不銹鋼高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊接工藝方法

   針對(duì)雙鎢極TIG焊存在的電弧壓力小、焊縫熔深淺等問題，提出了一種新型焊接工藝方法——高頻復(fù)合雙鎢極TIG焊，在雙鎢極氬弧焊的一個(gè)鎢極上通以高頻脈沖電流，達(dá)到提高電弧壓力和挺度、攪拌熔池、細(xì)化晶粒、改善接頭組織和力學(xué)性能的目的?采用HFHT-TIG焊進(jìn)行了6 mm厚奧氏體不銹鋼焊接工藝試驗(yàn)，并與雙鎢極TIG焊接頭進(jìn)行對(duì)比?結(jié)果表明，HFHT-TIG焊能夠顯著提高電弧挺度和電弧壓力，焊縫表面成形更佳，橫截面對(duì)稱性更好，焊縫區(qū)的樹枝晶組織更加細(xì)小，斷口韌窩更加均勻和細(xì)密，接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別提高了12.1%和30.2%。

  鎢極氬弧焊(TIG)是一種應(yīng)用非常廣泛的高品質(zhì)焊接方法，具有過程穩(wěn)定、成形良好、適應(yīng)面寬等顯著特點(diǎn)，但由于鎢極載流能力的限制和電弧能量密度不夠集中的影響，該方法存在著熔深淺、效率低等不足，為了改善TIG焊不足、提高焊接效率，近年，出現(xiàn)了許多高效TIG焊接工藝，如雙面雙弧TIG、熱絲TIG焊、A-TIG焊、AA-TIG焊、雙鎢極TIG、電弧超聲TIG、超音頻脈沖TIG等高效TIG焊工藝。雙鎢極氬弧焊工藝(T-TIG)是日本學(xué)者于1998年提出的，可大幅度提高熔敷效率，目前已經(jīng)成功地應(yīng)用于容積180 000立方米，φ82 m的PCLNG(液化天然氣)儲(chǔ)罐的焊接，清華大學(xué)吳敏生等人的研究結(jié)果證實(shí)了脈沖TIG對(duì)熔池具有攪拌、共振和細(xì)化晶粒的效果，高頻脈沖TIG和復(fù)合TIG焊接新工藝可以提高焊接效率、提升焊縫接頭質(zhì)量、降低焊材消耗等優(yōu)勢(shì)，因此已成為高效焊接的熱點(diǎn)方向。

  在雙鎢極TIG焊的基礎(chǔ)上，提出了一種優(yōu)質(zhì)高效低耗的新型非熔化極復(fù)合焊接工藝方法——高頻復(fù)合雙鎢極TIG焊，即HFHT-TIG焊?其核心在于：一前一后二個(gè)獨(dú)立的鎢極共存于一把TIG焊槍，同步與工件產(chǎn)生二個(gè)電弧，協(xié)同加熱母材、形成單一熔池，其中的一個(gè)電弧通以高頻方波脈沖電流，另一電弧通以直流電流；兩個(gè)電弧相互作用，形成一個(gè)復(fù)合弧，雙弧相互協(xié)同，產(chǎn)生電弧熱收縮，形成復(fù)合攪拌、熔深挖掘、流動(dòng)加劇等效應(yīng)，可增加熔深、提升熔敷能力、減少微觀缺陷、加快焊接速度、改善微觀組織、細(xì)化晶粒等。文中在研制高頻復(fù)合雙鎢極TIG設(shè)備的基礎(chǔ)上，以不銹鋼薄板為應(yīng)用對(duì)象，試驗(yàn)研究了高頻復(fù)合雙鎢極TIG焊接頭質(zhì)量和組織性能，探索了焊縫宏觀成形及其影響因素，同時(shí)，與最新研究的雙鎢極TIG焊的成形、質(zhì)量、組織性能進(jìn)行了對(duì)比分析。自行研制的高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊接系統(tǒng)包括高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊接電源、一體化雙鎢極氬弧焊槍、數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、全數(shù)字化送絲機(jī)構(gòu)和焊接工藝參數(shù)傳感傳輸系統(tǒng)等，試驗(yàn)裝置示意如圖所示，采用兩個(gè)鎢極前-后放置，與焊接方向保持一致，前鎢極電弧通以直流電流，后鎢極電弧通以高頻脈沖直流電流焊接時(shí)，采用前送絲方式，固定焊槍不動(dòng)，工件放置于數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的工作臺(tái)上，通過工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)焊接速度和方向的控制。

  母材采用6 mm厚0Cr18Ni9Ti板材，焊絲采用φ1.2 mm ER304L不銹鋼，母材及焊絲的主要化學(xué)成分如表所示，焊接試件尺寸為300 mm×100 mm×6 mm，單邊30°V形坡口，不留鈍邊?焊前先用角磨機(jī)打磨母材表面，再用酒精擦拭去除表面油污?在基本工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，文中設(shè)計(jì)了兩組焊接工藝參數(shù)，雙鎢極氬弧焊工藝如表中序號(hào)所示，2個(gè)鎢極電弧均采用直流電流；高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊工藝如表中序號(hào)所示，后鎢極采用30 kHz的高頻脈沖電流；2種工藝均采用φ3.2 mm ETW-H-2類型鎢極、尖端60°錐形，雙鎢極間距為2 mm，鎢極尖端距離工件表面3 mm，保護(hù)氣為99.99%純氬氣、氣體流量為20 L/min，噴嘴直徑為φ30 mm，焊接速度為15 cm/min。采用表進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，2組工藝焊接過程中，電弧燃燒均穩(wěn)定、無斷弧、短路現(xiàn)象發(fā)生，焊縫成形良好美觀，焊后按照GB/T 13298-91《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》制備微觀組織試樣，按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》制備接頭拉伸試樣，采用FEI Quanta 250F場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡觀察焊縫拉伸斷口形貌，分析研究高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊和常規(guī)雙鎢極氬弧焊焊接接頭的焊縫成形、接頭顯微組織和力學(xué)性能。

  高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊與雙鎢極氬弧焊焊縫外觀分別如圖所示，焊縫外觀均光滑美觀、成形良好，高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊焊縫表面弧線過渡更為平滑，表面成形更佳。多次反復(fù)試驗(yàn)的結(jié)果表明，高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊宏觀組織形貌較為穩(wěn)定，典型宏觀組織形貌如圖3b所示，雙鎢極氬弧焊宏觀組織形貌不夠穩(wěn)定，40%~50%試件出現(xiàn)圖所示的形貌，40%~50%的試件宏觀形貌介于圖3a，b之間的形貌，約有5%的試件宏觀形貌出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象；上述試驗(yàn)表明，高頻脈沖復(fù)合雙鎢極TIG焊可有效地一次完成6 mm厚0Cr18Ni9Ti板材焊接，雙鎢極TIG焊也能夠基本實(shí)現(xiàn)，高頻脈沖復(fù)合鎢極TIG焊焊縫宏觀形貌對(duì)稱，雙側(cè)熔合均勻、成形美觀，雙鎢極TIG焊焊縫宏觀形貌兩側(cè)熔合不均勻，一側(cè)熔深良好、另一側(cè)熔深較淺，未能完全熔合、另一側(cè)也未能熔透。

  雙鎢極氬弧焊和高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊的接頭熔合區(qū)微觀組織分別如圖所示，從圖可以看出，雙鎢極氬弧焊焊縫熔合區(qū)附近的組織為樹枝晶，樹枝晶的生長(zhǎng)方向指向焊縫中心，與散熱方向相反，胞狀樹枝晶基體上分布有骨架狀的δ鐵素體，從圖可見施加30 kHz高頻脈沖電流的高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊熔合區(qū)的微觀組織也為樹枝晶，部分樹枝晶的生長(zhǎng)方向有較大的不同，但總體方向也指向焊縫中心，δ鐵素體呈蠕蟲狀與骨架狀的混合形態(tài)，樹枝晶尺寸較細(xì)。雙鎢極氬弧焊焊縫中心區(qū)域微觀組織見圖，高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊焊縫中心區(qū)域微觀組織見圖，焊縫中心微觀組織均為奧氏體組織，樹枝晶明顯，，雙鎢極TIG焊焊縫微觀組織晶粒較粗，高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊焊縫中心區(qū)域微觀組織晶粒較細(xì)，為細(xì)小的樹枝晶。母材的抗拉強(qiáng)度為720 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為42.5%拉伸試驗(yàn)的接頭強(qiáng)度均低于母材，斷口均出現(xiàn)在焊縫區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可以看出，與雙鎢極TIG焊相比，30 kHz的高頻復(fù)合雙鎢極TIG焊工藝所獲得的接頭的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率分別提高了約12.1%和30.2%，這與焊縫微觀組織分析檢測(cè)的結(jié)果較為吻合。圖是雙鎢極氬弧焊室溫拉伸試驗(yàn)斷口，圖是高頻復(fù)合雙鎢極TIG焊室溫拉伸斷口微觀形貌?可以看出，雙鎢極氬弧焊和高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊的微觀斷口均為典型的微孔聚集型韌性斷裂?與雙鎢極氬弧焊相比，采用30 kHz高頻復(fù)合雙鎢極氬?弧焊工藝的焊接接頭斷口韌窩更加均勻和細(xì)密。

  30 kHz高頻脈沖電流使得后弧收縮，直徑減小，弧壓上升，試驗(yàn)證實(shí)，180 A電流，30 kHz電流使弧壓由16V提高到21V，電弧直徑由9mm減小到5mm，能量密度由453 W/mm2上升到983 W/mm2，脈沖電弧對(duì)熔池形成了持續(xù)攪拌和后排效應(yīng)，使電弧電磁靜壓力和電弧等離子流動(dòng)壓力大幅度提高，電弧挺度、剛性和穩(wěn)定性顯著提升，同樣，雙鎢極TIG全部采用直流TIG，電弧穩(wěn)定性不夠，在雙弧電流相互吸引力作用下，電弧相互吸引，電弧容易發(fā)生飄移，在實(shí)際施焊過程中會(huì)造成熔池偏移，產(chǎn)生焊偏、未熔合等缺陷，圖表明雙鎢極TIG弧發(fā)生了漂移，焊縫呈現(xiàn)明顯的偏移，一側(cè)熔合良好，另一側(cè)雖也實(shí)現(xiàn)了熔合，但熔合面平直，熔化不夠充分，易產(chǎn)生未熔合缺陷也證實(shí)了電弧漂移現(xiàn)象的存在?而后弧采用30 kHz的高頻脈沖弧使電弧穩(wěn)定性好，圖3b證實(shí)了高頻脈沖復(fù)合弧的穩(wěn)定?焊縫宏觀形貌對(duì)稱，二側(cè)熔合充分，不易產(chǎn)生未熔合缺陷。

  30 kHz高頻脈沖電弧能夠?qū)θ鄢匦纬沙掷m(xù)攪拌，對(duì)焊縫的液固界面可以產(chǎn)生較強(qiáng)的沖刷作用，同時(shí)又可以加速熔池流動(dòng)，使熔體成分均勻化圖證明了高頻脈沖電弧的電磁攪拌作用對(duì)固相界面的強(qiáng)沖刷作用，使得熔合線處存在結(jié)合不牢靠的大晶粒發(fā)生剝離，去除了液固界面的薄弱點(diǎn)，讓熔體成分變得更加均勻。通過與圖對(duì)比可得，圖的熔合線波動(dòng)尺度更大，液固界面變得更加粗糙，增大了液固結(jié)合面積，有利于提高界面強(qiáng)度。換而言之，30 kHz高頻脈沖電弧能夠提高焊縫熔合區(qū)的強(qiáng)度。在焊縫凝固的過程中，凝固前沿存在熔質(zhì)分配過程，低熔點(diǎn)的熔質(zhì)原子先排出到凝固前沿，從而導(dǎo)致凝固前沿低熔點(diǎn)熔質(zhì)原子濃度提高，使得熔點(diǎn)下降，熔點(diǎn)下降后樹枝晶凝固前沿生長(zhǎng)受到抑制，容易形成枝晶。然而在圖中，由于高頻脈沖電弧的攪拌作用，凝固前沿排出的低熔點(diǎn)熔質(zhì)原子被快速地?cái)嚢璧饺鄢刂腥?，熔體中的熔質(zhì)成分變得均勻，凝固前沿的低熔點(diǎn)熔質(zhì)濃度變化較小，樹枝晶得以繼續(xù)向前生長(zhǎng)，從而使得樹枝晶的枝葉顯得相對(duì)肥大。圖可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的數(shù)枝晶的生長(zhǎng)方向垂直于熔合線，由散熱方向決定?部分樹枝晶的生長(zhǎng)方向發(fā)生改變，還有少量的樹枝晶發(fā)生了折斷，證明了高頻脈沖電弧產(chǎn)生的超聲共振[作用對(duì)固相組織具有一定的枝晶破碎作用，從而增加形核數(shù)量，進(jìn)而促進(jìn)焊縫區(qū)的晶粒細(xì)化，圖可以證明高頻脈沖電弧細(xì)化了焊縫區(qū)的微觀組織。

  高頻脈沖電弧的電磁攪拌作用一方面可以促進(jìn)熔合線結(jié)合不牢靠的晶粒脫離進(jìn)入熔池，使得液固界面更加粗糙，增大結(jié)合面積。另一方面，電磁攪拌作用還能使得熔體成分均勻化，使得樹枝晶的生長(zhǎng)更加充分，枝葉更加肥厚，從而不容易產(chǎn)生缺陷。另外，高頻脈沖電弧產(chǎn)生的超聲共振對(duì)固相樹枝晶組織產(chǎn)生一定的枝晶破碎作用，增加形核數(shù)量，改變樹枝晶的生長(zhǎng)方向，細(xì)化焊縫區(qū)的晶粒，這些都接接頭的強(qiáng)度和塑性提高都有利，對(duì)焊接接頭的塑性影響更大。針對(duì)6mm厚的不銹鋼板采用高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，并與雙鎢極氬弧焊進(jìn)行對(duì)比分析，通過宏觀焊縫成形證明其電弧指向性更好，穩(wěn)定性更高，焊縫宏觀形貌對(duì)稱，二側(cè)熔合充分，不易產(chǎn)生未熔合缺陷。與雙鎢極氬弧焊相比，高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊一方面能夠?qū)θ鄢匾合喈a(chǎn)生高頻攪拌，使熔池熔體金屬成分均勻化，改變液固界面的形貌和樹枝晶的生長(zhǎng)習(xí)性，另一方面能夠?qū)θ鄢毓滔喈a(chǎn)生聲波共振，打斷樹枝晶，增加形核率，細(xì)化焊縫區(qū)的晶粒。高頻脈沖電流頻率為30 kHz時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別提高了12.1%和30.2%。