全位置MAG焊縫成形控制技術及研究進展

岳建鋒 李亮玉 姜旭東 牛雪娟 劉文吉

天津工業大學天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津，300387

0 引言

近年來，隨著石油化工、管道以及造船等行業的飛速發展，采用全位置焊接工藝的場合越來越多［1－2］，在保證焊接質量的前提下實現全位置的低成本高效焊接，具有廣闊的應用前景。

目前全位置焊工藝存在的主要問題有：①焊縫成形差。全位置焊接時熔池容易失穩，造成鐵水流淌，出現熔合不良現象，影響焊縫穩定成形。②焊接效率低，成本高。對于MAG焊工藝，全位置焊需要采用比較小的平均電流（工程上一般小于200A），導致全位置焊接效率比較低。采用高能密度焊接工藝技術 （激光焊、激光＋電弧焊、電子束焊）［3－4］，可以實現小熔池的全位置焊接和提高焊接生產率，但該工藝成本高，現場適應性差，難以大面積推廣應用。

當前在全位置焊接中，為提高焊接質量和效率，主要采用焊接自動化設備或開發專用焊接電源［5］，有的還采用特定的焊接工藝，例如在焊接過程中添加某些化學成分或使用特殊成分焊絲［6－7］，這在一定程度上提高了效率，但從本質機理上并沒有實質改進。

1 全位置焊接控制策略

全位置焊接過程中破壞熔池成形和促進金屬流淌的主要影響因素是重力作用，為克服重力的影響，國內外學者對全位置焊接的熔池控制進行了研究，目前解決這一問題的主要策略可歸納為兩種：一種是熔池快速凝固控制策略，即以較小的線能量輸入保證較小的熔池體積和較快的冷卻速度，達到抑制熔池金屬流淌的目的；另一種是熔池穩定成形控制策略，即通過改變熔池本身其他作用力來減小不同空間位置熔池重力的影響，使熔池受力平衡，從而促進焊縫熔池的穩定成形。

1.1 熔池快速凝固控制策略

基于該策略的控制方法主要是通過在全位置焊接過程中限制熔池的能量輸入，加速焊縫熔池金屬凝固，從而避免全位置熔池流淌的?；谠摬呗缘暮附庸に嚪椒ㄖ饕卸搪泛浮TT焊、脈沖橫向焊、擺動焊等，還有采用特定焊接參數匹配以及外加水冷滑塊的方法。

在短路焊接中，Irving［8］研制了專用的焊絲，通過控制燃弧期和短路時的能量，實現了汽輪機葉片的全位置焊接，有效抑制了熔池鐵水流淌。

由美國林肯公司開發的STT焊接技術利用表面張力完成熔滴過渡，焊接電流最大達到170A。Tien［9］應用STT技術實現了大型容器的橫向焊接，現在國內已將STT焊廣泛應用于全位置管道焊接的根焊中［10］，但受能量制約，送絲速度不能太快。

20世紀70年代日本出現了脈沖橫向焊接方法，可周期性控制電流大小，實現熔池間歇性加熱，從而控制熔池冷卻凝固，實現良好橫向焊縫成形［11］。Du［12］采用射流和短路過渡方法交替的焊接工藝實現了厚壁管全位置多層多道焊接。

文獻［13－14］的研究結果表明，在總能量輸入不變的情況下，增大焊槍的擺動頻率，可以減少焊接熱輸入，此方法也可用于全位置的橫向焊接。

唐德渝［15］的研究結果表明，在全位置管道焊接中，使用焊接平均電流150～200A時，不同空間位置必須與不同焊接速度和不同焊槍角度精確配合，才能保證熔池的成形，即保證電弧始終在熔池的前方，電弧運動速度要大于熔池流淌速度。

電流過大時，熔池過大，鐵水過多，為了得到良好的焊縫成形，可采用滑動水冷銅滑塊來強制成形［7］，該方法雖然可有效控制焊縫成形，但受到所焊接工件空間位置制約，進行工程推廣使用比較困難。

熔池快速凝固控制策略存在如下問題：多年來基于該控制策略的全位置焊接研究進展不大，其關鍵原因是該策略主要圍繞如何以較小的線能量熱輸入生成較小的熔池，來控制熔池下塌的趨勢，焊接平均電流一般控制在200A以內。盡管進一步增大焊接電流，同時提高速度能保證較小的線能量，但會出現駝峰焊道、熔合不良等焊縫成形缺陷。因此，從現有焊接控制機理來看還無法解決提高焊接效率所需的較大能量和減少焊接熱輸入（即要求小熔池）這一矛盾。

1.2 熔池穩定成形控制策略

目前在這一策略上發展起來的抵消熔池重力影響的熔池成形方法主要是改變熔池電弧力大小和方向。

為獲得全位置熔池重力影響成形原理，對全位置焊接作如下分析：熔池重力的方向始終向下，可將重力G分解為切向分量Gr和徑向分量Go，如圖1所示。

從圖1可以看出，全位置焊接時，在圓周上半部，重力G的切向分量Gr是造成熔池失穩的主要原因；而在圓周下半部，重力G的切向分量Gr和徑向分量Go都對熔池力學平衡產生影響，失穩現象更加嚴重，這也是仰焊最難焊接的重要原因。

唐德渝等［16］在長輸管道自動焊中將全位置焊圓周劃分為24個區域，在不同空間位置區域改變焊絲與焊道夾角以及焊接電流的大小，從而改變電弧力的大小和方向，用以克服重力的影響，得到穩定的焊道成形。該方法在一定程度上可改善焊縫成形質量，但改變焊絲與焊道夾角有一定限度，改變幅度過大反而會影響焊縫的成形。楊春利等［17］將旋轉電弧應用在窄間隙橫向焊接中，發現電弧的旋轉使電弧力的影響區域擴大，旋轉電弧力周期性影響了焊接電弧邊緣，從而改善了橫向焊接中焊縫邊緣的融合。目前在全位置焊接中逐步采用藥芯焊絲焊，金屬熔池處于氣和渣聯合保護的條件下，在工藝上部分起到支托金屬熔池作用，可輔助焊縫成形［18］。

綜合國內外全位置傳統熔池控制方法可以得出：基于熔池快速凝固控制策略還無法突破小熔池這一局限；采用熔池穩定成形控制策略，為了減小熔池重力對熔池形態的影響，通過改變電弧力的大小和方向確有一定程度的作用，但其范圍有限。

2 全位置焊中傳統磁控技術

最初應用在焊接中的外加磁場為縱向磁場，主要原理是利用外加磁場作用在熔池上，與熔池焊接電流相互作用，產生電磁力驅動熔池中的液態金屬繞電弧軸線做旋轉流動，它與外加縱向磁場作用于電弧后使電弧旋轉的原理是一樣的。通過外加縱向磁場作用于熔池，可使熔池金屬旋轉，攪拌熔池，達到細化晶粒改善焊縫性能的目的［19］。

利用外加磁場與焊接電流的相互作用可產生電磁力，將其應用于全位置焊接來抵消熔池重力影響，不失為一種好的方法，但目前傳統外加磁場力只能用于全位置焊接的特定形式：水平焊、橫焊和立焊，這方面國內外典型研究有：①水平位置焊。Ambrosy等［20］和 Zhou等［21］開展了外加縱向磁場作用于CO2激光焊的研究，發現在穩定的磁場中，磁流體動力對導電金屬熔體有2個基本作用，即修正流體速度曲線和把紊流變成層流，從而影響了激光熔池流場，抑制了駝峰焊道的形成。②橫向焊。Yukio等［22－23］提出了在外加縱向磁場TIG焊的橫向焊接中，通過填充焊絲并通以預熱電流來抑制熔池金屬流淌的方法，該方法中，預熱電流與縱向磁場相互作用，產生與重力方向相反的向上洛侖茲力作用在熔池金屬上，從而抑制了熔池金屬的下淌；殷樹言等［24］提出在外加縱向磁場MAG立橫向焊接時，通過控制熔池中焊接電流的分布使之在熔池內部形成焊接電流方向與焊接方向相同，熔池中焊接電流與磁場作用，就可以控制熔池金屬下淌（圖2），顯然這是在特定理想情況下的結論。③立焊。Motomi等［25］提出在立焊向上、向下焊接中利用外加磁場作用于焊接熔池，產生向上的作用力，減小了重力對熔池失穩的影響，改善了焊縫成形，提高了立焊生產效率。

圖2 縱向磁場在立橫向焊時示意圖

通過外加縱向磁場或橫向磁場對水平位置焊、橫焊和立焊的應用，對全位置熔池的控制有一定的借鑒作用，但在橫焊和立焊時，熔池重力方向與熔池軸線垂直不變；而在實際全位置焊接中，熔池重力方向與熔池軸線夾角隨著熔池空間位置變化而變化。因此從機理來看，目前傳統外加磁場和熔池焊接電流相互作用產生電磁力對于在全位置焊接時由于重力引起的各種問題，諸如熔池失穩、金屬下淌等無法進行有效控制的問題。

3 電渦流力在全位置焊中的應用

傳統外加磁場與焊接電流作用產生附加電磁力無法解決全位置熔池控制問題，主要原因是產生的電磁力受焊接電流的制約和影響，能否產生不受焊接電流影響的電磁力克服重力對熔池流淌的作用，來保持熔池穩定成形。目前在鑄造行業和壓力加工行業廣泛應用的基于電渦流效應原理的技術提供了一個很好的思路。電渦流效應是一種自然界基本的物理現象，它的主要原理是：如果存在變化的磁場就會在介質導體中產生感應渦流，此電渦流與磁場相作用，可產生指向介質內部的作用力。

電磁軟連鑄技術原理為：在金屬連鑄過程中，將高頻交變電磁場施加于鋼液，利用內部感應渦電流與磁場相作用，產生電磁力可部分抵消鋼液的凈壓力，減小坯殼與結晶器壁間的接觸應力和滑動摩擦力，使它們之間呈現“軟接觸”狀態，鑄坯表面的質量得到了明顯改善［26］。基于電渦流效應的技術還可用于隨焊控制焊接應力及變形［27］。在壓力加工行業，板坯電磁成形也是基于電渦流效應原理的一項重要技術［28］。

將上述技術原理應用于全位置熔池穩定成形控制中，采用圖3所示高頻交變電磁場的結構，在熔池內產生電渦流效應，可產生抵消熔池重力分量影響的附加電磁力。通過控制激磁線圈交流電流的同反相及大小，可在不同空間位置控制熔池內分別產生附加電磁合力F1和F2。

圖3 附加電磁合力F1和F2

因此，通過設計合適的勵磁裝置，在全位置焊接中，可使附加電磁力的分量用于抵消重力的分量，對于全位置焊接過程中保持熔池穩定成形、抑制熔池金屬流淌將發揮重要作用。

4 結論

在全位置焊中探索采用外加高頻交變磁場在金屬熔池內產生電渦流力，具有不受焊接電流影響的特征。通過設計合適的勵磁結構，可產生與重力相反的電磁作用力。本研究對抑制全位置焊接時金屬流淌和實現高效化焊接具有積極意義。

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