下向MAG焊熔池在外加高頻交變磁場下的自動(dòng)成形控制

王瑞紅

（煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺265500）

0 前言

隨著造船、石油化工等工業(yè)的發(fā)展，空間焊接結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)加工需求日漸增多，下向熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG）憑借其焊接質(zhì)量好、焊縫成形好、焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛使用。重力會在應(yīng)用大焊接電流時(shí)破壞熔池成形平衡，造成鐵液流淌，導(dǎo)致焊縫熔合不好、厚度不均等問題，而當(dāng)應(yīng)用小焊接電流時(shí)，會降低焊接效率[1]。激光焊+電弧焊等高密度焊接工藝能量密度高，焊接效率好，但其成本高、現(xiàn)場適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致無法被廣泛應(yīng)用。

研究表明，后置、前置進(jìn)給技術(shù)會使電弧偏斜，一定程度上減小重力影響。而外加電磁力的全位置焊能明顯減小熔池重力的不利影響，當(dāng)前磁控焊接研究主要對象是水平位置焊。目前國內(nèi)外研究集中在磁控電弧對水平位置焊焊縫熔覆率、焊縫尺寸以及組織性能的影響。在此主要研究外加交變磁場作用熔池的下向焊接，通過電渦流效應(yīng)減小重力對熔池失穩(wěn)的不利影響，最終實(shí)現(xiàn)下向焊的高效化。

1 下向焊熔池失穩(wěn)及控制

在焊接過程中，電弧加熱母材，母材熔化形成熔池。電弧加熱時(shí)中心和周圍產(chǎn)生溫差導(dǎo)致表面張力差，最終對熔池內(nèi)部的流通狀態(tài)產(chǎn)生重要影響。浮力Fu、表面張力σ和電磁力Fe等內(nèi)部作用力加上電弧壓力Fa、大氣壓力Fp、熔滴沖擊力Fd等外部作用力嚴(yán)重影響熔池形狀。其中內(nèi)部作用力推動(dòng)液態(tài)金屬流動(dòng)并影響熔池形狀形成，但不會直接影響下向焊接失穩(wěn)流淌或熔池塌陷，如圖1所示。

圖1 下向焊熔池的各種作用力

在一定焊接條件下，大氣壓力和支撐力可認(rèn)為大小不變，工程中焊槍與工件表面傾斜角α來防止熔池流淌成形，并且α需控制在20°以內(nèi)，否則不利于工藝穩(wěn)定，所以提高電弧力、熔滴沖擊力對于提高熔池穩(wěn)定意義不大。重力在下向焊中對熔池的影響一直存在，并且熔池失穩(wěn)作用力隨空間位置不斷變化，為了增強(qiáng)熔池的穩(wěn)定成形，研究如何消除熔池重力分量有十分重要的意義。

目前主要有兩種方法降低重力在焊接過程中的不利影響：一種是控制熱輸入，減小熱輸入保證快速冷卻；另一種是控制力，改變?nèi)鄢刈饔昧档腿鄢刂亓υ诓煌臻g位置的影響。因此施加在熔池內(nèi)部的非接觸力能極大減少重力分量的不利影響，對于研究下向MAG焊高效化焊接意義深遠(yuǎn)。

2 電渦流效應(yīng)在下向 MAG焊中的應(yīng)用

利用電渦流效應(yīng)即介質(zhì)中有變化的磁場便生成感生電流的原理產(chǎn)生的作用力，其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，例如板坯電磁成形技術(shù)在壓力加工行業(yè)中的應(yīng)用以及利用電渦流效應(yīng)原理的電磁軟連鑄技術(shù)。

當(dāng)高頻交變磁場作用在熔池外部，電渦流效應(yīng)會使熔池內(nèi)產(chǎn)生一定電渦流力，而產(chǎn)生的電渦流力會減小重力對全位置熔池的不利影響?；诖嗽淼男滦蛣?lì)磁裝置原理示意如圖2所示[2]。

圖2 外加高頻交變電磁場的結(jié)構(gòu)原理示意

該勵(lì)磁結(jié)構(gòu)包含線圈 0、線圈1以及線圈2三組線圈，當(dāng)高頻交變電流作用在任意線圈時(shí)，熔池中會產(chǎn)生高頻交變磁場。熔池內(nèi)磁場強(qiáng)度B0和B1在交變電流和反相位時(shí)加強(qiáng)，生成高頻交變磁場如圖2所示，此時(shí)會在熔池內(nèi)部與磁力線垂直的平面上產(chǎn)成渦流，并與高頻交變磁場作用生成電渦流力。大密度的磁力線在熔池上部，其作用力大小正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度平方，方向F1=f1-f2與f1相同；B0和B2在交變電流和反相位時(shí)加強(qiáng)，此時(shí)在熔池內(nèi)部產(chǎn)生斜向右方的附加電磁合力F2。

3 電渦流力模擬仿真

依據(jù)電磁理論可知，外加交變磁場MAG焊中渦流場和電磁場的分布符合麥克斯韋方程[2]

式中 H為磁場強(qiáng)度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；D為電位移；E為電場強(qiáng)度；J為電流密度；ρ為電荷密度。

增加三個(gè)獨(dú)立方程可得到確定解

式中 ε為介電常數(shù)；μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率。

因?yàn)槭┘釉谙孪蚝傅慕蛔兇艌鲱l率低于1010Hz，?D/?t與 J相比很小，簡化式（1）為

為了簡化求解過程，對模型做出以下假設(shè)：所有媒質(zhì)電磁參數(shù)都是各向同性，滿足線性條件；線匝無間隙，所有空間均被填充；自然邊界條件即選擇三倍激勵(lì)源焊接工件區(qū)域?yàn)闊o窮遠(yuǎn)邊界。

為了使焊接電弧焊接過程穩(wěn)定燃燒，焊槍應(yīng)伸出一定的焊絲以便保證工件與焊槍有一定高度。在工件高度10 mm、勵(lì)磁頻率1 700 Hz、勵(lì)磁載荷90安匝條件下，選擇200 mm×100 mm×8 mm的焊接工件，焊接工件中心熔池設(shè)置5 mm半徑的半球，線圈0、線圈1通入相反相位勵(lì)磁電流，結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 氣隙為10 mm 磁感應(yīng)強(qiáng)度B幅值分布（單位：T）

圖4 90安匝時(shí)熔池內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)場B矢量分布（單位：T）

由圖 3、圖 4可知，中心熔池磁感應(yīng)強(qiáng)度弱但周邊強(qiáng)，上部熔池磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)、下部弱。熔池磁感應(yīng)強(qiáng)度沿z軸對稱，yz軸右側(cè)熔池磁感應(yīng)強(qiáng)、左側(cè)較弱。

由圖5、圖6可知，感應(yīng)電流在熔池內(nèi)分布y軸方向頂端磁感應(yīng)渦流強(qiáng)，下端弱。

圖5 熔池內(nèi)感應(yīng)電流J幅值分布情況（單位：A/m2）

4 熔池電渦流力模擬

圖6 熔池內(nèi)感應(yīng)電流矢量J分布（單位：A/m2）

研究焊接熔池，模擬不同頻率、不同勵(lì)磁載荷下電渦流力的變化，從而制定適當(dāng)?shù)墓ぷ鲄?shù)。在交變勵(lì)磁電流頻率1 700 Hz、磁芯距離工件氣隙10 mm條件下，選擇Q235鋼焊接試件，分別以電流載荷30、60、90、120 安匝進(jìn)行電磁力模擬仿真，結(jié)果如圖7所示。

圖7 勵(lì)磁載荷變化時(shí)電磁力的變化情況

由圖7可知，電磁力的分量Fx和Fz都是負(fù)方向，隨電流載荷的增大而增大，F(xiàn)x增大程度明顯。電磁力分量Fy為正方向，隨著電流載荷的增大而增大，但數(shù)值上小于Fx與Fz，分析過程忽略Fy對熔池的影響。

在90安匝交變勵(lì)磁電流載荷、10 mm的氣隙條件下，焊接試件Q235鋼，分別以100 Hz、500 Hz、1 700 Hz、3 500 Hz、5 000 Hz 、10 000 Hz的勵(lì)磁電流頻率模擬電磁場，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，隨著頻率的增加，F(xiàn)x和Fy增大，但Fz基本不變，F(xiàn)x在1 700 Hz后變化很小。

在交變勵(lì)磁電流載荷90安匝、勵(lì)磁電流頻率1 700 Hz條件下，選擇焊接試件Q235，進(jìn)行5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的氣隙渦流場電磁力模擬仿真，模擬結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，F(xiàn)x和Fz隨著氣隙增大而減小，當(dāng)氣隙小于10 mm時(shí)，F(xiàn)z變化較大，隨后減?。划?dāng)氣隙大于15 mm時(shí)，F(xiàn)y急劇減小。

圖8 頻率變化時(shí)電磁力的變化情況

圖9 氣隙變化時(shí)電磁力的變化情況

5 試驗(yàn)及分析

進(jìn)行45°和90°下向焊未加、施加高頻交變磁場來驗(yàn)證外加高頻交變磁場產(chǎn)生電渦流力消除重力分量。

進(jìn)行勵(lì)磁頻率3 300 Hz的外加交變磁場焊接試驗(yàn)，分析相同勵(lì)磁頻率下不同勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的焊接效果。選擇保護(hù)氣 φ（CO2）80%+φ（Ar）20%，在流量15 L/min、焊接電流190 A、電弧電壓18 V、焊接速度6 mm/s、送絲速度80 mm/s條件下，選擇0 A、4 A、7.5 A和10 A勵(lì)磁電流，焊接結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，沒有磁場的焊接過程熔池出現(xiàn)流淌，金屬堆積在熔池尾部，成形差。當(dāng)勵(lì)磁電流4 A、7.5 A時(shí)，金屬堆積基本沒有出現(xiàn)；當(dāng)勵(lì)磁電流達(dá)10 A時(shí)，尾部金屬也堆積，這是由于提高勵(lì)磁電流不但增加了附加電磁力，有利于熔池成形，而且生成渦流熱，影響金屬熔池的流淌性。

圖10 45°下向焊在不同勵(lì)磁電流時(shí)焊接效果

選擇焊接保護(hù)氣為φ（CO2）80%+φ（Ar）20%，在流量15 L/min、電弧電壓176 V、焊接電流150 A、焊接速度6 mm/s、送絲速度70 mm/s條件下，進(jìn)行3 300 Hz的90°下向焊工藝，焊接結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，未加磁場時(shí)，重力導(dǎo)致熔池金屬脫落，產(chǎn)生中間凹的形貌；當(dāng)勵(lì)磁電流3.5 A時(shí)，減弱了凹坑現(xiàn)象；當(dāng)勵(lì)磁電流6.3 A、8.2 A時(shí)，焊道成形均勻。

圖11 90°下向焊在不同勵(lì)磁電流時(shí)焊接效果

6 結(jié)論

分析下向焊熔池力學(xué)特性，得出造成熔池失穩(wěn)的重要因素是重力的結(jié)論；利用電渦流效應(yīng)來減小重力對熔池失穩(wěn)的不利影響，分析其工作原理；進(jìn)行下向焊 45°和 90°試驗(yàn)，驗(yàn)證外加高頻交變磁場減弱熔池重力造成的失穩(wěn)影響，證明其可行性。

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