窄間隙MAG焊電弧行為研究.pdf

1、窄間隙MAG焊是針對(duì)厚板焊接的一種高效焊接方法。窄間隙MAG焊有許多具體的焊接方式，其中高速旋轉(zhuǎn)電弧方法焊接過(guò)程穩(wěn)定；雙絲方法焊接熱輸入范圍大，適于全位置焊。所以這兩種方法是窄間隙MAG焊中最常用的方法，涵蓋了窄間隙MAG焊的所有應(yīng)用領(lǐng)域，且二者具有各自的優(yōu)勢(shì)和適用領(lǐng)域，不能相互替代。高速旋轉(zhuǎn)電弧方法由于電弧旋轉(zhuǎn)頻率較高，因而具有獨(dú)特的電弧特性、熔滴過(guò)渡特性以及焊絲熔化特性；雙絲方法由于兩個(gè)電弧間的干擾，電弧穩(wěn)定性較差。所以本文針對(duì)這兩

2、種方法的電弧行為以及電弧行為對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。通過(guò)本文的研究，實(shí)現(xiàn)了鋼材料在窄間隙坡口中的穩(wěn)定焊接，豐富了窄間隙MAG焊接電弧理論，為規(guī)范參數(shù)的優(yōu)化選擇奠定基礎(chǔ)。
　　首先提出了焊絲雙錐擺旋轉(zhuǎn)方式，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高速旋轉(zhuǎn)窄間隙GMAW焊炬。焊炬較好地解決了導(dǎo)電嘴磨損和側(cè)壁熔合不良的問(wèn)題。根據(jù)流體力學(xué)計(jì)算和煙氣試驗(yàn)設(shè)計(jì)了插入式保護(hù)氣噴嘴，能夠?qū)ι钇驴诤附舆M(jìn)行有效的保護(hù)。為進(jìn)一步研究窄間隙高速旋轉(zhuǎn)電弧行為和實(shí)際應(yīng)用奠定

3、了基礎(chǔ)。
　　采用高速攝像對(duì)窄間隙中直流反極性高速旋轉(zhuǎn)電弧的熔滴過(guò)渡行為進(jìn)行了觀測(cè)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采集。結(jié)果表明：由于側(cè)壁和熔池表面形狀的影響，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中弧長(zhǎng)變化，引起焊接電流波動(dòng)，導(dǎo)致熔滴過(guò)渡形式和焊絲熔化速度發(fā)生周期性變化。對(duì)比不同旋轉(zhuǎn)頻率下的熔滴過(guò)渡形式和尺寸，證明旋轉(zhuǎn)電弧能夠促進(jìn)熔滴過(guò)渡，但熔滴尺寸并不一定減小，并揭示了離心力在促進(jìn)熔滴過(guò)渡中所起的作用。
　　根據(jù)高速攝像，計(jì)算了坡口中不同位置的熔滴過(guò)渡時(shí)間和過(guò)渡速度

4、，指出高速旋轉(zhuǎn)電弧飛濺較少的原因在于靠近側(cè)壁時(shí)熔滴過(guò)渡時(shí)間很短；在坡口中間時(shí)雖然過(guò)渡時(shí)間增大但熔池后部較長(zhǎng)，從而保證熔滴落入熔池中。熔滴過(guò)渡過(guò)程中等離子流力對(duì)其加速作用很小。
　　采用高速攝像對(duì)電弧形態(tài)觀測(cè)表明：窄間隙旋轉(zhuǎn)電弧跟隨焊絲端部液柱發(fā)生偏轉(zhuǎn)擺動(dòng)。隨著旋轉(zhuǎn)頻率增加，電弧擺動(dòng)角增加；焊接電流增加，擺動(dòng)角略有減小。電弧擺動(dòng)角增加，導(dǎo)致電弧旋轉(zhuǎn)半徑增大。通過(guò)對(duì)電弧和金屬液柱受力分析，以及對(duì)比有無(wú)液柱時(shí)的電弧形態(tài)，闡明了電弧擺動(dòng)是

5、液柱與電弧間電磁力以及液柱與側(cè)壁間可以形成導(dǎo)電通道引起陰極斑點(diǎn)移動(dòng)共同作用的結(jié)果。
　　試驗(yàn)表明高速旋轉(zhuǎn)電弧方法僅適用于直流反極性。系統(tǒng)的研究了直流反極性旋轉(zhuǎn)電弧對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律和機(jī)理。提高旋轉(zhuǎn)頻率和降低保護(hù)氣中 CO2含量能夠增加焊縫表面彎曲和側(cè)壁熔深。窄間隙旋轉(zhuǎn)電弧還可以增大焊接規(guī)范區(qū)間，但對(duì)焊絲熔化效率影響不大，因而旋轉(zhuǎn)電弧改變焊縫成形完全是由于電弧熱量的合理分配，而不是通過(guò)改變整體焊接熱輸入。進(jìn)而指出側(cè)壁熔深增加主要是

6、電弧旋轉(zhuǎn)半徑增大和靠近側(cè)壁時(shí)焊接電流增加共同作用的結(jié)果；側(cè)壁熱輸入增加，側(cè)壁與熔池的潤(rùn)濕能力增強(qiáng)，導(dǎo)致焊縫表面彎曲增大。另外旋轉(zhuǎn)頻率增加，焊絲端部金屬液柱的擺動(dòng)幅度增大，容易造成液柱與側(cè)壁短路，頻繁的短路過(guò)渡惡化焊縫成形，所以規(guī)范選擇的前提是液柱與側(cè)壁不發(fā)生短路過(guò)渡。
　　最后針對(duì)雙絲(電弧不旋轉(zhuǎn))窄間隙 MAG焊電弧穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。較大的送絲速度可以獲得更寬的穩(wěn)定規(guī)范區(qū)間。電弧不穩(wěn)定主要體現(xiàn)在由于電弧間干擾導(dǎo)致斷弧嚴(yán)重。通過(guò)試