超声波TIG复合电弧下焊缝熔深、熔宽分析

核工业工程研究设计有限公司 （北京 101300） 田玉鑫 冯英超

1. 概述

不添丝的TIG焊接工艺指的是在焊接过程中不添加焊丝而利用焊接热量直接熔化焊缝金属，使焊缝金属实现良好成形的焊接工艺，具有不开坡口、焊口组对简单、焊接效率高、节省焊接填充材料的优点，因此在现代焊接生产中作为一种高品质焊接方法而被广泛地应用。但是其也存在着一定的不足：熔深很难突破3mm，一般仅用于2.5mm以内的不锈钢、碳钢、合金管道的焊接。

对许多行业的工艺管道而言，其壁厚一般集中在5.0mm以内，若是采用TIG焊工艺进行焊接，存在着一定的不足：

（1）只能实现2.5mm厚度不开坡口的焊接，而对于工艺管道其他数量较多的厚度范围（2.5～5.0mm）则只能开坡口进行焊接，这就使得整个机加工和焊接周期较长；同时也存在着一定数量的焊接填充材料的消耗。

（2）TIG焊接电弧的穿透力较弱，在焊接2.0～2.5mm厚度管道时，若是管道壁厚不均匀或是管道存在的圆度差较大，则局部区间可能出现未焊透的风险。

超声波TIG复合电弧焊是一种新型的焊接方法，焊接过程中在传统TIG电弧上叠加一定频率的超声波，由于加入了超声波能量，使得焊缝的熔深、熔宽发生了显著的变化，其焊接的厚度范围可能会更大。

2. 试验方案

（1）焊接设备 ULTRA—TIG450焊机：超声波TIG电流模式；PS406焊机：脉冲TIG电流模式。

（2）焊接母材φ159mm×5.0mm的304L不锈钢管件，I形坡口对接焊接。其组对如图1所示。

（3）焊接参数 具体选用参数如表1所示。

表1 焊接参数

（4）试验目的 采用相同的焊接参数，通过不同的电流模式，比较两种模式下焊缝的熔宽和熔深数据。

3. 试验组织及实施

（1）焊接试件准备 ①打磨坡口周围的氧化膜，打磨宽度约15mm即可。②用丙酮溶液擦洗坡口表面，去除油污。③采用手工TIG焊组对、点固，保证两组管件组对情况基本相同。

（2）焊接实施 使用表1焊接参数焊接。

（3）试件的外观检测 因焊透的管件无法确认有效的熔深，完成焊接后需通过外观检测确认2组管件均未焊透，为有效试验结果。

（4）金相试件的选取 起弧位置定为0°，沿焊接方向分别标记为90°、180°、270°。分别在这4个位置取样做宏观金相检测。

（5）金相检测结果 根据4个位置的金相检测结果，对焊缝进行分析，主要包括焊缝断面容貌、焊缝熔深、焊缝熔宽三方面。焊缝的宏观金相如图2所示。

图2 TIG、超声波TIG焊缝断面宏观金相图（90°）

焊缝的熔深对比如表2、图3所示。

表2 焊缝熔深金相结果 （mm）

图3 焊缝熔深对比

焊缝的熔宽对比如表3、图4所示。

表3 焊缝熔宽金相结果 （mm）

图4 焊缝熔宽对比

（6）结果分析 通过试验数据可以看出：①超声波TIG和TIG同位置相比，焊缝熔深平均提高86.2%；焊缝熔宽平均缩小14.1%。②由于受到焊接过程中管件温度升高的影响，焊缝的熔深、熔宽均伴随着焊接时间的延长而逐渐增大。③TIG的深宽比仅为0.266，超声波TIG的深宽比达到0.577，比TIG提高了117%。

4. 机理分析

（1）熔深分析 超声的热作用、声流效应引起的熔池升温和热对流是熔深增加的主要原因。在超声传播过程中，由于液态金属的粘滞性，一部分声能被液体吸收并转化为热能，故导致熔池金属温度的升高。同时，这种吸收导致超声振幅的有限衰减，在熔池内形成了从上至下的声压梯度，导致液体流动。当声压超过一定值时，液体中可以产生一个流体的喷射，这就是声流。在声流效应的作用下，温度更高的液态金属高速向熔池底部流动，从而形成了更大的熔深。

（2）熔宽分析 超声波TIG焊接过程中由于电弧在超声能量作用下，电弧横向受到了压缩作用，使电弧能量更加集中，磁场强度增加。根据磁场强度计算公式，电弧中的磁场强度与导电半径的平方成反比，电弧高温区被压缩，磁场强度大幅增加，电磁对流增强，使熔池表面金属向中心流动，使焊缝宽度减小。

焊接过程中拍摄焊接电弧进行对比，图5为焊接过程中的焊接电弧形状。

图5 焊接过程中的焊接电弧

由图5可看出，超声波TIG电弧明显比TIG电弧集中，有利于形成更窄的焊缝。

5. 结语

（1）超声波TIG复合焊能显著增大焊接熔深，能够焊接较大的厚度，从现有的试验结果来看，可以实现5.0mm不锈钢、碳钢材质不开坡口的焊接。

（2）超声波TIG复合焊拥有较强的穿透性，对错边量的要求降低，可以使管道在椭圆度较大的情况下，仍能实现良好焊接。大量的试验证明，在错边量、组对间隙均为1.0mm（同一点）时，仍能实现良好焊接，从而更有利于焊接生产质量的保障。

（3）焊接电弧能量集中，能够改善焊缝表面成形，使工件变形小、热影响区小，有利于提高焊接接头质量。