological change of T-TIG arc.(a) arc shape of xOz surface without magnetic field;(b) arc shape of yOz surface without magnetic field;(c) arc shape of xOz surface with positive cusp magnetic field;(d) arc shape of yOz surface with positive cusp magnetic field;(e) arc shape of xOz surface with negative cusp magnetic field;(f)arc shape of yOz surface with negative cusp magnetic field

表3 电弧宽度Table 3 Arc width mm

通过上述试验现象，可以发现尖角磁场对TTIG 的电弧形态有影响，因此构建电弧物理模型对其进一步解释，并采用正极性尖角磁场进行说明.图5 显示了双钨极与尖角磁场之间的相对位置以及各自产生的磁场，其中B代表T-TIG 各电极产生的自感应磁场，而BA代表外部施加的尖角磁场，假设电流方向垂直纸面向外，则根据安培定则，电流产生的磁场方向为逆时针.

图5 施加尖角磁场前后T-TIG 磁场分布示意图Fig.5 Schematic diagram of T-TIG magnetic field distribution before and after applying a cusp magnetic field.(a) before applying cusp magnetic field;(b) after applying cusp magnetic field

对于T-TIG 来说，首先受到自感应磁场产生的自磁收缩力FE作用，可以表示为[12]

式中：I为各电极电流；r为带电粒子的位置；J(r)为电流密度；B(r)为自感应磁通密度；μ0为自由空间磁导率；R为弧柱半径；σI为焊接电流的分布系数；FE指向电弧中心，维持电弧在固定的位置.TTIG 的每一个电极也受到来自另一个电极的作用力FD影响，可以表示为[14]

式中：ID为另一个电极的电流；BD为另一个电极的磁通密度；D为两个电极之间的距离；FD指向耦合电弧的中心轴，从而使得两个电弧具有向中心轴聚集的趋势.每个电极还受到外部尖角磁场产生的作用力FA，可以表示为

式中：BA为外部磁通密度.尖角磁场产生的作用力FA加强了T-TIG 电弧左右侧的电磁收缩力，同时减弱了其前后侧的电磁收缩力，所以使T-TIG 电弧左右侧被压缩，前后侧出现扩张.这与正极性磁场使电弧在xOz面压缩，在yOz面扩张，而负极性磁场使电弧在xOz面扩张，在yOz面压缩的现象符合.

2.2 尖角磁场对T-TIG 焊接温度场的影响

尖角磁场使T-TIG 电弧形态产生变化，导致电弧能量分布改变，表现为电弧作用到焊缝上，使焊缝温度场产生改变，因而可以通过研究焊缝温度场的变化来间接说明尖角磁场对T-TIG 焊缝特征的影响.为了使表征结果具有针对性，采取对T-TIG施加正极性尖角磁场来完成温度场测量操作.如图6所示，电弧熄灭3 s 后利用红外摄像仪进行拍摄，在焊缝上等距选取三个位置，沿着母材至焊缝再到母材的方向进行温度值测量，从而获得图7 所示的温度变化曲线.

图6 位置分布示意图Fig.6 Location distribution diagram

从位置1 温度变化(图7a) 来看，经过施加正极性磁场后，温度分布呈现向中心靠拢的现象；位置2 温度变化(图7b) 表明，经过正极性磁场的施加，曲线变得更加陡峭，温度梯度变大；位置3 温度变化(图7c)说明磁场使温度分布曲线有了明显的收缩，曲线整体斜率变大.

图7 焊缝不同位置温度曲线Fig.7 Temperature curves of different positions of the weld.(a) temperature curve at position 1;(b) temperature curve at position 2;(c) temperature curve at position 3

可以看出，经过正极性磁场的施加后，三个位置的温度曲线都有了整体收缩的趋势，同时曲线尖端更加突出，表示尖角磁场使温度分布更加集中，这与正极性尖角磁场在xOz面对T-TIG 进行压缩的特性符合(图4c).

2.3 尖角磁场极性对T-TIG 焊缝成形的影响

图8 为不同极性的尖角磁场作用于T-TIG 的焊缝横截面对比.从焊缝截面来看，经过对T-TIG施加尖角磁场后，焊缝熔深有了不同程度的变化.未施加磁场时焊缝熔深为1.94 mm(图8a)，经过正极性尖角磁场的施加之后，焊缝熔深达到2.66 mm(图8b)，增长37.1%，熔宽基本变化不大.经过对TTIG 施加负极性尖角磁场后，焊缝熔深变为1.89 mm(图8c)，无明显变化，熔宽有所提高.因此，正极性尖角磁场更有利于焊缝熔深的增加.

图8 焊缝横截面对比Fig.8 Weld cross section comparison.(a) no magnetic field applied;(b) apply positive cusp magnetic field;(c) apply negative cusp magnetic field

熔深的改变主要是由于作用在熔池表面的力的效果，而作用力中起关键作用的是电弧压力.耦合电弧中心轴上的电弧压力Py=0可以表示为[15-16]

式中：ρ表示等离子体密度；vy=0为等离子体流速；Jy=0表示耦合电弧中轴线上的电流密度；e表示电子电量；k表示玻尔兹曼常数；T为电弧等离子体温度；me表示电子质量；ne为电子密度；E表示电场强度；λ为自由程.

可见，电流密度与电子密度和电场强度强相关，而外加正极性尖角磁场单侧压缩了T-TIG 电弧，提高了中心区域电子密度[12]，同时Liu 等人[11]的研究证实了电弧被单侧压缩后，电弧电压增加，由式(9)可得电流密度提高，结合式(7)和式(8)可知电弧压力增加，进而增加T-TIG 对母材的冲击作用，有利于提高熔深.

2.4 尖角磁场极性对T-TIG 组织影响

图9 为不同尖角磁场下T-TIG 热影响区和焊缝区组织.在热影响区组织中，除了存在铁素体(F)和珠光体(P)外，同时在晶界处存在羽毛状的上贝氏体组织(UB)，另外相比于未加磁场的晶粒，平均晶粒大小为78.27 μm，而施加正极性磁场后平均晶粒大小为53.63 μm，施加负极性尖角磁场后平均晶粒大小为50.66 μm，可见两种磁场下的晶粒大小都有了较小程度的细化(图9c、图9e)；焊缝区的组织基本与热影响区一致，主要为铁素体、珠光体与上贝氏体组织，无明显变化.未加磁场时焊缝区平均晶粒大小为120.97 μm，施加正极性磁场后平均晶粒大小为118.28 μm，施加负极性磁场后平均晶粒大小为118.38 μm，作用两种尖角磁场后，焊缝区晶粒大小无明显变化(图9d、图9f).

图9 显微组织形貌对比Fig.9 Microstructure and morphology comparison.(a) microstructure of heat affected zone without magnetic field;(b)microstructure of weld zone without magnetic field;(c) microstructure of weld zone with positive cusp magnetic field;(d) microstructure of weld zone positive cusp magnetic field;(e) microstructure of heat affected zone with negative cusp magnetic field;(f) microstructure of weld zone with negative cusp magnetic field