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双钨极氩弧焊(Twin-electrode TIG，T-TIG)作为一种新型焊接方法，具有独特的钨极结构，由两台电源供电，在两个钨极之间形成一个耦合电弧，具有自动化程度高、适应性强、生产成本低等优点，正在被越来越多的研究者重视[1-3].研究表明T-TIG比传统TIG电弧具有更低的电弧压力和更稳定的熔池特征[4].同时在大电流焊接时，由于T-TIG的电弧压力较小，能有效地减小熔穿、驼峰等缺陷，从而实现高效焊接[5-6].然而，T-TIG电弧比较发散，能量利用率较低，焊接熔深浅.因此，有必要优化T-TIG能量分布，进一步提高其生产效率.
外加磁场具有成本低，安装灵活、可靠性高等优点，在改善电弧能量分布方面有很大优势[7-9]. LIU等人[10-11]将尖角磁场作用于K-TIG (Keyhole TIG)，结果表明尖角磁场可以使K-TIG电弧形态约束为椭圆形，提高电弧电压及降低热输入.ZHU等人[12-13]通过将自行设计的尖角磁场作用于T-TIG，发现外加磁场能够有效增强小电流T-TIG的公共导电通道特性，以及优化大电流T-TIG电弧的能量分配，从而提高焊丝熔敷率.然而，现有的研究大都集中在磁场对单电极电弧或其熔池的影响，而对T-TIG的影响也只是通过单一极性磁场对其电弧进行调控，利用变极性磁场对T-TIG进行调控的研究并没有提及，因此通过对T-TIG施加两种不同极性的尖角磁场，进而研究其对T-TIG电弧形态和焊缝特征的影响.
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图1为尖角磁场辅助T-TIG焊接系统示意图，系统主要由两台焊接电源、磁控装置(包括励磁电源、励磁线圈)及摄像装置组成.两台电源分别对两把焊枪供电，并独立可调，同时通过自行设计的夹具对焊枪进行夹紧，可以调整焊枪角度，高度和钨极间距.焊接采用平板堆焊的形式，母材选用规格为100 mm × 100 mm × 8 mm的Q345钢，母材化学成分见表1. 保护气体为纯Ar气，气体流量为12 L/min，具体焊接工艺参数见表2.
图 1 焊接系统示意图
Figure 1. Schematic diagram of welding system
表 1 母材化学成分(质量分数，%)
Table 1. Chemical composition of base metal
C Mn Si S P Fe ≤0.2 ≤1.7 ≤0.5 ≤0.035 ≤0.035 余量 表 2 焊接工艺参数
Table 2. Welding process parameters
焊接电流I/A 焊接速度v/(mm·min−1) 钨极间距D/mm 钨极高度h/mm 励磁电流Im/A 磁感应强度B/mT 100 + 100 300 2 1.5 70 76 焊接过程中利用MS50K高速摄像机对电弧形态进行采集，参数设置为曝光时间400 μs，采集窗口大小320 pixel × 240 pixel，帧频2000 帧/s.同时利用非接触式SAT-G95红外摄像仪对焊接过程中焊缝平均温度进行采集，该设备具有选区测温和实时采集功能，设置测距为1 m，辐射率为0.84，环境温度设定为15 ℃.
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图2为磁发生装置，采用的线圈匝数为6匝，线圈内置直径为8 mm的铁芯，外加磁场的磁场强度可以通过改变励磁电流进行调节.励磁线圈中的磁场将通过底部的四个厚度为4 mm导磁杆引至焊接电弧，利用高斯计测量导磁杆端部的磁感应强度，尖角磁场加入到电弧中，与焊接电流相作用，从而控制焊接电弧和熔池流动行为.同时线圈内通以循环水，防止大电流条件下线圈过热.
图 2 磁发生装置
Figure 2. Magnetic generating device
通过变换极性来形成两种不同方向的尖角磁场，如图3所示，按平行于钨极排列方向(x轴)上磁场分布的不同，分为正极性尖角磁场(图3a)和负极性尖角磁场(图3b)，即沿x轴方向磁场分布为顺时针是正极性尖角磁场，沿x轴方向磁场分布为逆时针是负极性尖角磁场，从而探究其对T-TIG电弧形态和焊缝特征的影响规律.
图 3 不同极性的磁场示意图
Figure 3. Schematic diagram of magnetic fields of different polarities. (a) positive cusp magnetic field; (b) negative cusp magnetic field
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图4是从xOz面和yOz面观察到的T-TIG电弧形态.经过施加正极性尖角磁场(图4c)，耦合电弧在xOz面出现了整体收缩现象，电弧宽度减小.通过表3的电弧尺寸可以发现，电弧宽度由原来的9.97 mm变成了8.27 mm，减小了17.1%.施加负极性尖角磁场(图4e)后，耦合电弧整体扩张，电弧宽度达到10.95 mm，增加9.8%；另外经过正极性尖角磁场(图4d)的施加，耦合电弧在yOz面进行了整体扩张，电弧尺寸由初始的8.39 mm变为10.13 mm，增大20.7%.施加负极性尖角磁场(图4f)后，耦合电弧在该面有了整体压缩现象，电弧宽度变为7.15 mm，减小14.8%.可以发现，经过正极性尖角磁场的施加，T-TIG电弧宽度在xOz面和yOz面的变化程度都要比负极性尖角磁场的大.
图 4 T-TIG电弧形态变化
Figure 4. Morphological change of T-TIG arc. (a) arc shape of xOz surface without magnetic field; (b) arc shape of yOz surface without magnetic field; (c) arc shape of xOz surface with positive cusp magnetic field; (d) arc shape of yOz surface with positive cusp magnetic field; (e) arc shape of xOz surface with negative cusp magnetic field; (f) arc shape of yOz surface with negative cusp magnetic field
表 3 电弧宽度
Table 3. Arc width
mm 方法 xOz面 yOz面 未加磁场 9.97 8.39 施加正极性尖角磁场 8.27 10.13 施加负极性尖角磁场 10.95 7.15 通过上述试验现象，可以发现尖角磁场对T-TIG的电弧形态有影响，因此构建电弧物理模型对其进一步解释，并采用正极性尖角磁场进行说明.图5显示了双钨极与尖角磁场之间的相对位置以及各自产生的磁场，其中B代表T-TIG各电极产生的自感应磁场，而BA代表外部施加的尖角磁场，假设电流方向垂直纸面向外，则根据安培定则，电流产生的磁场方向为逆时针.
图 5 施加尖角磁场前后T-TIG磁场分布示意图
Figure 5. Schematic diagram of T-TIG magnetic field distribution before and after applying a cusp magnetic field. (a) before applying cusp magnetic field; (b) after applying cusp magnetic field
对于T-TIG来说，首先受到自感应磁场产生的自磁收缩力FE作用，可以表示为[12]
$$ {F_{\rm{E}}} = J\left( r \right) \times B\left( r \right) $$ (1) $$ B\left( r \right) = \frac{{{\mu _0}}}{r}\int_0^R {J\left( r \right)} r{\rm{d}}r $$ (2) $$ J\left( r \right) = \frac{I}{{2{\text{π}} {\sigma ^2}_{\rm{I}}}}\exp \left( { - \frac{{{r^2}}}{{2{\sigma ^2}_{\rm{I}}}}} \right) $$ (3) 式中：I为各电极电流；r 为带电粒子的位置；J(r)为电流密度；B(r)为自感应磁通密度；μ0为自由空间磁导率；R为弧柱半径；σI为焊接电流的分布系数；FE指向电弧中心，维持电弧在固定的位置. T-TIG的每一个电极也受到来自另一个电极的作用力FD影响，可以表示为[14]
$$ {F_{\rm{D}}} = J\left( r \right) \times {B_{\rm{D}}} $$ (4) $$ {B_{\rm{D}}} = \frac{{{\mu _0}{I_{\rm{D}}}}}{{2{\text{π}} {{D}}}} $$ (5) 式中：ID为另一个电极的电流；BD为另一个电极的磁通密度；D为两个电极之间的距离；FD指向耦合电弧的中心轴，从而使得两个电弧具有向中心轴聚集的趋势.每个电极还受到外部尖角磁场产生的作用力FA，可以表示为
$$ {F_{\rm{A}}} = J\left( r \right) \times {B_{\rm{A}}} $$ (6) 式中：BA为外部磁通密度.尖角磁场产生的作用力FA加强了T-TIG电弧左右侧的电磁收缩力，同时减弱了其前后侧的电磁收缩力，所以使T-TIG电弧左右侧被压缩，前后侧出现扩张.这与正极性磁场使电弧在xOz面压缩，在yOz面扩张，而负极性磁场使电弧在xOz面扩张，在yOz面压缩的现象符合.
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尖角磁场使T-TIG电弧形态产生变化，导致电弧能量分布改变，表现为电弧作用到焊缝上，使焊缝温度场产生改变，因而可以通过研究焊缝温度场的变化来间接说明尖角磁场对T-TIG焊缝特征的影响.为了使表征结果具有针对性，采取对T-TIG施加正极性尖角磁场来完成温度场测量操作.如图6所示，电弧熄灭3 s后利用红外摄像仪进行拍摄，在焊缝上等距选取三个位置，沿着母材至焊缝再到母材的方向进行温度值测量，从而获得图7所示的温度变化曲线.
图 6 位置分布示意图
Figure 6. Location distribution diagram
图 7 焊缝不同位置温度曲线
Figure 7. Temperature curves of different positions of the weld. (a) temperature curve at position 1; (b) temperature curve at position 2; (c) temperature curve at position 3
从位置1温度变化(图7a)来看，经过施加正极性磁场后，温度分布呈现向中心靠拢的现象；位置2温度变化(图7b)表明，经过正极性磁场的施加，曲线变得更加陡峭，温度梯度变大；位置3温度变化(图7c)说明磁场使温度分布曲线有了明显的收缩，曲线整体斜率变大.
可以看出，经过正极性磁场的施加后，三个位置的温度曲线都有了整体收缩的趋势，同时曲线尖端更加突出，表示尖角磁场使温度分布更加集中，这与正极性尖角磁场在xOz面对T-TIG进行压缩的特性符合(图4c).
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图8为不同极性的尖角磁场作用于T-TIG的焊缝横截面对比.从焊缝截面来看，经过对T-TIG施加尖角磁场后，焊缝熔深有了不同程度的变化.未施加磁场时焊缝熔深为1.94 mm(图8a)，经过正极性尖角磁场的施加之后，焊缝熔深达到2.66 mm(图8b)，增长37.1%，熔宽基本变化不大.经过对T-TIG施加负极性尖角磁场后，焊缝熔深变为1.89 mm(图8c)，无明显变化，熔宽有所提高.因此，正极性尖角磁场更有利于焊缝熔深的增加.
图 8 焊缝横截面对比
Figure 8. Weld cross section comparison. (a) no magnetic field applied; (b) apply positive cusp magnetic field; (c) apply negative cusp magnetic field
熔深的改变主要是由于作用在熔池表面的力的效果，而作用力中起关键作用的是电弧压力. 耦合电弧中心轴上的电弧压力Py=0可以表示为[15-16]
$$ {P_{y = 0}} = \frac{1}{2}\rho {v^2}_{y = 0} $$ (7) $$ {v_{y = 0}} = \sqrt {\frac{{{\mu _0}I{J_{y = 0}}}}{{2{\text{π}} \rho }}} $$ (8) $$ {J_{y = 0}} = \frac{{0.69{e^2}\lambda }}{{\sqrt {3kT{m_e}} }}{n_e}E $$ (9) 式中：ρ表示等离子体密度；vy=0为等离子体流速；Jy=0表示耦合电弧中轴线上的电流密度；e表示电子电量；k表示玻尔兹曼常数；T为电弧等离子体温度；me表示电子质量；ne为电子密度；E表示电场强度；λ为自由程.
可见，电流密度与电子密度和电场强度强相关，而外加正极性尖角磁场单侧压缩了T-TIG电弧，提高了中心区域电子密度[12]，同时Liu等人[11]的研究证实了电弧被单侧压缩后，电弧电压增加，由式(9)可得电流密度提高，结合式(7)和式(8)可知电弧压力增加，进而增加T-TIG对母材的冲击作用，有利于提高熔深.
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图9为不同尖角磁场下T-TIG热影响区和焊缝区组织.在热影响区组织中，除了存在铁素体(F)和珠光体(P)外，同时在晶界处存在羽毛状的上贝氏体组织(UB)，另外相比于未加磁场的晶粒，平均晶粒大小为78.27 μm，而施加正极性磁场后平均晶粒大小为53.63 μm，施加负极性尖角磁场后平均晶粒大小为50.66 μm，可见两种磁场下的晶粒大小都有了较小程度的细化(图9c、图9e)；焊缝区的组织基本与热影响区一致，主要为铁素体、珠光体与上贝氏体组织，无明显变化.未加磁场时焊缝区平均晶粒大小为120.97 μm，施加正极性磁场后平均晶粒大小为118.28 μm，施加负极性磁场后平均晶粒大小为118.38 μm，作用两种尖角磁场后，焊缝区晶粒大小无明显变化(图9d、图9f).
图 9 显微组织形貌对比
Figure 9. Microstructure and morphology comparison. (a) microstructure of heat affected zone without magnetic field; (b) microstructure of weld zone without magnetic field; (c) microstructure of weld zone with positive cusp magnetic field; (d) microstructure of weld zone positive cusp magnetic field; (e) microstructure of heat affected zone with negative cusp magnetic field; (f) microstructure of weld zone with negative cusp magnetic field
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根据3种焊接模式下的焊缝截面可以发现，焊缝熔深有了变化，说明单位时间内由热源提供的能量有所改变，因此采用能量利用效率Em来定量进行表征，表示为[17]
$$ {E_{\rm{m}}} = \left( {vS} \right)\rho \left( {\int_{{T_0}}^{{T_{\rm{m}}}} {cdT} + H} \right) $$ (10) 式中：Em表示能量利用效率；v为焊接速度；S为接头横截面积；ρ为材料密度；c为比热容；Tm为熔点；T0为室温；H为熔化潜热，从而得到表4中数据.
表 4 能量利用效率相关参数
Table 4. Parameters related to energy utilization efficiency
方法 焊缝熔深L/mm 横截面积S/mm2 能量利用效率Em/(kJ·s−1) 变化率δ(%) 未加磁场 1.94 5.11 0.19 — 施加正极性磁场 2.66 6.67 0.25 31.6 施加负极性磁场 1.89 5.40 0.20 5.3 可以发现，施加正极性尖角磁场后，能量利用效率比未施加时提高了31.6%，而施加负极性磁场后，能量利用效率改变了5.3%，无明显变化.这是因为正极性尖角磁场使能量更为集中，增加了焊缝熔深，单位时间内熔化母材更多，接头横截面积提高，因而能量利用效率更大.
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(1)T-TIG耦合电弧受到来自外部尖角磁场产生的作用力，从而正极性磁场使电弧在xOz面压缩，在yOz面扩张，负极性磁场正好相反.综合两种磁场对T-TIG电弧在xOz面和yOz面的影响，正极性磁场对电弧形态的影响更显著.
(2)外加尖角磁场使T-TIG温度场更集中，同时对T-TIG施加正极性磁场，可以使焊缝熔深增加37.1%，而施加负极性磁场后熔深无明显变化.两种磁场对T-TIG焊接热影响区组织有细化作用.
(3)施加正极性磁场可以提高能量利用效率，与未施加时相比增加31.6%，而施加负极性磁场后能量利用效率无明显变化.
Influence of cusp magnetic field polarity on arc shape and weld characteristics of twin-electrode TIG welding
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摘要: 针对双钨极氩弧焊(T-TIG)存在的电弧压力小、焊缝熔深浅等问题，引入不同极性的外加尖角磁场辅助T-TIG焊方法.分别采用高速摄像机和红外摄像仪研究不同极性的尖角磁场对电弧形态和焊缝特征的影响规律，并构建物理模型以揭示尖角磁场与电弧等离子体间的相互作用机制.结果表明，外加尖角磁场影响着T-TIG电弧形态和焊缝温度场，两种极性的尖角磁场都对其热影响区组织有细化作用.其中，在正极性的尖角磁场作用下，T-TIG电弧形态变化程度更大，焊缝温度场更加集中，焊缝熔深比未加磁场时增加37.1%，同时能量利用效率提高31.6%.Abstract: Aiming at the problems of low arc pressure and shallow weld penetration in twin-electrode TIG (T-TIG) welding, a T-TIG welding method assisted by cusp magnetic fields with different polarities is introduced. A high-speed camera and an infrared camera were used to study the influence of cusp magnetic fields of different polarities on arc shape and weld characteristics, and a physical model was constructed to reveal the interaction mechanism between cusp magnetic fields and arc plasma. The results show that the external cusp magnetic field affects the shape of the T-TIG arc and the temperature field of the weld, and the cusp magnetic fields of both polarities can refine the structure of the heat-affected zone. Among them, under the action of a positive cusp magnetic field, the T-TIG arc shape changes more greatly, the weld temperature field is more concentrated, the penetration depth of the weld is increased by 37.1% compared with that without a magnetic field, and the energy utilization efficiency increases by 31.6%.
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Key words:
- T-TIG welding /
- cusp magnetic field /
- different polarities /
- arc shape /
- weld characteristics
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图 3 不同极性的磁场示意图
Figure 3. Schematic diagram of magnetic fields of different polarities. (a) positive cusp magnetic field; (b) negative cusp magnetic field
图 4 T-TIG电弧形态变化
Figure 4. Morphological change of T-TIG arc. (a) arc shape of xOz surface without magnetic field; (b) arc shape of yOz surface without magnetic field; (c) arc shape of xOz surface with positive cusp magnetic field; (d) arc shape of yOz surface with positive cusp magnetic field; (e) arc shape of xOz surface with negative cusp magnetic field; (f) arc shape of yOz surface with negative cusp magnetic field
图 5 施加尖角磁场前后T-TIG磁场分布示意图
Figure 5. Schematic diagram of T-TIG magnetic field distribution before and after applying a cusp magnetic field. (a) before applying cusp magnetic field; (b) after applying cusp magnetic field
图 7 焊缝不同位置温度曲线
Figure 7. Temperature curves of different positions of the weld. (a) temperature curve at position 1; (b) temperature curve at position 2; (c) temperature curve at position 3
图 8 焊缝横截面对比
Figure 8. Weld cross section comparison. (a) no magnetic field applied; (b) apply positive cusp magnetic field; (c) apply negative cusp magnetic field
图 9 显微组织形貌对比
Figure 9. Microstructure and morphology comparison. (a) microstructure of heat affected zone without magnetic field; (b) microstructure of weld zone without magnetic field; (c) microstructure of weld zone with positive cusp magnetic field; (d) microstructure of weld zone positive cusp magnetic field; (e) microstructure of heat affected zone with negative cusp magnetic field; (f) microstructure of weld zone with negative cusp magnetic field
表 1 母材化学成分(质量分数，%)
Table 1. Chemical composition of base metal
C Mn Si S P Fe ≤0.2 ≤1.7 ≤0.5 ≤0.035 ≤0.035 余量 
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表 2 焊接工艺参数
Table 2. Welding process parameters
焊接电流I/A 焊接速度v/(mm·min−1) 钨极间距D/mm 钨极高度h/mm 励磁电流Im/A 磁感应强度B/mT 100 + 100 300 2 1.5 70 76
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表 3 电弧宽度
Table 3. Arc width
mm 方法 xOz面 yOz面 未加磁场 9.97 8.39 施加正极性尖角磁场 8.27 10.13 施加负极性尖角磁场 10.95 7.15
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表 4 能量利用效率相关参数
Table 4. Parameters related to energy utilization efficiency
方法 焊缝熔深L/mm 横截面积S/mm2 能量利用效率Em/(kJ·s−1) 变化率δ(%) 未加磁场 1.94 5.11 0.19 — 施加正极性磁场 2.66 6.67 0.25 31.6 施加负极性磁场 1.89 5.40 0.20 5.3
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