汤莹莹, 朱志明, 符平坡, 张天一
清华大学 机械工程系, 先进成形制造教育部重点实验室, 北京 100084
收稿日期：2020-05-02
基金项目：国家自然科学基金面上项目(51775301)
作者简介：汤莹莹(1988-), 女, 博士
通讯作者：朱志明, 教授, E-mail:zzmdme@tsinghua.edu.cn

摘要：通过电信号-高速摄像采集系统记录钨极惰性气体保护-熔化极惰性气体保护（TIG-MIG）复合焊引弧过程中的电压-电流信号和电弧图像，研究了TIG焊和MIG焊的电极极性接法、MIG焊保护气体种类对TIG电弧辅助MIG焊引弧性能的影响。试验结果表明：MIG焊采用直流反接是TIG电弧辅助MIG焊依靠细长放电通道实现非接触引弧的必要条件，TIG焊采用直流正接还是反接仅影响TIG电弧辅助MIG焊实现非接触引弧的容易度；MIG焊非接触引弧是由于TIG电弧外层的电子向MIG焊丝末端移动，在途中与周围的保护气体发生频繁碰撞并使之部分电离，产生大量正负带电粒子，导致间隙的电导率显著提高，以致间隙在低电压下发生了电击穿；相比Ar+1% O₂（体积分数）和Ar+15% CO₂（体积分数），MIG焊在纯Ar中实现非接触引弧更容易。
关键词：钨极惰性气体保护-熔化极惰性气体保护(TIG-MIG)复合焊MIG焊引弧电极极性保护气体种类气体放电
Effects of electrode polarity and shielding gas type on arc ignition of TIG arc-assisted MIG welding
TANG Yingying, ZHU Zhiming, FU Pingpo, ZHANG Tianyi
Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology of Ministry of Education, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Abstract: The voltage and current signals and arc images during arc ignition of tungsten inert gas - metal inert gas (TIG-MIG) hybrid welding were recorded using a data acquisition system and a high-speed camera. The data was used to study the effects of electrode polarity of the TIG welding and the MIG welding and the shielding gas type for the MIG welding on the arc ignition of TIG arc-assisted MIG welding. MIG welding with direct current electrode positive is necessary for TIG arc-assisted MIG welding to achieve non-contact arc ignition through an elongated discharge channel. TIG welding with direct current electrode negative or positive only affects the ease of non-contact arc ignition for TIG arc-assisted MIG welding. MIG welding achieves non-contact arc ignition because the electrons in the outer layer of the TIG arc move towards the end of the MIG welding wire where they collide with neutral particles in the surrounding shielding gas which ionizes some of them and generates many positively and negatively charged particles. The gap conductivity then significantly increases and the gap breaks down at low voltage. MIG welding with pure Ar shielding gas more easily achieves non-contact arc ignition than with Ar + 1% O₂ (volume fraction) or Ar + 15% CO₂ (volume fraction).
Key words: tungsten inert gas - metal inert gas (TIG-MIG) hybrid weldingarc ignition of MIG weldingelectrode polarityshielding gas typegas discharge
基于传统钨极惰性气体保护(tungsten inert gas，TIG)焊和熔化极惰性气体保护(metal inert gas，MIG)焊而发展的TIG-MIG复合焊接方法，由于配套设备齐全、经济普适性好，且其优质高效性在碳钢^[1-3]、不锈钢^[4-6]、镁合金^[7]和铝合金^[8]等金属的焊接中已初见成效，因而值得深入研究和推广应用。
有关TIG-MIG复合焊引弧过程的系列研究发现，先引燃的TIG电弧能够辅助后引弧的MIG焊实现非接触引弧，实现过程为：在MIG焊丝送向工件的过程中，一个细长放电通道从MIG焊丝末端长出且快速发展至TIG电弧区，导致二者之间的间隙电击穿；随后，借助此通道MIG电弧非接触引燃。MIG焊这种非接触引弧方式不仅具有引弧快速可靠、无飞溅的优点，而且对TIG焊接系数和MIG焊接参数在较大范围内变化均具有良好的适应性^[9-10]。可见，TIG电弧辅助MIG焊非接触引弧方式具有良好的工程应用价值。
然而，上述有关TIG-MIG复合焊引弧过程的系列研究均采用的是TIG焊直流正接(DCEN)、MIG焊直流反接(DCEP)，且使用纯氩气体保护。根据气体放电理论，在TIG-MIG复合焊引弧过程中，MIG焊丝末端与TIG电弧区之间的间隙发生电击穿(即细长放电通道的形成)是由于间隙中气体发生大量碰撞电离，产生大量正负带电粒子，导致间隙的电导率显著提高所致^[11]。考虑到TIG焊和MIG焊的电极极性接法影响TIG-MIG复合焊电极空间的电场分布，决定着带电粒子的运动行为；而MIG焊保护气体种类影响MIG电极间隙中气体发生碰撞电离的难易程度。因此，二者的变化均有可能对TIG电弧辅助MIG焊非接触引弧性能产生一定影响。
本文采用电信号-高速摄像采集系统记录TIG-MIG复合焊引弧过程中的电压-电流信号和电弧图像，研究了TIG焊和MIG焊的电极极性接法、MIG焊保护气体种类对TIG电弧辅助MIG焊非接触引弧性能的影响，以求更全面深入地了解TIG电弧辅助MIG焊实现非接触引弧的约束条件及影响因素，促进其在工业生产中的实际应用。
1 试验系统与方法TIG-MIG复合焊接原理如图 1所示。试验中TIG焊不填丝，TIG焊机和MIG焊机均采用直流输出，沿焊接方向TIG焊枪放置在MIG焊枪的前方，且确保TIG钨极与MIG焊丝共平面。两焊枪的相对位置参数包括：TIG焊枪倾角θ_T、MIG焊枪倾角θ_M、TIG钨极末端高度(简称钨极高度)h_T、MIG焊枪喷嘴端口中心高度(简称喷嘴高度)h_M、钨极末端到焊丝的水平距离(简称钨-丝间距)d。

图 1 TIG-MIG复合焊接示意图

图选项

TIG焊采用直径3.2 mm的铈钨极，MIG焊采用直径1.2 mm的304不锈钢焊丝，其余焊接参数设置见表 1和2。每次试验前，将MIG焊丝末端剪至MIG焊枪喷嘴端口处，即图 2中A点位置，以确保MIG焊丝末端具有相同的初始状态。采用先引燃TIG电弧、后引燃MIG电弧的引弧顺序，在厚度4 mm的304不锈钢板上进行TIG-MIG复合焊的引弧试验。同时，使用电信号-高速摄像采集系统记录引弧过程中的电压-电流信号和电弧图像，用于分析TIG焊和MIG焊的电极极性接法、MIG焊保护气体种类对TIG电弧辅助MIG焊引弧性能的影响。
表 1 TIG焊接参数

焊接电流IT/A	钨-丝间距d/mm	焊枪倾角θT/(°)	钨极高度hT/mm	保护气流量qT/(L·min-1)
70	6	0	5	6

表选项






表 2 MIG焊接参数

电弧电压UM/V	送丝速度vf/(m·min-1)	焊枪倾角θM/(°)	喷嘴高度hM/mm	保护气流量qM/(L·min-1)
26.4	3.5	45	18	15

表选项

图 2 两焊枪相对位置实物图

图选项

电压-电流的测量方式见图 1。U_T和U_M分别测量的是工件到TIG钨极和工件到MIG焊丝的电压降，I_T和I_M分别测量的是流过各自输出电缆的电流。高速摄像机水平放置，拍摄方向与焊接方向垂直，拍摄区域如图 2中方框所示，拍摄频率为10 000帧/s，镜头前端到TIG钨极与MIG焊丝所在平面的距离为1.2 m。为消除TIG电弧的强烈弧光对观察MIG焊引弧过程的不利影响，选用透射率为1.5%的中性滤光片并配合调节相机光圈，对电弧弧光进行适当衰减。
首先，如表 3所示，逐一改变TIG焊和MIG焊的电极极性接法，获得(a)—(d) 4种电极极性接法组合，进行4组对应的TIG-MIG复合焊引弧试验(均使用纯Ar气体保护)。然后，选定TIG焊为DCEN、MIG焊为DCEP，分别使用纯Ar、Ar+1% O₂(体积分数，下同)和Ar+15% CO₂(体积分数，下同)作为MIG焊的保护气体，进行3组对应的TIG-MIG复合焊引弧试验。为保证试验结果的可靠性，上述每组试验均进行4次重复试验。
表 3 TIG-MIG复合焊的电极极性接法

	电极极性接法
	(a)	(b)	(c)	(d)
TIG焊	DCEN	DCEP	DCEN	DCEP
MIG焊	DCEP	DCEP	DCEN	DCEN

表选项






2 试验结果与分析2.1 TIG焊和MIG焊电极极性接法的影响仔细观察4种电极极性接法组合对应的TIG-MIG复合焊引弧过程的电弧图像，可以发现每种电极极性接法组合的4次重复试验中，MIG焊具有相同的引弧特点。因此，对于每种电极极性接法组合，只选取一次重复试验中引弧过程的典型电弧图像进行分析，结果如图 3所示。

图 3 4种电极极性接法下TIG电弧辅助MIG焊引弧过程的典型电弧图像

图选项

从图 3a和3b可以看出，当MIG焊采用DCEP时，不管TIG焊采用DCEN还是DCEP，在MIG焊丝送进一段距离后，一个细长放电通道均会形成于MIG焊丝末端与TIG电弧之间，将二者之间的间隙电击穿；随后，借助此通道，MIG电弧快速非接触引燃。相对而言，TIG焊采用DCEN比采用DCEP时，MIG焊引弧瞬间的焊丝伸出长度L(见图 2标注)更短，说明MIG焊非接触引弧更容易。
从图 3c和3d可以看出，当MIG焊采用DCEN时，不管TIG焊采用DCEN还是DCEP，在MIG焊丝末端送进到TIG电弧区之前，均无细长放电通道形成于MIG焊丝末端与TIG电弧区之间，只有MIG焊丝末端进入TIG电弧区之后，MIG电弧才能逐渐引燃。相应地，MIG焊引弧初期的电压变化曲线如图 4所示，可以看出MIG焊引弧瞬间的电压U_M均明显高于10 V，说明MIG焊仍为非接触引弧。但是，这种非接触引弧是由于MIG焊丝末端进入TIG电弧的强电离区所致，对钨-丝间距d的变化适应性很差。一旦钨-丝间距d稍微增大，MIG焊丝末端就无法进入TIG电弧的强电离区，导致MIG焊只能进行接触引弧，如图 5所示。

图 4 MIG焊的电压变化曲线

图选项

图 5 MIG焊引弧瞬间的电弧图像

图选项

综合上述分析，TIG电弧辅助MIG焊能否依靠细长放电通道实现快速可靠的非接触引弧，与MIG焊的电极极性接法密切相关，只有MIG焊采用DCEP时，一个细长放电通道才会形成于MIG焊丝末端与TIG电弧之间，促使MIG电弧快速可靠地非接触引燃, 而TIG焊的电极极性接法仅影响MIG焊非接触引弧的难易程度。
由于TIG焊采用DCEP时，作为正极的钨极即使仅流过几十A的电流，熔化烧损也会很严重，如图 3b和3d所示，从而导致TIG电弧明显被拉长且稳定性变差。因此，综合电弧稳定性和引弧性能，TIG焊采用DCEN、MIG焊采用DCEP是TIG-MIG复合焊最佳的电极极性接法组合。
2.2 间隙电击穿的微观机理通过电信号采集系统测得：TIG焊采用DCEN时和采用DCEP时的电弧电压分别约为12 V和-25 V，MIG焊的空载电压约为70 V。TIG电弧引燃之后，一旦MIG焊的空载电压加载，对于4种不同的电极极性接法组合，TIG-MIG复合焊电极空间的电位关系如图 6所示。

图 6 4种电极极性接法下TIG-MIG复合焊电极空间的电位关系

图选项

从图 6a和6b可以看出，当MIG焊采用DCEP时，不管TIG焊采用DCEN还是DCEP，MIG焊丝末端的电位均高于TIG电弧的电位。在此两种情况的复合电场作用下，TIG电弧外层的一部分电子会加速向焊丝末端移动。从图 6c和6d可以看出，当MIG焊采用DCEN时，不管TIG焊采用DCEN还是DCEP，MIG焊丝末端的电位均低于TIG电弧的电位。在此两种情况的复合电场作用下，TIG电弧外层的一部分正离子会加速向焊丝末端移动。再结合图 3a—3d的电弧图像，可以推知：MIG焊丝末端与TIG电弧区之间间隙的电击穿(即细长放电通道的形成)依靠电子的移动很容易发生，而依靠正离子的移动却难以发生。
电子和正离子的自由程均非常小，常温常压下约为10^-7 m数量级^[12]。因此，在移向MIG焊丝末端的过程中，它们与途经的保护气体会发生频繁碰撞。根据气体放电理论，气体间隙的电击穿是因为间隙中产生了大量的正负带电粒子，导致间隙的电导率显著提高所致^[12]。因此，可以推断，电子的移动能够击穿间隙而正离子的移动却不能，这是由于：两种粒子在移向MIG焊丝末端的过程中，电子与途经的保护气体发生频繁碰撞的同时，能够使之部分发生电离，产生大量的正负带电粒子，导致间隙的电导率显著提高，使间隙在低电压下便能发生电击穿；而正离子虽然与途经的保护气体也发生频繁碰撞，但是不能致使相当数量的保护气体发生电离，无法产生大量的正负带电粒子，结果间隙的电导率变化不大，因而间隙未能在低电压下发生电击穿。由此可见，间隙的电击穿源自电子比正离子具有明显更强的碰撞电离能力。
具体地，移向MIG焊丝末端的电子比正离子具有明显更强的碰撞电离能力体现在两方面：1)电子质量远小于正离子质量，在同等电场强度作用下，电子比正离子能够获得明显更大的移动速度，因而单位时间内会有明显更多的电子与保护气体发生碰撞。2)当电子与保护气体发生弹性碰撞时，它在连续的不同自由程之间通过电场获得的动能可以累积，而正离子却比较困难；当电子与保护气体发生非弹性碰撞时，它可以几乎将其全部动能转移给保护气体，而正离子仅能将其部分能量转移给保护气体，因而单个电子使与之碰撞的保护气体发生电离的概率远大于正离子^[12]。
综合本节分析，TIG电弧辅助MIG焊依靠细长放电通道实现可靠的非接触引弧，微观上是依靠电子比正离子明显更强的碰撞电离能力，在电极间隙产生大量的正负带电粒子，导致间隙的电导率显著提高，使其在低电压下便能发生电击穿。
2.3 MIG焊保护气体种类的影响MIG焊的保护气体分别采用纯Ar、Ar+1% O₂和Ar+15% CO₂，在4次重复试验中，MIG焊引弧瞬间的电弧图像分别如图 7所示。可以看出，在纯Ar、Ar+1% O₂和Ar+15% CO₂保护气氛中，MIG焊引弧瞬间的焊丝伸出长度依次明显最短、居中和最长，说明MIG焊在纯Ar气氛中实现非接触引弧最容易，在纯Ar气氛中加入1% O₂或者15% CO₂，均会明显降低MIG焊非接触引弧的容易度。可见，MIG焊保护气体种类是影响TIG电弧辅助MIG焊引弧性能的一个关键因素。

图 7 不同保护气体下TIG电弧辅助MIG焊引弧瞬间4次重复试验的电弧图像

图选项

对比表 4中3种气体(Ar、O₂和CO₂)的电热物理性能，MIG焊在纯Ar气氛中实现非接触引弧更容易是因为Ar相比O₂和CO₂为单原子气体，电离前无须先吸热进行解离，而且Ar的比热容和热导率均比较小。因而，在相同的外加能量条件下，气体可以升到更高的温度，获得更大的气体电离度，产生更多的正负带电粒子，促使间隙电击穿以及MIG电弧的非接触引燃。
表 4 不同气体的电热物理性能^[13]

气体类型	比热容/(J·cm-3·K-1)	热导率/(10-3 J·cm-1·s-1·K-1)	分解度	电离势Ui/V	电弧电场强度比 (空气=1)
Ar	0.52	0.158	不分解	15.7	0.5
O2	0.91	2.470	0.97	13.2	2.0
CO2	0.82	0.159	0.99	14.4	1.5
??注：比热容和热导率是温度在273 K时的取值，分解度是温度在5 000 K时的取值。

表选项






3 结论1) TIG电弧辅助MIG焊能否依靠细长放电通道实现可靠的非接触引弧，与MIG焊的电极极性接法密切相关。只有MIG焊采用直流反接(DCEP)时，MIG焊才能实现可靠的非接触引弧，而TIG焊的电极极性接法仅影响MIG焊实现非接触引弧的容易度。
2) MIG焊依靠细长放电通道实现非接触引弧是由于TIG电弧外层的电子向焊丝末端移动，在途中与周围的保护气体发生频繁碰撞并使之部分电离，产生大量的正负带电粒子，导致间隙的电导率显著提高，以致间隙在低电压下便能发生电击穿所致。
3) MIG焊所采用的保护气体种类是影响TIG电弧辅助MIG焊非接触引弧性能的一个重要因素。相比Ar+1% O₂和Ar+15% CO₂，MIG焊在纯Ar气氛中实现非接触引弧明显更容易。

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