·764 工程科学学报，第42卷，第6期 fusion zone is the highest,followed by the weld zone,and the heat-affected zone.The base material has the least hardness,and the final tensile fracture position of the welded joint is in the heat affected zone KEY WORDS low-carbon steel;process window;welding flux;K-TIG;joint microstructure 低碳钢是工业生产中最常用到的基础材料之 接的过程中焊接工件背部的熔池重力减小，使其 一)目前，对于低碳钢厚板的焊接，工业生产中 不易脱离焊接工件的背部；(2)背部的焊剂融化并 还是采用常规的埋弧焊方法但是对于埋弧焊 凝固之后可以形成一层保护空腔，这样焊接工件 而言，在焊接的过程中需要预制坡口，这就会增加 背部的熔池会受到空腔一个向上的托力，使得在 焊接过程的工作量，此外，埋弧焊过程中，很难对 焊接的过程中焊接工件背部的液态金属不易脱 实际的焊接过程中进行直观观察，难以实现焊接 落，最终焊接工件背部的液态金属在自身重力、电 过程的质量控制，从而限制了埋弧焊方法在实际 弧吹力、液态金属的表面张力以及托力的共同作 工业生产中的进一步大规模的使用- 用下达到一个平衡状态，并形成一道均匀的焊缝 穿孔深熔氩弧焊(K-TIG)方法是在传统钨极 本文通过在Q235的背部铺加保护焊剂的方法成 氩弧焊(TIG)焊接方法的基础之上，通过特制的 功的用430、440、450、460、470和480A的焊接电 水冷焊枪，配合大直径钨极，使得钨极可以承受更 流得到了成形良好的焊接接头.之后对在不同焊 大的焊接电流，进而增大电流密度并增大电弧力， 接电流下得到的焊接接头进行了组织性能的分 以增大熔深的一种新型焊接方法.较大的电弧力 析，以确保其满足工业生产中的需求 可以直接穿透板材，焊接工件背部的液态金属在 1 实验材料与设备 重力、电弧力以及熔池表面张力的作用下达到平 衡状态并在工件背部形成一道均匀的焊缝，进而 1.1实验材料 实现穿孔焊接oK-TIG焊接可以在不开坡口的 本文实验所用材料为8mm厚的Q235低碳钢， 情况下实现厚板的一次焊透，并达到单面焊双面 试板尺寸为250mm×150mm×8mm,其化学成分如 成形的效果.此外由于穿孔焊接工艺有利于排除 表1所示. 熔池中的气体，所以得到的焊接接头均匀且不易 表1Q235钢的化学成分（质量分数）% 产生缺陷.Fan等曾对Q345低碳钢和314L不 Table 1 Chemical composition of the Q235 锈钢进行过异种焊接接头的研究，证明K-TG可 C Mn Si Fe 以应用于异种材料的焊接，但是在焊接的过程中 0.17 1.48 0.35 0.08 0.21 Bal. 得到的焊缝长度较短，不能持续焊接，此外在焊接 过程中焊缝极易受焊接电流的影响，可重复性不 在焊接工件背部铺加的保护焊剂是由天津金 高；Huang等]用数值模拟的方法对K-TIG焊接 桥焊材公司生产的SJ101烧结焊剂.在本次实验 异种钢过程的稳定性进行了评估，但是并没有对 中用到的烧结焊剂的粒度为20目 提高K-TIG焊接低碳钢过程的稳定性提出相应的 1.2 实验设备 解决办法；Xie等]对430铁素体钢进行了研究， 采用自行设计搭建的K-TIG焊接平台系统， 发现K-TIG焊接不锈钢的过程要比焊接低碳钢的 包括机器人手臂、深熔TIG焊枪、水冷箱和三维 过程稳定，但是对于如何提高K-TIG焊接低碳钢 柔性焊接平台等.实验所用的焊接电源为奥太 过程的稳定性也没有提出解决办法.以上各位学 WSME系列逆变式交直流脉冲氩弧焊机，采用 者的研究均是对基于某一特定焊接参数下得到的 430~480A的直流电流分别进行焊接.实际焊接 焊接接头性能的研究，并且焊接过程不稳定，存在 过程中，在低碳钢厚板背面加保护焊剂，其焊接过 定的局限性，不利于满足实际生产的需要 程如图1所示.焊接过程中其余的焊接参数如 本文首次提出采用在低碳钢厚板背面加保护 表2所示.其中焊接过程中用到的保护气体为A虹， 焊剂的方法来提高K-TIG焊接Q235低碳钢的稳 其流量为25Lmin 定性.焊剂的铺加主要有以下两个方面的作用： 1.3实验方法 (1)焊剂融化吸热来降低焊接工件背部的热积累， 为保证焊接过程的稳定性以及防止工件表面 从而减少焊接工件背部金属的融化量，使得在焊 的油污、杂质等对焊接过程造成影响.焊前用砂fusion zone is the highest, followed by the weld zone, and the heat-affected zone. The base material has the least hardness, and the final tensile fracture position of the welded joint is in the heat affected zone. KEY WORDS    low-carbon steel；process window；welding flux；K-TIG；joint microstructure 低碳钢是工业生产中最常用到的基础材料之 一[1−3] . 目前，对于低碳钢厚板的焊接，工业生产中 还是采用常规的埋弧焊方法[4−6] . 但是对于埋弧焊 而言，在焊接的过程中需要预制坡口，这就会增加 焊接过程的工作量，此外，埋弧焊过程中，很难对 实际的焊接过程中进行直观观察，难以实现焊接 过程的质量控制，从而限制了埋弧焊方法在实际 工业生产中的进一步大规模的使用[7−8] . 穿孔深熔氩弧焊（K-TIG）方法是在传统钨极 氩弧焊（TIG）焊接方法的基础之上[9] ，通过特制的 水冷焊枪，配合大直径钨极，使得钨极可以承受更 大的焊接电流，进而增大电流密度并增大电弧力， 以增大熔深的一种新型焊接方法. 较大的电弧力 可以直接穿透板材，焊接工件背部的液态金属在 重力、电弧力以及熔池表面张力的作用下达到平 衡状态并在工件背部形成一道均匀的焊缝，进而 实现穿孔焊接[10] . K-TIG 焊接可以在不开坡口的 情况下实现厚板的一次焊透，并达到单面焊双面 成形的效果. 此外由于穿孔焊接工艺有利于排除 熔池中的气体，所以得到的焊接接头均匀且不易 产生缺陷. Fan 等[11] 曾对 Q345 低碳钢和 314L 不 锈钢进行过异种焊接接头的研究，证明 K-TIG 可 以应用于异种材料的焊接，但是在焊接的过程中 得到的焊缝长度较短，不能持续焊接，此外在焊接 过程中焊缝极易受焊接电流的影响，可重复性不 高 ；Huang 等[12] 用数值模拟的方法对 K-TIG 焊接 异种钢过程的稳定性进行了评估，但是并没有对 提高 K-TIG 焊接低碳钢过程的稳定性提出相应的 解决办法；Xie 等[13] 对 430 铁素体钢进行了研究， 发现 K-TIG 焊接不锈钢的过程要比焊接低碳钢的 过程稳定，但是对于如何提高 K-TIG 焊接低碳钢 过程的稳定性也没有提出解决办法. 以上各位学 者的研究均是对基于某一特定焊接参数下得到的 焊接接头性能的研究，并且焊接过程不稳定，存在 一定的局限性，不利于满足实际生产的需要. 本文首次提出采用在低碳钢厚板背面加保护 焊剂的方法来提高 K-TIG 焊接 Q235 低碳钢的稳 定性. 焊剂的铺加主要有以下两个方面的作用： （1）焊剂融化吸热来降低焊接工件背部的热积累， 从而减少焊接工件背部金属的融化量，使得在焊 接的过程中焊接工件背部的熔池重力减小，使其 不易脱离焊接工件的背部；（2）背部的焊剂融化并 凝固之后可以形成一层保护空腔，这样焊接工件 背部的熔池会受到空腔一个向上的托力，使得在 焊接的过程中焊接工件背部的液态金属不易脱 落，最终焊接工件背部的液态金属在自身重力、电 弧吹力、液态金属的表面张力以及托力的共同作 用下达到一个平衡状态，并形成一道均匀的焊缝. 本文通过在 Q235 的背部铺加保护焊剂的方法成 功的用 430、440、450、460、470 和 480 A 的焊接电 流得到了成形良好的焊接接头. 之后对在不同焊 接电流下得到的焊接接头进行了组织性能的分 析，以确保其满足工业生产中的需求. 1    实验材料与设备 1.1    实验材料 本文实验所用材料为 8 mm 厚的 Q235 低碳钢， 试板尺寸为 250 mm×150 mm×8 mm，其化学成分如 表 1 所示. 在焊接工件背部铺加的保护焊剂是由天津金 桥焊材公司生产的 SJ101 烧结焊剂. 在本次实验 中用到的烧结焊剂的粒度为 20 目. 1.2    实验设备 采用自行设计搭建的 K-TIG 焊接平台系统， 包括机器人手臂、深熔 TIG 焊枪、水冷箱和三维 柔性焊接平台等. 实验所用的焊接电源为奥太 WSME 系列逆变式交直流脉冲氩弧焊机 ，采用 430～480 A 的直流电流分别进行焊接. 实际焊接 过程中，在低碳钢厚板背面加保护焊剂，其焊接过 程如图 1 所示. 焊接过程中其余的焊接参数如 表 2 所示. 其中焊接过程中用到的保护气体为 Ar， 其流量为 25 L·min−1 . 1.3    实验方法 为保证焊接过程的稳定性以及防止工件表面 的油污、杂质等对焊接过程造成影响. 焊前用砂 表 1    Q235 钢的化学成分（质量分数）% Table 1    Chemical composition of the Q235 C Mn Si S P Fe 0.17 1.48 0.35 0.08 0.21 Bal. · 764 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期