随着当前工业制造水平和现代科技的不断提升和快速发展，人们对于高质量、高效率的加工方法提出了更高的要求，焊接技术作为先进制造领域的重要组成部分，其作用和地位也越来越重要[1].通常情况下，由于输入能量的限制和焊接稳定性的问题，焊接效率的提升往往引起焊缝质量的降低[2].复合焊接方法的出现使得多种热源相互作用、优势互补，在改善焊接质量的同时大幅度提升了焊接效率，成为了近年来焊接领域的研究热点[3-6].
马刺说：“元帅的蓝晶马不吃不喝，整日悲嘶，到第七天，身上汗落如雨，蓝晶不融，堆积如丘。后来，马朝着北方长嘶三声，就气绝而死。马死了，汗晶也在瞬间化成一摊水。”
等离子弧焊接工艺(plasma arc welding，PAW)能量密度高、熔透能力强，但其参数区间较窄且易出现驼峰、咬边等缺陷. 钨极氩弧焊方法(tungsten inert gas welding，TIG)效率低、熔深浅[7]，但其电弧稳定、成形优良. 目前围绕PAW和TIG两种工艺的复合焊接方法主要包括PAW-TIG[8]、双面双弧焊(double side arc welding，DSAW)和P+T焊接方法[9]. DSAW焊接技术于1998年由美国肯塔基大学张裕明教授提出[10]，该方法可获得较大深宽比的优质焊缝，且成本低、效率高. 国内学者对该方法的小孔形成过程、电流密度、熔池流动以及温度场分布进行了系统的模拟分析[11-13]. P + T方法由昆山华恒焊接股份有限公司的张光新等人提出，将等离子打底焊和随后的TIG填丝盖面焊通过移动滑架组装以提升生产效率，该方法属于两种独立工艺的机械结合. 上述两种方法都很好的提高了焊接生产效率和焊接质量，但均存在焊接装备复杂，焊接可达性差等缺陷. 为此，文中提出了PAW-TIG耦合电弧焊接(P-T)工艺，并系统的介绍了该方法的电弧特性、电弧压力分布特征，并通过试验加以验证，以谋求一种优化的PAW-TIG复合焊接方法.
亩成本种子25元、化肥料农药150元、机播机收120元、人工80元，合计375元。亩产油菜籽130公斤、单价5.2元/公斤、亩产值676元。亩纯收入301元。
试验用等离子-TIG复合焊接设备如图1所示.焊接过程中等离子电弧在前，且焊枪中心轴线与工件垂直，与TIG焊枪呈23°，采用填丝焊接，焊丝送丝方向与工件夹角为25°.焊接系统由等离子电源LORCH-V50AC/DV(主 弧 电 源 )、 LORCH-Handy TIG 180DC(维弧电源)、REHM INVERTIG. PRO digital 240 AC/DC型TIG电源、LORCH-CWF12送丝机、CW-5300型冷水机等组成. 电弧图像使用XIRIS XVC-1000型CCD相机进行图像信息采集，使用635 ～ 650 nm滤光片进行滤光. 电弧压力二维分布可通过小孔法进行测量，测量方式及后续试验系统x，y坐标轴如图2所示.
图1 PAW-TIG耦合电弧焊接装置示意图
Fig. 1 Schematic of PAW-TIG coupling arc welding system
试验材料为5 mm厚度的Q235B(C ≤ 0.20%，Si ≤ 0.35%，Mn ≤ 1.4%，S ≤ 0.045%，P ≤0.045%)低碳钢板 (实际厚度 4.5 mm)，规格为200 mm × 80 mm × 50 mm，填充焊丝为 JQ-MG70S-6，直径1.2 mm，焊丝的成分见表1.对接试验中使用工装对样板进行固定，预留间隙1 mm.
图2 焊接电弧压力测试系统中x，y坐标轴的确定
Fig. 2 Determination of x, y coordinate axis in welding arc pressure test system
表1 填充焊丝化学成分
Table 1 Elements composition of filling wire
C Mn Si S P Ni Cr Mo Cu 0.06 ～ 0.15 1.40 ～ 1.85 0.80 ～ 1.15 ≤ 0.025 ≤ 0.025 ≤ 0.15 ≤ 0.15 ≤ 0.15 ≤ 0.50
焊接试验结束后，垂直于焊接方向截取金相及硬度试样.使用HV-1000DT型显微硬度仪测试接头硬度，从接头左侧母材区靠近焊缝的一点开始测试，向右每隔0.5 mm测一个点，加载时间10 s，载荷0.2 gf.根据国家标准GB/T 2651—2008确定焊接接头拉伸式样尺寸，并使用INSTRON-5967型万能拉伸试验机测量其抗拉强度，每组参数测试三个样品，结果取其平均值.
3.5.3 拔管方法 应备齐用物，并按照推荐的流程操作［8］。用物准备:包括一次性使用污物盘或弯盘、垃圾袋、注射器及手套。操作流程:①检查所使用导尿管的气囊容量;②将污物盘放在患者的两腿之间;③用注射器连接导尿管的活瓣并且吸出气囊的所有液体;④解开导尿管固定装置;⑤将导尿管放入污物盘，并用纸袋覆盖;⑥从床边撤除集尿袋;⑦记录拔管日期及患者第1次自行解尿的情况。
图3 独立电弧与耦合电弧的电弧形态
Fig. 3 Arc morphology of independent and coupled arc
P-T复合焊工艺的典型电弧形态及焊接参数分别如图3和表2所示.使用伪色彩增强技术将黑白图像转换为彩色图后可以直接观测到两个独立电弧在阳极附近的相互耦合. 耦合电弧与单独电弧进行对比，具有以下特征：①耦合后等离子弧能量更为集中，弧柱挺直度更高；②耦合导致等离子弧整体向TIG弧方向出现些许偏移和弯曲，但整体轮廓未发生改变；③耦合导致TIG电弧整体向等离子弧偏移，偏移程度很大. 经分析产生上述现象主要是由于等离子和TIG焊接均为直流反接，电弧会因为电流同向而受到洛伦兹力使得互相吸引.同时焊枪的角度使得两电弧在下部相互接触，进而使得洛伦兹力增强，且由于TIG电弧是自由电弧，挺直度较低，使得其弧柱下部在力的作用下向等离子弧侧发生明显偏移，拖拽着整个电弧向等离子弧倾斜，并具有沿等离子弧柱爬升的趋势.
表2 电弧形态采集试验工艺参数
Table 2 Process parameters of arc shape acquisition test
等离子电流IP/A TIG电流IT/A 钨极间距DPT/mm 弧长L/mm 等离子气流量QP/(L·min-1) 保护气流量QS/(L·min-1)60 100 7 5 4 10
由图4可知(TIG焊电流为130 A)，在最大电弧压力均随着等离子弧电流增加的同时，且当等离子弧电流为40 ～ 60 A时，由于等离子弧挺度高，两电弧间洛伦兹力不足以完全形成耦合，加上TIG电弧压力对小孔的分力，此时耦合电弧最大电弧压力略大于PAW；当PAW电流大于80 A时，两弧柱吸引力增大，达到最大程度耦合，这时两电弧的耦合电弧压力均低于相应单弧的最大电弧压力.说明PT工艺在具有类似PAW的良好穿孔焊接能力的同时，又具备TIG焊接方法的特征.
图4 单等离子弧和耦合电弧的电弧压力对比
Fig. 4 Comparison of arc pressure between single plasma arc and coupling arc
为进一步探索P-T方法的焊接实用性，在等离子电流为100 A，TIG电流为160 A、送丝速度为0.65 m/min和焊接速度为3 mm/s的参数下，设计了不同焊接方法(P-T; P-T-S(填丝); P(PAW); P-S;T(TIG); T-S)下的表面堆焊试验.根据焊缝的截面形貌中测得焊缝的熔深D和熔宽B，如图5所示，根据焊缝的截面形貌中测量得出焊缝的熔深和熔宽，可以看出同种焊接方法下填丝使得焊缝熔深下降.同时P-T的焊缝远大于两单弧焊缝熔深，与二者熔深之和相当.因此，这可以说明PAW-TIG复合焊相比于单弧焊接，既可以显著增加熔深和焊接效率，又可以改善深宽比、获得成形良好的焊缝.
对某一领域文献的被引频次进行分析，可以发现该领域的高水平论文，对于其他研究者具有重要的参考价值。2001-2018年网络信息行为领域被引频次排名前十的论文如表4所示。
图5 不同焊接方法下的熔深、熔宽对比
Fig. 5 Comparison of weld penetration and width under different welding methods
经过试验探索，4.5 mm厚度Q235板实现单面焊双面成形的工艺参数区间为：等离子电流150 A，TIG电流70 ～ 130 A.P-T工艺(150 A + 90 A)参数下样品宏观成形如图6所示，焊缝获得良好的正、背面成形，焊缝横截面呈“高脚杯”状.表明P-T焊接工艺横截面熔化区为一个整体，耦合电弧仍具有PAW工艺的深熔穿孔能力，同时具备良好的盖面铺展能力，并具有宽泛的焊接参数区间.
P-T复合填丝焊的熔池侧面图像如图7所示.可以看出焊丝受到复合热源加热熔化并在PAW侧滴落至熔池，同时由于PAW压力的作用下被排挤至TIG电弧下方并向上攀升. 随后TIG弧的重力及等离子流力会对其产生向下作用力抑制其攀升；但此时TIG弧仍作用于熔池，可使得熔池内液相存在时间延长，为熔池中液态金属的回流创造条件，因此熔滴过渡到熔池后，在电弧力(包括两电弧的等离子流力、电磁力、斑点力及表面张力)与重力的综合作用下，熔池内金属将一直处于振荡状态至熔池凝固.这将有利于填充焊丝中合金元素在整个熔池中的均匀化分布，改善焊缝组织性能.
图6 P-T焊缝正、背面成形及横截面宏观形貌
Fig. 6 P-T Weld front and back forming and cross section macroscopic morphology
由上述可知，在等离子-TIG耦合电弧的综合作用下，熔池金属发生周期性振荡，促进填充金属与熔池金属的合金元素均匀化. 在PAW电弧和TIG电弧的先后作用下，焊缝上部分熔化区先共析铁素体沿奥氏体晶界析出，晶间存在一定量的侧板条铁素体和少量的针状铁素体，如图8a，8b.下部分熔化区主要表现为PAW工艺特征，填充金属中的合金元素通过振荡方式分散到熔池中，为针状铁素体形核提供条件，主要由排列紧密的针状铁素体组成，如图 8c，8d.
熔合区金相如图9所示，熔合区内先共析铁素体从熔合线沿晶间呈条状向熔化区伸展，无明显柱状晶，联生结晶现象较少.表明熔池中金属的周期性振荡可以有效抑制凝固初始阶段的焊缝偏析，降低联生结晶概率.
图7 P-T填丝焊接过程熔池状态图
Fig. 7 Weld pool state diagram of P-T filling welding process
图8 P-T焊接焊缝区显微组织
Fig. 8 Microstructure of P-T welding weld zone
图9 P-T焊接熔合区显微组织
Fig. 9 Microstructure of P-T welding fusion zone
焊缝横截面上(P-T-U)、下部分(P-T-D)硬度测试结果如图10所示，最高硬度分别出现在熔化区和熔合区，峰值硬度为234 HV.焊缝下部分硬度较大且出现较窄平台，主要由于其焊缝组织为针状铁素体且为等离子穿孔焊接区域.
图10 P-T焊接接头硬度值
Fig. 10 Hardness value of P-T welding joint
图11 P-T拉伸试样断裂示意图
Fig. 11 Fracture diagrammatic sketch of P-T tensile samples
P-T工艺焊接拉伸试样断裂位置均在母材上(图11)，且抗拉强度平均可达487 MPa.表明焊接接头性能超过母材金属，母材虽然碳含量高于填充焊丝，但焊丝中的Ni，Cr元素含量高于母材，可弥补这一问题.同时由于熔池截面呈“高脚杯”状，焊缝较窄，热影响区小，并且熔池在耦合电弧下的周期性振荡可以细化焊缝组织、促进焊缝合金元素均匀化，故可获得超过母材力学性能的接头焊缝.
建筑物的间距对人的心理及精神具有很大的影响，因此在进行设计时不能只单纯考虑日照间距，要根据卫生视距及对人的影响进行综合设计。人类对环境的认知是通过感官感受的，建筑时时刻刻伴随着人们的生活，建筑物的间距过小则会让人产生压抑感，在紧张的工作后精神仍处于紧绷的状态，社会就容易产生犯罪，对人有消极的影响。反之则过于浪费土地、资源，增大人流、物流的流动空间和时间。
(1) 验证了等离子-TIG耦合电弧复合焊接工艺既具有等离子焊接技术的深熔穿孔特性，而且还有TIG焊接工艺的良好填丝盖面优势. 焊接时PAW弧与TIG电弧高度耦合，并在Q235B钢板对接试验中获取的单面焊双面成形的接头，宏观成形良好，焊缝截面具有良好的深宽比.
(2) 焊缝金属截面呈“高脚杯”状，耦合电弧对熔池金属具有周期性振荡效果，促使焊缝金属组织细化，有效抑制底部熔池的联生结晶.
(3) 焊接接头的抗拉强度高于母材，P-T复合焊接工艺可以显著改善焊接可达性，提高焊接效率.
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