外加轴向磁场对短路过渡的影响

樊 丁, 马 欣, 武利建, 黄健康, 肖 磊

(1. 兰州理工大学 材料科学与工程学院, 甘肃 兰州 730050; 2. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 甘肃 兰州 730050)

短路过渡具有过渡频率高、易于实现自动化控制等优点,因此被广泛应用于各种金属薄板结构及全位置焊接[1],如表面张力过渡法(STT焊[2])、冷金属过渡技术(CMT焊[3]).由于短路过渡电压低及弧长短,熔滴尚未脱离焊丝时即与熔池接触而形成短路液桥,在表面张力及电磁收缩力的作用下,熔滴金属过渡到熔池当中.但是要获得好的焊接质量不仅取决于合理的焊接工艺参数,而且还取决于对熔滴过渡控制以及有效控制热输入.特别是短路过渡时在液桥形成段和液桥缩颈段易形成焊接飞溅[4],因而在很多方面的应用受到了限制.

针对短路过渡的问题,众多学者开展了相关研究.Fronius公司提出了通过焊丝回抽的CMT方法来控制短路过渡,有效降低热输入,实现了稳定无飞溅的冷金属短路过渡,这特别适用于薄板焊接,但控制复杂、设备成本较高.表面张力过渡法(STT)利用在短路过渡时,降低电流而避免液桥爆破,并利用表面张力来促进过渡,但该方法生产效率较低.近几年来,有研究者将磁场应用到焊接中,目的是通过磁场控制电弧、熔滴过渡进而提高焊接质量[5].Lee[6]通过对二氧化碳气体保护焊(CO2焊)施加纵向磁场,减少焊接过程中产生的飞溅.常云龙等[7-8]在短路过渡中改变外加磁场频率,发现纵向低频磁场可加快焊丝熔化速率,纵向高频磁场可明显缩短液桥缩颈断裂时间.然而当前研究多集中于恒定磁场条件下,对外加交变磁场在熔化极氩弧焊短路过程中的飞溅抑制研究少有报道.

本文研究外加直流磁场和交变磁场对熔化极氩弧焊在短路过渡过程的影响,借助高速摄影以及电流电压实时采集系统,对短路过渡进行受力分析,揭示不同励磁电流的直流磁场和交变磁场对短路过渡过程的影响机理.

1 设备与方法

试验采用兰州理工大学与山东奥泰公司联合研发的焊接电源,型号为Pulse MIG 630.图1为外加交变磁场熔化极氩弧焊焊接试验系统示意图,主要由焊机及送丝机构、磁控电源、行走机构、电流电压采集系统和高速摄像系统组成.其中磁控电源包括恒流源与逆变装置两部分,主要功能是将前端输入的直流电逆变为交流电供给励磁线圈,从而产生交变磁场.

图1 外加交变磁场熔化极氩弧焊焊接试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of metal argon arc welding test system with external alternating magnetic field

焊接母材为Q235钢板,尺寸为200 mm×80 mm×8 mm,焊丝直径为1.2 mm,牌号为ER50-6,保护气体为Ar(12 L/min),纯度为99%.使用型号为CP70-1-M-1000的高速摄像机对短路过渡过程中短路过渡频率及熔滴大小进行拍摄.镜头距焊枪端面约30 cm,曝光70 EV,采集频率2 000帧,分辨率为512像素×512像素.信号采集系统包括霍尔电流、电压传感器、数据采集卡和LabVIEW 开发环境.焊接工艺参数为：焊接电流150 A，焊接模式一元化,送丝速度3.8 m/min，焊接电压16.5 V，焊接速度0.4 m/min,干伸长10 mm.

采用磁场参数:直流磁场励磁电流为0、2、4、6、8 A,交变磁场励磁电流为5、7、9 A,磁场频率为50、100、200、300、400 Hz.

2 结果及分析

2.1 外加轴向磁场对短路过渡的影响

为了研究外加轴向磁场对短路过渡的影响,分别对无磁场、直流磁场励磁电流为4 A以及交变磁场100 Hz、9 A时所对应的高速摄像进行分析,如图2a、b、c所示.以熔滴与熔池刚接触时为零点,分别取0、2.5、7.5 ms在同一时刻对应短路过渡的三个阶段,分别为：熔滴与熔池接触、液桥缩颈和电弧再引燃阶段.施加交变磁场后熔滴形状由球形变成椭球形,颈缩段也较无磁场时减小.

电流电压信号如图3所示,施加轴向直流磁场励磁电流为4 A和交变磁场频率为100 Hz、励磁电流为9 A时,电流电压信号波动频率和幅度明显增大.适当的外加磁场参数,能够明显增加短路过渡频率.随着交流磁场励磁电流的增大,电流电压信号的波动也明显增加,且出现了部分连续的峰值.因为在外加交变磁场的作用下,励磁电流的增大增加了磁感应强度,短路过渡不稳定,出现了连续不完整的瞬时短路过渡.在短路过渡时期外加交变磁场加快了短路液桥的铺展和颈缩,使短路过渡频率明显提高[9],文献[9]与本研究相同之处在于通过电流波形来表征熔滴过渡快慢,不同之处在于熔滴过渡形式不同，但试验结果具有相似性.

图3 外加轴向磁场对电流电压的影响Fig.3 The influence of external axial magnetic field on current and voltage

外加轴向磁场对焊缝宏观形貌的影响如图4所示,相比未加磁场时成形良好,焊缝咬边缺陷消失,飞溅减少.在直流磁场励磁电流4 A,交变磁场频率为100 Hz、励磁电流为9 A时熔滴过渡频率出现了较大值.总体来讲,外加轴向磁场显著增加了短路过渡频率[10],文献[10]中采用80%Ar+20%CO2,保护气氛与本研究不同，但试验结果具有相似性.

图4 外加轴向磁场对焊缝宏观形貌的影响Fig.4 The influence of external axial magnetic field on macroscopic morphology of weld

2.2 外加轴向磁场对短路过渡频率的影响

通过分析外加直流磁场和交流磁场的短路过渡过程,计算出短路过渡频率fw,对比不同磁场参数短路过渡频率大小情况.如图5所示,外加直流磁场相比无磁场作用时,短路过渡频率明显提高.当励磁电流为4 A时,短路过渡频率达到较大值52 Hz.较无磁场时，短路过渡频率上升52.9%.随着励磁电流的增大,短路过渡频率明显下降,当励磁电流达到8 A时,短路过渡不稳定,短路过渡频率与无磁场时相同为34 Hz.

图5 外加直流磁场对短路过渡频率的影响Fig.5 Effect of external DC magnetic field on short circuit transition frequency

施加交变磁场时,短路过渡频率的变化如图6所示,外加交变磁场显著提高短路过渡频率.当磁场频率相同时,短路过渡频率随励磁电流的增大而增大,这是由于励磁电流的增大导致磁场强度的增大,从而促进短路过渡.当励磁电流相同时,交流磁场100 Hz、9 A时,短路过渡频率达到较大值59 Hz.较无磁场时，短路过渡频率上升73.5%.随着磁场频率的增大,短路过渡频率呈下降趋势.外加磁场频率增大到一定程度时,此时磁场作用方向变化频率加快,作用时间变短,这相当于削弱了外加磁场的作用,故短路过渡频率减小.

图6 外加交变磁场对短路过渡频率的影响Fig.6 Effect of external AC magnetic field on short circuit transition frequency

2.3 外加轴向磁场对短路过渡初始熔滴尺寸的影响

当施加直流磁场,短路接触时熔滴直径的变化如图7所示.熔滴与熔池的接触半径大于无磁场时的接触半径,励磁电流增大,熔滴形状由未加磁场的球形变为椭球形,熔滴尺寸也随之长大.当励磁电流为2、4 A时,熔滴直径基本一致,此时熔滴过渡频率相对较快.励磁电流增大到8 A时,熔滴形状由椭球形转变为长条形,并逐渐偏离焊丝轴线,最终被甩到与熔池接触而发生短路.

图7 外加直流磁场对短路接触时熔滴直径的影响Fig.7 Effect of external DC magnetic field on droplet diameter in short circuit contact

施加交变磁场时的结果如图8所示,熔滴半径大于无磁场时的半径,熔滴形状也由规则的球形变为椭球形,熔滴尺寸在100 Hz、9 A时,熔滴直径达到了较大值.随着磁场频率的增大,熔滴直径逐渐减小.

图8 外加交变磁场对短路接触时熔滴直径的影响Fig.8 Effect of external AC magnetic field on short circuit diameter in short circuit contact

3 短路过渡过程中受力分析

在轴向磁场作用下,熔滴与熔池未接触,主要受到重力、电磁收缩力、等离子体流力、表面张力以及斑点压力影响.此外还会受到外加轴向磁场作用下产生的环向洛伦兹力.图9是短路前熔滴受到的洛伦兹力,其中将焊接电流分解为径向Ir和沿轴向Iz.磁感应强度为轴向Bz及自感应产生的环向磁场Bθ.相互垂直的电流与磁感应强度产生电磁作用力F1,方向垂直于Jr和Bz，如图所示.由于熔滴受到洛伦兹力F1作用,熔滴在长大以及下落时略微偏离焊丝轴线,并且自身也发生旋转，因而在短路接触前,熔滴同时受到重力与F1的作用.环向磁场Bθ与轴向电流Iz相互垂直产生Fm,方向相反指向焊丝轴线,从而促进液桥金属在颈缩处断开.

图9 外加轴向磁场熔滴未接触时受力示意图Fig.9 Stress diagram of applied axial magnetic field droplet without contact

在短路过渡中后期,液桥在电磁收缩力的作用下,发生颈缩.当电磁收缩力逐渐增大时,液桥在最小缩颈处的赤道面分为上下两部分.上部分的电磁收缩力用Fe1表示,方向沿z轴负方向；下部分用Fe2表示,方向沿z轴正方向.因此,液桥金属在轴向上所受的力促使液桥被拉断,如图10a所示.

图10 短路过渡过程中受力示意图Fig.10 Schematic diagram of force in the process of short-circuit transition

(1)

(2)

式中：r1为焊丝半径；r2为液桥最小赤道面半径；r3为液桥与熔池的接触面半径；Iω1为短路末期通过液桥的焊接电流；μ取为真空磁导率.

此外,熔滴前半段与熔池接触后,在轴向磁场的作用下旋转,但上半段的液态金属阻碍了下半段的旋转运动,从而使液桥在颈缩处断开,促进短路过渡.

综上所述,短路过渡过程中,熔滴与熔池未接触前,在环向磁场与轴向电流作用下产生环向洛伦兹力Fm,方向指向焊丝轴线.在短路过渡中后期,颈缩处分为两部分,上部分的电磁收缩力Fe1与下部分的电磁收缩力Fe2,作用方向相反,促使液桥金属在轴向上被拉断.在外加轴向磁场作用下的环向电磁力分别Fθ1,Fθ2方向相反,促使液桥在颈缩处断开,提高短路过渡频率.

4 结论

1) 外加轴向磁场可以有效控制短路过渡的频率.当施加直流磁场,励磁电流为4 A时较无磁场时短路过渡频率上升52.9%；外加交变磁场,励磁电流为9A,磁场频率为100 Hz时,较无磁场时短路过渡频率上升73.5%.

2) 外加轴向磁场作用下,在颈缩处上下两部分分别形成两个环向电磁力,方向相反,使液桥在颈缩段被拧断,所以外加轴向磁场可以有效促进熔滴短路时期在颈缩处断开.