帶狀電極MAG焊電弧行為及熔滴過(guò)渡研究.pdf

1、帶狀電極 MAG焊用矩形截面的帶狀電極代替常規(guī)的圓形焊絲作為熔化極進(jìn)行焊接,由于形狀特殊,焊接過(guò)程具有獨(dú)特的物理現(xiàn)象,體現(xiàn)出高效焊接的潛力。當(dāng)前對(duì)這種工藝的研究主要集中在工程應(yīng)用方面,對(duì)焊接過(guò)程物理本質(zhì)和提高焊接效率的根本原因等方面的研究比較匱乏。本文主要以厚度和寬度為0.2×6mm2的SUS304不銹鋼帶為熔化極材料,以工藝試驗(yàn)為基礎(chǔ),深入研究了帶狀電極 MAG焊電弧特性和熔滴過(guò)渡特點(diǎn),從焊接過(guò)程物理本質(zhì)揭示該工藝的特點(diǎn)和優(yōu)越性,并對(duì)

2、帶狀電極窄間隙MAG焊這一新工藝進(jìn)行了探索性研究。
　　本文首先針對(duì)帶狀電極的矩形截面形狀以及薄而軟的性能特點(diǎn),研制了帶狀電極 MAG焊槍,對(duì)常規(guī)送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造作為送帶裝置,在此基礎(chǔ)上建立了焊接工藝試驗(yàn)系統(tǒng)以及焊接過(guò)程信息采集系統(tǒng)。
　　電弧形態(tài)觀測(cè)結(jié)果表明,帶狀電極 MAG焊電弧是非柱對(duì)稱電弧,沿帶狀電極寬度方向的正面形態(tài)比沿厚度方向的側(cè)面形態(tài)擴(kuò)展,電弧截面從帶狀電極端部到母材由橢圓形逐漸過(guò)渡到圓形,帶狀電極寬厚比越大,

3、正面和側(cè)面形態(tài)差異越大。與焊絲MAG焊電弧相比,電弧靜特性表明帶狀電極MAG焊電弧電壓低2-3V,焊接電流高20-30A;相同參數(shù)下,帶狀電極MAG焊電弧弧長(zhǎng)長(zhǎng),體積大,電弧截面梯度小,等離子流速低;電弧壓力小且不再呈中心對(duì)稱分布,沿帶狀電極寬度方向的分布廣而沿厚度方向的分布小,整體分布趨于均勻。
　　利用高速攝像對(duì)帶狀電極 MAG焊熔滴在帶狀電極端部的產(chǎn)生、長(zhǎng)大和過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了觀察和分析,發(fā)現(xiàn)電弧和熔滴在帶狀電極端部沿寬度方向來(lái)

4、回運(yùn)動(dòng),基于最小電壓原理和力學(xué)機(jī)制分析了引起運(yùn)動(dòng)的原因。帶狀電極寬而薄的特點(diǎn)使電流在帶狀電極端部可以自由分布,也為電弧和熔滴在帶狀電極端部的運(yùn)動(dòng)提供了空間,這是前提條件;電弧能量較小時(shí),帶狀電極端部熔化不均勻,同時(shí)產(chǎn)生的多個(gè)熔滴及其附著的電弧組成了多個(gè)電流通道,通道間產(chǎn)生的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)著熔滴及其電弧運(yùn)動(dòng);電弧能量較大時(shí),帶狀電極端部熔化均勻,產(chǎn)生的單一熔滴及其附著的電弧總體上是柱對(duì)稱形狀,而覆蓋帶狀電極端部的整個(gè)焊接電弧是非柱對(duì)稱形狀,

5、二者形成的電流通道不同軸而產(chǎn)生洛倫茲力驅(qū)動(dòng)著熔滴及其電弧運(yùn)動(dòng)。
　　分析了熔滴過(guò)渡特點(diǎn)。隨焊接參數(shù)由小到大變化,帶狀電極 MAG焊熔滴依次呈現(xiàn)短路過(guò)渡、大滴過(guò)渡、射滴過(guò)渡、射流過(guò)渡和旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡。由于電弧和熔滴的運(yùn)動(dòng)以及帶狀電極的矩形截面,即使在大電流下帶狀電極端部也不能被削尖,不易形成穩(wěn)定的液流束,導(dǎo)致射流和旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡被抑制,射滴過(guò)渡成為主要過(guò)渡方式。
　　考慮帶狀電極的特殊形狀,基于靜力平衡理論建立了帶狀電極 MAG焊

6、熔滴受力模型,分析了熔滴受力特點(diǎn)。結(jié)果表明,相對(duì)于常規(guī)焊絲 MAG焊,作用于熔滴的表面張力增大,電磁力和等離子流力減小,導(dǎo)致熔滴過(guò)渡頻率低、尺寸大,熔滴過(guò)渡后在電弧空間的運(yùn)動(dòng)速度低,對(duì)熔池的沖擊作用顯著削弱。
　　分析了帶狀電極 MAG焊實(shí)現(xiàn)高效焊接的主要原因:電弧體積大,對(duì)工件加熱面積廣,熔池面積大,同時(shí)電弧壓力小且整體分布趨于均勻,熔滴對(duì)熔池沖擊作用弱,綜合作用的結(jié)果使得焊縫熔深淺而熔寬寬,大電流焊接時(shí)能有效避免指狀熔深的產(chǎn)生

7、,高速焊接時(shí)能抑制咬邊、駝峰等缺陷。試驗(yàn)結(jié)果表明,在現(xiàn)有條件下,堆焊速度達(dá)到3m/min能得到成形良好的焊縫,比常規(guī)焊絲MAG焊提高2倍多,2mm薄板對(duì)接焊速度達(dá)到1.85m/min能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。
　　基于帶狀電極的特殊形狀以及 MAG焊電弧行為和熔滴過(guò)渡特點(diǎn),提出了帶狀電極窄間隙 MAG焊接方法,設(shè)計(jì)了窄間隙焊槍,通過(guò)高速攝像觀察了電弧在間隙中的燃燒行為。結(jié)果表明,當(dāng)間隙大小、電弧電壓和送帶速度匹配恰當(dāng)時(shí),間隙中帶狀電極

8、端部的電弧能在側(cè)壁之間輪流燃燒,形成規(guī)律的擺動(dòng)電弧。間隙寬度對(duì)電弧擺動(dòng)起決定作用,隨間隙寬度的增大,電弧的擺動(dòng)程度減小。電弧電壓和送帶速度對(duì)電弧擺動(dòng)的影響較小,二者的匹配主要是保證焊接過(guò)程穩(wěn)定。
　　最后,對(duì)帶狀電極窄間隙 MAG焊焊縫成形特點(diǎn)進(jìn)行了分析,電弧在間隙中發(fā)生一定程度的擺動(dòng)是保證側(cè)壁熔合的關(guān)鍵。在間隙大小為8-10mm,電弧電壓為23-26V,送帶速度為9-12 m/min的參數(shù)區(qū)間內(nèi)能獲得焊縫成形良好、內(nèi)部無(wú)缺陷的窄