常云龍，白 金，劉 丹，梅 強，2

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870；2.大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300）

縱向磁場對CO2焊接電弧及焊縫成形的影響*

常云龍1，白 金1，劉 丹1，梅 強1，2

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870；2.大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300）

為了促進CO2焊接的發(fā)展，降低焊接飛濺率與改善焊縫成形顯得至關(guān)重要.在具有不同磁場強度與磁場頻率的外加縱向磁場作用下，通過高速攝像技術(shù)觀測了焊接電弧形態(tài)，同時測量了焊縫熔寬和熔深的變化.結(jié)果表明，當勵磁電流為1 A、勵磁頻率為50 Hz時，焊接電弧由最初的錐形變?yōu)殓娬中危匆欢ǚ较蛐D(zhuǎn)，焊接電弧的剛性和穩(wěn)定性得到了增強，因而焊接效果較好.隨著磁場參數(shù)的增加，焊縫的熔寬與熔深先增加后減小.因此，通過采用一定范圍內(nèi)的磁場參數(shù)，可以達到有效改善焊縫成形并降低焊接飛濺的效果.

CO2焊；縱向磁場；磁場參數(shù)；焊接電??；焊縫成形；飛濺；高速攝像；熔寬；熔深

步入21世紀后，中國正向現(xiàn)代化國家發(fā)展，發(fā)達的工業(yè)成為國家發(fā)展的有力保證.短路過渡CO2焊實際上是電弧對焊件的間斷加熱過程，具有電弧穩(wěn)定、熱量集中、高效節(jié)能和成本低等優(yōu)點.因此，短路過渡CO2焊在工程機械行業(yè)中應(yīng)用較廣.然而，焊接飛濺大、焊縫成形差是短路過渡CO2焊不可避免的缺陷，這些缺陷會導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降，熔敷效率降低，從而造成焊材的浪費［1－6］.眾所周知，電弧等離子體由正負離子和自由電子組成，電弧等離子體具有導(dǎo)電性的同時，還與磁場具有相互作用性.因此，可以通過外加磁場來控制電弧形態(tài)，從而實現(xiàn)改善短路過渡CO2焊缺點的目的［7－8］.

目前，有關(guān)電磁作用下焊接過程的研究較多. Arungalai等［9］人研究了外加磁場對焊接電弧的作用后發(fā)現(xiàn)，外加磁場使得電弧高速旋轉(zhuǎn)，并提高了電弧溫度.劉政軍等［10］人研究了低頻磁場對TIG焊電弧行為的影響后發(fā)現(xiàn)，外加縱向磁場后，TIG焊電弧中的粒子由最初的發(fā)散下落轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)下落，同時電弧發(fā)生了收縮，電弧壓力值減小.董旭等［11］人研究了外加磁場對焊縫成形的影響并發(fā)現(xiàn)，焊縫組織的均勻性和細化程度會隨著勵磁電流、勵磁頻率的增加呈現(xiàn)先變好后變差的趨勢.可見，外加磁場能夠在一定程度上改善焊縫成形，改變焊接電弧形態(tài)，從而為焊接過程提供有利條件.

1 材料和方法

實驗設(shè)備主要包含自行研制的MCWE-10／100型耦合磁控設(shè)備、Fronius-Trans Plus Synerglc 3200焊機、大功率激光光源、Photron Fastcam Ultima 512高速攝像機，以及弧焊過程高速攝像與電信號動態(tài)分析系統(tǒng).利用磁場發(fā)生裝置與CO2焊機的協(xié)同作用，比較分析了不同勵磁頻率和勵磁電流下的焊接電弧行為與焊縫成形規(guī)律.焊接電弧的高速攝像系統(tǒng)示意圖如圖1所示.

圖1 焊接電弧的高速攝像系統(tǒng)Fig.1 High speed camera system for welding arc

實驗?zāi)覆臑?Q235鋼板，其尺寸為200 mm× 40 mm×5 mm.焊絲為H08Mn2SiA，其直徑為1.2mm.保護氣體為純CO2，且氣體流量為15 L／min.實驗中高速攝像幀數(shù)為2000，快門速度為1／2 000 s，光圈數(shù)為22，分辨率為512×512.在焊接過程中，焊接電流為180 A，電弧電壓為22.6 V，焊接速度為29.16 cm／min，送絲速度為34 cm／min.

2 結(jié)果與分析

2.1 外加磁場對焊接電弧行為的影響

2.1.1 勵磁電流

圖2為在其他焊接參數(shù)保持不變的情況下，利用高速攝像機拍攝到的在不同磁場強度作用下的焊接電弧形態(tài).

圖2 不同磁場強度下的電弧形態(tài)Fig.2 Arc morphologies under different magnetic field intensities

由圖2a、b可知，當未施加外加磁場時，焊接電弧形態(tài)中心對稱，自上而下呈發(fā)散狀態(tài)，且外觀呈錐形.由圖2c、d可知，當外加磁場的勵磁電流I為1 A時，焊接電弧開始向四周擴散，電弧形態(tài)整體表現(xiàn)為上收下散的狀態(tài)，呈鐘罩形，且在洛倫茲力作用下焊接電弧開始發(fā)生旋轉(zhuǎn).此時焊接電弧形態(tài)比較穩(wěn)定，焊接效果較好.由圖2e、f可知，當外加磁場的勵磁電流為3 A時，相對于圖2c、d而言，焊接電弧的旋轉(zhuǎn)趨勢加強，且焊接電弧不再以焊絲的豎直位置為中心呈現(xiàn)出對稱狀態(tài)，而是向周圍發(fā)生了一定程度的偏移.此時，由于電弧旋轉(zhuǎn)程度的加劇，電弧形態(tài)變得不規(guī)整、不穩(wěn)定.由圖2g、h可知，當將外加磁場的勵磁電流提高至5A時，電弧形態(tài)發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn)，變得十分不穩(wěn)定，且此時電弧旋轉(zhuǎn)的半徑相對減小，焊接飛濺較大.

圖3為在其他焊接參數(shù)保持不變的情況下，不同磁場強度下的電流電壓波形圖.由圖3a、b可知，當未施加外加磁場時，由于傳統(tǒng)CO2焊接過程不穩(wěn)定，電弧燃弧時間相差很大，熔滴短路過渡時間也并不相同，且在0.08～0.10 s處出現(xiàn)了斷絲現(xiàn)象.由圖3c、d可知，當外加磁場的勵磁電流為1 A時，由于電磁力的作用提升了電弧中帶電粒子的密度，以及電弧的剛度和穩(wěn)定性，促進了短路液橋的形成，使得電弧的燃弧時間與熔滴過渡時間變得均勻，且熔滴過渡頻率得到了明顯提高.由圖3e、f可知，當外加磁場的勵磁電流為3 A時，相對于圖3c、d而言，由于電磁力的進一步增大，電弧穩(wěn)定性變差，電弧的燃弧時間和熔滴過渡時間增加，熔滴過渡頻率降低，因而焊接性變差.由圖3g、h可知，當勵磁電流增大到5A時，焊接過程依然不穩(wěn)定，且與外加磁場的勵磁電流為3 A時的情況相差不大.

圖3 不同磁場強度下的電流電壓波形Fig.3 W ave forms of current and voltage under different magnetic field intensities

2.1.2 勵磁頻率

圖4為當勵磁電流為1 A，不同勵磁頻率下的電弧形態(tài).由圖4a、b可知，當外加磁場的勵磁頻率f為10 Hz時，電弧形態(tài)發(fā)生了改變，且電弧上部出現(xiàn)了收縮跡象.由圖4c、d可知，當外加磁場的勵磁頻率為30 Hz時，焊接電弧下端發(fā)生了擴散，弧長略微減小，且電弧存在被壓扁跡象.由圖4e、f可知，當外加磁場的勵磁頻率為50 Hz時，焊接電弧形態(tài)發(fā)生了很大程度上的擴散，呈現(xiàn)出鐘罩形，且焊接電弧形態(tài)較穩(wěn)定.由圖4g～j可知，當外加磁場的勵磁頻率增加到70～90 Hz時，電弧形態(tài)存在收縮現(xiàn)象，電弧半徑有所減小，特別是當勵磁頻率達到90 Hz時，焊接電弧半徑減小得最為明顯.

圖4 不同磁場頻率下的電弧形態(tài)Fig.4 Arc morphologies under different magnetic field frequencies

圖5為當勵磁電流為1 A時，不同磁場頻率下的電流電壓波形圖.由圖5a～f可知，當外加磁場的勵磁頻率由10 Hz逐漸增加到50 Hz時，電弧的燃弧時間逐漸減小，熔滴短路過渡時間逐漸降低，熔滴過渡頻率相應(yīng)提高，因而焊接效果逐漸提高.特別是當外加磁場的勵磁頻率達到50 Hz時，焊接電流電壓波形曲線最為規(guī)整，短路過渡電流最低，飛濺率最小.由圖5g～j可知，隨著外加磁場勵磁頻率的繼續(xù)增加，長時間內(nèi)熔滴未發(fā)生相應(yīng)的過渡，燃弧時間較長，焊接電流電壓波形曲線開始變得混亂，此時焊接穩(wěn)定性下降，焊接效果變差.因此，在一定范圍內(nèi)改變外加磁場的勵磁頻率大小，可以有效控制焊接電弧形態(tài)，提高熔滴過渡頻率，降低焊接飛濺，提高焊接過程的穩(wěn)定性.

2.2 外加磁場對焊縫成形的影響

2.2.1 焊縫的宏觀形貌

圖6為不同磁場強度下焊縫的宏觀形貌.由圖6a可見，當無外加磁場時，焊縫的熔寬最小，飛濺率最大，在試件上可以清晰地觀察到較多的大顆粒飛濺物與一些小顆粒飛濺物.焊縫的魚鱗紋間距較大，成形不好.由圖6b可見，當外加磁場的勵磁電流為1 A時，焊縫的熔寬增加，試件上的飛濺物數(shù)量減少，僅觀察到了較少的大顆粒飛濺物與少量的小顆粒飛濺物.對比圖6b、c可知，當外加磁場的勵磁電流為3 A時，飛濺明顯增多，且能夠清晰地觀察到試件上存在幾顆較大飛濺物，此時外加磁場對焊接飛濺的控制效果開始下降，焊縫熔寬有所減小.由圖6d可見，當外加磁場的勵磁電流為5 A時，試件上再次出現(xiàn)了大量飛濺物，飛濺物數(shù)量甚至多于不加外加磁場時的情況，此時外加磁場不再具有較好的控制作用.綜上所述，隨著外加磁場強度的增大，焊縫的熔寬先增大后減小，焊接飛濺呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢.因此，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)磁場參數(shù)，可以有效減低焊接飛濺，改善焊縫成形，提高焊接質(zhì)量.

2.2.2 焊縫的熔寬和熔深

圖7、8為焊縫熔寬和熔深與不同磁場強度的關(guān)系.由圖7可見，當勵磁電流由0 A增加至2 A時，隨著外加磁場強度的增加，焊縫熔寬隨之增加，且當勵磁電流為2 A時，焊縫熔寬達到最大值.此后，隨著磁場強度的繼續(xù)增加，焊縫熔寬呈逐漸減小的趨勢.由圖8可見，焊縫熔深隨磁場強度的變化表現(xiàn)出相似的規(guī)律.當勵磁電流為2 A時，焊縫熔深達到最大值.

圖5 不同磁場頻率下的電流電壓波形Fig.5 Waveform s of current and voltage under different magnetic field frequencies

圖6 不同磁場強度下焊縫的宏觀形貌Fig.6 Macroscopic morphologies of weld bead under different magnetic field intensities

圖7 不同勵磁電流下的焊縫熔寬Fig.7 Weld width of weld bead under different excitation current

隨著外加磁場強度的增加，焊縫熔寬和熔深表現(xiàn)出先增加后減小的特點.當在焊接過程中施加較小強度的勵磁電流后，電磁力作用會引起焊接電弧的擴張，使得電弧形態(tài)呈現(xiàn)為鐘罩形，焊接電弧半徑隨之增大，電弧對焊縫作用面積隨之增加，因而焊縫的熔寬會相應(yīng)增加.同時由于磁場的施加，焊接電弧出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)形態(tài)，增加了電弧的穩(wěn)定性與剛度，使得電弧能量增強，進而電弧對熔深的作用效果增加，因此，熔深相應(yīng)增加.然而，隨著磁場強度的不斷增加，焊縫的熔深和熔寬會出現(xiàn)減小的現(xiàn)象.這種實驗現(xiàn)象可以主要歸結(jié)于以下幾點原因：首先，隨著磁場強度的增加，電弧發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的電弧將產(chǎn)生一個環(huán)形電流，環(huán)形電流將產(chǎn)生特定方向上的縱向磁場，且該磁場與原磁場在同一條直線上且方向相反，因此，該磁場在一定程度上削弱了原磁場的作用，使得焊縫的熔深和熔寬減小；其次，隨著磁場強度的增加，焊接電弧半徑越大，縱向磁場會產(chǎn)生更大的橫向分量，減弱了縱向磁場的作用，使得電弧變得不穩(wěn)定，電弧能量降低，因此，熔深變淺；再次，當電弧擴散到一定程度時，電弧中粒子的旋轉(zhuǎn)半徑增大，使得電弧與周圍空氣的接觸面積增加，周圍空氣的冷卻作用與CO2自身分解帶走的熱量會使焊接電弧能量降低，而電弧具有使自身保持能量損失最小的傾向，因此，焊接電弧會發(fā)生收縮，從而導(dǎo)致焊縫的熔寬減?。?2］.

圖8 不同勵磁電流下的焊縫熔深Fig.8 W eld penetration of weld bead under different excitation current

3 結(jié) 論

通過對外加縱向磁場對CO2焊接過程產(chǎn)生的影響進行研究，對比分析了不同磁場參數(shù)作用下的焊接電弧形態(tài).通過以上實驗分析，可以得到如下結(jié)論：

1）在一定磁場參數(shù)范圍內(nèi)，外加縱向磁場可以有效控制焊接電弧形態(tài)，提高電弧的剛度與穩(wěn)定性，使得焊接電流電壓波形曲線變得穩(wěn)定而有規(guī)律性.

2）在一定磁場參數(shù)范圍內(nèi)，外加縱向磁場可以改善焊縫的宏觀形貌，使得焊縫的熔寬和熔深增加.

3）當勵磁電流為1 A、勵磁頻率為50 Hz時，焊接電弧比較穩(wěn)定，電弧形態(tài)由錐形變?yōu)殓娬中?，并帶有一定程度的旋轉(zhuǎn)，焊縫成形性較好.

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（責任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英）

Influence of longitudinal magnetic field on welding arc and formation of weld bead in CO2welding

CHANG Yun-long1，BAI Jin1，LIU Dan1，MEI Qiang1，2
（1.School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China；2.College of Applied Technology，Dalian Ocean University，Dalian 116300，China）

In order to promote the development of CO2welding，it is very important to reduce the welding spatter rate and improve the formation of weld bead.Under the action of external longitudinal magnetic field with different intensities and frequencies，the morphologies of welding arc were observed with high speed camera technology.Meanwhile，the changes of weld width and penetration were measured.The results show that when the excitation current is1 A and the excitation frequency is50 Hz，the shape of welding arc changes from cone shape to bell shape，and the welding arc rotates according to a certain direction，which w ill improve the stiffness and stability of welding arc and thus the welding effect is better.With increasing the magnetic field parameters，the weld width and penetration of weld bead first increase and then decrease. Therefore，to control the magnetic field parameters in a certain range can effectively improve the formation of weld bead and reduce the welding spatter.

CO2welding；longitudinal magnetic field；magnetic field parameter；welding arc；formation of weld bead；spatter；high speed camera；weld width；weld penetration

TG 442

A

1000－1646（2016）06－0612－06

10.7688／j.issn.1000－1646.2016.06.03

2016－03－30.

國家自然科學(xué)基金資助項目（51275314）；沈陽市重點實驗室基金資助項目（F14－184－1－00）.

常云龍（1963－），男，遼寧沈陽人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事焊接工藝設(shè)備及自動化等方面的研究.

09－07 16∶06在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net／kcms／detail／21.1189.T. 20160907.1606.010.html