縱向磁場控制高效MAG焊接工藝的試驗研究

王 軍,王會霞,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)

縱向磁場控制高效MAG焊接工藝的試驗研究

王 軍,王會霞,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,對縱向磁場控制下的M AG焊旋轉(zhuǎn)射流過渡過程的穩(wěn)定性以及焊接工藝性等方面進行試驗研究。結(jié)果表明,外加縱向磁場可以有效控制MAG焊接的旋轉(zhuǎn)射流過渡過程,在送絲速度為45 m/min、保護氣體為80%(體積分數(shù))A r+20%(體積分數(shù))CO2時,可得到穩(wěn)定性好、可控性好的旋轉(zhuǎn)射流過渡,大大提高焊接生產(chǎn)效率。

縱向磁場;高效M AG焊接;旋轉(zhuǎn)射流過渡

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

1 外加縱向磁場對旋轉(zhuǎn)射流過渡過程的穩(wěn)定性試驗研究

1.1 試驗方案

為了說明外加磁場對旋轉(zhuǎn)射流過渡過程的控制作用,首先設(shè)計了一組對比試驗。試驗選用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,分別進行了有縱向磁場控制和無磁場控制的焊接試驗,規(guī)范參數(shù)如表1所示。

表1 對比試驗規(guī)范參數(shù)Tab.1 Welding parameters of the contrast experiment

1.2 試驗結(jié)果與分析

針對上述試驗規(guī)范參數(shù)進行實際焊接時拍攝的高速攝像如圖1所示。其中圖1 a)為沒有外加磁場控制的焊接過程,圖1 b)為有外加縱向磁場控制的焊接過程。

圖1 有無磁場控制作用的對比試驗結(jié)果Fig.1 Experiment results w ithout or w ith additionalmagnetic field

從上述的試驗過程來看,采用常規(guī)的80%(體積分數(shù),下同)A r+20%(體積分數(shù),下同)CO2氣體保護進行焊接時,在沒有外加磁場控制時,旋轉(zhuǎn)射流過渡過程非常不穩(wěn)定,液流束作無規(guī)律的旋轉(zhuǎn)過渡,液態(tài)金屬被甩向四周,形成很大的飛濺,如圖1 a)所示。而在適當提高電弧電壓和施加縱向磁場控制之后,液流束的旋轉(zhuǎn)變成有規(guī)律的以一定的角度做旋轉(zhuǎn)運動,如圖1 b)所示。旋轉(zhuǎn)過程的規(guī)律性表現(xiàn)在2個方面:一是液流束的旋轉(zhuǎn)過渡過程具有連續(xù)性和穩(wěn)定性;二是過渡過程為液流束以一定的偏轉(zhuǎn)角度擺動旋轉(zhuǎn)過渡,而不是形成螺旋線的形式過渡。

2 磁場控制高效M AG焊接工藝性能的試驗研究

2.1 磁場對液流束旋轉(zhuǎn)半徑和偏轉(zhuǎn)角度的影響

2.1.1 試驗方案

液流束旋轉(zhuǎn)過程中影響液流束旋轉(zhuǎn)半徑的因素包括2個方面,一是液流束的長度,二是液流束的偏轉(zhuǎn)角度。也就是說,液流束的長度越小,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,過渡過程就越穩(wěn)定。為了說明縱向磁場對液流束的旋轉(zhuǎn)半徑的影響,分別對不同磁場強度下的液流束的旋轉(zhuǎn)情況進行了試驗研究,焊接試驗規(guī)范參數(shù)如表2所示。

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

2.1.2 試驗結(jié)果及分析

圖2為不同磁場強度下的液流束的旋轉(zhuǎn)半徑及其偏轉(zhuǎn)角度的對比情況。其中每一小幅左側(cè)的圖像為高速攝像的圖片,右側(cè)為對高速攝像的圖片進行等高線處理之后得到的圖片。對比可知,在沒有縱向磁場控制時,液流束的偏轉(zhuǎn)角度較大,接近90°,有時甚至會超過90°,使液流束出現(xiàn)向上翹起的現(xiàn)象,造成很大的飛濺。同時電弧的覆蓋范圍也很大,這樣就會造成對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的加強,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)半徑與外加磁場之間的關(guān)系如圖3所示。

2.2 外加縱向磁場作用下的焊接電弧形

態(tài)變化的試驗研究

2.2.1 試驗方法

為了研究在外加縱向磁場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)整外加磁場強度的大小,通過高速攝像研究焊接電弧形態(tài)的變化,試驗所采用的焊接規(guī)范參數(shù)如表2所示。

2.2.2 試驗結(jié)果與分析

外加縱向磁場強度下的旋轉(zhuǎn)射流過渡焊接電弧形態(tài)的變化,如圖2所示。在沒有外加縱向磁場時,由于液流束較長,燃燒在液流束尖端的焊接電弧會在液流束的帶動下,以很大的旋轉(zhuǎn)半徑做旋轉(zhuǎn)運動,旋轉(zhuǎn)的電弧所掃過的面積很大。而隨著外加縱向磁場的增加,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,這時電弧的旋轉(zhuǎn)半徑也會隨著減小,使得電弧更加收縮集中在液流束的尖端部位。圖4為不同磁場強度下,電弧所掃過的面積的變化情況。從圖4可以看出,隨著縱向磁場強度的加大,焊接電弧更加集中。

2.3 外加磁場對焊縫成型影響的試驗研究

2.3.1 試驗方案

旋轉(zhuǎn)射流過渡的焊縫成型與旋轉(zhuǎn)過渡的狀態(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)過渡過程不穩(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焊接電弧做高速的旋轉(zhuǎn)運動,使得焊接電弧以較大的旋轉(zhuǎn)半徑做旋轉(zhuǎn)運動,旋轉(zhuǎn)的電弧所掃過的面積很大,從而造成對母材的加熱不充分,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的強度對焊縫成型的影響,對不同磁場強度下焊接時得到的焊縫成型情況進行了試驗研究,焊接規(guī)范參數(shù)如表2所示。

2.3.2 試驗結(jié)果及分析

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

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

3 結(jié) 論

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

2)試驗結(jié)果表明,縱向磁場控制的旋轉(zhuǎn)射流過渡過程具有良好的焊接工藝性,在外加縱向磁場的作用下,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,對焊縫及母材的加熱集中,改善了焊縫成型。

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[2] 林尚揚.中國從焊接大國向世界焊接強國邁進[J].航空制造技術(shù)(Aeronautical Manufacturing Technology),2002(11):7-9.

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

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

[5] 劉尚合,周萬珍,孫秋紅.靜電放電電磁脈沖理論建模與作用機理研究進展[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(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,主要從事先進焊接技術(shù)及過程自動控制、焊接過程質(zhì)量控制等方面的研究。