縱向磁場(chǎng)控制高效MAG焊接工藝的試驗(yàn)研究

王 軍,王會(huì)霞,梁志敏,胡云巖

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

縱向磁場(chǎng)控制高效MAG焊接工藝的試驗(yàn)研究

王 軍,王會(huì)霞,梁志敏,胡云巖

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

基于高速攝像的研究手段,對(duì)縱向磁場(chǎng)控制下的M AG焊旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定性以及焊接工藝性等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,外加縱向磁場(chǎng)可以有效控制MAG焊接的旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡過(guò)程,在送絲速度為45 m/min、保護(hù)氣體為80%(體積分?jǐn)?shù))A r+20%(體積分?jǐn)?shù))CO2時(shí),可得到穩(wěn)定性好、可控性好的旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡,大大提高焊接生產(chǎn)效率。

縱向磁場(chǎng);高效M AG焊接;旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡

大電流MAG焊是一種新型、快速、高效的氣體保護(hù)焊技術(shù)[1]。隨著焊接電流的增大,焊接材料的熔化速率會(huì)明顯提高。當(dāng)焊接電流超過(guò)旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡的臨界電流時(shí),進(jìn)入不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡。在實(shí)際應(yīng)用中,必須采取相應(yīng)的措施對(duì)焊接電弧以及熔滴過(guò)渡進(jìn)行控制。筆者主要研究外加縱向磁場(chǎng)對(duì)旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡的控制作用。

1 外加縱向磁場(chǎng)對(duì)旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方案

為了說(shuō)明外加磁場(chǎng)對(duì)旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡過(guò)程的控制作用,首先設(shè)計(jì)了一組對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)選用20 mm厚的Q235板材、直徑為1.2 mm的H08M n2SiA焊絲,高速攝像的拍攝速度為3 000幀/s,分別進(jìn)行了有縱向磁場(chǎng)控制和無(wú)磁場(chǎng)控制的焊接試驗(yàn),規(guī)范參數(shù)如表1所示。

表1 對(duì)比試驗(yàn)規(guī)范參數(shù)Tab.1 Welding parameters of the contrast experiment

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)上述試驗(yàn)規(guī)范參數(shù)進(jìn)行實(shí)際焊接時(shí)拍攝的高速攝像如圖1所示。其中圖1 a)為沒(méi)有外加磁場(chǎng)控制的焊接過(guò)程,圖1 b)為有外加縱向磁場(chǎng)控制的焊接過(guò)程。

圖1 有無(wú)磁場(chǎng)控制作用的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Experiment results w ithout or w ith additionalmagnetic field

從上述的試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看,采用常規(guī)的80%(體積分?jǐn)?shù),下同)A r+20%(體積分?jǐn)?shù),下同)CO2氣體保護(hù)進(jìn)行焊接時(shí),在沒(méi)有外加磁場(chǎng)控制時(shí),旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡過(guò)程非常不穩(wěn)定,液流束作無(wú)規(guī)律的旋轉(zhuǎn)過(guò)渡,液態(tài)金屬被甩向四周,形成很大的飛濺,如圖1 a)所示。而在適當(dāng)提高電弧電壓和施加縱向磁場(chǎng)控制之后,液流束的旋轉(zhuǎn)變成有規(guī)律的以一定的角度做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),如圖1 b)所示。旋轉(zhuǎn)過(guò)程的規(guī)律性表現(xiàn)在2個(gè)方面:一是液流束的旋轉(zhuǎn)過(guò)渡過(guò)程具有連續(xù)性和穩(wěn)定性;二是過(guò)渡過(guò)程為液流束以一定的偏轉(zhuǎn)角度擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)渡,而不是形成螺旋線的形式過(guò)渡。

2 磁場(chǎng)控制高效M AG焊接工藝性能的試驗(yàn)研究

2.1 磁場(chǎng)對(duì)液流束旋轉(zhuǎn)半徑和偏轉(zhuǎn)角度的影響

2.1.1 試驗(yàn)方案

液流束旋轉(zhuǎn)過(guò)程中影響液流束旋轉(zhuǎn)半徑的因素包括2個(gè)方面,一是液流束的長(zhǎng)度,二是液流束的偏轉(zhuǎn)角度。也就是說(shuō),液流束的長(zhǎng)度越小,或液流束的偏轉(zhuǎn)角度越小,則液流束的旋轉(zhuǎn)半徑就越小,過(guò)渡過(guò)程就越穩(wěn)定。為了說(shuō)明縱向磁場(chǎng)對(duì)液流束的旋轉(zhuǎn)半徑的影響,分別對(duì)不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的液流束的旋轉(zhuǎn)情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究,焊接試驗(yàn)規(guī)范參數(shù)如表2所示。

表2 焊接試驗(yàn)規(guī)范參數(shù)Tab.2 Welding parameters of the experiment

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的液流束的旋轉(zhuǎn)半徑及其偏轉(zhuǎn)角度的對(duì)比情況。其中每一小幅左側(cè)的圖像為高速攝像的圖片,右側(cè)為對(duì)高速攝像的圖片進(jìn)行等高線處理之后得到的圖片。對(duì)比可知,在沒(méi)有縱向磁場(chǎng)控制時(shí),液流束的偏轉(zhuǎn)角度較大,接近90°,有時(shí)甚至?xí)^(guò)90°,使液流束出現(xiàn)向上翹起的現(xiàn)象,造成很大的飛濺。同時(shí)電弧的覆蓋范圍也很大,這樣就會(huì)造成對(duì)母材金屬的加熱減少,使焊縫熔深減小,大量熔化的焊絲金屬堆積在焊縫的表面,形成滿溢,焊縫成型很差。

圖2 不同勵(lì)磁電流情況下的液流束的旋轉(zhuǎn)半徑以及焊接電弧形態(tài)Fig.2 A rc shape and rotating radius under different excitation current

而隨著外加縱向磁場(chǎng)的加強(qiáng),液流束的偏轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)半徑明顯減小,液流束的旋轉(zhuǎn)半徑與外加磁場(chǎng)之間的關(guān)系如圖3所示。

2.2 外加縱向磁場(chǎng)作用下的焊接電弧形

態(tài)變化的試驗(yàn)研究

2.2.1 試驗(yàn)方法

為了研究在外加縱向磁場(chǎng)作用下焊接電弧形態(tài)的變化情況,采用相同的焊接規(guī)范參數(shù),調(diào)整外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小,通過(guò)高速攝像研究焊接電弧形態(tài)的變化,試驗(yàn)所采用的焊接規(guī)范參數(shù)如表2所示。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

外加縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度下的旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡焊接電弧形態(tài)的變化,如圖2所示。在沒(méi)有外加縱向磁場(chǎng)時(shí),由于液流束較長(zhǎng),燃燒在液流束尖端的焊接電弧會(huì)在液流束的帶動(dòng)下,以很大的旋轉(zhuǎn)半徑做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)的電弧所掃過(guò)的面積很大。而隨著外加縱向磁場(chǎng)的增加,由于液流束受到的徑向和軸向洛倫茲力的作用[2-5],使得液流束的旋轉(zhuǎn)半徑減小,這時(shí)電弧的旋轉(zhuǎn)半徑也會(huì)隨著減小,使得電弧更加收縮集中在液流束的尖端部位。圖4為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下,電弧所掃過(guò)的面積的變化情況。從圖4可以看出,隨著縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度的加大,焊接電弧更加集中。

2.3 外加磁場(chǎng)對(duì)焊縫成型影響的試驗(yàn)研究

2.3.1 試驗(yàn)方案

旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡的焊縫成型與旋轉(zhuǎn)過(guò)渡的狀態(tài)有直接關(guān)系,不加任何控制措施的旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡之所以不能在焊接生產(chǎn)中應(yīng)用,其主要原因如下:一是未加控制的旋轉(zhuǎn)過(guò)渡過(guò)程不穩(wěn)定,使得大量熔化的熔敷金屬被甩出熔池,形成飛濺;二是由于液流束帶動(dòng)焊接電弧做高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),使得焊接電弧以較大的旋轉(zhuǎn)半徑做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)的電弧所掃過(guò)的面積很大,從而造成對(duì)母材的加熱不充分,而大量熔化的熔敷金屬堆積在熔池表面,形成滿溢現(xiàn)象,使母材的熔深減小。為了研究外加縱向磁場(chǎng)的強(qiáng)度對(duì)焊縫成型的影響,對(duì)不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下焊接時(shí)得到的焊縫成型情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究,焊接規(guī)范參數(shù)如表2所示。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下焊接時(shí)所得到的焊縫橫截面的情況。從圖5可以看出,隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大,焊縫的熔深增加,焊縫熔深與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線如圖6所示。圖7為磁場(chǎng)控制下焊接角焊縫的照片。

從上述的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在外加縱向磁場(chǎng)控制下的旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡焊接所得到的焊縫,無(wú)論是在焊縫的外觀、焊縫的截面形狀以及焊縫的熔深等諸方面都得到改善。焊接過(guò)程中只要選擇適當(dāng)?shù)耐饧哟艌?chǎng),就可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的良好控制。

3 結(jié) 論

1)外加縱向磁場(chǎng)后,MAG焊的液流束作有規(guī)律旋轉(zhuǎn),提高了旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定性和規(guī)律性。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明,縱向磁場(chǎng)控制的旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡過(guò)程具有良好的焊接工藝性,在外加縱向磁場(chǎng)的作用下,液流束的旋轉(zhuǎn)半徑和偏轉(zhuǎn)角度減小,焊接電弧更加集中,對(duì)焊縫及母材的加熱集中,改善了焊縫成型。

[1] YIN Shu-yan,CHEN Shu-jun,WANG Jun,et al.Mathematical model and magnetic-control mechanism of the stability of rotating sp ray transfer[J].China Welding,2003,12(1):57-61.

[2] 林尚揚(yáng).中國(guó)從焊接大國(guó)向世界焊接強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)[J].航空制造技術(shù)(Aeronautical Manufacturing Technology),2002(11):7-9.

[3] 安騰弘平,長(zhǎng)谷川光雄.焊接電弧現(xiàn)象[M].施雨湘譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1985.

[4] 賈秀敏.圓形線電流的磁場(chǎng)分布[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(Journal of Hebei University of Science and Technology),2006,27(1):25-27.

[5] 劉尚合,周萬(wàn)珍,孫秋紅.靜電放電電磁脈沖理論建模與作用機(jī)理研究進(jìn)展[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(Journal of Hebei University of Science and Technology),2005,26(2):87-92.

Experimental study on high performance MAG welding p rocess controlled by longitudinalmagnetic field

WANG Jun,WANG Hui-xia,L IANG Zhi-min,HU Yun-yan
(College of M aterial Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)

Based on high-speed photography,experimental study on the stability of rotating transfer and welding p rocess under the control of longitudinalmagnetic field is discussed.And the results show that the p rocess of rotating transfer can be controlled by the additional longitudinal magnetic field.Under the shielding gas of 80%A r+20%CO2,a stable and better controlled rotating transfer is realized w ith the w ire feed speed of 45 m/min.Thus the melting efficiency of the welding materials increasesobviously.

longitudinalmagnetic field;high perfo rmance MAG;rotating transfer

TG444.77

A

1008-1542(2010)03-0205-04

2009-12-03;

2010-03-02;責(zé)任編輯:馮 民

王 軍(1968-),男,河北香河人,副教授,博士,主要從事先進(jìn)焊接技術(shù)及過(guò)程自動(dòng)控制、焊接過(guò)程質(zhì)量控制等方面的研究。