熔化极气体保护焊具有焊接质量较好、熔敷率较高、明弧方便监控和易于实现自动化等优点，因而在各种金属结构的焊接生产中应用十分广泛。对于熔化极气体保护焊，电弧的引燃通常采用焊丝与工件接触的方式实现，这种引弧方式被称作接触引弧。接触引弧简单易行，但是容易产生焊接飞溅，严重时还会出现焊丝爆断和熄弧现象，导致引弧可靠性较差和焊缝初始段成形不良[1]。
为了提高熔化极气体保护焊的引弧性能，国内外学者基于接触引弧方法已提出许多改善措施，比如：提高焊机的空载电压和短路电流上升率[2]、减小初始送丝速度[3]、焊丝接触工件时停止或回抽焊丝[4]、焊前剪去焊丝末端小球[5]、收弧时采用低压小电流避免大尺寸的小球产生[5]、配合焊丝送进精确地控制焊机的输出电流波形[6-7]等。这些措施可以不同程度地提高引弧可靠性、减少引弧阶段产生的焊接飞溅，但是很难从根本上避免飞溅，因为引弧阶段产生的焊接飞溅，无论是由引弧瞬间较大的冲击力作用于熔融金属引起，还是由发生于中间段或与导电嘴接触处的焊丝爆断所致，均和焊丝与工件的接触密切相关[8]。
近几年，钨极惰性气体保护-熔化极惰性气体保护(tungsten inert gas-metal inert gas，TIG-MIG)复合焊因综合了TIG焊的高质量和MIG焊的高效率，已成为碳钢、不锈钢、铝合金和镁合金等金属的一种优质高效焊接方法[9-14]。本文作者在进行TIG-MIG复合焊接试验时发现，先引燃的TIG电弧能够辅助后引弧的MIG焊在其焊丝送进到接触工件前实现非接触引弧，且在整个非接触引弧过程中不产生焊接飞溅。这为熔化极气体保护焊提供了一种新型而优质的引弧方法。
为了深入了解此种非接触引弧方法的特点及其对MIG焊接参数变化的适应性，以促进其工业应用，本文通过大量引弧试验并利用自行研制的电信号与电弧图像同步采集系统，研究了不同的MIG焊接参数对TIG电弧辅助MIG焊非接触引弧性能的影响。
1 试验系统与方法TIG-MIG复合焊接系统及其电信号与电弧图像同步采集系统如图 1所示。其中，TIG焊采用直流正接，MIG焊采用直流反接。TIG焊机具有恒流特性，MIG焊机具有恒压特性。沿焊接方向，TIG焊枪置于MIG焊枪之前。两焊枪的相对位置参数有TIG焊枪倾角θ1、钨极高度h1、MIG焊枪倾角θ2、焊丝总伸出长度L和钨极-焊丝水平间距(钨-丝间距)d。焊接开始时，先启动TIG焊，后启动MIG焊。
|
| 图 1 TIG-MIG复合焊接系统及其信息采集系统 |
在同步采集系统中，采集TIG焊和MIG焊4路电压与电流的数据采集卡为NI USB-6009，采样频率均为5 000 Hz；采集电弧图像的高速摄像机为Photron FASTCAM SA3 Model 120K，拍摄帧频为10 000 fps，且拍摄方向与焊接方向垂直；通过LabVIEW软件编程的方法，使数据采集卡输出一个触发信号给高速摄像机，以实现电信号与电弧图像的同步采集。另外，TIG电弧先引燃后会照亮整个复合电极空间，导致后续的MIG电弧引燃过程无法被清晰地识别；为了解决此问题，采用中性减光片和调节相机的光圈及曝光时间的方法，对TIG电弧光进行适当的衰减。
试验中，TIG焊采用直径为3.2 mm的铈钨极，MIG焊采用直径为1.2 mm的304不锈钢焊丝，使用纯氩气保护，在200 mm×50 mm×4 mm的304不锈钢板上进行TIG-MIG复合焊的引弧试验，其他基本参数设置如表 1和2所示。
| 电弧电压U2/V | 23 |
| 正常送丝速度vf/(m·min-1) | 4 |
| 初始送丝速度vs/(m·min-1) | 0.5 |
| 焊枪倾角θ2/(°) | 45 |
| 焊丝总伸出长度L/mm | 20 |
| 气体流量q2 /(L·min-1) | 16 |
| 焊丝末端直径D/mm | 1.2 |
基于表 2的基本参数，逐一改变MIG焊的初始送丝速度vs、焊枪倾角θ2、保护气体流量q2以及焊丝末端直径D(D＞1.2 mm表示焊丝末端带有小球)，进行TIG-MIG复合焊的引弧试验，并利用同步采集系统对此过程的电信号和电弧图像进行采集，研究这些参数的变化对MIG焊非接触引弧性能的影响。为了表征各参数的变化对MIG焊非接触引弧性能的影响程度，选用MIG电弧引燃时刻的焊丝伸出长度作为评价指标。为了使试验结果具有可比性，每次焊接前均将焊丝末端回抽至焊枪喷嘴端口处。显而易见，随着焊丝的送进，MIG电弧引燃时刻的焊丝伸出长度越短，说明MIG焊非接触引弧越容易。
2 MIG焊2种引弧方式的对比分析图 2为相同的MIG焊接参数(除焊丝末端直径D=2.6 mm外，其余参数同表 2)和拍摄条件下获得的MIG焊2种引弧过程的图像。可以看出，当焊丝末端带有直径D=2.6 mm的小球时，MIG焊在接触引弧的过程中会产生焊丝爆断和一次引弧失败的现象，同时还伴随一些焊接飞溅；而在先引燃的TIG电弧的辅助下，焊丝末端与TIG电弧之间会先形成一个细长的放电通道，随后MIG焊借助此通道实现非接触引弧，且在整个非接触引弧的过程中不产生焊接飞溅。
|
| 图 2 MIG电弧引燃过程的图像 |
2种引弧方式下获得的焊缝形貌如图 3所示(经不锈钢酸洗膏清理)。可见，较之于接触引弧，MIG焊的非接触引弧不仅焊缝成形规则，而且能够消除引弧阶段附着于焊缝周围的焊接飞溅，有效改善焊缝表面成形质量。
|
| 图 3 焊缝表面成形 |
图 4为2种引弧方式对应的MIG焊电信号变化曲线。由图 4a可知，在接触引弧的初始阶段，MIG焊接电流I2先从0 A迅速上升至350 A左右，而后又下降至0 A；相应地，电弧电压U2先从空载电压迅速下降至10 V以下，而后又恢复至空载电压，这是MIG焊接触引弧时因焊丝爆断导致一次引弧失败的结果(见图 2a)；在MIG电弧引燃后，MIG焊进入不稳定的短路过渡模式。由图 4b可知，MIG焊在TIG电弧的辅助下进行非接触引弧时，焊接电流I2和电弧电压U2基本上均是迅速地过渡到稳定的焊接状态，进入熔滴的自由过渡模式。
|
| 图 4 MIG焊的电压与电流变化曲线 |
可见，TIG电弧的存在不仅有助于MIG焊实现快速可靠的非接触引弧，而且能够促使MIG焊在较低的电压与电流条件下进入熔滴的自由过渡模式。
3 MIG焊非接触引弧的参数适应性 3.1 引弧可靠性基于表 1和2的焊接参数，逐一改变MIG焊的初始送丝速度vs、焊枪倾角θ2、保护气体流量q2以及焊丝末端直径D，获得MIG电弧引燃时刻的电弧图像如图 5所示。可以看出，当MIG焊接参数在较宽的范围内变化时，MIG焊在TIG电弧的辅助下均能够实现非接触引弧，这说明MIG焊的非接触引弧对其参数变化具有良好的适应性。另外，随着上述4个参数(vs、θ2、q2和D)的变化，MIG电弧引燃时刻的焊丝伸出长度波动范围均比较小，说明这些参数的变化对TIG电弧辅助MIG焊实现非接触引弧的难易程度影响均不大。
|
| 图 5 MIG电弧引燃时刻的图像 |
3.2 焊接飞溅
进一步分析高速摄像机拍摄的MIG焊非接触引弧过程的所有图像发现：当MIG焊的初始送丝速度vs、焊枪倾角θ2、保护气体流量q2以及焊丝末端直径D发生变化时，尽管MIG焊在TIG电弧的辅助下均能实现非接触引弧，但是当焊丝末端带有较大尺寸的小球时，若初始送丝速度vs不减小，就会导致小球在向工件靠近的过程中，虽然有非接触引燃的MIG电弧对它加热，但是不能使它在接触工件前获得足够的热量而熔化掉，最终仍与工件发生接触，从而引起焊接飞溅，如图 6所示。
|
| 图 6 MIG焊非接触引弧过程中的飞溅与焊丝爆断 |
图 6a是小球直径D=3.1 mm、初始送丝速度vs=0.5 m/min时的MIG焊非接触引弧过程，可以看出MIG焊虽然很快实现了非接触引弧，但是焊丝末端小球最终仍与工件发生了接触，导致MIG电弧熄灭，而后通过接触引弧的方式于焊丝末端再引弧，同时有少量焊接飞溅产生；图 6b是小球直径D=3.8 mm、初始送丝速度vs=0.5 m/min时的MIG焊非接触引弧过程，可以看出与图 6a相同的是焊丝末端小球最终也与工件发生了接触，导致非接触引燃的MIG电弧熄灭，不同的是由于小球尺寸更大，当小球与工件接触时熔化程度更低，导致小段焊丝发生爆断，同时有更多焊接飞溅产生；由于焊丝爆断位置靠近末端，加上TIG电弧的辅助作用，MIG电弧因此也实现了再引燃；这2种情况中，MIG电弧均是经过一次熄灭再引燃后逐渐过渡到稳定状态。
为使MIG焊非接触引弧过程中不产生焊接飞溅，当焊丝末端带有小球时，需要适当地减小初始送丝速度vs，确保小球在接触工件前获得足够的热量而熔化掉，从而直接进入熔滴的自由过渡模式。
同样基于表 1和2的基本参数，改变焊丝末端直径D，匹配不同的初始送丝速度vs，进行大量的引弧试验。得出在不产生焊接飞溅的前提下，不同的焊丝末端直径D所允许的最大初始送丝速度vsm如图 7所示。可以看出随着焊丝末端直径D的增大，MIG焊非接触引弧过程不产生焊接飞溅所允许的最大初始送丝速度vsm显著减小；当焊丝末端无小球时，最大初始送丝速度vsm可达12 m/min，而当焊丝末端带有直径D=3.8 mm的小球时，最大初始送丝速度vsm仅为0.2 m/min。
|
| 图 7 MIG焊非接触引弧过程无飞溅的临界条件 |
4 结论
1) 在TIG-MIG复合焊中，借助于先引燃的TIG电弧，MIG焊不仅可以快速可靠地实现非接触引弧，而且可以在较低的电压与电流条件下获得稳定的自由过渡和规则又无飞溅的焊缝表面成形。
2) 当MIG焊的初始送丝速度、焊枪倾角、保护气体流量以及焊丝末端直径在较大的范围内变化时，MIG焊在先引燃的TIG电弧的辅助下均能实现非接触引弧；但要使MIG焊在非接触引弧过程中不产生焊接飞溅，需要根据焊丝末端小球的尺寸，合理地匹配初始送丝速度。
3) 随着焊丝末端小球尺寸的增大，为避免焊接飞溅的产生，MIG焊非接触引弧过程所允许的最大初始送丝速度显著减小。当焊丝末端无小球时，允许的最大初始送丝速度可达12 m/min，而当焊丝末端带有直径为3.8 mm的小球时，允许的最大初始送丝速度仅为0.2 m/min。
| [1] | ERSOY U, HU S J, KANNATEY-ASIBU E. Observation of arc start instability and spatter generation in GMAW[J]. Welding Journal, 2008, 87(2): 51–56. |
| [2] | MITA T. Spatter reduction-power source considerations[J]. Welding International, 1991, 5(11): 847–850. DOI:10.1080/09507119109446800 |
| [3] | STAVA E K. The surface-tension-transfer power source:A new low-spatter arc welding machine[J]. Welding Journal, 1993, 72(1): 25–29. |
| [4] |
杨修荣.
超薄板的MIG/MAG焊-CMT冷金属过渡技术[J]. 电焊机, 2006, 36(6): 5–7.
YANG X R. CMT cold metal transfer process[J]. Electric Welding Machine, 2006, 36(6): 5–7. (in Chinese) |
| [5] |
刚铁, 殷树言, 王克鸿, 等.
微机控制脉冲MIG焊引弧及收弧的研究[J]. 焊接, 1992(10): 12–17.
GANG T, YIN S Y, WANG K H, et al. Arc striking and ending of pulse MIG process controlled by MC[J]. Welding & Joining, 1992(10): 12–17. (in Chinese) |
| [6] | DOS SANTOS T F, DUTRA J C. Arc initiation in aluminium GMAW[J]. Welding International, 2010, 24(11): 817–824. DOI:10.1080/09507110903568901 |
| [7] | ERA T, IDE A, UEZONO T, et al. Spatter reduction in GMAW of stainless steel sheets using CBT process[J]. Welding International, 2013, 27(4): 274–280. DOI:10.1080/09507116.2011.606153 |
| [8] | CHEN J H, SUN Z C, FAN D. Study of the mechanism of spatter produced by basic welding electrodes[J]. Welding Journal, 1996, 75(10): 311–316. |
| [9] |
娄小飞, 陈茂爱, 武传松, 等.
高速TIG-MIG复合焊焊缝驼峰及咬边消除机理[J]. 焊接学报, 2014, 35(8): 87–90.
LOU X F, CHEN M A, WU C S, et al. Humping and undercutting suppression mechanism for high speed TIG-MIG hybrid welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2014, 35(8): 87–90. (in Chinese) |
| [10] | CHEN J, ZONG R, WU C S, et al. Influence of low current auxiliary TIG arc on high speed TIG-MIG hybrid welding[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2017, 243: 131–142. DOI:10.1016/j.jmatprotec.2016.12.012 |
| [11] | KANEMARU S, SASAKI T, SATO T, et al. Study for TIG-MIG hybrid welding process[J]. Welding in the World, 2014, 58(1): 11–18. DOI:10.1007/s40194-013-0090-y |
| [12] | KANEMARU S, SASAKI T, SATO T, et al. Study for the mechanism of TIG-MIG hybrid welding process[J]. Welding in the World, 2015, 59(2): 261–268. DOI:10.1007/s40194-014-0205-0 |
| [13] |
王世博. 铝合金TIG-MIG复合焊电弧行为及熔滴过渡研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2016. WANG S B. Research on arc beheviour and metal transfer of TIG-MIG hybrid arc welding for aluminum alloy[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016. (in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10213-1016913004.htm |
| [14] | DING M, LIU S S, ZHENG Y, et al. TIG-MIG hybrid welding of ferritic stainless steels and magnesium alloys with Cu interlayer of different thickness[J]. Materials & Design, 2015, 88: 375–383. |