（机械电子工程专业论文）脉冲mig焊接外加磁场控制研究.pdf

摘要 脉冲川g 焊接外加磁场控制研究 摘要 2 1 世纪是海洋的世纪，水下焊接是海洋工程建设、维护重要的支持 技术之一，水下焊接面临深水油气田开发带来的巨大挑战。t i g 焊接能够 适应的最大水深大约是5 0 0 m ，m i g 焊接能够用于水深超过1 0 0 0 m 的场合。 国外研究虽然实现了2 5 0 b a r 压力即相当于2 5 0 0 m 水深条件之下的m i g 焊 接的重大突破，但是没有彻底解决高压之下m i g 焊接熔滴过渡受阻问题， 而只是被动地将弧长控制在非常之短，不可避免的短路过渡导致焊接过程 不够稳定和接头质量欠佳。因为j l - d i ：i 磁场能够显著增加弧柱电场强度、能 量密度和电弧挺度，所以有望从根本上解决制约高压m i g 焊接研究的首要 问题，即高压之下反向等离子流阻碍等离子流、导致熔滴过渡困难的问题， 并借助于j t - d n 纵向磁场的电磁搅拌作用改善接头焊接质量。 本论文的依托项目是国家自然科学基金课题“海洋结构修复用空气加 压高压m i g 焊接的j l - d l ：l 磁场控制 ( 4 0 7 7 6 0 5 4 ) 。本论文主要研究常压环境 下，磁场对m i g 焊接电弧特性、熔滴过渡行为等的影响，其成果将为依托 项目拟定的高压环境之下磁场控制m i g 焊接研究打下坚实基础。 本论文以高速摄像和数据采集系统等为手段，研究了常压环境下脉冲 m i g 焊接多 l - d n 磁场控制的影响因素。本文采用纵向磁场，在相同的保护气 体下，以焊接电流、励磁电流为控制参数进行m i g 焊接，全面、深入地分 析了纵向磁场对脉冲m i g 焊电弧形态、熔滴过渡行为、焊丝熔化特性的影 北京化上大学硕士学位论义 响特点，提出了磁场控制脉冲m i g 焊接工艺。 在综合考虑工程实用性和磁控稳定性等因素的基础上，本文设计了纵 向磁场装置，将外加磁场技术用于脉冲m i g 焊接，期望通过磁场能量平衡 高压环境介质压力的影响，从根本上突破熔滴过渡问题，改善接头质量。 本论文利用有限元方法对影响焊接区域外加磁场分布的相关因素进行仿 真研究，分析了励磁线圈的形状、位置、励磁电流的大小、焊接材料的变 化等诸多因素对磁场分布的影响，为在不同形式下焊接时选择科学、合理 的外加磁场控制提供了理论上的支持。研究结果表明，合理设置纵向磁场 的参数可以有效地控制焊接质量，适应不同场合的焊接要求，从而为进一 步实现高压环境焊接奠定了基础。 本论文提出，采用外加纵向磁场控制电弧形态，进而控制熔滴过渡过 程，以纯氩气保护气体获得稳定的射滴过渡形式。为此，本论文建立了一 套磁场控制的脉冲m i g 焊接系统，主要包括性能优良的焊接电源、稳定可 靠的送丝系统、简单实用的励磁装置和操作简单的焊接平台，以及数据采 集系统。该数据采集系统对焊接过程中的焊接电压、焊接电流、电弧图像 等重要参数进行同步采集，实际工作过程为：高速摄像机实时拍摄磁控焊 电弧及熔滴过渡过程，同时数据采集卡采集焊接电弧电压、电流信号以及 高速摄像机s t r o b e 输出信号，从而准确确定每一帧高速图像的拍摄时刻， 并与电压、电流信号相对应，实现焊接过程的多信息同步采集。 本论文利用磁场控制脉冲m i g 焊接系统进行了焊接实验，证实了外加 纵向磁场对射滴过渡过程的控制作用。实验验证，采用外加磁场控制脉冲 m i g 焊接电弧，以纯氩气气体保护，获得了稳定的射滴过渡形式，解决了 i l 摘要 熔滴过渡稳定性问题，为以后高压环境m i g 焊接提供了良好的实验依据。 关键词：外加纵向磁场，脉冲m i g 焊接，熔滴过渡，数据采集，焊接参数， l a b v i e w 北京化_ l 大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fp u l s e dm i gw e l d i n g i n e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d a b s t r a c t t h e21s t c e n t u r yi st h ec e n t u r yo fm a r i n e a so n eo ft h ei m p o r t a n t s u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e s ，u n d e r w a t e rw e l d i n gi su s e di no c e a ne n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n ，w h i c hf a c e su pt ot h eg r e a tc h a l l e n g eo fd e v e l o p m e n to fo i l & g a sf i e l d si nd e e pw a t e r t i gw e l d i n gc a na d a p tt ot h eg r e a t e s td e p t ho f50 0 m ， a n dm i gw e l d i n gc a nb eu s e di nt h es i t u a t i o na td e p t hg r e a t e rt h a na b o u t 10 0 0 m a l t h o u g hs t u d ya b r o a dh a sm a d ei m p o r t a n tb r e a k t h r o u g hi nt h em i g w e l d i n gu n d e rt h e c o n d i t i o n s o f2 5 0 b a rp r e s s u r e ，w h i c hi s e q u a l t ot h e c o n d i t i o no ft h ew a t e rd e p t ho f2 5 0 0 m ，i th a s n tr e s o l v e dm i g w e l d i n gd r i p m e l t i n gt r a n s l a t i o nb o t t l e n e c k su n d e rh i g h p r e s s u r ec o n d i t i o n sc o m p l e t e l y s t u d ya b r o a do n l yc o n t r o l st h ea r cl e n g t hv e r ys h o r tp a s s i v e l y u n a v o i d a b l e d i pt r a n s f e rr e s u l t si nt h eu n s t e a d i n e s sd u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s sa n dq u a l i t y d e f e c to fw e l d e ds p l i c e b e c a u s et h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dc a ns i g n i f i c a n t l y i n c r e a s et h ea r cc o l u m ne l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ，e n e r g yd e n s i t ya n da r cs t i f f n e s s ， t h ep r i m a r yp r o b l e mo fr e s t r i c t i n gm i gw e l d i n go fh i g hp r e s s u r e ，n a m e l y ， r e v e r s ef l o wo f p l a s m ai m p e d e st h ef l o wo fp l a s m aa n dl e a d st ot h ed i f f i c u l t i e s o fd r i pm e l t i n gt r a n s l a t i o n ，i se x p e c t e dt ob es o l v e df u n d a m e n t a l l y m e a n t i m e ， t h e q u a l i t y o fj u n c t i o ns e a lc a nb ei m p r o v e db yt h e a i do ft h er o l eo f i v a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n go f a d d i t i o n a ll o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l d t h i se s s a yr e l i e so nt h ep r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ： u s i n gm i gw e l d i n go fh i g hp r e s s u r ea i rp r e s s u r ec o u p l e dw i t hm a g n e t i cf i e l d c o n t r o li nt h er e p a i ro f m a r i n es t r u c t u r e s4 0 7 7 6 0 5 4 ) t h i sp a p e ri sc o n c e m e d w i t ht h ei m p a c t so fm a g n e t i cf i e l do nt h ea r cc h a r a c t e r i s t i c so fm i gw e l d i n g ， m e t a lt r a n s f e rb e h a v i o re t c i na t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t t h ea c h i e v e m e n tw i l l l a ya s o l i df o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho f m a g n e t i cf i e l dc o n t r o lm i gw e l d i n g u n d e rt h eh y p e r b a r i ce n v i r o n m e n td r a f t e db yt h ep r o je c t t h i se s s a ys t u d i e st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d p u l s e m i gw e l d i n gc o n t r o li n a t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n t b y m e a n so f h i g h - s p e e d c a m e r aa n dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m a d o p t i n gl o n g i t u d i n a l m a g n e t i cf i e l da n dm a k i n gt h ew e l d i n gc u r r e n ta n df i e l dc u r r e n ta sc o n t r o l s p a r a m e t e ru n d e rt h es a m ep r o t e c t i o ng a sd u r i n gm i gw e l d i n g ，t h i se s s a y m a k e sa na s s a yo ft h ei m p a c tc h a r a c t e r i s t i c so fl o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l do n p u l s e dm i gw e l d i n ga r cs h a p e ，d r o pt r a n s f e ra c t i v i t ya n dw i r em e l t i n g p u l s e m i gw e l d i n gp r o c e s sc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l di sr a i s e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so fc o n s i d e r i n gt h ep r o je c tp r a c t i c a b i li t ya n dm a g n e t i cc o n t r o l s t a b i l i t y ，a n e wt y p eo fl o n g i t u d i n a l m a g n e t i cf i e l dg e n e r a t i n gd e v i c e i s d e s i g n e d ，a n dt h et e c h n i q u eo fa d d i t i o n a lm a g n e t i cf i e l di su s e di np u l s e dm i g w e l d i n gt h i sp a p e ri se x p e c t e d t ob a l a n c et h ei m p a c to fh i g h p r e s s u r e e n v i r o n m e n tm e d i u mp r e s s u r eb ym a g n e t i cf i e l de n e r g y t h ep r o b l e mo fd r i p m e l t i n gt r a n s l a t i o nc a nb es o l v e da n dt h eq u a l i t y o fj u n c t i o ns e a lc a nb e v 北京化上大学硕士学位论文 i m p r o v e df u n d a m e n t a l l y t h i sp a p e rm a k e sas i m u l a t i o ns t u d y o nt h e c o r r e l a t i v ef a c t o r so fi n f l u e n c i n gt h ew e l d i n gr e g i o n a ld i s t r i b u t i o no ft h e a d d i t i o n a lm a g n e t i cf i e l du s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dm a k e sa na s s a yo f t h ei m p a c t so ft h es h a p ea n dp o s i t i o no fm a g n e te x c i t i n gc o i l ，t h em a g n i t u d e o ff i e l dc u r r e n ta n dc h a n g e si nw e l d i n gm a t e r i a l s ，e t c ，o nt h em a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o n t h i sp a p e rp r o v i d e sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r c h o o s i n g s c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l ea d d i t i o n a lm a g n e t i cf i e l dc o n t r o li nd i f f e r e n tw e l d i n g f o r m s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s e t t i n g t h ep a r a m e t e r so fl o n g i t u d i n a l m a g n e t i cf i e l dr e a s o n a b l yc a nc o n t r o lw e l d i n gq u a l i t ye f f e c t i v e l ya n da d a p t w e l d i n gr e q u i r e m e n t si nd i f f e r e n to c c a s i o n s ，w h i c hl a yag o o df o u n d a t i o nf o r f u r t h e ra c h i e v e m e n to f h i g hp r e s s u r ew e l d i n g o nt h eb a s i so fs i m p l i f y i n gt h es t r u c t u r eo f m a g n e t i ch e a da n dr e i n f o r c i n g t h es t a b i l i t yo fm a g n e t i cs t r e n g t h ，an e wt y p eo fl o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l d g e n e r a t i n gd e v i c ei dd e s i g n e d ，a n dt h et e c h n i q u e so fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l di n t h ep u l s e dm i g w e l d i n g b a s eo nt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e o fa n s y s ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h e m a g n e t i cf i e l di ss i m u l a t e d t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ed i s t r i b u t i o no ft h e m a g n e t i cf i e l da r ed i s c u s s e d ，s u c ha st h es h a p eo ft h ee x c i t a t i o nc o i l ，t h e l o c a t i o no ft h ee x c i t a t i o nc o i l ，t h el o c a t i o no ft h ee x c i t a t i o nc o i l ，t h em a t e r i a l s t ob ew e l d e d ，a n dt h es h a p eo ft h eg r o o v e ，e t c b a s e do nt h es i m u l a t i o n ，w e c a ns e l e c tt h es c i e n t i f i ca n ds u i t a b l ea d d i t i o n a lm a g n e t i cf i e l d b a s e do nt h et h e o r e t i ca n a l y s e sa n ds i m u l a t i o n ，t h eh i g hp e r f o r m a n c em i g v i a b s t r a c t w e l d i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gt h eg o o dp e r f o r m a n c ep o w e rs o u r c e ， t h es t a b l ea n dr e l i a b l ew i r ef e e ds y s t e m ，t h el e s sc o s tc o m m o ns h i e l d i n gg a s a n dt h e s i m p l y b a s e d o nt h e h i g hp e r f o r m a n c ew e l d i n gs y s t e m ，t h e i n t e r a c t i o no ft h ep r o j e c t e dt r a n s f e ra n da d d i t i o n a ll o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l d i st e s t i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s b yt h ee x p e r i m e n t a lv e f i f i c a t i o n ，t h es t a b l ep r o je c t e dt r a n s f e rm o d eb y u s i n ga d d i t i o n a lm a g n e t i cf i e l dc o n t r o li n s t e a do f t h ep u r ea ri ns h i e l d i n g g a s ， a n ds o l v i n gt h ep r o b l e mo fp r o je c t e dt r a n s f e r a tt h es a m et i m e ，t h er e s u l tw i l l p r o v i d eag o o de x p e r i m e n t b a s i s k e yw o r d s ：a d d i t i o n a ll o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l d ；p u l s e dm i gw e l d i n g ； d r o p l e tt r a n s f e r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；w e l d i n gp a r a m e t e r ；l a b v i e w ； v i i 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：童童建二垄一日期：圣笪争斗 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期：上盟卜丛牡 日期：趁蝉 第章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 2 1 世纪是海洋的世纪，水下焊接是海洋工程建设、维护重要的支持技术之一。我 国- 方面是海洋结构物数量的快速增加，特别重要的是已经启动南海深水油气资源和 天然冰的勘探开发，其水深是6 0 0 m 到2 0 0 0 m n l ，另一方面是部分平台、管道的在役时 间也逐渐接近其设计寿命，进入2 0 世纪9 0 年代后，海底结构物损伤事件逐年增多心1 。 我国目前只能独立开展浅水深牺牲阳极等非重要结构物的水下湿式焊接或者局部干 式焊接，业已开展的海底管道等重要结构物的修复则主要依靠国外的设备、技术和服 务。 干式高压t i g 焊接是目前海底管道等重要结构物水下修复普遍采用的焊接方法， 例如，广泛应用于北海的a b e r d e e ns u b s e ao f f s h o r el t d 的o o t o 系统。”、c o m e x 公 司的t t l o r 一1 系统h 1 ，以及s t a t o i l 公司的p r s 系统瞄1 。但是，随着环境压力增加，t t g 焊电弧稳定性降低，其工作深度极限大致是5 0 0 m 哺1 。对于5 0 0 m 甚至1 0 0 0 m 以上水深 的水下连接，研究表明m i g 焊接是可供选择的电弧焊接方法盯1 。m i g 焊接与t i g 焊接 相比，不仅可以适应更深的水深，而- 月是焊接效率高出许多，这对于作业环境危险、 作业费用昂贵的水下修复而言是非常有利的。此外，i d l g 焊接低氢而日非常适合自动 化焊接，但是，只有焊接电源具备优良的静态特性和动态特性，才可以保证焊接过程 的稳定，所以在2 0 世纪8 0 年代以前，实j 卷m i g 焊一直被认为4 适合用于高压焊接。 2 0 世纪末以来，随着焊接电源控制技术的迅猛发展，m i g 焊接却成为最具备深水应用 前景的电弧焊接方法。 国外研究虽然实现了2 5 0 b a r 压力即相当于2 5 0 0 m 水深条件之下的m i g 焊接的重 大突破，并且对焊接电弧、熔滴过渡、焊接熔池、电弧摄像的特殊手段等进行了深入 的研究呻叼n 们，但是，没有彻底解决高压之下m i g 焊接熔滴过渡受阻问题而只是被 动地将弧长控制在非常之短，不可避免的短路过渡导致焊接过程不够稳定和接头质量 欠佳“2 3d 3 。 本论文的依托项目是国家自然科学基金课题“海洋结构修复用空气加压高压m i g 焊接的外加磁场控制”( 4 0 7 7 6 0 5 4 ) 。外加磁场能够显著增加弧柱电场强度、能量密度 和电弧挺度，基于此原理，本论文的依托项目拟采取与国外研究截然不同的外加纵向 磁场促进熔滴过渡的方案，从根本上解决制约高压m i g 焊接研究的首要问题，即高压 之下反向等离了流阻碍等离了流、导致熔滴过渡困难的问题，并借助于外加纵向磁场 的电磁搅拌作用改善接头质量。 北京化一l 大学硕士学位论文 外加纵向磁场在造成电弧高速旋转的同时，对电流、电压产生明显影响，基本的 规律是，在某个磁场强度的变化范围之内，电流随着磁场强度的增加近似线性地减小， 而电压随着磁场强度的增加近似线性地增加。此外，电弧旋转导致周围介质对其冷却 作用加强，使得弧柱电场强度显著增加。电压与电场强度的增加，必然加速等离子流、 减速反向等离子流，如图1 - 1 所示，因而可以解决高压m i g 焊接熔滴过渡受阻问题。 当然，在纵向磁场作用之下的高压电弧与无外加磁场作用的常压电弧相比，其熔滴射 流过渡形式虽然不是流束形而是旋转形，但是其旋转半径较小、不会导致电弧不稳和 飞溅， 其电弧不是典型的网锥状而是高速旋转形成的封闭形导电面。 常匪，正常射；i i 过渡 压力增加黼偏转 临界压力，发生飞溅 压力增加。熔滴过渡受阻 临界压力，外加磁场 临界磁场，熔滴过渡恢复 磁场增加，飞溅消弱 临界压力，外加磁场 小半径旋转过渡 外加磁场b ，电场强度增加e 熔滴过渡恢复 图1 - 1 高压m i g 焊接熔滴过渡受附及其磁控恢复 f i g 1 1h i g h p r e s s u r em i gw e l d i n gm e t a lt r a n s f e rb l o c k e da n dm a g n e t r o no f t h er e s u m p t i o n 采用夕l - 力n 纵向磁场解决高压m i g 焊接熔滴过渡受阻以及电弧稳定程度欠佳，是将 应用于c 0 2 焊飞溅控制、等离子弧焊接穿孔能力提升所依据的相同的磁控技术原理应 用于一个新的领域，需要重点需要解决磁场作用与焊接电流的同步，磁场参数与焊接 参数的匹配2 个问题。 本论文主要研究常压环境之下，磁场对m i g 焊接电弧特性、熔滴过渡行为等的影 第章绪论 响，其成果将为依托项目拟定的高压环境之下磁场控制m i g 焊接研究打下坚实基础。 1 2 磁场控制焊接技术简介 1 2 1 磁控焊接原理及其技术先进性 图卜2 磁控焊接 f i g 1 - 2t h em a g n e t r o nw e l d i n g 如图1 - 2 ，磁控焊接装置由两个主要部件组成：电源和电磁线圈( 螺线管) 。每 个部分都有各自独立的结构。励磁电源用于产生按要求规律变化的可调电压，电磁线 圈产生与电源输出电压相吻合的磁场。 电磁作用焊接技术是近年来完善起来的一种新的焊接技术，应用也日趋广泛。利 用外加磁场对电弧进行控制的方式通常有以下3 种方式。 ( 1 ) 外加横向磁场，n 1 3 夕f d h 磁场的磁力线垂直通过电弧轴线； ( 2 ) 外加纵向同轴磁场。即外加磁场的磁力线方向与电弧轴线方向平行； ( 3 ) # l - 3 n 尖角形磁场，它可使电弧弧柱的形状变为椭圆形，使弧柱能量密度和 电弧电场强度提高。 实际上，以上3 种外加磁场又都含有恒定j , i - d n 磁场和脉动外加磁场两种类型。在 实际应用中，可根据不同工艺要求在很大范围内改变所加磁场的强度和脉冲频率，用 来控制电弧形态及焊缝成形，达到改善焊缝结晶和消除缺陷的目的。 纵向磁场促使电弧旋转，改变弧柱等离子流和电流密度的径向分布，影响母材的 加热熔化和焊缝成形。实践表明，利用外加磁场对焊接中熔滴的过渡、熔池金属的流 动、熔池的结晶形核及结晶生长等过程进行有效地干预，使焊缝金属的一次结晶组织 细化，减小化学不均匀性，提高焊缝金属的塑性和韧性，降低结晶裂纹和气孔的敏 感性，从而提高焊缝金属的性能，全面改善焊接接头的质量。 对控制焊缝金属一次结晶过程，纵向磁场具有更大的可能性。有关资料表明，在 电磁作用焊接时，如果使用横向磁场，在外磁场与等离- 了体和电弧自身磁场作用下， 弧柱会产生偏移，工件上的活性斑点也会产生移动；当给电弧施加纵向磁场时，电弧 围绕自己的轴线发生旋转，加热斑点也发生旋转，外加磁场赋予电弧较大的挺度和 北京化上大学硕士学位论文 稳定性，并由于磁压增高的结果，提高了弧柱中心温度，进而使得熔池的熔体被均 匀搅拌，熔滴尺寸和它们在焊丝端部的存在时间平均减少，熔滴的过渡频率增加， 提高了焊缝质量，所以在外加磁场作用焊接时多采用外加纵向磁场。利用外加纵向交 变磁场，用于含钛、铝成分较高的不锈钢低速焊时，在合适的磁场频率下，具有加强 等轴晶粒形成的明显效果。 近年来，伴随着材t 斗l s l - 学与工程技术的发展，各种新焊接工艺不断涌现，以满足 现代结构材料的焊接要求。在电弧焊接过程中引入磁场控制就是满足这种需要的正在 发展的先进焊接技术。j b , - h n 纵向磁场的引入可以促使焊接电弧旋转，改变焊接电流特 性，影响焊缝成形，实践表明，外加纵向磁场电弧焊接技术可以有效地搅拌焊接熔池， 改变熔池金属的结晶状况，细化焊缝金属的一次结晶组织，减小化学不均匀性，提高 焊缝金属的塑性和韧性；降低结晶裂纹和气孔的敏感性：提高奥氏体不锈钢焊缝金属 抗晶问腐蚀的能力，全面提高焊接质量。它以附加装置简单、投入成本低、效益高等 优点在冶金、热能、电力、航天等部门和领域得到了广泛的应用，发展前景较为广阔。 目前，国内外关于外加纵向磁场焊接电弧特性方面的研究比较薄弱，研究并不是 十分的深入。在实际应用中，难免会因缺乏理论依据而产生一定的盲目性，从而影响 了这种技术的发展和推广。因此，开展外加纵向磁场焊接电弧特性的研究，从本质上 认识电磁作用电弧焊接技术的机理，为电磁作用电弧焊接技术的工程应用提供理论借 鉴，无疑具有十分重要的理论研究意义和广阔的工程应用价值。 由于电弧等离子体具有良好的导电性、电准中性和与磁场的可作用性等特点，因 此为磁场控制焊接电弧的位置、形态以及运动提供了可能。通过j l , ；o e i 磁场改变电弧的 形态的同时，焊丝端部的液流束以及熔池中熔化的液态金属，由于在他们的内部存在 电流的流动，那么，当把他们置于外加磁场之中时，必将会发生磁场与焊接电流的相 互作用，产生使液流束或熔池金属运动的洛仑鲍力，从而改变他们的受力状态和运动 状态。而且这种变化会随着苎, l - ；h l 磁场的变化而变化。 j t , d l ：i 磁场控制的焊接技术有以下特点： ( 1 ) j l - d l ：l 磁场能量的输入是无触点控制的，保证了能量输入变化快，无触点损 耗，使得磁场控制焊接过程较为灵活。 ( 2 ) 外加磁场的种类繁多，形式较丰富，# l - d r i 磁场包括纵向磁场、横向磁场、 尖角磁场以及交变磁场等多种形式。能够较好的满足多种工矿条件下不同焊接工艺的 要求。 ( 3 ) j , i - d r l 磁场装置由电源和电磁线圈两部分组成，各部分具有相对独立地结构， 设备体积比较小，使用十分简单灵活。 ( 4 ) j , l - ：d r l 磁场所需要的功率一般不大，电能损耗很少，, 夕b d h 磁场强度较小，频 率较低对环境不产生电磁污染，无接触控制，无噪音。 ( 5 ) j l d 1 磁场控制的焊接技术适用材料的范围较广，除了普通的金属材料外， 4 第。章绪论 也可以用再合金钢、不锈钢、铝合金、钛合金、铜及其合金等金属材料。 ( 6 ) 外加磁场控制的焊接技术所应用的焊接方法包括g t a w 、等离子焊接、 m i g m g 、c 0 2 焊接等焊接工艺方法。 电磁作用焊接是一种逐步完善起米的焊接技术。根据控制对象的不同，可以把磁 场控制的焊接技术分为以下三类： ( 1 ) 针对焊接电弧的磁场控制技术 ( 2 )针对焊缝熔池金属的磁场控制技术 ( 3 ) 针对焊丝端部熔滴( 液流柬) 的磁场控制技术 2 图l - 3 纵向磁场作用下的摆动等离了弧 1 阴极2 阳极3 线圈4 摆动电弧 f i g 1 3t h es w i n gp l a s m aa r cc o n t r o l l e db yt h el o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l d 1 c a t h o d e2 a n o d e3 c o i l 4 s w i n gp l a s m aa r c 图卜3 为纵向磁场作用下的摆动的示意图。当对焊接电弧施加纵向磁场时，焊接 电弧强度发生一系列令人感兴趣的变化，在纵向磁场的作用下，电弧将高速旋转，随 着磁感应强度的加大，转速将加快，当磁感应强度达到一定数值时，电弧由原来的圆 锥形( t i g m i g ) 变成钟罩形，其钟罩面是个高速旋转的封闭形的导电面。即电弧变 成了卒心电弧。在纵向磁场作用下，焊接电弧发生上述变化的原因，是由于磁场与弧 柱巾带电粒了的相互作用，使之产生旋转运动的结果。在弧柱巾如果带电粒了存在径 向运动，那么纵向磁场与具有径向运动的带电粒了相互作用，产生洛仑兹力，驱使这 北京化j 二大学硕士学位论义 些带电粒子旋转，进而促使焊接电弧旋转。由于焊接电弧的旋转，改变了电弧弧柱等 离子流和电流密度的径向分布，进而影响到对母材的加热熔化和对焊缝成型产生影 响。 1 2 2 磁控焊接国内外研究现状与趋势 磁控焊接主要用于改善焊接质量、提高焊接效率。 ( 1 ) 外加纵向磁场g t a w 焊接 上海交通大学和西安交通大学对； i - ) j h 纵向磁场g t a w 焊接进行了系统研究，包括电 弧形态、电弧等离子流力以及焊缝成型n 州佴州1 7 3 ，测定了电弧温度场、研究了电弧形 态、焊接电流、电弧电压与磁场的关系，测定了等离子流力和电流密度的分布、建立 了其径向分布数学物理模型，研究了间歇交变纵向磁场g t a w 焊接低碳钢、不锈钢和 铝合金等材料焊缝成形发生变化的规律和原因，此外还进行了磁场数值计算n8 1 。 ( 2 ) 外加磁场控制c 0 2 焊接飞溅 南昌航空工业学院用纵向磁场控制c o ：气体保护焊飞溅，以低碳钢0 2 3 5 为实验对 象，在不同焊接工艺参数+ 卜进行了有、无外加纵向磁场的焊接对比实验，并且改变多 l j j n 磁场的大小，测试了彳、= 同磁感应强度下的焊接飞溅率，其研究表明，在一定的焊接规范 下，外加纵向磁场能有效地控制c o ：焊短路过渡中的焊接飞溅，获得较好的工艺效果， 同时，存在一个最佳的磁场范围，在这个范围内，磁场对飞溅的控制效果较好n 驯。天津 大学也做了类似的工作乜0 。 ( 3 ) 磁控高效m a g 焊接 北京工业大学系统地研究了采用外加磁场提高m a g 焊接效率的机理的及其应用技 术，包括熔滴过渡、临界电流值、磁控电弧模犁及其运动机理等等心2 2 儿2 加瞳4 1 ，主要分 析了电流与外加磁场的相互作用而产生的对熔滴过渡过程的影响，并通过实验验证了 外加磁场可以有效的控制高效m a g 焊接的旋转射流过渡过程，实现了在连续大电流的 区间获得稳定的无氦保护的低成本高效m a g 焊接新工艺。南昌航空工业学院也研究了 m a g 焊的熔滴过渡问题心5 | 。 ( 4 ) 等离子弧的外加磁场压缩 太原i ：l k 入学研究了等离了弧经双尖磁场再压缩之后的电弧状态和行为，测量了 电弧负载特性、电流密度和压力分布，在此基础上进行了不锈钢板焊接实验，表明等 6 离子弧经外磁场再压缩后，能量密度明显提高且容易调整、有利于控制焊缝成型、抑 制“双弧”产生、增加小孔型的焊接厚度“”1 。 1 3 脉冲h i g 焊接 自从以市场为向导的经济秩序建立之后，如何不断提高产品的i 场竞争力直是 萦绕再公司管理者心中的首要问韪。尤其是近年来，随着国际市场竞争越来越激烈， 全球制造工艺的形式变得越来月严峻，这问题也就变得越来越突h 。各公司提高产 品市场竞争力的途径包括两个方面：提高生产效率和降低生产成奉，而这两面的具体 实施都离不开产品的加工方法。在焊接制品制造过程中，其主要加工手段就是焊接。 因此，焊接方法的优劣对焊接制品的市场竞争力起着决定性的作用。 自熔化极气体保护焊出现以来，因为它具有操作简单、灵活性大、便于实现机械 化和自动化等特点，在实际生产中得到广泛应用，并成为手丁电弧焊的替代工艺。1 3 0 c 公司对埋弧焊、药芯焊丝焊、手工电弧焊和m t g m g 焊的使用状况在全球范围内做了 调查。分别是上述几种焊接方法在澳人利亚、西欧以及全球汽车和轧钢制品工业中使 用份额的变化情况，可以看出m i g m a g 焊所占份额呈增长趋势。目前话欧 m i g m a g 焊工艺的使用份额己占所有焊接方法的三分之二，而且还在不断增长：美国 和日本m i g m g 焊工业占所有焊接工作量三分之：还强。在工业化国家中，约有5 0 的国民经济总产值来自与焊接相关的工厂。因此，提高m i g m a g 焊上艺的生产效率 不但提高焊接产品市场竞争力的一个重要途径，也是具有极大的现实意义。进| 步提 高生产效率的方法是采用自动化或使用机器人焊接。因为存这种条件下容易加工出质 量的最终产品。 嘛 一 。l 盹 矾 l n n i l ml “ ，| 度 图1 4 澳人利砸1 9 9 6 电弧焊自f 成状况国 f i g 1 - 4 a u s t r a l i aa r c w e i d i n g t h ec o m p o s i t i o ns i t u a t i o n i n1 9 9 6 艚 h孙叭 一 f j i _ _ _ 二 一i ，l 一 慨嘱聃m m 挑 j t 京化大学碰学位论 焉 羹 三 耋 兰 l0 | | ： j ! us t f ( 口， # 78 4 _ 99 09 i9 2 5 年度 圈1 西欧1 9 9 5 电弧焊组成状况图 f i 9 1 5 w e s t e m e u r o p ea w e l d i n g t h ec o m p o s i t i o ns i t u a t i o n i n 】9 9 5 1 0 nl 蛐l i 鲥ti 1i 坩# 年度 图l 石汽车和轧钢制品 - l k 的电弧焊组成状乱图 f i g 1 - 6 m o t o r v e h i c l e sa n dr o i l i n g m l lp r o d u c t s i n d u s t r ya r c w e l d i n g t h ec o m p o s i t i o ns i t u a t i o n 131 脉冲m i g 焊接原理 如图卜7 所示，为脉冲m t g 焊接过程的分析图。脉冲m i g 焊技术较多用于高性能 的自动焊场合，它集高效优质和自动化于一体，其突出的工艺特点如下。 ( ”焊接电流调节范围比较宽，即脉冲m i g 焊u r 在平均电流小于临界电流值的条 件下获得射流过渡，包括短路过渡到喷射过渡的所有电流区域。 ( 2 ) 熔池体积小，熔滴过渡和熔池金属的加热是间歇性的，不易发