不锈钢PA-GTA双面电弧焊工艺特点

0 前言

 

焊接技术在制造业中占有举足轻重的地位，它在汽车、船舶、海洋、航空航天等工业部门都得以广泛应用。提高焊接生产效率，降低生产成本，已成为焊接工作者们追求的一大目标，近几年在焊接领域出现了很多与此相关的新发明、新技巧，单电源双面电弧焊接工艺就是其中一项^[1]。在该工艺过程中，工件不接电，而是将两把焊枪连接于同一台焊接电源的两极，这样两个电弧就会串联起来工作。初步试验表明，该工艺具有增加熔深、减小焊后工件热变形等等优点，尤其适用于中厚板的焊接。

本文将以5mm厚1Cr18Ni9Ti不锈钢板作为焊接材料，研究等离子弧（PA）和钨极氩弧（GTA）相组合的双面弧焊的工艺特点，以进一步推动其在工程实用性方面的发展。

 

1 试验装置及试验结果

 

PA-GTA双面电弧立焊的试验装置原理图如图1所示。图中所示的焊接电源为国产LHME-315型逆变式变极性等离子弧焊机，试验采用直流恒流方式，其中，等离子弧焊枪接正极，钨极氩弧焊枪接负极。两套焊枪分别采用两套水冷装置。为提高焊接电流的加载量，降低钨极烧损速度，钨极氩弧焊枪的钨极直径选用6.4mm，等离子弧焊枪的钨极直径选用3mm。

*本课题受国防科技重点实验室基金和高等学校重点实验室访问学者基金资助

图2为采用PA-GTA双面弧焊工艺焊接得到的焊缝宏观金相照片，其中，等离子弧焊枪喷嘴孔道比为2.8/3.2，喷嘴高度5mm，钨极内缩3mm，GTAW弧长3mm。图3为采用常规单面等离子弧焊所得到的焊缝宏观金相照片，等离子弧焊枪的规

图1  PA-GTA双面弧焊试验装置原理图

格尺寸与图2相同。两组试验的焊接速度均为1.8mm/s。可以看出，在相同的焊接规范参数下，采用常规单面等离子弧焊获得的熔深只有1.94mm，只及工件厚度的38.8%，而采用PA-GTA双面弧焊工艺能够完全熔透工件，且在焊接过程中能够形成小孔效应，保证焊缝质量，其优越性显而易见。

1mm

图2  PA-GTA双面弧焊焊缝横截面宏观照片

（材料：1Cr18Ni9Ti不锈钢，板厚：5mm，焊接电流：66A，等离子气流量：2.0L/min）

1mm

图3 常规单面等离子弧焊焊缝横截面宏观照片

（材料：1Cr18Ni9Ti不锈钢，板厚：5mm，焊接电流：66A，等离子气流量：2.0L/min）

 

2 PA-GTA双面弧焊工艺特点

2.1 不锈钢双面弧焊过程中的电弧特点

在对不锈钢板采用PA-GTA双面弧焊时，可以采用直流恒流工艺并建立稳定的小孔效应。一旦小孔焊过程稳定建立，则焊接过程中出现的物理现象将会与常规等离子弧小孔焊不一样，因为在工件的另一侧还有一把焊枪在起作用，这样焊接电弧将会得到进一步的压缩，电弧能量也就会得到更进一步的聚集，从而可以一次性焊透更厚的试件，提高焊接生产率。

图4和图5中的电弧照片即为不同焊接工艺中拍摄到的电弧形态图。从图中可以看出，与常规的钨极氩弧和等离子弧相比，PA-GTA双面弧焊过程中的钨极氩弧和等离子弧更为集中，电弧横截面尺寸相对要小，电弧能量密度更高，为获得更大的熔深提供了条件。

 

a) 常规GTA     b) 双面弧焊中的GTA

图4 GTA形态比较图(焊接电流: 30A, 弧长: 4mm)

 

a) 常规PA     b) 双面弧焊中的PA

图5 PA形态比较图(焊接电流:30A, 喷嘴高度:5mm)

图6和图7显示的是在PA-GTA双面弧焊过程中，小孔效应建立前后的GTA和PA照片比较。

  

a) 未形成小孔时        b) 刚形成小孔时

c) 稳定小孔时

图6 双面电弧焊过程中不同时刻的GTA形态图

(焊接电流:66A, 保护气流量:12L/min, 焊接速度:1.8mm/s)

   

a) 未形成小孔时    b) 刚形成小孔时

 

c) 稳定小孔时

图7  双面电弧焊过程中不同时刻的PA形态图

(焊接电流:66A, 离子气流量:2.2L/min, 焊接速度:1.8mm/s)

从图中可以观察到，当小孔效应建立后，钨极氩弧的弧柱有一部分会穿过小孔，由于钨极氩弧相对比较发散，因此还有一部分电弧仍会作用在工件表面。而等离子弧则不一样，在没有形成小孔时，等离子弧完全作用在工件表面，当小孔形成后，由于等离子弧柱本来较窄，因此弧柱的大部分将会完全穿过小孔与工件另一侧的钨极氩弧串联起来，形成一个长电弧。因此，当小孔效应建立后，电弧对工件的加热形式也出现了变化，下文将会详细论述。

2.2 不锈钢双面电弧小孔焊工艺特点

在对不锈钢板采用PA-GTA双面电弧小孔焊的过程中，当小孔建立时，从电流和电压传感器所得到的数据显示，焊接电流不变，而焊接电压——也就是两把焊枪之间的电弧电压出现了下降，所采集到的数据见图8所示。从图中可以看出，两焊枪钨极间的电弧电压由未形成小孔前的30V下降至形成小孔后的26～27V左右，电压值下降了约3 ~ 4V，这一结果与张裕明的试验结果也是一致的^[2]。焊接电流保持不变，焊接电压下降3～4V的直接结果就是电源的功率输出下降了，电弧对工件的热输入量下降了11.7％，从而有利于降低工件焊后热变形，既节约了能源，又能提高焊缝质量。

图8  PA-GTA双面电弧小孔焊过程中电弧电压下降实测曲线

(1) 电弧加热机制的特点

电弧的热效率直接影响到工件上热输入的多少。在常规弧焊工艺过程中，电弧能量中的一部分散发到了周围环境中。在PA-GTA双面弧焊过程中，当小孔建立后，工件两侧的两个电弧就串联成一个贯穿整个工件的电弧，这时电弧对工件的加热方式发生了显著的变化。在没有形成小孔时，等离子弧和钨极氩弧分别从工件的两个侧表面对工件进行加热，这时只有电弧的端部部分与工件接触，电弧的很多能量并没有被工件吸收，而是散发到周围环境中。形成小孔后，两个电弧连为一体，形成一个贯穿工件的电弧，这时工件将穿过熔池的电弧整个包围，这样就会有更多的电弧能量被工件吸收，提高了电弧热效率。没有小孔和有小孔时电弧对工件的加热方式如图9所示。

(2) 电弧吹力的作用

在焊接过程中，等离子气流对熔池的冲击力直接影响到液态金属的流动以及焊缝的最后质量，对等离子流力的测量和分析也多见于文献中^[3]。在PA-GTA双面弧焊过程中，在没有小孔存在的情况下，电弧吹力在熔池表面产生气体剪切力 ，如图10所示。当出现小孔后，电弧吹力除了在熔池表面产生气体剪切力以外，还会在小孔内部的液态金属自由表面产生另外一个剪切力 ，对熔池流体的流动产生影响，促使工件表面的液态金属向小孔中心流动，如图11所示。电弧吹力的作用也会增加焊缝中间部位的宽度，有利于形成良好的焊缝质量。

t (s)

 

a) 无小孔

                                 b) 有小孔

图9 双面弧焊时电弧对工件的加热方式比较图

 

图10  PA-GTA双面弧焊熔池中的流体受力示意图

图11  小孔内壁熔池自由表面受力图

(3) 表面张力的作用

 

在对焊接熔池产生影响的所有驱动力中，表面张力的作用是最显著的。一般来讲，表面张力的大小和方向决定于表面张力温度系数 的大小和符号，当表面张力温度系数 为负值时，表面张力将会促使熔池表面液体金属由熔池中心向熔池边缘流动，从而形成宽而浅的焊缝；当 为正值时，表面张力将会促使熔池液体金属由熔池边缘向熔池中心流动，从而形成窄而深的焊缝^[4]。

在PA-GTA双面弧焊过程中出现小孔后，表面张力除了对工件表面的液态金属产生作用以外，对小孔内壁的熔池自由表面也会产生作用，如图11所示。在小孔内壁的熔池自由表面上，液体金属受表面张力、电弧吹力、电磁力和浮力等驱动力的影响，其流动形式比较复杂。

从图11可以看到，在熔池内部的自由表面上，表面张力驱动液态金属向工件内部流动，当熔池两侧表层的液态金属均向内部流动至汇合时，液态金属就会向熔池宽度方向发展，从而在工件内部形成较宽的熔合区，增加了焊缝中间部位的宽度，有利于形成更大的熔深和良好的焊缝质量。

 (4) 电磁搅拌力的作用

 

在焊接过程中，熔池内部的电磁搅拌力F_m是由于焊接电流和其感应磁场的相互作用而产生的，它驱使熔池流体向熔池深度方向发展，有利于获得深且窄的焊缝，如图10所示。在PA-GTA双面弧焊过程中，由于两把焊枪对两个电弧的引导作用，使得钨极氩弧和等离子弧相对于常规电弧更为集中，这将会极大地增加电磁搅拌力，为增加熔深提供有利条件。而且，由于在工件两侧均有电弧存在，与常规弧焊相比，双面弧焊过程中的电磁搅拌力对熔池的作用更加大，可以获得更大的熔深。

 

3 小结

 

（1）与常规弧焊工艺相比，PA-GTA双面弧焊工艺可以显著增加熔深，减少焊后热变形，尤其适用于中厚板的焊接。

（2）与常规电弧相比，双面弧焊过程中的电弧均得到了压缩。当小孔效应建立后，两焊枪之间的电弧电压出现下降趋势。

（3）在PA-GTA双面电弧小孔焊过程中，电弧穿过工件进行加热，提高了电弧热效率；表面张力、电弧吹力和电磁搅拌力均有利于获得较大的熔深。

 

参考文献:

1         M.Zhang, S.B.Zhang. Double-sided Arc Welding Increases Weld Joint Penetration [J]. Welding Journal, 1998, 77(6): 57-61.

2         Y.M.Zhang, S.B.Zhang, and M.Jiang. Keyhole Double-Sided Arc Welding Process [J]. Welding Journal, 2002, 81(11): 249s-255s.

3         代大山, 宋永伦, 张慧, 朱轶峰. 等离子电弧力的研究[J]. 焊接学报, 2002, 23(2): 51-55.

4         T. Zacharia, S. A. David, J. M. Vitek and H. G. Kraus. Surface Temperature Distribution of GTA Weld Pools on Thin-Plate 304 Stainless Steel [J]. Welding Journal, 1995, 74(11): 353s-362s