TIG电弧活性化焊接现象和机理研究(2)--活性化TIG焊接中的电弧现象
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图5 考察电弧形态变化的焊接试件
图6
试件焊接结果
在同一试件上以相同参数堆焊有活性剂和无活性 剂、 得到图 7 所示结 SiO2 活性剂和 TiO2 活性剂焊道， 果。观察图 7 所示焊道， 在 SiO2 活性剂存在区域所形 成的焊道比较窄， 熔池凹陷大 （如收弧弧坑情况） ， 特别 是当电弧从无活性剂区进入 SiO2 活性剂区时， 熔池金 属被强烈排斥流向后部， 在分界线后方有较多的凝固 金属堆积， 实际观察电弧， 看到电弧深深挖掘到母材熔 池里， 并指向后方。在 TiO2 活性剂区域中上述现象没 有明显表现， 并且在熔池周围 TiO2 表面上有少量的阳 极斑点移动着。
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试验研究
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摘要
（2） TIG 电 弧 活 性 化 焊 接 现 象 和 机 理 研 究
— — —活性化 TIG 焊接中的电弧现象
哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室（150001） 大 阪 大 学 接 合 科 学 研 究 所 杨春利 牛尾诚夫 田中学
在变动焊接电流下检测电弧电压， 考察 A - TIG 焊电弧收缩及活性剂的影响。结果表明， A - TIG 焊电弧
图3
焊接试件
为 l . 5 ~ 2 mm。通过倾斜试件、 变弧长下的电弧电压 测试 （无活性剂涂敷） ， 测得单位弧长对应的电弧电压 值为 0 . 7 V / mm （采取同数值焊接电流） 。因此可以确 认， 在所采用的焊接参数下对试件涂敷选定量的 SiO2 活性剂进行焊接， 电弧电压有 2 V 左右的增加。此外， 当 SiO2 活性剂涂敷量较少时， 电弧电压增加程度相应 减小。而 在 TiO2 情 况 下， 电弧电压不因涂敷量而改 变， 基本保持无活性剂涂敷时的水平。
收缩是焊接熔深增加的一项重要原因， 电弧是否产生收缩与所使用的活性剂有关， 然而， 既使在电弧未产生收缩情 况下， 表面活性剂仍然对焊接熔深的增加有较大作用。 关键词： A - TIG 活性剂 电弧现象
（2） PHENOMENON AND MECHANISM OF ACTIVATED A C IN TIG WELDING — — —THE A C PHENOMENON IN A - TIG WELDING National Key Laboratory of Advanced Welding Technology，HIT Joint and Welding Research Institute，Osaka University
0
前
言
对电弧形态和熔池阳极斑点运动的观察来说明电弧收 缩是不充分的， 而且电弧中负离子的存在问题一直没 有得到证实， 电弧收缩亦可能存在其它机制。因此， 研 究 A - TIG 电弧现象以及电弧收缩机理对于确切把握 活性化焊接行为是有指导意义的。 1 实验方法 判断焊接电弧收缩与否最为明确和有说服力的办 法是考察电弧电压的变化。同一电弧在相同的焊接电 流、 电弧长度及保护气氛下， 如果电弧电压增加， 无疑 是某种其它原因使电弧产生了收缩。然而在直流电弧 下， 电弧斑点运动等原因， 使电弧电压数值的分散性增 加， 难以取得准确数据； 在脉冲电弧下， 熔池间断性凹 陷及电弧热稳定状态过渡过程等原因， 参入了弧长变 化和热稳态变化的影响， 同样使以电弧电压数值判断 电弧的收缩具有不明确性， 这是以往人们未采用电弧
表# 实验焊接参数 钨极直径 d / mm 3.2 钨极角度 （） 60 保护气 Ar ・ O/L min - 1 15 试件尺寸 （ SUS304） / mm 150 X 50 X 10
图1
变动焊接电流波形
实验系统构成如图 2 所示。由计算机、 A / D 数据 采集卡、 电弧电压测试线 （从焊枪端 D / A 数据输出卡、 部与试件平台间取出） 、 焊接电流采样电阻 （分流器） 及 测试线、 逆变式焊接电源及焊枪、 焊接小车组成焊接实 验系统， 焊接电源具有垂直下降特性。 Turbo C 语言与 汇编语言联合编程， 以软件方式通过 D / A 数据输出卡 发 出图 1 所示的电流波形给定信号到焊接电源， 控制
物， 电阻率低， 对电弧导电通道的阻碍小， 因此电弧未 表现出收缩。上述实验现象用负离子形成理论是无法 解释的， 在负离子理论下， 两种活性剂都会被电弧蒸 发、 分解、 形成负离子、 对电弧产生冷却、 造成电弧收 缩。由此可以建立一种观点， 即活性剂对电弧的作用 只是电弧阳极区行为的表现。 3 结 论
Abstract
Yang Chunli Ushio Masao，Tanaka Manabu
The effect of active flux and arc shrinking in A - TIG welding is studied through detecting arc voltage with variant
焊接电流的输出， 电流参数亦由软件设定。焊接电流 采样信号和电弧电压采样信号经放大电路、 A / D 数据 采集卡到计算机， 定时数据采集， 采样频率 4 k~z， 放大 电路经过数值标定。实验时焊接小车恒速行走。
图2
实验系统组成
实验采用的试件为长度 150 mm、 宽度 50 mm、 厚度 10 mm 的 SUS304 不锈钢板。活性剂的涂敷及涂敷量 的测定采取如下方法： 在试件表面长度方向上画线分 隔出 50 mm X 80 mm 和 50 mm X 70 mm 两部分区域， 用 丙酮调和活性剂粉末成溶液， 用扁平毛刷把活性剂溶 液均匀涂敷在试件整个表面上， 等待丙酮完全挥发后 把 50 mm X 70 mm 区域上的活性剂擦拭到承载物 （硫 酸纸） 上， 用电子秤 （精度 0 . 1 mg） 测量该部分活性剂重 量， 计算出单位面积上的活性剂涂敷量 （扣除擦拭件和 承载物重量） 。涂敷试件时， 保证涂敷均匀和尽可能使 各试件的涂敷量有差别， 测量后选出涂敷量存在差别 的试件进行焊接实验。 ! 实验结果与讨论 表面活性剂对电弧电压的影响 实验采用的焊接参数见表 1。试件焊接形式如图 活性剂涂敷量约为 2 ~ 3 mg / cm2 。 3 所示，
（ a） 焊接电流采样结果
（b） 电弧电压采样结果
图4
几种情况下的电弧电压和焊接电流采样结果 图7 焊道成形比较
上述实验证明， A - TIG 焊接， SiO2 活性剂对电弧 具有压缩作用， 而 TiO2 活性剂对电弧没有压缩作用。 !"! 表面活性剂作用下电弧现象考察 为考察活性剂条件下的焊接电弧现象， 按图 5 所 示试件进行焊接， 电弧沿中心线上的铜格片行走， 在铜 格片两侧母材上分别涂敷两种活性剂， 焊接结果如图 6 所示。 实验结果表明， 电弧燃烧到母 SiO2 活性剂存在时， 材一侧， 即 SiO2 活性剂对电弧电流通道构成较大的阻 尼， 而 TiO2 活性剂不对电弧燃烧构成阻尼， 熔池均匀 形成在铜格片的两侧。
4 1 Paton B E et aI. The weIdabiIity steeIs that have been refined by （6） ： remeIting. Automatic WeIding，1974，27 1~4 2 3 PaskeII T，Lundin C. GTAW fIux increases weId joint penetration. （4） ： WeIding JournaI，1997 57 ~ 62 HeipIe C R，Roper J R. Mechanism for minor eIement effect on （4） ： TIG fusion zone geometry. WeIding JournaI，1982 97 ~ 102 Takeuchi Y，Takagi R，Shinoda T. Effect of Bismuth on weId joint penetration in austenitic stainIess steeI. WeIding JournaI，1992，71 （8） ： 283 ~ 289 5 杨春利 . TIG 电弧活性化焊接现象和机理研究 （1） . 焊接， 2000 （4） （收稿日期 2000 0l 22）
［3， 4］ 点 。电弧收缩观点认为， 活性剂在电弧高温下蒸
发后以原子形态包围在电弧周边区域， 由于电弧周边 区域温度较低， 活性剂蒸发原子扑捉该区域中的电子 形成负离子并散失到周围空间， 使电弧中的电子数呈 现减少趋势， 电弧导电性能减弱， 其最终结果造成电弧 自动产生收缩， 热量集中、 电弧力集中， 从而使焊接熔 深增加。对电弧收缩现象的观察通常是直接观察电弧 形态以及观察熔池中阳极斑点的运动。 目前该研究尚缺乏对电弧收缩的确切证明， 只以
welding current in this paper. And the effect of fusion of active flux on penetration and arc phenomenon in A - TIG welding is also studied with properly experimental method. The results show that the arc of A - TIG welding shrinks in relation to using of active flux. The surface active flux still has the effect on penetration even when arc does not shrink. Key words： A - TIG welding， Active flux， arc phenomenon.
活性化 TIG 焊 （A - TIG） ， 在活性剂成分及涂敷量 合适的情况下， 可以增加焊接熔深、 提高焊接效率， 使 这方面的研究结果很 TIG 焊 应 用 范 围 得 以 扩 展， ［1， 2］ 多 。对 A - TIG 焊熔深增加机理方面的研究， 多年 来人们逐步形成了电弧收缩和熔池表面张力流的观
电压评判电弧收缩的一项主要原因。问题的关键在于 去除弧长变化和电弧热稳态过渡过程的影响， 为此本 文研究采用的焊接电流波形如图 1 所示， 该焊接电流 是在基值电流 Ib 之上叠加一定频率 f 的正弦波电流， 正弦波电流幅值 Ip 一定， 称作变动焊接电流， 在电弧 条件下测定电弧电压随焊接电流各时刻数值的瞬时变 化。对于 TIG 焊或 A - TIG 焊接， 在行走条件下， 电弧 引燃经过一段时间后， 焊接电弧和熔池达到相对稳定 状态， 其表面凹陷量基本稳定， 虽然焊接电流中的变动 量成分会引起熔池表面的一定波动， 但其波动量很小， 且无法追随焊接电流变动量的快速变化， 因此以电弧 电压对焊接电流的瞬时变化量反映电弧收缩情况具备 和 SiO2 活性剂对焊 接电弧有着不同的影响， 虽然两种活性剂对增加焊道 ［5］ ， 但就增加焊接熔深的机 熔深有着类似的作用效果 理而言 是 存 在 差 别 的。就 物 理 性 质 值 而 言， TiO2 和 沸点相近， 只是 SiO2 的电阻率大于 TiO2 SiO2 的熔点、 的电阻率。因此电弧在 SiO2 上形成导电通道即阳极区 的难度较大。当 SiO2 覆盖在母材表面、 电极正下方形 成熔池后， 电弧阳极区即电弧弧根扩展需要克服较大 的阻尼， 而电弧阳极斑点容易在纯金属处形成， 能量平 衡的结果造成电弧的自动收缩。 TiO2 由于是金属氧化
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基值电流 Ib / A 50
变动电流 Ip / A 180
变动电流频率 f / ~z 60
电弧长度 l / mm 5
焊接速度 ・ 1 / mm min 200
-1
实验分别在电弧行走到试件三个区段的中心点以 计算机采集电弧电压和焊接电流， 经对电路放大比例 回归后显示数据如图 4 所示结果。 采样结果表明， 试件上涂敷 SiO2 活性剂后电弧电 压有较大程度的增加， 对应的焊接参数下电弧电压增 加约为 4 V， 而涂敷 TiO2 活性剂后电弧电压变化不明 显。从焊接熔池情况看 （测量收弧弧坑） ， 涂敷 TiO2 活 性剂时， 熔池下凹量基本与无活性剂的情况相同或略 有增加， 而在涂敷 SiO2 活性剂时， 熔池下凹量较大， 约
图6
试件焊接结果
在同一试件上以相同参数堆焊有活性剂和无活性 剂、 得到图 7 所示结 SiO2 活性剂和 TiO2 活性剂焊道， 果。观察图 7 所示焊道， 在 SiO2 活性剂存在区域所形 成的焊道比较窄， 熔池凹陷大 （如收弧弧坑情况） ， 特别 是当电弧从无活性剂区进入 SiO2 活性剂区时， 熔池金 属被强烈排斥流向后部， 在分界线后方有较多的凝固 金属堆积， 实际观察电弧， 看到电弧深深挖掘到母材熔 池里， 并指向后方。在 TiO2 活性剂区域中上述现象没 有明显表现， 并且在熔池周围 TiO2 表面上有少量的阳 极斑点移动着。
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试验研究
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摘要
（2） TIG 电 弧 活 性 化 焊 接 现 象 和 机 理 研 究
— — —活性化 TIG 焊接中的电弧现象
哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室（150001） 大 阪 大 学 接 合 科 学 研 究 所 杨春利 牛尾诚夫 田中学
在变动焊接电流下检测电弧电压， 考察 A - TIG 焊电弧收缩及活性剂的影响。结果表明， A - TIG 焊电弧
图3
焊接试件
为 l . 5 ~ 2 mm。通过倾斜试件、 变弧长下的电弧电压 测试 （无活性剂涂敷） ， 测得单位弧长对应的电弧电压 值为 0 . 7 V / mm （采取同数值焊接电流） 。因此可以确 认， 在所采用的焊接参数下对试件涂敷选定量的 SiO2 活性剂进行焊接， 电弧电压有 2 V 左右的增加。此外， 当 SiO2 活性剂涂敷量较少时， 电弧电压增加程度相应 减小。而 在 TiO2 情 况 下， 电弧电压不因涂敷量而改 变， 基本保持无活性剂涂敷时的水平。
收缩是焊接熔深增加的一项重要原因， 电弧是否产生收缩与所使用的活性剂有关， 然而， 既使在电弧未产生收缩情 况下， 表面活性剂仍然对焊接熔深的增加有较大作用。 关键词： A - TIG 活性剂 电弧现象
（2） PHENOMENON AND MECHANISM OF ACTIVATED A C IN TIG WELDING — — —THE A C PHENOMENON IN A - TIG WELDING National Key Laboratory of Advanced Welding Technology，HIT Joint and Welding Research Institute，Osaka University
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前
言
对电弧形态和熔池阳极斑点运动的观察来说明电弧收 缩是不充分的， 而且电弧中负离子的存在问题一直没 有得到证实， 电弧收缩亦可能存在其它机制。因此， 研 究 A - TIG 电弧现象以及电弧收缩机理对于确切把握 活性化焊接行为是有指导意义的。 1 实验方法 判断焊接电弧收缩与否最为明确和有说服力的办 法是考察电弧电压的变化。同一电弧在相同的焊接电 流、 电弧长度及保护气氛下， 如果电弧电压增加， 无疑 是某种其它原因使电弧产生了收缩。然而在直流电弧 下， 电弧斑点运动等原因， 使电弧电压数值的分散性增 加， 难以取得准确数据； 在脉冲电弧下， 熔池间断性凹 陷及电弧热稳定状态过渡过程等原因， 参入了弧长变 化和热稳态变化的影响， 同样使以电弧电压数值判断 电弧的收缩具有不明确性， 这是以往人们未采用电弧
表# 实验焊接参数 钨极直径 d / mm 3.2 钨极角度 （） 60 保护气 Ar ・ O/L min - 1 15 试件尺寸 （ SUS304） / mm 150 X 50 X 10
图1
变动焊接电流波形
实验系统构成如图 2 所示。由计算机、 A / D 数据 采集卡、 电弧电压测试线 （从焊枪端 D / A 数据输出卡、 部与试件平台间取出） 、 焊接电流采样电阻 （分流器） 及 测试线、 逆变式焊接电源及焊枪、 焊接小车组成焊接实 验系统， 焊接电源具有垂直下降特性。 Turbo C 语言与 汇编语言联合编程， 以软件方式通过 D / A 数据输出卡 发 出图 1 所示的电流波形给定信号到焊接电源， 控制
物， 电阻率低， 对电弧导电通道的阻碍小， 因此电弧未 表现出收缩。上述实验现象用负离子形成理论是无法 解释的， 在负离子理论下， 两种活性剂都会被电弧蒸 发、 分解、 形成负离子、 对电弧产生冷却、 造成电弧收 缩。由此可以建立一种观点， 即活性剂对电弧的作用 只是电弧阳极区行为的表现。 3 结 论
Abstract
Yang Chunli Ushio Masao，Tanaka Manabu
The effect of active flux and arc shrinking in A - TIG welding is studied through detecting arc voltage with variant
焊接电流的输出， 电流参数亦由软件设定。焊接电流 采样信号和电弧电压采样信号经放大电路、 A / D 数据 采集卡到计算机， 定时数据采集， 采样频率 4 k~z， 放大 电路经过数值标定。实验时焊接小车恒速行走。
图2
实验系统组成
实验采用的试件为长度 150 mm、 宽度 50 mm、 厚度 10 mm 的 SUS304 不锈钢板。活性剂的涂敷及涂敷量 的测定采取如下方法： 在试件表面长度方向上画线分 隔出 50 mm X 80 mm 和 50 mm X 70 mm 两部分区域， 用 丙酮调和活性剂粉末成溶液， 用扁平毛刷把活性剂溶 液均匀涂敷在试件整个表面上， 等待丙酮完全挥发后 把 50 mm X 70 mm 区域上的活性剂擦拭到承载物 （硫 酸纸） 上， 用电子秤 （精度 0 . 1 mg） 测量该部分活性剂重 量， 计算出单位面积上的活性剂涂敷量 （扣除擦拭件和 承载物重量） 。涂敷试件时， 保证涂敷均匀和尽可能使 各试件的涂敷量有差别， 测量后选出涂敷量存在差别 的试件进行焊接实验。 ! 实验结果与讨论 表面活性剂对电弧电压的影响 实验采用的焊接参数见表 1。试件焊接形式如图 活性剂涂敷量约为 2 ~ 3 mg / cm2 。 3 所示，
（ a） 焊接电流采样结果
（b） 电弧电压采样结果
图4
几种情况下的电弧电压和焊接电流采样结果 图7 焊道成形比较
上述实验证明， A - TIG 焊接， SiO2 活性剂对电弧 具有压缩作用， 而 TiO2 活性剂对电弧没有压缩作用。 !"! 表面活性剂作用下电弧现象考察 为考察活性剂条件下的焊接电弧现象， 按图 5 所 示试件进行焊接， 电弧沿中心线上的铜格片行走， 在铜 格片两侧母材上分别涂敷两种活性剂， 焊接结果如图 6 所示。 实验结果表明， 电弧燃烧到母 SiO2 活性剂存在时， 材一侧， 即 SiO2 活性剂对电弧电流通道构成较大的阻 尼， 而 TiO2 活性剂不对电弧燃烧构成阻尼， 熔池均匀 形成在铜格片的两侧。
4 1 Paton B E et aI. The weIdabiIity steeIs that have been refined by （6） ： remeIting. Automatic WeIding，1974，27 1~4 2 3 PaskeII T，Lundin C. GTAW fIux increases weId joint penetration. （4） ： WeIding JournaI，1997 57 ~ 62 HeipIe C R，Roper J R. Mechanism for minor eIement effect on （4） ： TIG fusion zone geometry. WeIding JournaI，1982 97 ~ 102 Takeuchi Y，Takagi R，Shinoda T. Effect of Bismuth on weId joint penetration in austenitic stainIess steeI. WeIding JournaI，1992，71 （8） ： 283 ~ 289 5 杨春利 . TIG 电弧活性化焊接现象和机理研究 （1） . 焊接， 2000 （4） （收稿日期 2000 0l 22）
［3， 4］ 点 。电弧收缩观点认为， 活性剂在电弧高温下蒸
发后以原子形态包围在电弧周边区域， 由于电弧周边 区域温度较低， 活性剂蒸发原子扑捉该区域中的电子 形成负离子并散失到周围空间， 使电弧中的电子数呈 现减少趋势， 电弧导电性能减弱， 其最终结果造成电弧 自动产生收缩， 热量集中、 电弧力集中， 从而使焊接熔 深增加。对电弧收缩现象的观察通常是直接观察电弧 形态以及观察熔池中阳极斑点的运动。 目前该研究尚缺乏对电弧收缩的确切证明， 只以
welding current in this paper. And the effect of fusion of active flux on penetration and arc phenomenon in A - TIG welding is also studied with properly experimental method. The results show that the arc of A - TIG welding shrinks in relation to using of active flux. The surface active flux still has the effect on penetration even when arc does not shrink. Key words： A - TIG welding， Active flux， arc phenomenon.
活性化 TIG 焊 （A - TIG） ， 在活性剂成分及涂敷量 合适的情况下， 可以增加焊接熔深、 提高焊接效率， 使 这方面的研究结果很 TIG 焊 应 用 范 围 得 以 扩 展， ［1， 2］ 多 。对 A - TIG 焊熔深增加机理方面的研究， 多年 来人们逐步形成了电弧收缩和熔池表面张力流的观
电压评判电弧收缩的一项主要原因。问题的关键在于 去除弧长变化和电弧热稳态过渡过程的影响， 为此本 文研究采用的焊接电流波形如图 1 所示， 该焊接电流 是在基值电流 Ib 之上叠加一定频率 f 的正弦波电流， 正弦波电流幅值 Ip 一定， 称作变动焊接电流， 在电弧 条件下测定电弧电压随焊接电流各时刻数值的瞬时变 化。对于 TIG 焊或 A - TIG 焊接， 在行走条件下， 电弧 引燃经过一段时间后， 焊接电弧和熔池达到相对稳定 状态， 其表面凹陷量基本稳定， 虽然焊接电流中的变动 量成分会引起熔池表面的一定波动， 但其波动量很小， 且无法追随焊接电流变动量的快速变化， 因此以电弧 电压对焊接电流的瞬时变化量反映电弧收缩情况具备 和 SiO2 活性剂对焊 接电弧有着不同的影响， 虽然两种活性剂对增加焊道 ［5］ ， 但就增加焊接熔深的机 熔深有着类似的作用效果 理而言 是 存 在 差 别 的。就 物 理 性 质 值 而 言， TiO2 和 沸点相近， 只是 SiO2 的电阻率大于 TiO2 SiO2 的熔点、 的电阻率。因此电弧在 SiO2 上形成导电通道即阳极区 的难度较大。当 SiO2 覆盖在母材表面、 电极正下方形 成熔池后， 电弧阳极区即电弧弧根扩展需要克服较大 的阻尼， 而电弧阳极斑点容易在纯金属处形成， 能量平 衡的结果造成电弧的自动收缩。 TiO2 由于是金属氧化
!"#
基值电流 Ib / A 50
变动电流 Ip / A 180
变动电流频率 f / ~z 60
电弧长度 l / mm 5
焊接速度 ・ 1 / mm min 200
-1
实验分别在电弧行走到试件三个区段的中心点以 计算机采集电弧电压和焊接电流， 经对电路放大比例 回归后显示数据如图 4 所示结果。 采样结果表明， 试件上涂敷 SiO2 活性剂后电弧电 压有较大程度的增加， 对应的焊接参数下电弧电压增 加约为 4 V， 而涂敷 TiO2 活性剂后电弧电压变化不明 显。从焊接熔池情况看 （测量收弧弧坑） ， 涂敷 TiO2 活 性剂时， 熔池下凹量基本与无活性剂的情况相同或略 有增加， 而在涂敷 SiO2 活性剂时， 熔池下凹量较大， 约