不銹鋼高頻復合雙鎢極氬弧焊接工藝方法

   針對雙鎢極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——高頻復合雙鎢極TIG焊，在雙鎢極氬弧焊的一個鎢極上通以高頻脈沖電流，達到提高電弧壓力和挺度、攪拌熔池、細化晶粒、改善接頭組織和力學性能的目的?采用HFHT-TIG焊進行了6 mm厚奧氏體不銹鋼焊接工藝試驗，并與雙鎢極TIG焊接頭進行對比?結果表明，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，橫截面對稱性更好，焊縫區(qū)的樹枝晶組織更加細小，斷口韌窩更加均勻和細密，接頭的抗拉強度和斷后伸長率分別提高了12.1%和30.2%。

  鎢極氬弧焊(TIG)是一種應用非常廣泛的高品質焊接方法，具有過程穩(wěn)定、成形良好、適應面寬等顯著特點，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)是日本學者于1998年提出的，可大幅度提高熔敷效率，目前已經成功地應用于容積180 000立方米，φ82 m的PCLNG(液化天然氣)儲罐的焊接，清華大學吳敏生等人的研究結果證實了脈沖TIG對熔池具有攪拌、共振和細化晶粒的效果，高頻脈沖TIG和復合TIG焊接新工藝可以提高焊接效率、提升焊縫接頭質量、降低焊材消耗等優(yōu)勢，因此已成為高效焊接的熱點方向。

  在雙鎢極TIG焊的基礎上，提出了一種優(yōu)質高效低耗的新型非熔化極復合焊接工藝方法——高頻復合雙鎢極TIG焊，即HFHT-TIG焊?其核心在于：一前一后二個獨立的鎢極共存于一把TIG焊槍，同步與工件產生二個電弧，協(xié)同加熱母材、形成單一熔池，其中的一個電弧通以高頻方波脈沖電流，另一電弧通以直流電流；兩個電弧相互作用，形成一個復合弧，雙弧相互協(xié)同，產生電弧熱收縮，形成復合攪拌、熔深挖掘、流動加劇等效應，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、細化晶粒等。文中在研制高頻復合雙鎢極TIG設備的基礎上，以不銹鋼薄板為應用對象，試驗研究了高頻復合雙鎢極TIG焊接頭質量和組織性能，探索了焊縫宏觀成形及其影響因素，同時，與最新研究的雙鎢極TIG焊的成形、質量、組織性能進行了對比分析。自行研制的高頻復合雙鎢極氬弧焊接系統(tǒng)包括高頻復合雙鎢極氬弧焊接電源、一體化雙鎢極氬弧焊槍、數(shù)控運動系統(tǒng)、全數(shù)字化送絲機構和焊接工藝參數(shù)傳感傳輸系統(tǒng)等，試驗裝置示意如圖所示，采用兩個鎢極前-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，采用前送絲方式，固定焊槍不動，工件放置于數(shù)控運動系統(tǒng)的工作臺上，通過工作臺實現(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?在基本工藝試驗的基礎上，文中設計了兩組焊接工藝參數(shù)，雙鎢極氬弧焊工藝如表中序號所示，2個鎢極電弧均采用直流電流；高頻復合雙鎢極氬弧焊工藝如表中序號所示，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。采用表進行焊接工藝試驗，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方法》制備接頭拉伸試樣，采用FEI Quanta 250F場發(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性能。

  高頻復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。多次反復試驗的結果表明，高頻復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；上述試驗表明，高頻脈沖復合雙鎢極TIG焊可有效地一次完成6 mm厚0Cr18Ni9Ti板材焊接，雙鎢極TIG焊也能夠基本實現(xiàn)，高頻脈沖復合鎢極TIG焊焊縫宏觀形貌對稱，雙側熔合均勻、成形美觀，雙鎢極TIG焊焊縫宏觀形貌兩側熔合不均勻，一側熔深良好、另一側熔深較淺，未能完全熔合、另一側也未能熔透。

  雙鎢極氬弧焊和高頻復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。雙鎢極氬弧焊焊縫中心區(qū)域微觀組織見圖，高頻復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，高頻復合雙鎢極氬弧焊焊縫中心區(qū)域微觀組織晶粒較細，為細小的樹枝晶。母材的抗拉強度為720 MPa，斷后伸長率為42.5%拉伸試驗的接頭強度均低于母材，斷口均出現(xiàn)在焊縫區(qū)，試驗結果如表3所示，可以看出，與雙鎢極TIG焊相比，30 kHz的高頻復合雙鎢極TIG焊工藝所獲得的接頭的抗拉強度、斷后伸長率分別提高了約12.1%和30.2%，這與焊縫微觀組織分析檢測的結果較為吻合。圖是雙鎢極氬弧焊室溫拉伸試驗斷口，圖是高頻復合雙鎢極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高頻復合雙鎢極氬?弧焊工藝的焊接接頭斷口韌窩更加均勻和細密。

  30 kHz高頻脈沖電流使得后弧收縮，直徑減小，弧壓上升，試驗證實，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，脈沖電弧對熔池形成了持續(xù)攪拌和后排效應，使電弧電磁靜壓力和電弧等離子流動壓力大幅度提高，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，在實際施焊過程中會造成熔池偏移，產生焊偏、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，一側熔合良好，另一側雖也實現(xiàn)了熔合，但熔合面平直，熔化不夠充分，易產生未熔合缺陷也證實了電弧漂移現(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證實了高頻脈沖復合弧的穩(wěn)定?焊縫宏觀形貌對稱，二側熔合充分，不易產生未熔合缺陷。

  30 kHz高頻脈沖電弧能夠對熔池形成持續(xù)攪拌，對焊縫的液固界面可以產生較強的沖刷作用，同時又可以加速熔池流動，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固相界面的強沖刷作用，使得熔合線處存在結合不牢靠的大晶粒發(fā)生剝離，去除了液固界面的薄弱點，讓熔體成分變得更加均勻。通過與圖對比可得，圖的熔合線波動尺度更大，液固界面變得更加粗糙，增大了液固結合面積，有利于提高界面強度。換而言之，30 kHz高頻脈沖電弧能夠提高焊縫熔合區(qū)的強度。在焊縫凝固的過程中，凝固前沿存在熔質分配過程，低熔點的熔質原子先排出到凝固前沿，從而導致凝固前沿低熔點熔質原子濃度提高，使得熔點下降，熔點下降后樹枝晶凝固前沿生長受到抑制，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熔質原子被快速地攪拌到熔池中去，熔體中的熔質成分變得均勻，凝固前沿的低熔點熔質濃度變化較小，樹枝晶得以繼續(xù)向前生長，從而使得樹枝晶的枝葉顯得相對肥大。圖可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的數(shù)枝晶的生長方向垂直于熔合線，由散熱方向決定?部分樹枝晶的生長方向發(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生的超聲共振[作用對固相組織具有一定的枝晶破碎作用，從而增加形核數(shù)量，進而促進焊縫區(qū)的晶粒細化，圖可以證明高頻脈沖電弧細化了焊縫區(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熔合線結合不牢靠的晶粒脫離進入熔池，使得液固界面更加粗糙，增大結合面積。另一方面，電磁攪拌作用還能使得熔體成分均勻化，使得樹枝晶的生長更加充分，枝葉更加肥厚，從而不容易產生缺陷。另外，高頻脈沖電弧產生的超聲共振對固相樹枝晶組織產生一定的枝晶破碎作用，增加形核數(shù)量，改變樹枝晶的生長方向，細化焊縫區(qū)的晶粒，這些都接接頭的強度和塑性提高都有利，對焊接接頭的塑性影響更大。針對6mm厚的不銹鋼板采用高頻復合雙鎢極氬弧焊進行焊接工藝試驗，并與雙鎢極氬弧焊進行對比分析，通過宏觀焊縫成形證明其電弧指向性更好，穩(wěn)定性更高，焊縫宏觀形貌對稱，二側熔合充分，不易產生未熔合缺陷。與雙鎢極氬弧焊相比，高頻復合雙鎢極氬弧焊一方面能夠對熔池液相產生高頻攪拌，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習性，另一方面能夠對熔池固相產生聲波共振，打斷樹枝晶，增加形核率，細化焊縫區(qū)的晶粒。高頻脈沖電流頻率為30 kHz時，焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率分別提高了12.1%和30.2%。