不锈钢PA-GTA双面电弧焊工艺特点 
董红刚1，高洪明2，吴林2，刘黎明1
(1 大连理工大学 材料工程系, 大连 116024)
(2现代焊接生产技术国家重点实验室(哈尔滨工业大学), 哈尔滨 150001)
摘要：本文详细分析了不锈钢等离子弧(PA)-钨极氩弧(GTA)双面弧焊(DSAW)的工艺特点，该工艺可以增加熔深，减小焊后热变形，尤其适用于中厚板的焊接。与常规电弧相比，双面弧焊过程中的电弧均得到了不同程度的压缩。当小孔效应建立后，两焊枪之间的电弧电压出现下降趋势；电弧穿过工件进行加热，提高了热效率；表面张力、电弧吹力和电磁搅拌力均有利于获得较大的熔深。 
关键词：双面弧焊 小孔 等离子弧 
0 前言 
焊接技术在制造业中占有举足轻重的地位，它在汽车、船舶、海洋、航空航天等工业部门都得以广泛应用。提高焊接生产效率，降低生产成本，已成为焊接工作者们追求的一大目标，近几年在焊接领域出现了很多与此相关的新发明、新技巧，单电源双面电弧焊接工艺就是其中一项[1]。在该工艺过程中，工件不接电，而是将两把焊枪连接于同一台焊接电源的两极，这样两个电弧就会串联起来工作。初步试验表明，该工艺具有增加熔深、减小焊后工件热变形等等优点，尤其适用于中厚板的焊接。 
本文将以5mm厚1Cr18Ni9Ti不锈钢板作为焊接材料，研究等离子弧（PA）和钨极氩弧（GTA）相组合的双面弧焊的工艺特点，以进一步推动其在工程实用性方面的发展。 
1 试验装置及试验结果 
PA-GTA双面电弧立焊的试验装置原理图如图1所示。图中所示的焊接电源为国产LHME-315型逆变式变极性等离子弧焊机，试验采用直流恒流方式，其中，等离子弧焊枪接正极，钨极氩弧焊枪接负极。两套焊枪分别采用两套水冷装置。为提高焊接电流的加载量，降低钨极烧损速度，钨极氩弧焊枪的钨极直径选用6.4mm，等离子弧焊枪的钨极直径选用3mm。 
图2为采用PA-GTA双面弧焊工艺焊接得到的焊缝宏观金相照片，其中，等离子弧焊枪喷嘴孔道比为2.8/3.2，喷嘴高度5mm，钨极内缩3mm，GTAW弧长3mm。图3为采用常规单面等离子弧焊所得到的焊缝宏观金相照片，等离子弧焊枪的规 
图1  PA-GTA双面弧焊试验装置原理图 
格尺寸与图2相同。两组试验的焊接速度均为1.8mm/s。可以看出，在相同的焊接规范参数下，采用常规单面等离子弧焊获得的熔深只有1.94mm，只及工件厚度的38.8%，而采用PA-GTA双面弧焊工艺能够完全熔透工件，且在焊接过程中能够形成小孔效应，保证焊缝质量，其优越性显而易见。 
图2  PA-GTA双面弧焊焊缝横截面宏观照片 
（材料：1Cr18Ni9Ti不锈钢，板厚：5mm，焊接电流：66A，等离子气流量：2.0L/min）
图3 常规单面等离子弧焊焊缝横截面宏观照片 
（材料：1Cr18Ni9Ti不锈钢，板厚：5mm，焊接电流：66A，等离子气流量：2.0L/min） 
2 PA-GTA双面弧焊工艺特点 
2.1 不锈钢双面弧焊过程中的电弧特点 
在对不锈钢板采用PA-GTA双面弧焊时，可以采用直流恒流工艺并建立稳定的小孔效应。一旦小孔焊过程稳定建立，则焊接过程中出现的物理现象将会与常规等离子弧小孔焊不一样，因为在工件的另一侧还有一把焊枪在起作用，这样焊接电弧将会得到进一步的压缩，电弧能量也就会得到更进一步的聚集，从而可以一次性焊透更厚的试件，提高焊接生产率。 
图4和图5中的电弧照片即为不同焊接工艺中拍摄到的电弧形态图。从图中可以看出，与常规的钨极氩弧和等离子弧相比，PA-GTA双面弧焊过程中的钨极氩弧和等离子弧更为集中，电弧横截面尺寸相对要小，电弧能量密度更高，为获得更大的熔深提供了条件。 
a) 常规GTA     b) 双面弧焊中的GTA 
图4 GTA形态比较图(焊接电流: 30A, 弧长: 4mm) 
a) 常规PA     b) 双面弧焊中的PA 
图5 PA形态比较图(焊接电流:30A, 喷嘴高度:5mm) 
图6和图7显示的是在PA-GTA双面弧焊过程中，小孔效应建立前后的GTA和PA照片比较。 
a) 未形成小孔时        b) 刚形成小孔时 
c) 稳定小孔时 
图6 双面电弧焊过程中不同时刻的GTA形态图 
(焊接电流:66A, 保护气流量:12L/min, 焊接速度:1.8mm/s) 
a) 未形成小孔时    b) 刚形成小孔时 
c) 稳定小孔时 
图7  双面电弧焊过程中不同时刻的PA形态图 
(焊接电流:66A, 离子气流量:2.2L/min, 焊接速度:1.8mm/s) 
从图中可以观察到，当小孔效应建立后，钨极氩弧的弧柱有一部分会穿过小孔，由于钨极氩弧相对比较发散，因此还有一部分电弧仍会作用在工件表面。而等离子弧则不一样，在没有形成小孔时，等离子弧完全作用在工件表面，当小孔形成后，由于等离子弧柱本来较窄，因此弧柱的大部分将会完全穿过小孔与工件另一侧的钨极氩弧串联起来，形成一个长电弧。因此，当小孔效应建立后，电弧对工件的加热形式也出现了变化，下文将会详细论述。
2.2 不锈钢双面电弧小孔焊工艺特点 
在对不锈钢板采用PA-GTA双面电弧小孔焊的过程中，当小孔建立时，从电流和电压传感器所得到的数据显示，焊接电流不变，而焊接电压——也就是两把焊枪之间的电弧电压出现了下降，所采集到的数据见图8所示。从图中可以看出，两焊枪钨极间的电弧电压由未形成小孔前的30V下降至形成小孔后的26～27V左右，电压值下降了约3 ~ 4V，这一结果与张裕明的试验结果也是一致的[2]。焊接电流保持不变，焊接电压下降3～4V的直接结果就是电源的功率输出下降了，电弧对工件的热输入量下降了11.7％，从而有利于降低工件焊后热变形，既节约了能源，又能提高焊缝质量。 
图8  PA-GTA双面电弧小孔焊过程中电弧电压下降实测曲线 
(1) 电弧加热机制的特点 
电弧的热效率直接影响到工件上热输入的多少。在常规弧焊工艺过程中，电弧能量中的一部分散发到了周围环境中。在PA-GTA双面弧焊过程中，当小孔建立后，工件两侧的两个电弧就串联成一个贯穿整个工件的电弧，这时电弧对工件的加热方式发生了显著的变化。在没有形成小孔时，等离子弧和钨极氩弧分别从工件的两个侧表面对工件进行加热，这时只有电弧的端部部分与工件接触，电弧的很多能量并没有被工件吸收，而是散发到周围环境中。形成小孔后，两个电弧连为一体，形成一个贯穿工件的电弧，这时工件将穿过熔池的电弧整个包围，这样就会有更多的电弧能量被工件吸收，提高了电弧热效率。没有小孔和有小孔时电弧对工件的加热方式如图9所示。 
(2) 电弧吹力的作用 
在焊接过程中，等离子气流对熔池的冲击力直接影响到液态金属的流动以及焊缝的最后质量，对等离子流力的测量和分析也多见于文献中[3]。在PA-GTA双面弧焊过程中，在没有小孔存在的情况下，电弧吹力在熔池表面产生气体剪切力 ，如图10所示。当出现小孔后，电弧吹力除了在熔池表面产生气体剪切力以外，还会在小孔内部的液态金属自由表面产生另外一个剪切力 ，对熔池流体的流动产生影响，促使工件表面的液态金属向小孔中心流动，如图11所示。电弧吹力的作用也会增加焊缝中间部位的宽度，
不锈钢PA.doc