超窄间隙gmaw工艺中坡口内剩磁原因分析

超窄间隙gmaw工艺中坡口内剩磁原因分析

超窄间隙焊接技术超窄间隙焊接技术是传统窄间隙焊接技术的传承和发展。与传统的窄腔焊接技术相比，它具有更小的倾斜角度和更小的焊接热耦合面积，更小的填充面积、剩余应力和残余变形。结果表明，超狭窄间隙焊接技术具有很大的经济效益和技术优势。在厚板结构的焊接中，使用该技术充分减小填充面积，极大减少焊接金属的填充量，提高生产效率和降低成本。超窄间隙焊接技术的特点之一就是要保证焊接过程中两侧壁能同时正常熔合。在此主要研究在船用钢结构980钢超窄间隙GMAW工艺中，使用表面张力STT电源和全数字化脉冲MIGMAG(TPS5000)电源时剩磁对电弧的影响，进而影响焊接过程中两侧壁的熔合。由于工件坡口内存在较强的剩磁，使两种电源在工作中其电弧都受到较强的横向洛仑兹力F的作用，但是两种电源在工作中其电弧的轴向电弧机械作用力强度不同，导致前者电弧偏离轴线，向一侧上爬，破坏了焊接过程电弧的稳定性，影响两侧壁的正常熔合和焊缝成形质量；后者则克服洛仑兹力F的不利影响，可以保证侧壁的正常熔合。为了探讨上述现象，必须了解焊件坡口内产生剩磁的原因，以及剩磁对电弧的影响，同时寻找解决问题的方法。1980.钢剩余磁理论与测量分析1.1缝成形基础的铁-镍合金船用钢结构980钢是一种屈服强度不小于785MPa的高强度、高韧性、可焊接耐压壳体钢，也是我国目前强度最高、韧性最好的耐压壳体钢，具有良好的焊接性。但该钢存在剩磁较高、对焊缝成形产生不利的影响。980钢化学成分中含有C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo等微量元素，其中ω(Ni)=4.40%～4.54%，是一般低合金高强钢所没有的，也是引起钢中剩磁存在的主要因素。铁-镍合金具有高磁导率和低矫顽力，它优良的磁性来自低磁致伸缩和低磁晶各向异性，由于铁和镍符号相反的各种有关参数适当组合所致。由于钢中铁和镍的含量最高，微观结构上2种元素在区域内富积，形成镍含量较高的铁-镍合金，使980钢宏观上也具有高磁导率和低矫顽力，很容易被磁化。在生产和加工过程中，980钢难免被磁化，从而具有一定强度的剩磁。1.2坡口内剩磁强度及方向测量试验中采用的焊接坡口形式如图1所示。试验用钢板厚度50mm，在钢板上铣槽以便加工。槽宽5mm，深20mm，坡口长度400mm。采用SG-3-A型数字特斯拉计测量坡口内的剩磁强度及方向，仪器精度为0.0001T(1G)。采用平焊焊接时，每层焊道的厚度在3mm左右。坡口深度为20mm，按3mm的间隔可测量7层，测量深度分别为19mm、16mm、13mm、10mm、7mm、4mm、1mm。测量时，每层沿水平方向按10mm的间隔从一端向另一端测量剩磁的强度和方向。测量结果如图2、图3所示，H表示坡口深度。1.3剩磁磁场分析坡口内剩磁方向平行于坡口前进的方向，可看作纵向磁场；但与电弧轴线方向垂直，相对于电弧轴线为横向磁场，以下分析中都把剩磁磁场看作横向磁场，用正负表示剩磁方向变化180°，即相反。如图2所示，在同一焊道上，沿焊缝前进方向，磁场强度值逐渐改变，方向也发生变化。如图3所示，不同焊道在同一截面沿垂直方向，磁场强度发生变化，在其中一段坡口内方向也会发生变化。从总体上看，剩磁强度最大值为60G，最小值为零；坡口两端剩磁磁场的方向相反，强度大于中间，最大值出现在端部。2剩余磁体对焊接弧形导线的不利影响2.1成正比对电弧受力的影响电弧是一个通过电流的柔性导体，它受轴向机械作用力的作用而沿焊丝轴线方向运动。通常讲的电弧机械作用力包括电磁力、等离子流力和斑点压力，其中等离子流力起主导作用。关于电弧的机械作用力FP，一般认为它与焊接电流的平方成正比式中K=(1.20～1.40)×10-6N/A2。当电弧以一定焊接速度在坡口内向前移动时，剩磁磁场相当于对电弧施加一个外横向磁场，其磁力线垂直通过电弧轴线，根据左手法则将引起电弧弧柱向一侧偏吹。电弧的正常工作位置在焊缝中间，按右手螺旋定律电弧周围也会诱发自身磁场，并与坡口内的剩磁叠加，从而对电弧施加洛仑兹力，如图4、图5所示。为便于定量分析计算电弧受力，把电弧看作线电流，则其受力为安培力F，即式中I为电流强度，L为工作电弧的弧长，B为电弧工作时坡口内与电弧垂直方向磁感应强度。分析中均以安培力来代替电弧所受的洛仑兹力。对比两种力，电弧机械作用力与电流的平方呈正比，安培力与电流呈正比，可见电流的变化对电弧机械作用力的影响更大。2.2基值电流持续内部电弧受力分析表面张力过渡技术中，实际电流的工作状态可分为短路周期和燃弧周期，焊丝和工件的加热、熔滴的长大与形成过程均在电弧工作期间，即燃弧周期内完成。燃弧周期可分为燃弧脉冲持续期和基值电流持续期。燃弧脉冲持续期为每一熔滴过渡周期中电流、电压最大值持续期间，其持续时间2～3ms。基值电流持续期也称熔滴短路准备期，该期间的稳定电流强度称为基值电流，其作用：一是保证熔滴具有较高的温度和良好的流动性；二是适当延长燃弧时间以增大工件热输入功率；三是保证早期短路事件处于很低的电流强度下发生，以控制短路末期小桥爆炸而产生飞溅。基值电流持续期的持续时间范围最宽，约为1.3～13ms。为分析电弧的工作状态，应主要分析基值电流持续期内电弧的受力。可定量计算出基值电流持续期内的电弧受力，这时电弧的状态将决定短路期间熔滴的状态，进而决定焊道成形。窄间隙脉冲MAG焊时，当坡口内剩磁强度超过一定值(20～30G)后，将对打底焊电弧过程产生不利的影响，出现“噼啪”声和恶化焊道成形质量，这种现象无法通过调节焊接规范参数值来克服。只要坡口内剩磁强度达到一定值就可能破坏电弧的正常工作，从而影响焊缝成形质量。取剩磁强度B=0.003～0.006T来定量计算电弧所受的安培力。试验中，STT技术的基值电流IL=55～70A，峰值电流IP=420～450A。依据式(1)定量计算出电弧轴向作用力，取K=1.20×10-6N/A2与ILmax，电弧轴向作用力FP为电弧同时受到安培力的作用。可取B=0.003～0.006T，弧长L=4mm，电流IL=70A，则由式(2)可得电弧所受安培力F为基值电流持续期内电弧受力如图4所示，机械作用力和安培力方向垂直，大小在同一数量级上，其合力偏向坡口侧壁。在这个合力作用下，电弧偏向一侧，使得短路周期内的熔滴也偏向坡口一侧，导致两侧壁不能同时正常熔合，恶化焊道，影响了焊缝成形质量。2.3受坡口内的磁场作用全数字化脉冲MIG/MAG(TPS5000)技术中，电弧也会受剩磁的影响，但是没有偏离中心位置，仍然正常工作。为了定量分析电弧所受的机械作用力，可取I=170A,K=1.20×10-6N/A2，由式(1)得机械作用力FP为电弧同时受到安培力的作用。可取B=0.003～0.006T，熔滴L=4mm，电流I=170A，则由式(2)可得电弧所受安培力F为电弧受力如图5所示，机械作用力和安培力方向垂直，大小不在同一数量级上，其合力仍旧指向坡口中心，在合力作用下，电弧在坡口内正常工作，两侧壁正常熔合，焊缝成形良好。通过对比分析可以推断，电弧受坡口内剩磁场施加的洛仑兹力影响时，只要工作电流足够大，就可以产生足够大的电弧机械作用力来克服洛仑兹力的影响，保证电弧正常工作。对于电弧，当工作电流增加时，电弧机械作用力增加的速度远高于洛仑兹力增加的速度。两种电源工作时，STT技术基值电流持续期内电流值不到MIG/MAG(TPS5000)电源工作时电流值的一半，其电弧机械作用力也只有后者的1/5左右，不足以抵抗剩磁施加的洛仑兹力的不利影响。3电子磁场作用的强磁场分布试验中，坡口内存在的剩磁磁场对电弧产生洛仑兹力，当焊接电流较小时，会导致电弧偏吹和焊接过程难操作、焊缝成形差等。为了消除不利影响，可以人为地增加外加磁场来控制电弧的形态及运动，满足特殊的焊接工艺要求。通常利用外加磁场对电弧控制的方式有三种：外加横向磁场、外加纵向磁场、外加尖角形磁场。试验是对厚板的焊接，坡口深而狭窄，外加纵向磁场是最好的选择。外加纵向磁场是指外加磁场磁力线与电弧同轴，或与电弧轴线方向平行。电弧中带电质点运动方向与外加磁场磁力线不平行时，将受到磁场作用，因为电弧电流主要为电子流，所以作用力为式中F为电子所受磁场作用力即洛伦兹力；e为电子电量；m为电子质量；vx为电子运动速度在垂直磁场方向上的分量；B为磁场强度；r为电子作螺旋运动的半径。在外加纵向磁场作用下，电弧中带电粒子的运动将变为平行磁力线方向的螺旋运动，且运动半径r反比于B。所以纵向磁场可限制电弧扩散，集中电弧能量，增加焊缝熔深。它对弧柱的压缩作用可以增加弧柱的能量密度和弧柱的电场强度，这与弧柱中加入导热性好的气体作用相似。当外加纵向磁场B增强时，电子在绕轴线高速旋转的同时会产生离心运动，离心运动的结果使电子向电弧边缘集中。由于电子对正离子的吸引作用，正离子也向边缘集中，使得电弧中心压力和电流密度进一步降低，而边缘处则进—步增大。当B达到临界值B临，中心处压力P=0。当B>B临时，电弧中带电粒子在离心力作用下在一圆环区域内集中，压力P出现明显的双峰，电弧形成空心电弧。空心部分带电粒子极少，可视为0，此时电流密度j(r)也出现类似P的双峰。这时的能量密度分布同样地出现双峰而与无外加磁场作用时电弧能量密度分布有明显差别。如图6所示，图中r为电子旋转半径，它分别显示了电弧形态，电弧电流密度j(r)的分布，以及电弧压力P的分布。本试验要求消除STT电源工作中剩磁的不利影响，焊缝两侧壁能正常熔合，同时还要保证焊缝的成形，这就要求所施加的纵向磁场的强度必须控制在一定的范围内。纵向磁场强度B不能太小，否则不能消除剩磁的影响；B也不能太大，否则焊缝中心的电流密度太小，甚至没有，中心处电弧力不够，影响焊缝的熔深，从而影响焊缝的成形。只有选择适当的纵向磁场强度B，才可以保证焊缝中心和两侧壁都能正常熔合，满足试验中的工艺要求。4电子磁场与数字化脉冲mig/magtps5000电源a.980钢超窄间隙GMAW工艺中，由于钢中ω(Ni)=4.40%～4.54%，使工件具有高磁导率和低矫顽力，容易被磁化