孫志星 路林 包正義 詹瑜 湯傳圣

摘要：通過外加橫向磁場控制焊接電弧形態(tài)是磁控焊接技術(shù)的重要研究領(lǐng)域，文中通過外加橫向磁場的方式來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對電弧形態(tài)及熔滴過渡的影響規(guī)律。結(jié)果表明，MAG焊電弧在保持原有“鐘罩型”形態(tài)時，末端發(fā)生后拖;同時，橫向磁場的加入使熔滴過渡頻率加快，熔滴過渡周期縮短。電弧末端后拖可有效抑制熔池內(nèi)液體流動，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)

中圖分類號：TG444+.72 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）10-0097-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.20

0 前言

近年來，人們對磁控焊接的探索更加全面深入，國內(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，國外學(xué)者從金屬組織以及晶間結(jié)構(gòu)兩個角度對磁場效應(yīng)在金屬惰性氣體保護電弧焊的耐熱局部腐蝕的熱影響區(qū)的作用機理[1]進行了深入探索，針對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以克服因靜水壓力引起厚板焊接時的重力落差[2]，此外先后開展了尖端磁場配置對K-TIG焊接電弧滲透行為的影響機理的探究[3]，并揭示了外加橫向磁場抑制高速焊GMAW中駝峰焊道產(chǎn)生[4]的作用機理。與此同時，國內(nèi)學(xué)者針對MAG焊接熔滴過渡行為及交變磁場控制[5]進行了系統(tǒng)的闡述，對機器人K-TIG焊接旋轉(zhuǎn)電弧磁場控制及焊接質(zhì)量進行了研究[6]。盡管隨著國內(nèi)外學(xué)者對磁控焊接作用機理的研究，已實現(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)磁場改善電弧焊縫成型[7]理論，施加橫向磁場以抑制磁偏吹[8]理論等，但對橫向磁脈沖MAG焊接作用機理的研究還不夠深入，鑒于此，文中在上述研究的基礎(chǔ)上通過分析不同條件下電弧形態(tài)變化及熔滴過渡周期，建立了橫向磁場模型，為分析橫向磁脈沖作用下的電弧形態(tài)變化及熔滴過渡規(guī)律提供了有效的研究途徑。

1 外加橫向磁場概述及試驗設(shè)備裝置

1.1 外加橫向磁場概述

外加橫向磁場示意如圖1所示?？梢钥闯?，外加橫向磁場發(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個豎直鐵心以及線圈組成，即在2個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。而橫向磁場的存在應(yīng)保證橫向磁場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。

1.2 試驗系統(tǒng)及試驗方法

外加橫向磁場MAG焊接試驗系統(tǒng)如圖2所示?？梢钥闯觯到y(tǒng)由自制試驗滑臺、YASKAWA弧焊機器人、MOTOWELD-RD350焊機、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)、主控微機等構(gòu)成。本試驗所采用的母材為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 橫向磁場下MAG焊電弧形態(tài)變化

2.1 橫向磁場中MAG焊電弧后拖現(xiàn)象

焊接速度12 mm/min、無磁場時電弧處于一個周期內(nèi)運動片段，如圖3、圖4所示。焊接速度18 mm/min、外加橫向磁場作用下電弧一個周期內(nèi)運動片段如圖5、圖6所示。

以圖3為例，電弧運動過程分為燃弧階段、過渡階段、縮頸階段及斷裂階段。本試驗過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)過程此時熔滴形成并不斷長大，即過渡階段;j為形成熔滴;其余過程電弧處于燃燒過程，則為燃弧階段。此外，自磁場作用下的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力的作用下，正離子在陰極聚集，電子和負離子在陽極聚集。在陽極區(qū)域正離子向電弧中心運動，電子向電弧邊緣運動，陰極區(qū)域帶電粒子運動情況則相反。此運動的結(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。因此在無外加磁場作用時，焊接電弧呈“鐘罩型”。而外加橫向磁場后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力的作用，粒子運動狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致電弧末端發(fā)生明顯后拖（見圖4）。

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

為了驗證橫向磁場對MAG焊電弧的控制效果，同時為了揭示勵磁參數(shù)（勵磁頻率與勵磁電流）對電弧旋轉(zhuǎn)半徑和電弧形態(tài)的影響規(guī)律，利用無磁場時電弧運動形態(tài)變化與外加磁場后電弧形態(tài)變化形成對照試驗。施加的磁場參數(shù)如表2所示。

試驗現(xiàn)象為：（1）MAG焊電弧處于自磁場時，電弧中正離子向陰極運動，電子和負離子則向陽極聚集，粒子高速運動導(dǎo)致電弧旋轉(zhuǎn)并保持“相對靜止”狀態(tài)，在外加磁場作用下電弧不再保持“相對靜止”狀態(tài)，而是圍繞電機軸線做不定向圓周運動[9]，本試驗中b～c～d～e電弧旋轉(zhuǎn)過程明顯，電弧起弧后先由逆時針旋轉(zhuǎn)隨后順時針旋轉(zhuǎn)，見圖3。

（2）勵磁頻率由20 Hz增加到約40～60 Hz時，電弧旋轉(zhuǎn)半徑增大明顯，同時焊接過程中所產(chǎn)生的飛濺量急劇減少，而勵磁頻率超過一定數(shù)值時電弧旋轉(zhuǎn)半徑幾乎無變化。勵磁電流一定時，勵磁頻率越低焊接過程中所產(chǎn)生的飛濺量越大，且隨著勵磁頻率的增大，電弧旋轉(zhuǎn)半徑增大。此外在勵磁頻率保持恒定時，勵磁電流的改變對電弧形態(tài)并無顯著影響，電弧形態(tài)在勵磁頻率為40 Hz時達到最佳，具體影響如圖7所示。

3 橫向磁場對MAG焊熔滴過渡的影響

定義兩次起弧后電弧一相同運動規(guī)律變化為一個熔滴過渡周期，自磁場下熔滴過渡周期見圖3。而外加橫向磁場作用下熔滴過渡周期見圖5。試驗現(xiàn)象表明，外加橫向磁場的作用使熔滴過渡周期明顯縮短，本試驗中熔滴過渡方式主要為短路過渡，主要分為燃弧階段、過渡階段、縮頸階段和斷裂階段四個階段。由此可初步推測，橫向磁場的加入對上述短路過度的四個階段均有不同程度的促進作用，進而使得熔滴過渡頻率加快，熔滴過渡周期縮短。

本試驗將從燃弧階段和縮頸階段兩個階段闡述熔滴過渡規(guī)律。焊接速度12 mm/min無磁場燃弧階段熔滴過渡片段如圖8所示。焊接速度18 mm/min、勵磁電流為8 A、勵磁頻率60 Hz縮頸階段熔滴過渡片段如圖9所示。

熔化極電弧焊時，焊絲端頭的液態(tài)金屬經(jīng)電弧向熔池過渡的過程稱熔滴過渡。熔滴過渡對電弧穩(wěn)定性、焊縫成形、金屬飛濺等有直接影響。而電流通過熔滴時導(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。電磁力對熔滴過渡的影響可以按不同部位進行分析。如在焊絲與熔滴相連接的縮頸處形成斑點，當此處電弧弧根直徑大于熔滴直徑時，電磁力由小斷面指向大斷面，促進熔滴過渡;而當弧根直徑小于熔滴直徑時，電磁力由大斷面指向小斷面，阻礙熔滴過渡過程[10]。觀察圖8、圖9可知，無磁場時熔滴直徑明顯大于弧根直徑，即自磁場作用下電磁力是由大斷面指向小斷面，阻礙熔滴的短路過渡;外加橫向磁場加快熔滴過渡頻率，減小熔滴過渡周期，驗證了外加橫向磁場可促進熔滴過渡。

無磁場時熔滴過渡情況與勵磁電流在2～8 A變化、勵磁頻率均為60 Hz時熔滴過渡周期變化情況對比如圖10所示。

實驗數(shù)據(jù)表明，橫向磁場的加入可有效縮短熔滴過渡周期，加快熔滴過渡頻率，且勵磁電流的變化對熔滴過渡的縮短有不同程度的影響。

4? ?結(jié)論

（1）在外加橫向磁場作用下的MAG焊電弧形態(tài)有顯著變化，電弧中電子與正離子同時受到電場力和磁場力（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焊電弧在橫向磁場作用下的不再保持相對“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動，且在本實驗中電弧僅受自磁場作用時起弧后先逆時針旋轉(zhuǎn)再順時針旋轉(zhuǎn)。

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

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