Effect of welding parameters on arc shape and weld form of KTIG-MIG hybrid welding
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摘要:目的
传统的焊接技术如埋弧焊和CO2气体保护焊等，面临生产效率低、焊接应力引起变形等挑战，难以满足低碳钢焊接技术的进一步需求，且对于中厚板一次焊接完成打底加盖面的高效、高质量焊接技术一直是高端制造领域的重要研究方向。
方法提出了小孔钨极惰性气体保护焊（Keyhole tungsten inert gas, KTIG）+金属惰性气体保护焊（Metal inert gas welding，MIG）复合焊接方法，并自主设计了整体式KTIG-MIG复合焊枪，搭建了复合焊接试验系统，通过堆焊Q235低碳钢板研究分析了丝极间距对复合电弧耦合效果的影响及KTIG电弧电流、MIG电弧电压、丝极间距、焊接速度对焊缝成形的影响。
结果研究发现，丝极间距为11 mm时，2个电弧之间的等离子通道明显，电弧耦合良好，焊缝成形美观；丝极间距为15 mm时，电弧不耦合；丝极间距为7 mm时，2个电弧发生排斥，电弧耦合不明显。KTIG电弧电流、MIG电弧电压和焊接速度与熔深间近似呈线性关系，KTIG电弧电流的增大对焊缝熔深的增加有促进作用，对余高作用不明显；MIG电弧电压的增大有利于熔宽和熔深的增加；随着焊接速度增大，熔深、熔宽和余高均会减小。
结论自主设计的KTIG-MIG焊枪能够较好地完成焊接过程，验证了新型复合焊接工艺的可行性，为更好地研究和应用复合焊接技术奠定了基础。
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关键词:
- 复合焊 /
- 电弧形态 /
- 焊缝成形 /
- 钨极惰性气体保护焊−金属惰性气体保护焊
Abstract:[Objective] Traditional welding techniques such as submerged arc welding and CO2 gas shielded welding face challenges such as low production efficiency and deformation caused by welding stress, making it difficult to meet the advancing demands of low carbon steel welding technology. Efficient and high-quality welding technology that can complete both root pass and cap pass in one welding operation for medium-thick plates has been a crucial research direction in high-end manufacturing fields. [Methods] The KTIG-MIG hybrid welding method is proposed. A comprehensive KTIG-MIG hybrid welding gun is independently designed, and a hybrid welding test system is set up. Weld build-up on Q235 low carbon steel plates is studied to analyze the effects of wire electrode spacing on the hybrid arc coupling, as well as the influences of KTIG arc current, MIG arc voltage, wire electrode spacing and welding speed on weld form. [Results] The research results indicate that under a wire electrode spacing of 11 mm, a clear plasma channel forms between the two arcs with good arc coupling and beautiful weld form. Under a wire electrode spacing of 15 mm, the arcs do not couple. Under a wire electrode spacing of 7 mm, repulsion occurs between the two arcs, resulting in unclear arc coupling. KTIG arc current, MIG arc voltage and welding speed exhibit approximately linear relationships with penetration depth. Increasing KTIG arc current promotes deeper penetration depth but has less effect on reinforcement. Higher MIG arc voltage is beneficial for increasing penetration width and penetration depth. With the increase of welding speed, the penetration depth, penetration width and reinforcement will decrease. [Conclusion] The independently designed KTIG-MIG welding gun effectively completes the welding process, validating the feasibility of the new hybrid welding technology. This lays a foundation for further research and application of hybrid welding techniques.
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0. 前言
近年来，焊接技术一直在国内外工程领域中扮演着不可或缺的角色，为制造业提供了关键的技术支持[1 − 2]。其中，复合焊接技术的发展成为焊接领域的一个重要研究方向，其旨在克服传统焊接方法中存在的局限性，以提高焊接质量、效率和可控性[3]。目前，复合热源应用较为广泛的是激光−电弧复合焊，虽然其具有效率高、质量好等一系列优点，但激光器的成本较高，限制了其进一步应用，因此，一系列低成本的双电弧复合焊应运而生，如钨极惰性气体保护焊（Tungsten inert gas，TIG）-MIG复合焊、等离子−MIG复合焊等。
TIG-MIG复合焊有着低热输入、高熔敷率的特点，并且能够改善MIG焊接飞溅，实现高效化和优质化焊接。KANEMARU等学者[4]将TIG-MIG复合焊用于6 mm厚不锈钢的对接焊接，获得了良好的对接接头，焊接时间约为传统TIG的17%～44%。娄小飞等学者[5]研究了3 mm厚的Q235低碳钢TIG-MIG复合焊电弧特性、熔滴过渡和焊缝成形，并将该焊接方法应用到高速焊接中，在焊接速度高达2.5 m/min时，复合电弧压力作用在更大的范围内，焊缝熔化区域较窄，没有产生咬变缺陷，焊缝质量良好，但TIG焊缝熔深较浅的缺点限制了TIG-MIG复合焊接方法的进一步应用。张洪涛等学者[6]使用Super-MIG（超级气体保护焊）对TATM700厚板大梁钢进行焊接工艺的系统研究，建立了工艺参数与接头之间的定量关系。KTIG是在传统的TIG基础上，增加焊枪自身的冷却并将焊接电流提高到300 A形成小孔效应，达到大熔深的焊接技术。王泰等学者[7]采用在工件背面铺加保护焊剂的方法，在430～480 A的电弧电流范围内，KTIG焊接8 mm厚Q235均可实现单面焊双面成形。刘自刚等学者[8]研究了深熔氩弧焊接方法（Deep penetration tungsten inert gas welding，DP-TIG）的焊接工艺，实现了10 mm以下板厚的低碳钢不开坡口平板对接焊的单面焊双面成形。CUI等学者[9]以4 mm厚不锈钢为试验对象，研究了KTIG焊接的小孔行为，采用方波脉冲焊接电流，实现了“一脉冲一小孔”KTIG焊接工艺。LOHSE等学者[10]研究了阴极聚焦钨极惰性气体保护焊（Cathode focussed tungsten inert gas, CF-TIG）焊接工艺，试验证实了CF-TIG工艺适用于厚度为6～10 mm的不锈钢和低碳钢，电弧电流为400～800 A。相对于传统TIG，KTIG电流密度大、电弧挺度高、焊接过程更加稳定，可一次性实现一定厚度板材的深熔穿孔焊接，此外，传统的MIG焊接技术具有熔敷效率高、焊缝质量好等优势，因此，为进一步弥补TIG-MIG复合焊焊缝熔深浅、焊接工艺窗口小等缺点，文中提出一种新型的复合焊接方式，即KTIG-MIG复合焊接，融合了KTIG和MIG焊接工艺，结合了二者的优点，实现“1+1>2”的效果，实现对中厚板乃至大厚板的高效率、高质量、低成本的焊接。
KTIG-MIG复合焊接原理是利用KTIG电弧作为主电弧，产生高能量密度的热源，实现一定厚度结构下深熔穿孔焊接，同时利用MIG电弧作为辅助电弧，提供填充金属，对熔池进行控制和补偿。2个电弧之间存在一定的距离和角度，以实现最佳的协同效果。
文中采用低碳钢Q235为研究对象，研究了主要焊接参数对8 mm厚的Q235钢板焊缝成形的影响，验证了KTIG-MIG复合焊接的可行性，为实现高效率焊接中厚板和复合焊技术的进一步应用奠定了基础。
1. 试验方法
图1为自主设计的KTIG-MIG复合焊枪示意图。KTIG焊枪和MIG焊枪内部设有进行冷却作用的腔体，其中KTIG焊枪水冷腔体体积占整个焊枪的30%，能够在焊接过程中对焊枪进行实时冷却，且夹持2个焊枪的底座中也设有水冷通道，能够确保焊接结束后对复合焊枪快速冷却，并设计了特殊的保护气罩来隔绝外部气体对复合电弧的不良影响。MIG焊丝与钨极之间的夹角为21°，d为钨极端部与焊丝端部之间的距离。
试验过程中，复合焊枪保持在固定位置，工件在运动平台上实现直线运动。TIG焊枪采用直流正接，MIG焊枪采用直流反接且电流采用直流模式。进行平板堆焊试验时，KTIG电弧在前，MIG电弧在后，焊接时KTIG电弧先起弧，等电弧稳定后，再启动MIG电弧进行焊接。试验母材采用规格为200 mm×50 mm×8 mm的Q235低碳钢板，选用ER50S焊丝，焊丝直径为1.2 mm。采用平板堆焊方式进行工艺试验，试验过程中钨极垂直于工件且尖端距离工件表面5 mm，MIG电弧电流固定为200 A，保护气为99.99%纯度的氩气，KTIG焊枪和MIG焊枪的气流量分别20 L/min和15 L/min，试验工艺参数见表1。
表 1 焊接工艺参数Table 1. Welding parameters试验
序号KTIG电弧
电流I / AMIG电弧
电压U / V丝极间距
d / mm焊接速度
v /( mm·s−1)1 250～350 22 11 5 2 350 16～24 11 5 3 350 22 7～15 5 4 350 22 11 3～11 2. KTIG-MIG复合电弧形态
KTIG-MIG复合焊接电弧形态如图2所示。利用软件自带的伪色彩增强技术能够将黑白图像转换为彩色图像，转换后的彩色图像更加直观地表现了2个电弧的耦合情况，当2个电弧之间的等离子通道能够明显地看出时，可以认为2个电弧得到了很好的耦合。从图2中可以看出，MIG电弧发生较大偏转而KTIG电弧基本不发生偏转，这主要是由于水冷对钨极进行高效冷却的作用下，电弧得到了很好压缩，提高了能量密度，保持了较高的电弧挺度；又因为KTIG电弧为直流正接，MIG电弧为直流反接，二者会在自身磁场的作用下发生排斥，然而KTIG电弧自身保持了较高的挺度，所以MIG电弧发生了较大的偏转。由图2(a)可知，丝极间距为7mm时，2个电弧均发生不同程度的偏转，其中MIG电弧偏转较大，为30.5°，KTIG电弧也向右发生了偏转，约为8.5°。丝极间距为11 mm时，KTIG电弧基本不发生偏转，MIG电弧偏转角度变小，为9.5°，这是2个电弧之间的洛伦兹力减小造成的，此时通过电弧间的等离子通道可以很明显地看出，电弧得到了很好的耦合。当丝极间距增大到15 mm时，2个电弧各自的电弧形态都表现了出来，等离子通道不明显，2个电弧没有得到很好的耦合。
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图 2 不同丝极间距下KTIG-MIG复合焊接电弧形态图Figure 2. Arc morphology diagram of KTIG-MIG hybrid welding with different wire electrode spacing. (a) 7 mm; (b) 11 mm; (c) 15 mm3. 试验结果及分析
3.1 丝极间距对焊缝成形的影响
对于KTIG-MIG复合焊枪，丝极间距的改变会直接影响KTIG电弧和MIG电弧的耦合形式，随丝极间距的增大，KTIG电弧与MIG电弧主要表现为3种状态：相互耦合、相互影响、相互独立。图3为不同丝极间距下KTIG-MIG复合焊焊缝成形及横截面宏观形貌。
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图 3 不同丝极间距下的焊缝成形和焊缝截面Figure 3. Weld form and weld cross-section under different wire electrode spacing. (a) 7 mm; (b) 9 mm; (c) 11 mm; (d) 13 mm; (e) 15 mm在图3中，丝极间距对焊缝成形的影响显著。当丝极间距设置为7 mm，9 mm时，焊缝表面出现咬边、气孔以及少量飞溅现象，同时焊缝横截面也出现气孔。这些问题主要是因为较小的丝极间距导致2个电弧之间的排斥力增强，造成MIG电弧的偏转角度增大，从而影响了熔滴的稳定过渡。在丝极间距调整到11 mm时，焊缝的成形效果显著改善，焊缝成形较为美观，无明显缺陷。当丝极间距进一步增加到13 mm，15 mm时，尽管焊道和鱼鳞纹均匀，但焊缝表面都出现大量飞溅。这种情况主要是由于MIG电弧和KTIG电弧之间未能有效耦合，KTIG电弧未能稳定MIG电弧，导致在高浓度氩气环境下，MIG电弧稳定性不足，进而引发大量飞溅现象。在焊接过程中，当丝极间距设定为15 mm时，焊缝横截面呈现出现明显的不对称性。这种现象的出现主要是因为KTIG电弧和MIG电弧中心的连线与焊枪前进方向之间存在一定的角度偏差，而非保持完全平行，从而引起了焊缝横截面的不对称。
图4为不同丝极间距对KTIG-MIG复合焊焊缝熔深、余高和熔宽的影响。当丝极间距为7 mm和9 mm时，2个电弧之间的排斥作用较强，KTIG电弧挺直性受到影响，焊缝熔深较小。当丝极间距增大到11 mm时，KTIG电弧对MIG电弧稳定作用增强，焊缝熔宽增大并保持小幅度变化，KTIG电弧与MIG电弧之间的耦合作用增强，2个电弧的挺直性增强，增加了焊缝熔深。丝极间距从11 mm增大到15 mm时，熔宽略微增加，熔深和余高先降低后增加。这是因为随着丝极间距的增大，2个电弧均发生漂移，焊接过程不稳定影响了熔深和熔宽。当丝极间距为15 mm时，2个电弧的耦合效果变差，KTIG电弧在前保持较高的稳定性，增加了焊缝熔深。
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图 4 丝极间距对焊缝截面尺寸的影响Figure 4. Influence of wire electrode spacing on the cross-sectional size of welds3.2 KTIG电弧电流对焊缝成形的影响
在KTIG-MIG复合焊接中，KTIG电弧的深熔效应能够增加复合焊焊缝的熔深，提高焊接效率。因此，KTIG电弧电流数值的变化必会影响焊缝成形和横截面形貌。图5为不同KTIG电弧电流下KTIG-MIG复合焊焊缝成形及横截面形貌。随着KTIG电弧电流的增加，焊缝成形良好无明显焊接缺陷。
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图 5 不同KTIG电弧电流下的焊缝成形和焊缝截面Figure 5. Weld form and weld cross-section under different KTIG arc currents. (a) 250 A; (b) 270 A; (c) 290 A; (d) 310 A; (e) 330 A; (f) 350 A图6为KTIG电弧电流对KTIG-MIG复合焊焊缝熔深、余高和熔宽的影响。KTIG电弧电流在250 A时，复合电弧耦合效果差，KTIG电弧不能起到稳定MIG电弧的作用，同时因为KTIG电弧电流小，挺直性差，导致复合电弧出现漂移，出现蛇形焊道；随着KTIG电弧电流的增大，KTIG电弧穿透力增强，复合电弧对工件的热输入变大，挖孔能力增强，熔深变大。
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图 6 KTIG电弧电流对焊缝截面尺寸的影响Figure 6. Influence of KTIG arc currents on the cross-sectional size of welds3.3 MIG电弧电压对焊缝成形的影响
图7为不同MIG电弧电压下KTIG-MIG复合焊焊缝成形及横截面形貌。MIG电弧电压为16 V时，如图7(a)所示，焊接横截面出现气孔，归因于MIG电弧短。电弧长度过大会产生焊接飞溅等问题。MIG电弧电压为22 V时，如图7(d)所示，焊缝成形较好，无明显焊接缺陷，无飞溅。
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图 7 不同MIG电弧电压下的焊缝成形和焊缝截面Figure 7. Weld form and weld cross-section under different MIG arc voltages. (a) 16 V; (b) 18 V; (c) 20 V; (d) 22 V; (e) 24 V图8为MIG电弧电压对KTIG-MIG复合焊焊缝熔深、余高以及熔宽的影响。由图8可知，MIG电弧电压对焊缝熔宽影响不大，而对焊缝余高和熔深影响较大。造成这种现象的根本原因是熔化极气体保护焊的工艺特性。MIG 电弧为自由非约束电弧，故其电弧长度增加后会使电弧弧根圆半径增加，导致电弧力的分布面积变大，进一步导致熔深下降。MIG 电弧电压的增加还会使电弧的熔化速度加快，焊丝的熔敷量增加，因此焊缝余高趋于增大。
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图 8 MIG电弧电压对焊缝截面尺寸的影响Figure 8. Influence of MIG arc voltages on the cross-sectional size of welds3.4 焊接速度对焊缝成形的影响
焊接速度的大小直接决定着焊接过程中复合电弧的热输入，进而影响着接头的焊缝成形。图9为不同焊接速度下KTIG-MIG复合焊焊缝成形及接头横截面形貌。
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图 9 不同焊接速度下焊缝成形和焊缝截面Figure 9. Weld form and weld cross-section under different welding speeds. (a) 3 mm/s; (b) 5 mm/s; (c) 7 mm/s; (d) 9 mm/s; (e) 11 mm/s当焊接速度为3 mm/s时，可以明显看出熔宽变大，焊缝表面无明显缺陷，焊缝横截面出现大气孔。这是因为KTIG电弧压力影响熔池熔化金属流动，将填充金属向后排挤，无法完整填充焊道，出现大气孔。焊接速度为5 mm/s时，焊缝表面成形美观，无飞溅，鱼鳞纹均匀，横截面热影响区组织分明。当焊接速度为7 mm/s，9 mm/s，11 mm/s时，焊缝表面都出现咬边、焊缝不均匀等缺陷，横截面也都有气孔产生。这是因为焊接速度较快时，复合电弧的热输入降低，熔池冷却快，熔池存在时间短，内部气体来不及析出，出现气孔。
图10为不同焊接速度下KTIG-MIG复合焊焊缝熔深、余高以及熔宽。从图10中可以看出，复合焊焊缝熔深、余高以及熔宽都随着焊接速度增加而减小。这主要是因为焊接速度增加，焊接热输入减小，母材和焊丝熔化量减少，导致焊缝熔深、熔宽和余高均降低。
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图 10 焊接速度对焊缝截面尺寸的影响Figure 10. Influence of welding speeds on the cross-sectional size of welds4. 结论
（1）建立了基于KTIG-MIG复合焊焊枪的焊接试验系统，采集到了高质量的电弧形态图像。
（2）KTIG-MIG电弧耦合效果随着丝极间距的增大而先增大后减小，当丝极间距为11 mm时，2个电弧的耦合效果最佳。
（3）KTIG电弧电流和MIG电弧电压与焊缝熔深正相关，丝极间距和焊接速度对熔深和熔宽均有较大影响。试验结果表明，通过精确控制这些参数，可以有效地调节焊缝的几何特征，进而优化焊接质量。
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图 2 不同丝极间距下KTIG-MIG复合焊接电弧形态图
Figure 2. Arc morphology diagram of KTIG-MIG hybrid welding with different wire electrode spacing. (a) 7 mm; (b) 11 mm; (c) 15 mm
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图 3 不同丝极间距下的焊缝成形和焊缝截面
Figure 3. Weld form and weld cross-section under different wire electrode spacing. (a) 7 mm; (b) 9 mm; (c) 11 mm; (d) 13 mm; (e) 15 mm
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图 4 丝极间距对焊缝截面尺寸的影响
Figure 4. Influence of wire electrode spacing on the cross-sectional size of welds
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图 5 不同KTIG电弧电流下的焊缝成形和焊缝截面
Figure 5. Weld form and weld cross-section under different KTIG arc currents. (a) 250 A; (b) 270 A; (c) 290 A; (d) 310 A; (e) 330 A; (f) 350 A
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图 6 KTIG电弧电流对焊缝截面尺寸的影响
Figure 6. Influence of KTIG arc currents on the cross-sectional size of welds
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图 7 不同MIG电弧电压下的焊缝成形和焊缝截面
Figure 7. Weld form and weld cross-section under different MIG arc voltages. (a) 16 V; (b) 18 V; (c) 20 V; (d) 22 V; (e) 24 V
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图 8 MIG电弧电压对焊缝截面尺寸的影响
Figure 8. Influence of MIG arc voltages on the cross-sectional size of welds
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图 9 不同焊接速度下焊缝成形和焊缝截面
Figure 9. Weld form and weld cross-section under different welding speeds. (a) 3 mm/s; (b) 5 mm/s; (c) 7 mm/s; (d) 9 mm/s; (e) 11 mm/s
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图 10 焊接速度对焊缝截面尺寸的影响
Figure 10. Influence of welding speeds on the cross-sectional size of welds
表 1 焊接工艺参数
Table 1 Welding parameters
试验
序号KTIG电弧
电流I / AMIG电弧
电压U / V丝极间距
d / mm焊接速度
v /( mm·s−1)1 250～350 22 11 5 2 350 16～24 11 5 3 350 22 7～15 5 4 350 22 11 3～11 
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