纵向磁场控制高效MAG焊接工艺的试验研究

王 军,王会霞,梁志敏,胡云岩

(河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018)

纵向磁场控制高效MAG焊接工艺的试验研究

王 军,王会霞,梁志敏,胡云岩

(河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018)

基于高速摄像的研究手段,对纵向磁场控制下的M AG焊旋转射流过渡过程的稳定性以及焊接工艺性等方面进行试验研究。结果表明,外加纵向磁场可以有效控制MAG焊接的旋转射流过渡过程,在送丝速度为45 m/min、保护气体为80%(体积分数)A r+20%(体积分数)CO2时,可得到稳定性好、可控性好的旋转射流过渡,大大提高焊接生产效率。

纵向磁场;高效M AG焊接;旋转射流过渡

大电流MAG焊是一种新型、快速、高效的气体保护焊技术[1]。随着焊接电流的增大,焊接材料的熔化速率会明显提高。当焊接电流超过旋转射流过渡的临界电流时,进入不稳定的旋转射流过渡。在实际应用中,必须采取相应的措施对焊接电弧以及熔滴过渡进行控制。笔者主要研究外加纵向磁场对旋转射流过渡的控制作用。

1 外加纵向磁场对旋转射流过渡过程的稳定性试验研究

1.1 试验方案

为了说明外加磁场对旋转射流过渡过程的控制作用,首先设计了一组对比试验。试验选用20 mm厚的Q235板材、直径为1.2 mm的H08M n2SiA焊丝,高速摄像的拍摄速度为3 000帧/s,分别进行了有纵向磁场控制和无磁场控制的焊接试验,规范参数如表1所示。

表1 对比试验规范参数Tab.1 Welding parameters of the contrast experiment

1.2 试验结果与分析

针对上述试验规范参数进行实际焊接时拍摄的高速摄像如图1所示。其中图1 a)为没有外加磁场控制的焊接过程,图1 b)为有外加纵向磁场控制的焊接过程。

图1 有无磁场控制作用的对比试验结果Fig.1 Experiment results w ithout or w ith additionalmagnetic field

从上述的试验过程来看,采用常规的80%(体积分数,下同)A r+20%(体积分数,下同)CO2气体保护进行焊接时,在没有外加磁场控制时,旋转射流过渡过程非常不稳定,液流束作无规律的旋转过渡,液态金属被甩向四周,形成很大的飞溅,如图1 a)所示。而在适当提高电弧电压和施加纵向磁场控制之后,液流束的旋转变成有规律的以一定的角度做旋转运动,如图1 b)所示。旋转过程的规律性表现在2个方面:一是液流束的旋转过渡过程具有连续性和稳定性;二是过渡过程为液流束以一定的偏转角度摆动旋转过渡,而不是形成螺旋线的形式过渡。

2 磁场控制高效M AG焊接工艺性能的试验研究

2.1 磁场对液流束旋转半径和偏转角度的影响

2.1.1 试验方案

液流束旋转过程中影响液流束旋转半径的因素包括2个方面,一是液流束的长度,二是液流束的偏转角度。也就是说,液流束的长度越小,或液流束的偏转角度越小,则液流束的旋转半径就越小,过渡过程就越稳定。为了说明纵向磁场对液流束的旋转半径的影响,分别对不同磁场强度下的液流束的旋转情况进行了试验研究,焊接试验规范参数如表2所示。

表2 焊接试验规范参数Tab.2 Welding parameters of the experiment

2.1.2 试验结果及分析

图2为不同磁场强度下的液流束的旋转半径及其偏转角度的对比情况。其中每一小幅左侧的图像为高速摄像的图片,右侧为对高速摄像的图片进行等高线处理之后得到的图片。对比可知,在没有纵向磁场控制时,液流束的偏转角度较大,接近90°,有时甚至会超过90°,使液流束出现向上翘起的现象,造成很大的飞溅。同时电弧的覆盖范围也很大,这样就会造成对母材金属的加热减少,使焊缝熔深减小,大量熔化的焊丝金属堆积在焊缝的表面,形成满溢,焊缝成型很差。

图2 不同励磁电流情况下的液流束的旋转半径以及焊接电弧形态Fig.2 A rc shape and rotating radius under different excitation current

而随着外加纵向磁场的加强,液流束的偏转角度和旋转半径明显减小,液流束的旋转半径与外加磁场之间的关系如图3所示。

2.2 外加纵向磁场作用下的焊接电弧形

态变化的试验研究

2.2.1 试验方法

为了研究在外加纵向磁场作用下焊接电弧形态的变化情况,采用相同的焊接规范参数,调整外加磁场强度的大小,通过高速摄像研究焊接电弧形态的变化,试验所采用的焊接规范参数如表2所示。

2.2.2 试验结果与分析

外加纵向磁场强度下的旋转射流过渡焊接电弧形态的变化,如图2所示。在没有外加纵向磁场时,由于液流束较长,燃烧在液流束尖端的焊接电弧会在液流束的带动下,以很大的旋转半径做旋转运动,旋转的电弧所扫过的面积很大。而随着外加纵向磁场的增加,由于液流束受到的径向和轴向洛伦兹力的作用[2-5],使得液流束的旋转半径减小,这时电弧的旋转半径也会随着减小,使得电弧更加收缩集中在液流束的尖端部位。图4为不同磁场强度下,电弧所扫过的面积的变化情况。从图4可以看出,随着纵向磁场强度的加大,焊接电弧更加集中。

2.3 外加磁场对焊缝成型影响的试验研究

2.3.1 试验方案

旋转射流过渡的焊缝成型与旋转过渡的状态有直接关系,不加任何控制措施的旋转射流过渡之所以不能在焊接生产中应用,其主要原因如下:一是未加控制的旋转过渡过程不稳定,使得大量熔化的熔敷金属被甩出熔池,形成飞溅;二是由于液流束带动焊接电弧做高速的旋转运动,使得焊接电弧以较大的旋转半径做旋转运动,旋转的电弧所扫过的面积很大,从而造成对母材的加热不充分,而大量熔化的熔敷金属堆积在熔池表面,形成满溢现象,使母材的熔深减小。为了研究外加纵向磁场的强度对焊缝成型的影响,对不同磁场强度下焊接时得到的焊缝成型情况进行了试验研究,焊接规范参数如表2所示。

2.3.2 试验结果及分析

图5为不同磁场强度下焊接时所得到的焊缝横截面的情况。从图5可以看出,随着磁场强度的增大,焊缝的熔深增加,焊缝熔深与磁场强度之间的关系曲线如图6所示。图7为磁场控制下焊接角焊缝的照片。

从上述的试验结果可以看出,在外加纵向磁场控制下的旋转射流过渡焊接所得到的焊缝,无论是在焊缝的外观、焊缝的截面形状以及焊缝的熔深等诸方面都得到改善。焊接过程中只要选择适当的外加磁场,就可实现对焊接过程的良好控制。

3 结 论

1)外加纵向磁场后,MAG焊的液流束作有规律旋转,提高了旋转射流过渡过程的稳定性和规律性。

2)试验结果表明,纵向磁场控制的旋转射流过渡过程具有良好的焊接工艺性,在外加纵向磁场的作用下,液流束的旋转半径和偏转角度减小,焊接电弧更加集中,对焊缝及母材的加热集中,改善了焊缝成型。

[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] 林尚扬.中国从焊接大国向世界焊接强国迈进[J].航空制造技术(Aeronautical Manufacturing Technology),2002(11):7-9.

[3] 安腾弘平,长谷川光雄.焊接电弧现象[M].施雨湘译.北京:机械工业出版社,1985.

[4] 贾秀敏.圆形线电流的磁场分布[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2006,27(1):25-27.

[5] 刘尚合,周万珍,孙秋红.静电放电电磁脉冲理论建模与作用机理研究进展[J].河北科技大学学报(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;责任编辑:冯 民

王 军(1968-),男,河北香河人,副教授,博士,主要从事先进焊接技术及过程自动控制、焊接过程质量控制等方面的研究。