磁控TIG焊接技术的研究现状和趋势

韩 琦 刘启明 黄 磊

（江苏航空职业技术学院航空工程学院 江苏镇江 212134）

焊接技术作为一种热加工技术，在航空、航天工程、核电工程、深海探测工程、船舶制造、建筑等方面应用广泛。随着经济的快速发展，在制造业方面，我国正在由制造大国向制造强国迈进。传统焊接技术已无法满足高端装备制造业的要求，于是出现了一些新型焊接技术，如激光焊、电子束焊、等离子弧焊、摩擦焊和磁控焊接技术等[1]。

传统TIG焊，即钨极气体保护焊，属于非熔化极气体保护焊。通常是钨电极与要焊接的工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝。其具有电弧稳定、噪声小、飞溅少、焊缝成形美观等优点，但在实际生产过程中也发现TIG焊接存在一定的不足，比如：高速焊中电弧容易出现后拖现象、焊缝熔深浅、不适用厚板焊接等。为了解决上述问题，国内外许多焊接专家学者[2-3]将磁场引入到焊接过程中，通过外加磁场与焊接电弧、熔滴、熔池内的液态金属相互作用，大大提高了生产效率和焊接质量。而磁控TIG焊是在传统TIG焊的基础上附加磁控装置，其操作简单，能耗少，成本低，既具有传统TIG焊的优点，也弥补了传统TIG焊焊接过程中的不足。根据外加磁场施加方式的不同，可将外加磁场分为横向磁场、纵向磁场和尖角磁场。

一、外加横向磁场的TIG焊

外加横向磁场是指外加磁力线垂直通过电弧轴线，如图1所示，通过改变电弧形态、热量分布、压力分布、挺度和熔池内金属流动方式，很好地解决了TIG焊接过程中出现的电弧后托、咬边、驼峰、侧壁熔合难等问题。因此，在TIG焊中外加横向磁场引起了许多焊接研究者的关注。北京工业大学华爱兵[4]在奥氏体不锈钢TIG焊接中引入横向螺旋磁场，研究励磁参数对TIG焊接电弧的形态和运动方式的影响以及对焊缝成形的影响规律。结果表明，在一定的励磁参数下，可以有效地控制电弧形态和电弧对母材的作用范围，从而控制焊缝成形。

图1 外加横向磁场装置示意图

杨丰兆、贾思峰等人[5-6]将横向磁场引入到TIG焊接过程中，提高了焊接中电弧挺度，解决了电弧后托、咬边和焊缝成形差问题，实现了高速TIG焊接。为了解决高速TIG焊容易出现未焊透、焊缝不连续问题，傅新皓[7]在传统TIG焊中引入横向交变磁场，研究发现相对于无外加磁场时，尤其在高频磁场下，电弧中心热量和弧柱中心气动压力均变大；为了解决厚板窄间隙侧壁熔合难问题，哈尔滨工业大学孙清洁[8]使用磁控TIG焊作用于双U型坡口的厚板焊接试验中。结果显示：焊缝的强度最高值达了712MPa。胡金亮[9]重点阐述了外加横向磁场对厚板钛合金磁控窄间隙TIG焊接电弧摆动的作用机理，说明焊缝成形的影响因素。同时对钛合金磁控窄间隙TIG焊接接头的显微组织、力学性能及焊后残余应力分布特征做了研究。

二、外加纵向磁场的TIG焊

外加纵向磁场装置示意图如图2所示。电弧中的带电粒子受外加磁场的作用沿着磁力线方向做螺旋运动，焊接电弧发生旋转，对熔池起到了一定的搅拌作用，细化焊缝组织，提高焊接质量。有关外加纵向磁场对TIG焊影响的研究中，南昌航空大学李军，江淑园[10]在铝合金TIG焊中引入直流纵向磁场，结果显示：相比于无外加磁场情况下，焊缝表面纹路清晰规则，焊缝组织得到明显细化，焊缝的力学性能显著提高。沈阳工业大学王同欢[11]在TA2 TIG焊接中引入了交变磁场，由于洛伦兹力的作用，电弧发生高速旋转，对熔池起到搅拌作用，焊缝组织得到细化，通过调节励磁电流和励磁频率，获得了焊接接头组织性能的影响规律。重庆大学王聪[12]使用ANSYS建立外加纵向磁场TIG焊熔池的数值模型，模拟出TIG焊熔池的温度场与速度场分布。沈阳航空航天大学赵磊[13]等人通过建立TIG焊电弧模型，分别研究在只外加交变纵向磁场和同时外加交变纵向磁场及脉冲电流时对电弧的影响。研究表明，在一定的外加磁场强度和交变频率下，当磁场方向为正，电弧收缩下压，当电弧方向为负，电弧拉长；当施加交变纵向磁场并与交变磁场相匹配的脉冲电流时，当电弧处于工作阶段且磁场方向为正，电弧收缩下压，电弧能量集中，有利于母材熔化。当电弧处于维弧阶段且磁场方向为负，电弧能量分散。多数学者的研究主要限于磁控焊接工艺，而沈阳工业大学张洪旭[14]的研究方向是产生外加磁场的电源。采用逆变技术研制了一种高频磁控电源，并分别对磁控电源的主电路、同步电路、控制电路、保护电路等进行设计和优化。之后将优化的磁控电源应用到TIG焊接中。最后通过对比磁控TIG焊接实验结果和模拟结果，验证了所设计的励磁电源的稳定性和实用性。

图2 外加纵向磁场装置示意图

三、外加尖角磁场的TIG焊

产生外加尖角磁场的装置示意图如图3所示。焊接电弧通过尖角磁场，受磁场的压缩作用，焊接电弧的电流密度、能量密度和压力在长径方向上都明显增加。因此，在引入尖角磁场进行厚板TIG焊时，只需调大励磁电流就可以增加电弧的穿透力，这既提高了焊接效率，也降低了焊接损耗。20世纪八十年代，赵彭生、赵国华等人[15-17]将双尖角磁场引入到TIG焊中，对其原理进行了详细的阐述。研究中有发现，截面形状呈扁球状，由于焊接电弧被压缩，因此电弧的长轴方向上，电弧中心的电流密度、能量以及压强都有所增加。谢晓梅、陈集[18]等人将尖角磁场引入到等离子弧焊接实验研究中。结果发现，尖角磁场对等离子电弧具有约束作用，电弧横截面积减小，电弧的能量密度和电流密度均增加。沈阳工业大学关子奇[19]基于机器人平台研究外加交变尖角磁场的励磁电流与励磁频率对焊接电弧和焊缝组织的影响。结果表明，施加交变尖角磁场后电弧截面由圆形变为椭圆形。并且随着励磁电流的加大，电弧的收缩程度先增大后减小。电弧压力和电流密度由正态分布的峰状变为抖动峰状。焊缝表面均匀致密，呈鱼鳞纹状；焊缝枝晶组织得到细化，拉伸强度和硬度得到明显提高。

图3 外加尖角磁场装置示意图

四、结束语与展望

本文详细阐述了不同方式的外加磁场对TIG焊接电弧、熔池、焊缝组织和力学性能的影响，并介绍了不同方式外加磁场所适用的领域。随着先进制造业的发展，1.焊接技术趋向于高效化、自动化与智能化发展，将磁控系统搭载自动化设备，可提高焊接生产率和焊接质量；2.在研究过程中，采用实验和模拟相结合的研究方式，通常先利用模拟软件对焊接电弧、熔滴、熔池的温度场、流场等进行数值模拟和分析，再结合实验进行验证所模拟的结果，这已成为当下的重要研究手段和趋势；3.在外加磁场作用下，还涌现出一些新的技术，如磁控电弧增材制造技术、磁旋弧焊接技术、磁控激光焊接[20-21]。