脉冲TIG焊工艺参数对薄壁不锈钢焊管焊缝成形的影响

采用脉冲TIG焊接方法焊接薄壁不锈钢焊管，研究了焊接峰值电流、基值电流、占空比、脉冲频率等工艺参数对焊缝成形的影响。试验结果表明：宏观形貌最优参数为：峰值电流为21A、基值电流为8A、占空比为45%、脉冲频率为8Hz；随着峰值电流和占空比的增大，热输入随之增大。

薄壁不锈钢焊管焊接性能良好,但因其导热系数小(约为低碳钢的1/3)，线膨胀系数又大，焊接过程中的变形问题是常见且难以控制的。对于薄壁不锈钢焊管的焊接，在焊接过程中如何防止焊接缺陷的出现，并获得美观的焊缝，热输入和变形是至关重要的问题。脉冲钨极氩弧焊(脉冲TIG焊)采用可控的脉冲电流来加热工件，在峰值电流期间加热熔化焊管形成点状的熔池，在基值电流期间使熔池凝固，焊接过程是一个断续的加热过程，焊缝由一个一个点状的熔池叠加而成，焊接过程中热量集中，热影响区小，焊接薄板变形小。因此，本文采用脉冲TIG焊对薄壁不锈钢焊管进行焊接，目的在于优化工艺参数，得到外形良好的焊缝，为薄壁不锈钢焊管进一步研究打下基础。1试验材料与方法试样材料为0Crl8Ni9Ti，试样尺寸为150mm×40mm×0.35mm；保护气体为纯度99.99%的氩气；采用对接焊，单面焊双面成形，不填充焊丝。试验设备采用琴键式直缝自动焊工装和WSM-315B型IGBT逆变直流脉冲氩弧焊机。脉冲TIG焊工艺参数有：峰值电流、基值电流、占空比、脉冲频率、焊接速度、保护气体流量以及钨极直径及形状。薄壁不锈钢焊管由于其板材薄、导热性差、热容量小，在焊接过程中由于热源的积累很可能产生烧穿缺陷。在其他参数一定的情况下，钨极直径的选择对本试验有一定的影响。假如选用的钨极直径过大，焊接时容易引起电弧的飘浮和不稳定；要是直径过小，一旦超过了电流过大时，钨极会发热而导致其熔化和挥发，引起电弧不稳和焊缝夹钨。充分考虑到试验材料较薄，所选用的钨极直径为1.6mm，能有效防止钨极温度升高、烧损。焊前把钨极前端磨成约30°的锥形有利于引弧和稳弧。试验中需要经常打磨钨极，以得到更好的试验结果。对于这种薄板板材，变形是在所难免的。为了防止焊缝错边和隆起的问题，在固定焊材的时候将尾部留出1mm左右的空间。焊接速度为19cm/min，氩气流量为8L/min，其余脉冲TIG焊工艺参数见表1。

2试验结果及分析

2.1峰值电流的影响

当其他参数不变时，改变峰值电流，热输入与熔宽也随之改变。图1为不同峰值电流下的焊缝宏观形貌，从图中可以看出，当峰值电流为21A时，焊缝成形较好，鱼鳞纹明显，未发生烧穿、未熔透缺陷。峰值电流为25A时，焊缝前段成形一般，后半段有明显的烧穿现象，熔宽相对前者的更大。当峰值电流加至28A时，焊缝完全烧穿。这是因为峰值电流过大，热输入过高而引起的薄板烧穿。在峰值电流期间加热熔化工件形成点状的熔池，在基值电流期间使熔池凝固，焊接过程是一个断续的加热过程，焊缝由一个一个点状的熔池叠加而成。所以从图中可以看出峰值电流与熔池的大小和热输入的大小有着直接的关系，峰值电流过高，热输入随之增大，热量过大容易烧穿板材，形成烧穿缺陷。

2.2基值电流的影响

采用峰值电流为21A，其他参数保持不变时，改变基值电流的大小，图2为不同基值电流的焊缝宏观形貌。可以看出，当基值电流为8A时，焊缝成形美观，没有烧穿、未焊透等缺陷；当基值电流为10A时，焊缝成形一般，但焊缝周围氧化变黑；当基值电流为12A时，焊缝熔宽与基值电流为8A的相比明显增大。从图可以看出基值电流对于焊缝成形影响不大，随着基值电流的增加，熔宽逐渐增大，但选用的基值电流不能过小或过大，过小会影响电弧的稳定性，过大会造成焊缝边缘氧化发黑甚至会造成焊接缺陷，影响焊缝美观。为充分发挥脉冲TIG焊的特点，一般都选用比较小的基值电流，其作用只是为了保持电弧稳定燃烧。基值电流小，熔池凝固的时间就短，可以有效避免热输入堆积的时间过长造成板材变形和烧穿。

2.3占空比的影响

图3为不同占空比的焊缝宏观形貌。从图中可以看出，当占空比为45%时，焊缝比较均匀，表面呈淡黄色；当占空比为55%时，焊缝成形较好，表面呈灰褐色；当占空比为65%时，焊缝不是很均匀，且熔宽更宽。随着占空比逐渐增大，在单位时间内峰值电流作用形成点状的熔池也越大，熔宽也随之增加。占空比与峰值电流及热输入是息息相关的。占空比代表着峰值电流在整个脉冲周期所占的比例，占空比越大，那么峰值电流工作的时间就越长，热量输入也越大，反之，时间越短，热量相对越小，对工件发热变形的影响就越小。但用WSM-315B型IGBT逆变脉冲氩弧焊机占空比不宜过大，占空比大意味着开关器件关断的死区时间就更少，给予器件关断的时间更短，如果占空比过大就要选用开关速度更快的器件，否则很容易导致开关器件直通而损坏。同时峰值电流作用时间过长，对焊缝成形美观有影响。

2.4脉冲频率的影响

脉冲TIG焊时每一次脉冲电流经过工件都会产生点状熔池，在基值电流期间，熔池进行冷却，进而获得一条由许多焊点连续搭接而成的脉冲焊缝。脉冲频率f(Hz)与焊接速度v(mm/min)和焊点间距d(mm)的关系如式(1)：f=v/60d(1)为了研究脉冲频率对焊缝成形的影响，固定了其他焊接参数，变化脉冲频率进行试验。从图4中可以看出，当频率为6Hz时，焊点间相互重叠量明显过小，焊缝的熔池不连续。随着脉冲频率的增大，焊点间相互重叠量变大，焊缝的连续性更好。当脉冲频率为8Hz时，每一次脉冲基值电流持续时间减少了，在此期间，点状熔池不继续扩大，因此焊缝更为连续，整体成形很好。当脉冲频率为10Hz时，焊缝连续性好，焊点间相互重叠量更大。脉冲TIG焊时每一次脉冲电流经过工件都会产生点状熔池，在基值电流期间，熔池进行冷却，进而获得一条由许多焊点连续相互重叠而成的脉冲焊缝。但是脉冲频率不能过高，在速度一定的情况下，脉冲频率过高会导致焊点间相互重叠量多点堆积在一个地方，造成热输入过高导致烧穿。当频率过高时，可以加快焊接速度来配合形成比较美观的焊缝，不至于焊点堆积，造成焊接缺陷。综上所述，在其他参数值确定后分别讨论了峰值电流、基值电流、占空比及脉冲频率等因素对焊缝成形的影响，总结得出比较理想的焊接参数如表2所示。

3结论

（1）采用脉冲TIG焊焊接薄壁不锈钢焊管，能精确控制热输入的大小，且焊接所得焊缝外观好，焊缝均匀，表面颜色明亮，鱼鳞纹明显。热输入与焊缝成形有着直接的关系，控制热输入的量是形成良好焊缝的重要影响因素。（2）脉冲TIG焊试验中所得焊缝宏观形貌最佳的工艺参数为峰值电流21A，基值电流8A，占空比45%，脉冲频率8Hz。峰值电流、基值电流、占空比的增加都会引起焊缝熔宽增大；脉冲频率的增加会使焊点间相互重叠量增大。