CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊中CO2影響的研究

趙 瑞 ，張淑華 ，方 濤 ，程方杰 ，3

（1.天津大學材料科學與工程學院，天津 300350；2.航天科工深圳（集團）有限公司電氣研究院，深圳518034；3.天津大學 天津市現代連接技術重點試驗室，天津 300350）

0 前言

TIG 焊（Tungsten Inert Gas Welding）常選用氬氣作為焊接保護氣，又被稱為鎢極氬弧焊，電弧柔和、焊接質量穩定是其最大優點。但是，氬弧能量密度小、挺度低的特點導致其焊縫熔深淺、焊接速度慢，嚴重影響了焊接效率[1]。改變保護氣體的種類和保護方式是改善TIG電弧特性、提升焊接效率的有效途徑，國內外學者在這方面進行了大量的探索研究。文獻[2]通過數值模擬分別研究了 N2、H2、He和Ar混和氣保護的TIG電弧特性，研究表明N2、H2、He的添加能提高電弧溫度，增大工件表面熱流密度；文獻[3]發現H2、He能改善氬弧的導熱性，增大熔深。文獻[4-5]采用雙層供氣方式，在傳統TIG電弧的外層增加一層小流量的O2或O2占較小體積比的混合氣作為活性氣體，向熔池過渡活性組元，改變了熔池金屬表面張力方向，成功實現了活性TIG焊。

CO2是一種廣泛應用的低成本焊接保護氣體，其電弧具有較高的能量。本研究將CO2作為外層氣體，與內層的Ar構成CO2+Ar雙層保護氣體，設計出專用的雙層氣體保護焊槍進行了CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊試驗。試驗對CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊和傳統TIG焊的焊接電弧形態、電弧電壓、焊縫及焊后鎢極形貌進行對比分析，并結合數值模擬手段，研究純Ar保護和CO2+Ar雙層氣體保護下電弧溫度場、陽極表面熱流密度等存在的差異，最終從CO2的熱物理性質出發解釋了兩種焊接方法存在差異的原因。

1 試驗方法

在相同的焊接規范下，分別采用傳統TIG焊槍和自主設計的雙層噴嘴焊槍在Q235工件表面進行熔焊，焊槍如圖1所示。

圖1 CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊Fig.1 Torch of no melted double-layer gas of CO2+Ar shielded arc welding

試驗前用丙酮去除工件表面油污，然后用砂輪機將工件表面打磨至露出金屬光澤后用酒精擦洗工件表面雜物。選用Panasonic的YC-400TX型號焊機，直流正接，工件尺寸300 mm×200 mm×12 mm，選用的鎢極為釷鎢，直徑3.2 mm，鎢極前端打磨成30°，鎢極伸出噴嘴長度5 mm，其中雙層噴嘴的焊槍鎢極伸出長度參照外層噴嘴的高度。工藝參數為：弧長5 mm，電流150 A，焊接速度5.4 mm/s；傳統TIG焊保護氣為氣體流量15 L/min的Ar，CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊的內層保護氣為氣體流量為5L/min的Ar，外層為氣體流量為10L/min的CO2。

運用攝像設備搭配濾光片拍攝兩種焊接方法在相同參數下的靜態電弧形態并進行對比。焊后觀察兩種焊接方法的鎢極形貌并在焊縫中部切取焊縫橫截面的試樣，經打磨、拋光、腐蝕后在光學顯微鏡下觀察熔池形貌，測量焊縫熔深和熔寬。針對CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊后焊縫表面形成的黑色氧化層運用能譜儀（EDS）分析其成分。

2 數值模擬

由于焊接過程的復雜性，借助數值模擬對電弧特性進行分析是一種有效手段。為了簡化計算，有如下假設：（1）電弧是穩態的、軸對稱的連續介質，屬于層流狀態不可壓縮流體。（2）電弧等離子體處于局部熱平衡狀態，且滿足光學薄特性。（3）忽略金屬蒸汽的影響。（4）忽略電弧黏性效應導致的熱損失和重力影響。（5）等離子體的熱物理特性僅為溫度的函數。（6）考慮熱擴散和由于擴散引起的能量變化。

本研究針對CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊與傳統TIG焊兩種焊接方法分別建立了鎢極、電弧和工件耦合的二維軸對稱模型，不考慮工件熔化。計算域如圖 2所示，其中，GK（G'O'&N'K'）為速度入口，給定氣體速度，KLM（K'L'M'&O'N'）為噴嘴壁面，MBC（M'B'C'）為壓力出口，AJDE（A'J'D'E'）為對稱軸，GHIJ（G'H'I'J'）和 CD（C'D'）分別為等離子體與鎢極以及工件的耦合壁面,CFE（C'E'F'）為工件壁面，AG（A'G'）為鎢極頂部。在工件下表面添加電勢為0的邊界條件，其他面電勢通量為0，鎢極頂部給定電流密度，指定內層氣體入口處Ar質量分數為1，外層氣體入口處CO2質量分數為1。系統的控制方程組以及兩級邊界層的處理詳見文獻[6-7]。

基于SIMPLE算法，擴散系數的處理運用了kinetic theory，并通過UDF（用戶自定義函數）與UDS（用戶自定義標量方程）實現對軟件的二次開發。Ar和CO2熱物理性質參見文獻[7-8]，鎢極的熱物理性質參見文獻[7]，母材為Q235鋼，其熱物理參數參見文獻[9]。

3 試驗結果

3.1 電弧形態

圖2 計算域Fig.2 Computational domain

純Ar和CO2+Ar雙層氣體保護下焊接電弧形態對比如圖3所示，左側是電弧照片，右側是數值模擬的電弧等溫線圖。兩種電弧的整體形態都是典型的鐘罩形，但CO2+Ar雙層氣體保護的電弧由于外層CO2的加入而呈明顯的雙層分布，由白亮的中心區域與外圍的淡藍色區域組成。兩種焊接方法等溫線的分布存在明顯差別。當電弧溫度低于14 000 K時，CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊電弧的溫度梯度大，電弧等溫線更密集，電弧收縮；當電弧溫度高于14 000 K時，CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊的電弧高溫區域與傳統TIG焊相比范圍更廣。

圖3 焊接電弧形態Fig.3 A rc shapes

為了進一步探究外層CO2對CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊電弧的影響規律，提取了數值模擬的電弧溫度場與CO2氣體質量分數分布結果如圖4所示。在CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊的電弧區域，CO2質量分數等值線與等溫線的疏密變化一致，所以CO2的分布是導致CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊的電弧溫度場發生變化的直接原因。在電弧中心高溫區域，CO2質量分數小、濃度低，而在小于14 000 K的外圍區域，CO2質量分數逐漸增大，徑向分布梯度也逐漸變大。根據文獻[10]，當溫度大于5 000 K時CO2的分解度接近1，CO2分解消耗大量的能量，根據最小電壓原理，弧柱將發生收縮，電弧核心溫度會增大。

兩種焊接方法之所以在電弧溫度和形態上產生較大的區別，根本原因是CO2與Ar在熱物理性質上存在顯著差異，可以概括為3個方面：

（1）CO2比熱容大于 Ar。根據文獻[11]，流向陽極的總焓可以表示為電流I和電勢差V的乘積

圖4 CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊數值模擬溫度場和CO2氣體質量分數分布Fig.4 Distribution of temperature and Mass fraction of CO2 gas of double-layer gas CO2+Ar shielded arc welding

（2）CO2的熱導率大于Ar，導致電弧散熱多，電弧將發生收縮。

（3）CO2是多原子分子，會發生解離而吸收能量，所以外圍的CO2對電弧等離子體有冷卻作用，促使電弧弧柱收縮。

綜上所述，外層CO2的引入導致電弧等離子體的收縮將促使電流密度和熱流密度增加，表現為電弧高溫區域增大。

3.2 自熔焊的焊縫成形

兩種焊接方法的焊后鎢極形貌與焊縫表面和橫截面形貌如圖5所示，焊縫的熔寬W和熔深D的統計結果如圖6所示。在相同焊接參數下，傳統TIG焊縫窄而淺，熔深僅0.3 mm；而CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊焊縫熔深可達1.1 mm，是傳統TIG焊的3.6倍，熔寬也增大為1.9倍。測得純Ar保護的電弧電壓為14.4 V，CO2+Ar雙層氣體保護的電弧電壓可達18.9 V，根據電弧物理理論可知電弧產熱量提高了31%，這是CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊熔池體積增大的直接原因。CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊電弧電壓較傳統TIG焊顯著增大的根本原因是CO2高溫分解對電弧的冷卻作用導致CO2弧柱電場強度高于Ar弧柱電場強度，而弧長長度一定時，電弧電壓主要由弧柱電場強度決定。

圖5 鎢極和焊縫形貌Fig.5 Appearance of tungsten and weld

圖6 兩種焊接方法的熔深與熔寬對比Fig.6 Comparison of weld penetration and width of two welding methods

為了探究電弧熱在工件表面的分布情況，提取了數值模擬的陽極表面熱流密度分布結果，如圖7所示。從模擬結果可知，在半徑2 mm的范圍內，CO2+Ar雙層氣體保護下陽極熱流密度要明顯大于純Ar保護的，特別是在中心位置，其熱流密度峰值可達73 W/mm3，比純Ar保護的陽極熱流密度峰值高出16 W/mm3。產生這種差異的原因是外層的CO2改變了傳統TIG焊純氬弧特性，使電弧收縮、熱流密度更集中所致。

圖7 陽極表面的熱流密度Fig.7 Heat flux on the anode surface

CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊后，焊縫表面有一層黑色氧化物，保護液態熔融金屬不被氧化，除去后可露出光亮的焊縫，如圖5b所示。對其成分進行了EDS分析發現主要是Fe、Mn以及Si的氧化物，結果如表1所示。

表1 氧化層成分Table 1 Oxidation layer composition

高溫下，保護氣氛中的CO2、O是焊縫中金屬元素的活潑氧化劑，一方面促使Fe、Mn、Si發生氧化放熱反應，這可能也是CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊相比傳統TIG焊熔深增加的原因之一；另一方面有利于減少焊縫含氫量，降低氫對焊縫的不利影響。

雖然采用了雙層氣流的設計，盡量避免了氧化性氣氛對鎢極的氧化，但是從圖5b中左上角的鎢極照片可以發現，焊接相同時間后，CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊的鎢極仍有一定程度的氧化，尖端會形成一小團氧化物，焊接時間長了可能會影響電弧的形態。通過調整焊接參數、氣體比例等降低鎢極的氧化燒損程度將在后續工作中研究。

4 結論

（1）與傳統TIG焊相比，CO2的引入使CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊的電弧發生了明顯收縮，電弧電壓提高了約4.5 V，電弧呈現分層現象。

（2）CO2+Ar非熔化極雙層氣保護焊的陽極熱流密度明顯提高，傳遞到陽極工件上的熱量增多，相同電流下能獲得更大的熔深。

（3）CO2的引入使電弧氣氛有明顯的氧化性，鎢極尖端發生一定程度的氧化燒損，焊縫表面會形成富含Fe、Mn和Si的氧化渣層。