橫向磁脈沖MAG焊電弧旋轉(zhuǎn)機(jī)理研究

孫志星 路林 包正義 詹瑜 湯傳圣

摘要：通過(guò)外加橫向磁場(chǎng)控制焊接電弧形態(tài)是磁控焊接技術(shù)的重要研究領(lǐng)域，文中通過(guò)外加橫向磁場(chǎng)的方式來(lái)改變電弧的能量分布以及電弧形態(tài)變化從而探尋外加磁場(chǎng)對(duì)電弧形態(tài)及熔滴過(guò)渡的影響規(guī)律。結(jié)果表明，MAG焊電弧在保持原有“鐘罩型”形態(tài)時(shí)，末端發(fā)生后拖;同時(shí)，橫向磁場(chǎng)的加入使熔滴過(guò)渡頻率加快，熔滴過(guò)渡周期縮短。電弧末端后拖可有效抑制熔池內(nèi)液體流動(dòng)，改善焊縫成形。

關(guān)鍵詞：橫向磁控;MAG焊接;高速攝像;電弧形態(tài)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG444+.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0097-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.20

0 前言

近年來(lái)，人們對(duì)磁控焊接的探索更加全面深入，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在在磁控焊接技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得諸多突破。例如，國(guó)外學(xué)者從金屬組織以及晶間結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度對(duì)磁場(chǎng)效應(yīng)在金屬惰性氣體保護(hù)電弧焊的耐熱局部腐蝕的熱影響區(qū)的作用機(jī)理[1]進(jìn)行了深入探索，針對(duì)奧氏體不銹鋼電磁支撐高功率激光束的焊接，提出了施加震蕩磁場(chǎng)以克服因靜水壓力引起厚板焊接時(shí)的重力落差[2]，此外先后開(kāi)展了尖端磁場(chǎng)配置對(duì)K-TIG焊接電弧滲透行為的影響機(jī)理的探究[3]，并揭示了外加橫向磁場(chǎng)抑制高速焊GMAW中駝峰焊道產(chǎn)生[4]的作用機(jī)理。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)MAG焊接熔滴過(guò)渡行為及交變磁場(chǎng)控制[5]進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，對(duì)機(jī)器人K-TIG焊接旋轉(zhuǎn)電弧磁場(chǎng)控制及焊接質(zhì)量進(jìn)行了研究[6]。盡管隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁控焊接作用機(jī)理的研究，已實(shí)現(xiàn)磁控焊接在各種焊接方法中的應(yīng)用，并形成利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)改善電弧焊縫成型[7]理論，施加橫向磁場(chǎng)以抑制磁偏吹[8]理論等，但對(duì)橫向磁脈沖MAG焊接作用機(jī)理的研究還不夠深入，鑒于此，文中在上述研究的基礎(chǔ)上通過(guò)分析不同條件下電弧形態(tài)變化及熔滴過(guò)渡周期，建立了橫向磁場(chǎng)模型，為分析橫向磁脈沖作用下的電弧形態(tài)變化及熔滴過(guò)渡規(guī)律提供了有效的研究途徑。

1 外加橫向磁場(chǎng)概述及試驗(yàn)設(shè)備裝置

1.1 外加橫向磁場(chǎng)概述

外加橫向磁場(chǎng)示意如圖1所示?？梢钥闯?，外加橫向磁場(chǎng)發(fā)生裝置是以縱向磁發(fā)生裝置為基礎(chǔ)建立而成，縱向磁發(fā)生裝置是由2個(gè)豎直鐵心以及線圈組成，即在2個(gè)鐵心外部纏繞一定數(shù)量的線圈使得通電后可在此磁頭處產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)。而橫向磁場(chǎng)的存在應(yīng)保證橫向磁場(chǎng)的磁力線與電弧軸線垂直，因此按圖示方法分別在縱向磁發(fā)生裝置兩鐵心上下固定以通電導(dǎo)體并保證與電弧軸線垂直平面可產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

外加橫向磁場(chǎng)MAG焊接試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。可以看出，系統(tǒng)由自制試驗(yàn)滑臺(tái)、YASKAWA弧焊機(jī)器人、MOTOWELD-RD350焊機(jī)、磁發(fā)生裝置、冷卻裝置、高速攝像系統(tǒng)、電參數(shù)采集系統(tǒng)、主控微機(jī)等構(gòu)成。本試驗(yàn)所采用的母材為Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，試件試板規(guī)格為：200 mm×60 mm×4 mm。選用ER50-6焊絲，保護(hù)氣體為φ（CO2）82%+φ（Ar）18%混合氣體，氣體流量20 L/min，焊接工藝參數(shù)如表1所示。

2 橫向磁場(chǎng)下MAG焊電弧形態(tài)變化

2.1 橫向磁場(chǎng)中MAG焊電弧后拖現(xiàn)象

焊接速度12 mm/min、無(wú)磁場(chǎng)時(shí)電弧處于一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)片段，如圖3、圖4所示。焊接速度18 mm/min、外加橫向磁場(chǎng)作用下電弧一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)片段如圖5、圖6所示。

以圖3為例，電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為燃弧階段、過(guò)渡階段、縮頸階段及斷裂階段。本試驗(yàn)過(guò)程中縮頸階段與斷裂階段不做明確區(qū)分。例如，圖中a為縮頸階段。b～e為電弧旋轉(zhuǎn)過(guò)程此時(shí)熔滴形成并不斷長(zhǎng)大，即過(guò)渡階段;j為形成熔滴;其余過(guò)程電弧處于燃燒過(guò)程，則為燃弧階段。此外，自磁場(chǎng)作用下的MAG焊電弧形態(tài)呈“鐘罩型”狀態(tài)，這是由于電弧中帶電粒子在電場(chǎng)力的作用下，正離子在陰極聚集，電子和負(fù)離子在陽(yáng)極聚集。在陽(yáng)極區(qū)域正離子向電弧中心運(yùn)動(dòng)，電子向電弧邊緣運(yùn)動(dòng)，陰極區(qū)域帶電粒子運(yùn)動(dòng)情況則相反。此運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是：焊接電弧中心區(qū)域粒子濃度很高，邊緣區(qū)域粒子濃度低。因此在無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，焊接電弧呈“鐘罩型”。而外加橫向磁場(chǎng)后MAG焊電弧在保持“鐘罩型”狀態(tài)的基礎(chǔ)上，由于電弧受到橫向磁場(chǎng)力的作用，粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致電弧末端發(fā)生明顯后拖（見(jiàn)圖4）。

2.2 橫向磁場(chǎng)中電弧自旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象以及勵(lì)磁頻率對(duì)電弧形態(tài)影響

為了驗(yàn)證橫向磁場(chǎng)對(duì)MAG焊電弧的控制效果，同時(shí)為了揭示勵(lì)磁參數(shù)（勵(lì)磁頻率與勵(lì)磁電流）對(duì)電弧旋轉(zhuǎn)半徑和電弧形態(tài)的影響規(guī)律，利用無(wú)磁場(chǎng)時(shí)電弧運(yùn)動(dòng)形態(tài)變化與外加磁場(chǎng)后電弧形態(tài)變化形成對(duì)照試驗(yàn)。施加的磁場(chǎng)參數(shù)如表2所示。

試驗(yàn)現(xiàn)象為：（1）MAG焊電弧處于自磁場(chǎng)時(shí)，電弧中正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，電子和負(fù)離子則向陽(yáng)極聚集，粒子高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致電弧旋轉(zhuǎn)并保持“相對(duì)靜止”狀態(tài)，在外加磁場(chǎng)作用下電弧不再保持“相對(duì)靜止”狀態(tài)，而是圍繞電機(jī)軸線做不定向圓周運(yùn)動(dòng)[9]，本試驗(yàn)中b～c～d～e電弧旋轉(zhuǎn)過(guò)程明顯，電弧起弧后先由逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)隨后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖3。

（2）勵(lì)磁頻率由20 Hz增加到約40～60 Hz時(shí)，電弧旋轉(zhuǎn)半徑增大明顯，同時(shí)焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的飛濺量急劇減少，而勵(lì)磁頻率超過(guò)一定數(shù)值時(shí)電弧旋轉(zhuǎn)半徑幾乎無(wú)變化。勵(lì)磁電流一定時(shí)，勵(lì)磁頻率越低焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的飛濺量越大，且隨著勵(lì)磁頻率的增大，電弧旋轉(zhuǎn)半徑增大。此外在勵(lì)磁頻率保持恒定時(shí)，勵(lì)磁電流的改變對(duì)電弧形態(tài)并無(wú)顯著影響，電弧形態(tài)在勵(lì)磁頻率為40 Hz時(shí)達(dá)到最佳，具體影響如圖7所示。

3 橫向磁場(chǎng)對(duì)MAG焊熔滴過(guò)渡的影響

定義兩次起弧后電弧一相同運(yùn)動(dòng)規(guī)律變化為一個(gè)熔滴過(guò)渡周期，自磁場(chǎng)下熔滴過(guò)渡周期見(jiàn)圖3。而外加橫向磁場(chǎng)作用下熔滴過(guò)渡周期見(jiàn)圖5。試驗(yàn)現(xiàn)象表明，外加橫向磁場(chǎng)的作用使熔滴過(guò)渡周期明顯縮短，本試驗(yàn)中熔滴過(guò)渡方式主要為短路過(guò)渡，主要分為燃弧階段、過(guò)渡階段、縮頸階段和斷裂階段四個(gè)階段。由此可初步推測(cè)，橫向磁場(chǎng)的加入對(duì)上述短路過(guò)度的四個(gè)階段均有不同程度的促進(jìn)作用，進(jìn)而使得熔滴過(guò)渡頻率加快，熔滴過(guò)渡周期縮短。

本試驗(yàn)將從燃弧階段和縮頸階段兩個(gè)階段闡述熔滴過(guò)渡規(guī)律。焊接速度12 mm/min無(wú)磁場(chǎng)燃弧階段熔滴過(guò)渡片段如圖8所示。焊接速度18 mm/min、勵(lì)磁電流為8 A、勵(lì)磁頻率60 Hz縮頸階段熔滴過(guò)渡片段如圖9所示。

熔化極電弧焊時(shí)，焊絲端頭的液態(tài)金屬經(jīng)電弧向熔池過(guò)渡的過(guò)程稱(chēng)熔滴過(guò)渡。熔滴過(guò)渡對(duì)電弧穩(wěn)定性、焊縫成形、金屬飛濺等有直接影響。而電流通過(guò)熔滴時(shí)導(dǎo)體的截面是變化的，將產(chǎn)生電磁力的軸向分力，其方向總是從小截面指向大截面。電磁力對(duì)熔滴過(guò)渡的影響可以按不同部位進(jìn)行分析。如在焊絲與熔滴相連接的縮頸處形成斑點(diǎn)，當(dāng)此處電弧弧根直徑大于熔滴直徑時(shí)，電磁力由小斷面指向大斷面，促進(jìn)熔滴過(guò)渡;而當(dāng)弧根直徑小于熔滴直徑時(shí)，電磁力由大斷面指向小斷面，阻礙熔滴過(guò)渡過(guò)程[10]。觀察圖8、圖9可知，無(wú)磁場(chǎng)時(shí)熔滴直徑明顯大于弧根直徑，即自磁場(chǎng)作用下電磁力是由大斷面指向小斷面，阻礙熔滴的短路過(guò)渡;外加橫向磁場(chǎng)加快熔滴過(guò)渡頻率，減小熔滴過(guò)渡周期，驗(yàn)證了外加橫向磁場(chǎng)可促進(jìn)熔滴過(guò)渡。

無(wú)磁場(chǎng)時(shí)熔滴過(guò)渡情況與勵(lì)磁電流在2～8 A變化、勵(lì)磁頻率均為60 Hz時(shí)熔滴過(guò)渡周期變化情況對(duì)比如圖10所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，橫向磁場(chǎng)的加入可有效縮短熔滴過(guò)渡周期，加快熔滴過(guò)渡頻率，且勵(lì)磁電流的變化對(duì)熔滴過(guò)渡的縮短有不同程度的影響。

4? ?結(jié)論

（1）在外加橫向磁場(chǎng)作用下的MAG焊電弧形態(tài)有顯著變化，電弧中電子與正離子同時(shí)受到電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力（即洛倫茲力）的共同作用使電弧末端向熔池方向后拖，電弧形態(tài)也由“鐘罩型”轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀∧┒艘粋?cè)后拖;此外，MAG焊電弧在橫向磁場(chǎng)作用下的不再保持相對(duì)“靜止”狀態(tài)，而是偏離電極一定角度并繞電極作不定向圓周運(yùn)動(dòng)，且在本實(shí)驗(yàn)中電弧僅受自磁場(chǎng)作用時(shí)起弧后先逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

（2）MAG焊電弧熔滴過(guò)渡狀態(tài)中，自磁場(chǎng)阻礙熔滴過(guò)渡，而在外加橫向磁場(chǎng)作用下熔滴過(guò)渡頻率明顯加快，熔滴過(guò)渡周期大大縮短。

參考文獻(xiàn)：

[1] Curiel F F，Garcíaa R，Lópeza V H，et al. Effect of magnetic?feld applied during gas metal arc welding on the resistance?to localised corrosion of the heat affected zone in AISI 304?stainlesss teel[J]. Corrosion Science，2011（53）：2393-2399.

[2] Bachmann M，Avilov V，Gumenyuk A，et al. Multiphysics?Process Simulation of the Electromagnetic-Supported High?Power Laser Beam Welding of Austenitic Stainless Steel[C].?COMSOL Conference Stuttgart 2011，Ludwigsburg，October，?2011：26-28.

[3] Shang Liu，Zu Ming Liu，Xing Chuan Zhao，et al. Influence?of cusp magnetic field configuration on K-TIG welding arc?penetration behavior[J]. Journal of Manufacturing Processes，?2020（53）：229-237.

[4] Wang L，Wu C S，Gao J Q. Suppression of humping bead?in high speed GMAW with external magnetic field[J]. Sci-?ence and Technology of Welding and Joining，2016，21（2）：?131-139.

[5] 樊丁，鄭發(fā)磊，肖磊，等. 高效MAG焊接熔滴過(guò)渡行為及?交變磁場(chǎng)控制試驗(yàn)分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，20019，40（5）：1-5.

[6] 鐘少濤，寧強(qiáng). 機(jī)器熱K-TIG焊接旋轉(zhuǎn)電弧磁場(chǎng)控制器?及焊接質(zhì)量研究[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2019（7）：136-?140.

[7] 高向東，鄭俏俏，王春草. 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下焊接缺陷磁光成像?檢測(cè)與強(qiáng)分類(lèi)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2019，55（17）：61-?67.

[8] 劉愛(ài)華，陳豪杰，李亮玉，等. 外加橫向磁場(chǎng)對(duì)304不銹?鋼焊接熔池影響機(jī)理分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2019，40（3）：71-?84.

[9] 華愛(ài)兵，陳樹(shù)君，殷樹(shù)言，等. 橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)TIG焊焊?縫成型的影響[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2008，29（1）：5-8.

[10] 陳祝年. 焊接工程師手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，?2010.