磁場(chǎng)對(duì)焊接的作用

第1章緒論1.1外加磁場(chǎng)的概述近年來(lái)，伴隨著材料科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料對(duì)焊接質(zhì)量的要求越來(lái)越高，相應(yīng)的各種新焊接工藝不斷涌現(xiàn)，以滿(mǎn)足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料的焊接要求，在電弧焊接過(guò)程中引入磁場(chǎng)控制就是滿(mǎn)足這種需要的正在發(fā)展的先進(jìn)焊接技術(shù)。研究表明：焊接接頭的內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)顯著影響焊縫金屬的強(qiáng)度等性能，細(xì)小的等軸晶能減少結(jié)晶裂紋、提高力學(xué)性能（如強(qiáng)度、韌性、疲勞壽命）。因此，控制焊接接頭內(nèi)部晶粒形態(tài)、尺寸成為人們研究的熱點(diǎn)。外加磁場(chǎng)控制的焊接技術(shù)就是控制晶粒形態(tài)及其尺寸的一種有效方法，之所以能夠采取外加磁場(chǎng)的方法，是因?yàn)殡娀〉入x子具有良好的導(dǎo)電性，可以通過(guò)外加磁場(chǎng)的方法來(lái)改變電弧的形狀和位置或者是控制電弧的運(yùn)動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)：外加磁場(chǎng)作用下的焊接技術(shù)改變了電弧焊的電弧形態(tài)，影響母材熔化和焊縫成形；通過(guò)電磁攪拌作用，改變焊接熔池液態(tài)金屬結(jié)晶過(guò)程中的傳質(zhì)和傳熱過(guò)程，從而改變晶粒的結(jié)晶方向，細(xì)化一次組織，減小偏析，提高焊縫的力學(xué)性能，降低氣孔、裂紋等焊接缺陷的敏感性。通常外加磁場(chǎng)可以分為三類(lèi)，即：外加橫向磁場(chǎng)、外加縱向磁場(chǎng)、外加尖角磁場(chǎng)。本課題所采用的是外加縱向磁場(chǎng)，即外加磁場(chǎng)方向與電極方向同軸或與電極方向平行。近年來(lái)，電磁作用電弧焊技術(shù)得到了極大的發(fā)展，應(yīng)用日益廣泛。在CO2焊時(shí)，利用外加縱向磁場(chǎng)可以促使焊接電弧旋轉(zhuǎn)并改變焊接電弧等離子流力和電流密度的徑向分布，使焊縫金屬的一次結(jié)晶組織得到細(xì)化，減小化學(xué)不均勻性，降低飛濺，提高焊縫金屬的塑性和韌性，降低結(jié)晶裂紋和氣孔的敏感性，從而提高焊縫金屬的性能，全面改善焊接接頭的質(zhì)量。在航空、航天、冶金、機(jī)械等部門(mén)具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的實(shí)用價(jià)值⑴。我們知道晶粒形態(tài)及尺寸受形核率和過(guò)冷度的影響，在外加縱向磁場(chǎng)的作用下，焊縫金屬的一次結(jié)晶組織之所以能夠得到細(xì)化，是因?yàn)樵谟型饧涌v向磁場(chǎng)的作用下，電磁攪拌通過(guò)三個(gè)方面增加了形核率：（1）熔池尾部的枝晶碎片；（2）熔池邊沿半熔化晶粒的分離；（3）異質(zhì)形核粒子。形成晶核后，在長(zhǎng)大過(guò)程中，電磁攪拌作用改變了熔池形狀，熔池液態(tài)金屬隨著電弧作螺旋運(yùn)動(dòng)，使得焊接熔池的溫度變得相對(duì)均衡；同時(shí)，隨著熔池金屬攪拌速度的增加，改變了傳熱方向，擴(kuò)散過(guò)程加快。這樣，枝晶晶粒沿著最大散熱方向生長(zhǎng)的時(shí)間很短，從而減少了晶粒尺寸。因此，在一定范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的作用下有助于晶粒細(xì)化，但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度高于其臨界值時(shí)，則在熔體內(nèi)產(chǎn)生熱阻尼現(xiàn)象，電磁阻尼將會(huì)抑制熔體的自然對(duì)流，從而抑制熱量的對(duì)流傳導(dǎo)，使溫度起伏減少，晶粒變得粗大，起不到細(xì)化晶粒的效果⑵。在外加縱向磁場(chǎng)的作用下焊接質(zhì)量之所以能夠得到全面的提高是因?yàn)樵谕饧涌v向磁場(chǎng)的作用下電弧形狀發(fā)生了改變，從而影響焊接電弧對(duì)工件的能量輸入，導(dǎo)致熔池形狀產(chǎn)生直接的影響。在縱向磁場(chǎng)的作用下，電弧中的帶電粒子在等離子流力、洛侖茲力、熱擴(kuò)張力等力的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生螺旋式高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)弧柱中氣體粒子之間的粘滯力，使得帶電粒子的高速旋轉(zhuǎn)必將帶動(dòng)中性粒子旋轉(zhuǎn)，外加磁場(chǎng)的電弧形狀成為高速旋轉(zhuǎn)的鐘罩形，這時(shí)電弧擴(kuò)張，電流密度在整個(gè)電弧徑向呈雙峰狀分布，于是熔寬增大，電弧中心能量密度降低，熔深減小，堆高增加［3］。但是外加縱向磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度也必須在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，近年來(lái)通過(guò)許多研究人員的研究表明，選擇適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)電磁攪拌的作用可以改變焊接熔池液態(tài)金屬結(jié)晶過(guò)程中的傳質(zhì)和傳熱過(guò)程，從而改變晶粒的結(jié)晶方向，細(xì)化一次組織，減少偏析，提高焊縫的力學(xué)性能，但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，電磁攪拌效果變差，降低焊縫質(zhì)量，因此外加磁場(chǎng)必須在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。1.2國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)長(zhǎng)期以來(lái)，焊接工作者針對(duì)磁場(chǎng)對(duì)電弧的作用進(jìn)行了不懈的研究。1962年Brown等人最先在不銹鋼、鈦合金、鋁合金焊接中研究電磁攪拌的影響，并且發(fā)現(xiàn)晶粒細(xì)化現(xiàn)象⑷；1971年Tseng和Savage第一個(gè)深入研究了在TIG焊焊時(shí)電磁攪拌對(duì)微觀組織和性能的影響⑸；隨后國(guó)內(nèi)外開(kāi)始對(duì)外加磁場(chǎng)作用下的焊接技術(shù)進(jìn)行廣泛地研究。在20世紀(jì)七八十年代，國(guó)外的學(xué)者對(duì)磁場(chǎng)與電弧的相互作用進(jìn)行了比較多的研究，如前蘇聯(lián)的基輔大學(xué)研究了縱向磁場(chǎng)作用下的薄板脈沖TIG焊焊接的熔池流動(dòng)和細(xì)化晶粒規(guī)律，通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用控制熔池的凝固和結(jié)晶過(guò)程⑹；巴頓焊接研究所研究了低壓等離子體在磁場(chǎng)中的收縮特性；英國(guó)利物浦大學(xué)的研究結(jié)果表明在磁場(chǎng)作用下電弧的旋轉(zhuǎn)速度可以大大增加；德國(guó)漢諾威大學(xué)研究了磁場(chǎng)作用的焊接電弧行為與焊絲熔滴過(guò)渡的形成過(guò)程，指出各種形式的縱向磁場(chǎng)（直流、交流、脈沖）對(duì)MAG焊焊接工藝的不同影響［磯在1980年以前，國(guó)內(nèi)研究者很少進(jìn)行電弧焊過(guò)程外加縱向磁場(chǎng)作用機(jī)理的研究工作，20世紀(jì)八九十年代后，國(guó)內(nèi)的學(xué)者對(duì)磁場(chǎng)在焊接過(guò)程中的應(yīng)用也開(kāi)始進(jìn)行了研究，而80年代中后期，西安交通大學(xué)賈昌申教授在20g鋼埋弧自動(dòng)焊中，用此方法細(xì)化了焊縫一次結(jié)晶組織，減少了焊縫金屬化學(xué)不均勻性，改善了焊縫金屬的塑性和韌性，提高了接頭冷彎角合格率⑻。并對(duì)間歇交變縱向磁場(chǎng)作用下焊接熔池的運(yùn)動(dòng)行為和焊縫成型進(jìn)行了初步研究。1994年，賈昌申教授又研究了外加間歇交變縱向磁場(chǎng)作用下焊接電弧的等離子流力和電流密度的徑向分布，實(shí)際測(cè)量了外加磁場(chǎng)作用下焊接電弧電流密度和等離子流力的分布，研究了外加間歇交變縱向磁場(chǎng)影響母材金屬的加熱熔化和焊縫成形的規(guī)律，并指出外加縱向磁場(chǎng)使電弧旋轉(zhuǎn)，焊接電弧呈鐘罩形，并通過(guò)電弧旋轉(zhuǎn)影響母材金屬的熔化和熔池中液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)⑼。此外，賈昌申教授還利用外加縱向磁場(chǎng)作用于20g鋼的埋弧自動(dòng)焊，證明采用雙向脈沖同軸磁場(chǎng)攪拌焊接熔池，可以有效地細(xì)化焊逢金屬的一次結(jié)晶組織，減少化學(xué)不均勻性，改善焊縫金屬的塑性和韌性，提高冷彎角的合格率［10］。太原工業(yè)大學(xué)對(duì)雙尖角磁場(chǎng)對(duì)等離子弧的二次壓縮作用進(jìn)行了出色的研究。上海交通大學(xué)羅鍵教授等在外加間歇交變縱向磁場(chǎng)對(duì)TIG焊焊縫成形的影響中，研究了間歇交變縱向磁場(chǎng)TIG焊焊接不同材料（低碳鋼、不銹鋼和鋁合金等）的焊縫成形，通過(guò)大量的工藝試驗(yàn)及對(duì)焊縫宏觀參數(shù)的測(cè)量，分析了該外加磁場(chǎng)對(duì)TIG焊焊縫成形的影響規(guī)律。試驗(yàn)還表明，外加磁場(chǎng)TIG焊焊接速度和焊接電流對(duì)焊縫成形也有影響［11］。近幾年，南昌航院江淑園，陳煥明，劉志凌等人在研究外加磁場(chǎng)對(duì) CO2焊飛濺的控制機(jī)理時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：外加縱向磁場(chǎng)控制 CO2短路過(guò)渡飛濺是可行的，并且作用于短路過(guò)渡飛濺的磁感應(yīng)強(qiáng)度與焊接規(guī)范有一個(gè)最佳的搭配，在一定的規(guī)范下，外加縱向磁場(chǎng)焊接電弧具有很強(qiáng)的約束作用，可以防止溶滴排斥出來(lái)產(chǎn)生飛濺，因此可以明顯地降低飛濺［12］。到目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電磁作用焊接技術(shù)的研究還比較薄弱，尤其是研究者對(duì)此認(rèn)為不足，研究工作主要集中在做焊接工藝試驗(yàn)，使用一個(gè)較宏觀的磁感應(yīng)強(qiáng)度將其描述為一個(gè)均勻磁場(chǎng)，忽略其分布的不均勻性，而且對(duì)外加磁場(chǎng)作用下的焊接技術(shù)的研究，大多局限在電弧焊領(lǐng)域，而使用的電磁場(chǎng)的頻率較低，強(qiáng)度較弱。隨著對(duì)電磁場(chǎng)理論的進(jìn)一步了解，人們通過(guò)電磁場(chǎng)應(yīng)用在其他焊接方法中，并且取得了一點(diǎn)成績(jī)，如外加磁場(chǎng)作用的電阻焊、CO2激光焊等，但是人們?cè)谶@一領(lǐng)域的研究者待進(jìn)一步的深入。1.3本文研究的主要內(nèi)容外加磁場(chǎng)具有簡(jiǎn)單、方便、高效等優(yōu)點(diǎn)，本課題主要是外加縱向磁場(chǎng)作用CO2焊短路過(guò)渡頻率的機(jī)理研究，由于外加磁場(chǎng)必須在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，否則會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生不好的影響，不能起到改善焊接質(zhì)量的目的。本課題所采用的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值是15mT,其最小值為零，磁場(chǎng)強(qiáng)度要可以在最大值與最小值之間進(jìn)行任意調(diào)節(jié)。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察在有無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下，CO2焊短路過(guò)渡的頻率變化，并且通過(guò)分析影響短路過(guò)渡頻率變化的工藝參數(shù)，進(jìn)一步研究外加磁場(chǎng)作用CO焊短路過(guò)渡頻率的機(jī)理。2影響CO2焊短路過(guò)渡的工藝參數(shù)主要是焊接電流、電弧電壓、送絲速度、氣體流量和磁場(chǎng)強(qiáng)度。短路過(guò)渡頻率隨著焊接電流、電弧電壓和磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，其工藝參數(shù)共同作用于熔滴過(guò)渡，因此他們之間必然有一個(gè)最佳的匹配關(guān)系，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察短路過(guò)渡頻率與工藝參數(shù)的關(guān)系，采用正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)找到其最佳的匹配關(guān)系。研究在不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下，短路過(guò)渡頻率的有何變化；同時(shí)觀察其焊接質(zhì)量，看其是否有飛濺產(chǎn)生。用短路過(guò)渡的頻率評(píng)定焊接質(zhì)量，研究外加磁場(chǎng)作用CO2焊短路過(guò)度頻率的機(jī)理。第2章短路過(guò)渡機(jī)制CO2氣體保護(hù)焊短路過(guò)渡CO2氣體保護(hù)焊中，熔滴的過(guò)渡過(guò)程直接影響到焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的好壞，而熔滴的過(guò)渡過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，影響因素很多，并且熔滴是在各種力的作用下過(guò)渡的，包括表面張力、電磁收縮力、等離子流力及重力等。由此可見(jiàn)研究分析熔滴過(guò)渡過(guò)程，對(duì)于提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。CO2焊短路過(guò)渡的特點(diǎn)CO2弧焊短路過(guò)渡形式，通常是直徑小于巾1.2mm的細(xì)焊絲，小電流、低電壓，短路過(guò)渡頻率在20?150次/秒。電弧處在一個(gè)短路、燃弧交替的循環(huán)周期中。在燃弧階段，焊絲在電弧熱和電阻熱的共同作用下熔化，在焊絲端部形成熔滴，熔滴體積逐漸變大，但弧長(zhǎng)基本不變，如圖2-1所示。圖2-1短路過(guò)渡過(guò)程示意圖如圖2-1所示，電弧引燃后（圖中1）,焊絲受熱的作用端頭開(kāi)始熔化并形成熔滴（圖中2）;隨著焊絲的熔化，熔滴繼續(xù)長(zhǎng)大（圖中3）,此時(shí)電弧向焊絲傳遞的熱量減少，焊絲的熔化速度減慢，而焊絲仍以一定的速度送進(jìn)，送絲速度比熔化速度快，使熔滴接觸熔池造成短路（圖中4）;短路瞬時(shí)電弧熄滅，電弧電壓急劇下降；隨著短路電流的迅速上升，在電磁收縮力和其他電弧力的共同作用下，熔滴與焊絲之間形成縮頸（圖中5）,并逐漸變細(xì)（圖中6）;當(dāng)短路電流上升到一定數(shù)值時(shí)，縮頸爆斷，熔滴過(guò)渡到熔池中，電弧電壓迅速恢復(fù)到空載電壓，電弧重新引燃（圖中7）；此后重復(fù)上述過(guò)程。在此期間電流則由峰值下降到穩(wěn)定的燃弧電流并保持在此水平上。隨著焊絲的熔化和熔滴的長(zhǎng)大，電弧向焊絲末端傳遞的熱量減少，焊絲熔化速度減少，但焊絲仍以一定的速度繼續(xù)送進(jìn)，結(jié)果弧長(zhǎng)變小直至熔滴與熔池接觸形成短路。這時(shí)電弧電壓突然降到短路電壓，而短路電流上升。由于焊接回路電感的抑制作用，使電流緩慢上升。同時(shí)，熔滴在表面張力和電磁收縮力的作用下向熔池潤(rùn)濕和轉(zhuǎn)移，隨后形成縮頸。當(dāng)短路電流上升到某一值時(shí)，該縮頸因通過(guò)很大的電流，在電阻熱作用下氣化而爆斷，并立即在焊絲與熔池之間激發(fā)新的電弧，開(kāi)始一個(gè)新的過(guò)渡周期。焊接電弧電壓、焊接電流信號(hào)中包含了表征電弧物理現(xiàn)象和焊接過(guò)程工藝性能的豐富信息，如熔滴的瞬時(shí)短路、電弧的重新燃弧、飛濺的大小和焊接過(guò)程的穩(wěn)定性等。整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中的特征在電壓、電流波形信號(hào)中都有顯著的反映，這也是我們依據(jù)電信號(hào)分析焊接實(shí)際過(guò)程的基礎(chǔ)。2.1.2短路過(guò)渡的頻率在CO2焊接時(shí)，熔滴向熔池過(guò)渡的形式通常為短路過(guò)渡，即焊絲端部的熔滴與熔池短路接觸，通過(guò)電磁收縮力的作用和強(qiáng)烈過(guò)熱使熔滴爆斷，直接向熔池過(guò)渡，因此短路過(guò)渡頻率就成為決定短路過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性，實(shí)際上也就是決定焊接過(guò)程穩(wěn)定性的重要因素,從而決定著焊接質(zhì)量。一元化調(diào)節(jié)最初是利用焊接電源本身外特性曲線控制的。如弧壓調(diào)節(jié)法和送絲速度調(diào)節(jié)法。在參數(shù)的設(shè)置上，往往根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以最高短路過(guò)渡頻率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，但有時(shí)頻率很高，飛濺反而更大，因?yàn)轭l率過(guò)高燃弧時(shí)間短，減小了電弧功率。在短路過(guò)渡焊接時(shí)，焊接過(guò)渡穩(wěn)定性可用短路過(guò)渡頻率f來(lái)表示，短路頻率越高，焊接過(guò)程越穩(wěn)定。影響短路過(guò)渡頻率的因素，除了焊接電源特性外，還與焊接參數(shù)有關(guān)，即與焊接電流、電弧電壓和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)焊接電流較小時(shí)，焊絲熔化速度降低，使弧長(zhǎng)拉長(zhǎng)（弧壓升高），延長(zhǎng)了燃弧時(shí)間，焊絲末端熔滴易長(zhǎng)大，故使短路頻率降低并增大了飛濺。當(dāng)采用調(diào)壓式平特性或緩特性焊接電源時(shí)，可以用空載電壓對(duì)短路頻率的影響來(lái)表示電弧電壓對(duì)短路過(guò)渡的影響?？蛰d電壓過(guò)高，弧長(zhǎng)要增長(zhǎng)，燃弧時(shí)間延長(zhǎng)，焊絲末端熔滴變粗，短路頻率降低，飛濺變大；空載電壓過(guò)低弧長(zhǎng)就要收縮，且短路電流值小，這樣易出現(xiàn)固體短路現(xiàn)象，增長(zhǎng)短路時(shí)間并容易導(dǎo)致焊絲大段爆斷，使短路頻率下降，飛濺增大，焊接過(guò)程不穩(wěn)定。

第3章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集及裝置的搭建3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集氣體保護(hù)焊信號(hào)檢測(cè)方法與其它工藝方法相比，熔化極氣體保護(hù)焊在焊接質(zhì)量、自動(dòng)化程度及生產(chǎn)成本方面均有明顯優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)其進(jìn)行深層次研究、開(kāi)發(fā)和完善是很有必要的。要分析熔滴過(guò)渡的本質(zhì)和規(guī)律，首先要對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè)，目前熔化極氣體保護(hù)焊的檢測(cè)方法主要有：1、 高速攝影法I”］:可以直接觀察熔滴過(guò)渡的圖像，但整套裝置相對(duì)復(fù)雜；高速攝像同樣可以直觀的獲得熔滴過(guò)渡過(guò)程的圖像，但由于熔滴過(guò)渡具有動(dòng)態(tài)特征，因此對(duì)于設(shè)備的處理速度提出了較高要求，并且設(shè)備的價(jià)格也比較昂貴。2、 X射線法：X射線的穿透力很強(qiáng)，所以廣泛用于檢測(cè)焊接內(nèi)部缺陷，但是應(yīng)用過(guò)程中必須要對(duì)射線加以防護(hù)。3、 電弧音頻信號(hào)檢測(cè)法：電弧音頻信號(hào)與內(nèi)在過(guò)渡過(guò)程的對(duì)應(yīng)規(guī)律不太顯著，信號(hào)源的品質(zhì)不夠理想。4、 光譜法％:借助光譜議將電弧輻射信號(hào)分解為光譜信號(hào)，依據(jù)電磁波的頻譜分析理論，找出對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡的特征信息，但也存在裝置復(fù)雜、價(jià)格昂貴的不足。5、 電弧電信號(hào)檢測(cè)法：通過(guò)傳感器將信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中，電壓、電流信號(hào)與熔滴過(guò)渡有很好的對(duì)應(yīng)性，并且設(shè)備比較簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)便宜，采集到的信號(hào)可以很靈活地加以處理，因此應(yīng)用得比較普遍。通過(guò)以上各種檢測(cè)方法得對(duì)比，本試驗(yàn)決定采用電信號(hào)檢測(cè)方法［15］。/2\/2\電弧圖3-1電信號(hào)采集過(guò)程示意圖3.2磁場(chǎng)裝置的搭建該課題所采用的外加磁場(chǎng)發(fā)生裝置由兩個(gè)主要部件組成：勵(lì)磁電源和螺線管線圈，它們都有各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁電源是為了產(chǎn)生穩(wěn)定的電流提供給螺線管線圈，以產(chǎn)生所需要的恒定的外加磁場(chǎng)，為了保證外加磁場(chǎng)的穩(wěn)定性，勵(lì)磁電源的輸出電流必須是穩(wěn)定的直流電，因?yàn)榉€(wěn)定的電流產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。而螺線管是用來(lái)產(chǎn)生與電源輸出電壓想吻合的磁場(chǎng)，本課題所采用的線圈是軸對(duì)稱(chēng)線圈，所謂軸對(duì)稱(chēng)，是從圖形上的各點(diǎn)向定直線L作垂線并延長(zhǎng)一倍，延長(zhǎng)線的端點(diǎn)所構(gòu)成的圖形稱(chēng)為與原圖形關(guān)于定直線L成軸對(duì)稱(chēng)，定直線L稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)軸。軸對(duì)稱(chēng)線圈有許多優(yōu)點(diǎn)，它容易制作，繞線作業(yè)和支撐磁場(chǎng)力比較容易；和其它類(lèi)型線圈相比，每單位體積繞線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)最大；通過(guò)若干線圈的組合可以獲得高均勻磁場(chǎng)或沿空間某一方向梯度均勻的磁場(chǎng)，正因?yàn)槿绱?，軸對(duì)稱(chēng)線圈得到廣泛的應(yīng)用。在制作螺線管線圈之前要先確定一些參數(shù)，例如所采用的銅線的規(guī)格以及線圈的匝數(shù)，確定好這些參數(shù)后便開(kāi)始制作線圈，圖3-2所制作的線圈，該線圈作用于焊接時(shí)的示意圖如圖2所示。圖3-2線圈示意圖

圖3-3外加磁場(chǎng)裝置作用于焊接示意圖焊接電源數(shù)磁電睬圖3-3外加磁場(chǎng)裝置作用于焊接示意圖焊接電源數(shù)磁電睬利用外加磁場(chǎng)對(duì)電弧進(jìn)行控制的方式通常有3種：①外加橫向磁場(chǎng)，即外加磁場(chǎng)的磁力線垂直通過(guò)電弧軸線；②外加縱向同軸磁場(chǎng)，即外加磁場(chǎng)的磁力線方向與電弧軸線方向平行；③外加尖角形磁場(chǎng)，它可使電弧弧柱的形狀變?yōu)闄E圓形，使弧柱能量密度和電弧電場(chǎng)強(qiáng)度提高。實(shí)際上，以上3種外加磁場(chǎng)又都含有恒定外加磁場(chǎng)和脈動(dòng)外加磁場(chǎng)兩種類(lèi)型。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)不同工藝要求在很大范圍內(nèi)改變所加磁場(chǎng)的強(qiáng)度和脈沖頻率，用來(lái)控制電弧形態(tài)及焊縫成形，達(dá)到改善焊縫結(jié)晶和消除缺陷的目的。對(duì)控制焊縫金屬一次結(jié)晶過(guò)程，縱向磁場(chǎng)具有更大的可能性。有關(guān)資料表明，在電磁作用焊接時(shí)，如果使用橫向磁場(chǎng)，在外磁場(chǎng)與等離子體和電弧自身磁場(chǎng)作用下，弧柱會(huì)產(chǎn)生偏移，工件上的活性斑點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)；當(dāng)給電弧施加縱向磁場(chǎng)時(shí)，電弧圍繞自己的軸線發(fā)生旋轉(zhuǎn)，加熱斑點(diǎn)也發(fā)生旋轉(zhuǎn)，外加磁場(chǎng)賦予電弧較大的挺度和穩(wěn)定性，并由于磁壓增高的結(jié)果,提高了弧柱中心溫度，進(jìn)而使得熔池的熔體被均勻攪拌，熔滴尺寸和它們?cè)诤附z端部的存在時(shí)間平均減少了1.3~1.2，熔滴的過(guò)渡頻率增加，提高了焊縫質(zhì)量，所以在外加磁場(chǎng)作用焊接時(shí)多采用外加縱向磁場(chǎng)。第4章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析4.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)正交優(yōu)化4.1.1預(yù)實(shí)驗(yàn)由于焊接過(guò)程是一個(gè)多因素影響的復(fù)雜過(guò)程，因而對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化就顯得非常困難。若逐個(gè)對(duì)每個(gè)影響因素進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。則必定要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，這在人力、財(cái)力和時(shí)間上都是不可行的。而正交試驗(yàn)法能夠大幅度地減少試驗(yàn)次數(shù)且不降低試驗(yàn)可行度，其優(yōu)點(diǎn)是用很少的試驗(yàn)次數(shù)(與全面試驗(yàn)相比)，獲得簡(jiǎn)便而有效的對(duì)因素效應(yīng)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的數(shù)據(jù)。正交表能夠在因素變化范圍內(nèi)均衡抽樣，使每次試驗(yàn)都具有較強(qiáng)的代表性。由于正交表具備均衡分散的特點(diǎn)，保證了全面試驗(yàn)的某些要求。這些試驗(yàn)往往能夠較好地達(dá)到試驗(yàn)的目的。在CO2氣體保護(hù)焊中，影響焊縫成形質(zhì)量的主要因素有焊絲直徑、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲伸出長(zhǎng)、保護(hù)氣體流量等。其中焊接速度是影響焊縫熔深、熔寬和余高的一個(gè)重要因素；焊絲伸出長(zhǎng)與電弧穩(wěn)定性和焊接過(guò)程中的飛濺有直接的關(guān)系；保護(hù)氣體在焊接過(guò)程中主要起到屏蔽的作用，其流量應(yīng)該在形成較為穩(wěn)定的層流的基礎(chǔ)上盡量大些。而焊絲的型號(hào)通常取決于焊接電流的大小以及試件的厚度。根據(jù)現(xiàn)有的資料得出：焊接電流，電弧電壓，焊接速度對(duì)焊接質(zhì)量影響最大，氣體流量和干伸長(zhǎng)次之，首先根據(jù)文獻(xiàn)固定后兩個(gè)參數(shù)：氣體流量為15L/min；導(dǎo)電嘴到工件的距離為15mm。由于本試驗(yàn)采用的是板厚為1mm的Q235鋼板，故選擇①1.0mmH08Mn2SiA的細(xì)焊絲。為保證板材不焊穿且焊接質(zhì)量好，做預(yù)試驗(yàn)如下：(1)當(dāng)電流為90A電弧電壓為17V焊接速度為0.6/0.7/0.8m/min現(xiàn)象試板燒穿當(dāng)焊接速度為0.9m/min現(xiàn)象且有燒穿的現(xiàn)象，有部分駝峰焊道(2)當(dāng)焊接電流為80A電弧電壓為19V焊接速度0.6m/min現(xiàn)象為試板背面有部分的燒穿的現(xiàn)象(3)當(dāng)焊接電流為80A電弧電壓為19V焊接速度0.7m/min現(xiàn)象為焊縫成型較好。4.1.2正交實(shí)驗(yàn)方案結(jié)合預(yù)試驗(yàn)，焊接因素選擇，焊接電流，電弧電壓和焊接速度做正交優(yōu)化，每個(gè)因素選三個(gè)水平，焊接電流分別選擇60A，70A，80A。電弧電壓分別選擇17V，18V，19V。焊接速度分別選擇0.6m/min，0.7m/min，0.8m/min，方案如表4-1表4-1正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)因素水平焊接電流電弧電壓焊接速度160170.6270180.7380190.8本試驗(yàn)主要考慮了焊接電流、電弧電壓、焊接速度3個(gè)因素進(jìn)行焊接工藝的正交試驗(yàn)。采用了規(guī)格化的三因素三水平正交表。見(jiàn)表4-2。該試驗(yàn)方案中每一個(gè)因子的不同水平在試驗(yàn)中出現(xiàn)次數(shù)相同而且任意兩因子的不同水平組合在試驗(yàn)中出現(xiàn)的次數(shù)也相同。從而保證了該正交試驗(yàn)的均衡性和正交性。其中L9(33)表示該三因素四水平的正交試驗(yàn)需進(jìn)行9組試驗(yàn)。

表4-2三因素四水平的正交試驗(yàn)列號(hào)ABC試驗(yàn)號(hào)1234111112122231333421235223162312731328321393321

4.1.3正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表4-3焊縫的波谷與波峰的比值（Aa）的測(cè)量值列號(hào)試驗(yàn)號(hào)AB3C4Aa12111110.5821212220.3733313330.6154421230.7692522310.4789623120.6471731320.6849832130.7188933210.6667I/30.52360.64930.5759II0.63170.63030.5684III/30.69010.59310.7011R0.02730.00620.0149選擇指標(biāo)：Aa為焊縫的波谷與波峰的比值，即Aa=amin/amax。Aa值越大，焊縫成形越好,（Aa----余高偏差率）。短路頻率，頻率越好，短路過(guò)渡越穩(wěn)定，飛濺的顆粒越小，焊縫成型越好，（F---短路頻率）。焊接條件：焊絲直徑為WmmH08Mn2SiA。試板50mmX200mmX1mmQ235。焊機(jī)為上海新亞NB-350逆變焊機(jī)。'

數(shù)據(jù)采集分析：漢諾威焊接質(zhì)量分析儀。行走小車(chē)：75BF003自動(dòng)行走小車(chē)。表4-4短路頻率（F）的測(cè)量值列號(hào)試驗(yàn)號(hào)AB3C4F1211111752122273.753133357.54212381.2552231656231278.5717313285832131009332190I/368.7580.476.7II/374.9579.679III/391.769.279.6R428.0491.314.7從試驗(yàn)正交結(jié)果看出，影響因子最大的是焊接電流，其次是電弧電壓，最小的是焊接速度，當(dāng)短路頻率越大，焊縫成型越好，焊接電流為80A是最好，電弧電壓為17V,焊接速度為0.8m/min。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果選定為A3B1C3，焊接電流為80A，電弧電壓為17V,焊接速度為0.8m/min，氣體流量15L/min導(dǎo)電嘴到工件的距離為15mm。其焊縫成型如圖所示可以看出焊縫魚(yú)鱗細(xì)密均勻，且焊縫寬度均勻一致，余高適中。

2.762.772.782.792.82.81Time[s]2.762.772.782.792.82.81Time[s]圖4-2電流電壓波形圖4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析4.2.1有無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)焊接電流與短路頻率的關(guān)系電弧電壓為17V,焊接速度為0.8m/min,氣體流量為15L/min，導(dǎo)電嘴到工件的距離為15mm，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0mt時(shí)，焊接電流與短路頻率的關(guān)系如表4-5。

表4-5磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0mt時(shí)焊接電流與短路頻率的關(guān)系焊接電流短路頻率平均短路頻率63.286562.7563.1563.4267.147067.0767.1467.2171.597570.9271.4371.7880.278080.2980.2980.3186.138585.1085.7185.90電弧電壓為17V,焊接速度為0.8m/min,氣體流量為15L/min，導(dǎo)電嘴到工件的距離為15mm，磁感應(yīng)強(qiáng)度為4mt時(shí)，焊接電流與短路頻率的關(guān)系如表4-6。

表4-6磁感應(yīng)強(qiáng)度B=4mt時(shí)焊接電流與短路頻率的關(guān)系焊接電流短路頻率平均短路頻率79.686579.4579.5679.5582.907082.9482.8882.8085.477585.5385.7086.1088.708088.5088.5788.5191.608591.8091.4390.89電弧電壓為17V,焊接速度為0.8m/min,氣體流量為15L/min，導(dǎo)電嘴到工件的距離為15mm，磁感應(yīng)強(qiáng)度為7mt時(shí)，焊接電流與短路頻率的關(guān)系如表4-7。

表4-7磁感應(yīng)強(qiáng)度B=7mt時(shí)焊接電流與短路頻率的關(guān)系焊接電流短路頻率平均短路頻率66.196566.4566.3366.3569.727070.1570.3471.1573.297573.5573.3373.1582.758083.0083.0083.2587.158587.0086.6585.80隨焊接電流的增大，短路頻率增大，同時(shí)在外加縱向磁場(chǎng)的作用下，短路液橋內(nèi)電流的徑向分量會(huì)受到外加縱向磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的作用，對(duì)短路液橋產(chǎn)生徑向向內(nèi)的磁致壓力的作用。這樣，加縱向磁場(chǎng)CO2短路液橋縮頸處，除了受到重力、表面張力、爆破力、焊接電流產(chǎn)生的電磁力的作用外，還受到外加縱向磁場(chǎng)對(duì)它的徑向向內(nèi)的磁致壓力的作用，從而加速了它的斷開(kāi)，增大了短路頻率，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大到7mt時(shí)，短路頻率相對(duì)減小。電流與頻率關(guān)系圖65 70 75 80 85電流/A圖4-3有無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)焊接電流與短路頻率的關(guān)系4.2.2有無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)電弧電壓與短路頻率的關(guān)系焊接電流為80A，焊接速度為0.8m/min,氣體流量為15L/min，導(dǎo)電嘴到工件的距離為15mm，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0mt時(shí)，電弧電壓與短路頻率的關(guān)系如表4-8。

表4-8磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0mt時(shí)電弧電壓與短路頻率的關(guān)系焊接電壓短路頻率 平均短路頻率5.181675.20 75.2675.4079.651781.15 80.0081.2083.291883.55 83.4383.4591.091990.20 90.4390.0094.022094.10 94.1494.30流為80A,焊接速度為0.8m/min,氣體流量為15L/min，導(dǎo)電嘴到工件的距離為15mm,磁感應(yīng)強(qiáng)度為4mt時(shí)，電弧電壓與短路頻率的關(guān)系表4-9。

表4-9磁感應(yīng)強(qiáng)度B=4mt時(shí)電弧電壓與短路頻率的關(guān)系焊接電壓短路頻率平均短路頻率83.551683.4583.2582.7588.681788.2588.5688.7593.171891.7392.2991.9795.021995.1095.1495.3099.092097.9698.4398.24焊接電流為80A，焊接速度為0.8m/min,氣體流量為15L/min，導(dǎo)電嘴到工件的距離為15mm，磁感應(yīng)強(qiáng)度為7mt時(shí)，電弧電壓與短路頻率的關(guān)系表4-10。

表4-10磁感應(yīng)強(qiáng)度B=7mt時(shí)電弧電壓與短路頻率的關(guān)系焊接電壓短路頻率平均短路頻率80.281680.2580.7681.7584.511782.8583.6783.6586.271887.5686.3985.3593.241991.8892.5892.1296.292094.7595.6395.85隨電弧電壓的增大，短路頻率增大，電弧電壓的增大，相當(dāng)于增大了電弧的能量，當(dāng)外加磁場(chǎng)做用時(shí)，由于正負(fù)離子的旋轉(zhuǎn)，增大了電弧的路徑，相當(dāng)于增大了電弧的電壓，提高了電弧的能量。電壓與頻率關(guān)系圖圖4-4電壓與頻率關(guān)系圖圖4-4有無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)電弧電壓與短路頻率的關(guān)系￡頻路短均平4.2.3磁場(chǎng)強(qiáng)度與短路頻率的關(guān)系焊接電流為70A電弧電壓為17V,焊接速度為0.8m/min，氣體流量為15L/min,導(dǎo)電嘴到工件的距離為15mm。磁感應(yīng)強(qiáng)度與短路頻率的關(guān)系如表4-11。表4-11焊接電流I=70A時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度與短路頻率的關(guān)系

磁場(chǎng)強(qiáng)度 短路頻率 平均短路頻率69.14TOC\o"1-5"\h\z0 68.15 68.1567.1676.692 72.73 74.7174.7182.504 83.51 83.5284.5575.356 77.39 77.3879.4075.558 72.44 72.4969.5869.0010 71.02 70.0370.0468.8812 70.82 68.8566.85焊接電流為80A電弧電壓為17V,焊接速度為0.8m/min，氣體流量為15L/min，導(dǎo)電嘴到工件的距離為15mm。磁感應(yīng)強(qiáng)度與短路頻率的關(guān)系如表4-12。表4-12焊接電流B=80A時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度與短路頻率的關(guān)系磁場(chǎng)強(qiáng)度 短路頻率 平均短路頻率78.05TOC\o"1-5"\h\z0 80.46 80.3582.6486.992 84.97 84.9782.9589.294 92.21 91.2391.1990.696 88.70 88.6386.5085.348 84.80 84.5883.6082.2810 81.22 82.3283.1981.1812 81.20 81.2681.40在外加縱向磁場(chǎng)焊接過(guò)程中，電弧中帶電粒子在等離子流力、熱擴(kuò)張力、洛侖茲力等力的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生螺旋式高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)弧柱中氣體粒子之間的粘滯力，使得帶電粒子的高速旋轉(zhuǎn)必將帶動(dòng)中性粒子旋轉(zhuǎn)，外加磁場(chǎng)的電弧形狀成為高速旋轉(zhuǎn)的鐘罩形，提高了電弧的挺度和穩(wěn)定性，增加了弧柱的能量密度及電場(chǎng)強(qiáng)度，弧柱溫度提高，焊絲的熔化速度加快，熔滴尺寸和它們?cè)诤附z端部存在的時(shí)間減少了，熔滴經(jīng)過(guò)電弧區(qū)的過(guò)渡頻率增加，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大一定時(shí)候時(shí)，短路頻率下降，這與電弧的螺旋式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。帶電粒子的螺旋式運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于在電弧弧柱截面上有一個(gè)環(huán)行電流，這個(gè)環(huán)行電流在電弧的中心區(qū)所產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)的磁力線方向正好與外加縱向磁場(chǎng)的方向相反，使之部分抵消。當(dāng)外加磁場(chǎng)較弱時(shí)，電弧旋轉(zhuǎn)速度慢，環(huán)行電流較小，對(duì)外加縱向磁場(chǎng)減小飛濺的作用影響不大；而當(dāng)外加磁場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，電弧旋轉(zhuǎn)速度快，環(huán)行電流大所產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度比較大，因而降低了外加縱向磁場(chǎng)對(duì)短路頻率的控制作用。磁感應(yīng)強(qiáng)度與短路頻率關(guān)系圖I=70AI=80A0 24 6 8 10 12磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度與短路頻率關(guān)系圖I=70AI=80A0 24 6 8 10 12磁感應(yīng)強(qiáng)度B/mT率頻路短均平圖4-5磁感應(yīng)強(qiáng)度與短路頻率的關(guān)系第5章結(jié)論從以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：外加磁場(chǎng)作用于CO2焊短路過(guò)渡是可行的，但是外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度必須在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，否則會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生不好的影響，不能起到改善焊接質(zhì)量的目的。本課題所采用的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值是15mT,其最小值為零，磁場(chǎng)強(qiáng)度要可以在最大值與最小值之間進(jìn)行任意調(diào)節(jié)。從以上分析可知當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B接近4mt時(shí)其平均短路頻率最大,此時(shí)的電弧穩(wěn)定性最好，焊接質(zhì)量最佳。CO2焊短路過(guò)渡的頻率與其工藝因素即焊接電流、電弧電壓、焊接速度、氣體流量以及外加磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，影響因子最大的是焊接電流，其次是電弧電壓，最小的是焊接速度，當(dāng)短路頻率越大，焊縫成型越好，正交試驗(yàn)法得出焊接電流為80A是最好，電弧電壓為17V,焊接速度為0.8m/min。在CO2焊焊接過(guò)程中，外加縱向磁場(chǎng)使電弧形狀成為高速旋轉(zhuǎn)的鐘罩形，提高了電弧的挺度和穩(wěn)定性，增加了弧柱的能量密度及電場(chǎng)強(qiáng)度，弧柱溫度提高，焊絲的熔化速度加快，熔滴尺寸和它們?cè)诤附z端部存在的時(shí)間減少了，熔滴經(jīng)過(guò)電弧區(qū)的過(guò)渡頻率增加，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大一定時(shí)候時(shí)，短路頻率下降，這與電弧的螺旋式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。帶電粒子的螺旋式運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于在電弧弧柱截面上有一個(gè)環(huán)行電流，這個(gè)環(huán)行電流在電弧的中心區(qū)所產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)的磁力線方向正好與外加縱向磁場(chǎng)的方向相反，使之部分抵消。當(dāng)外加磁場(chǎng)較弱時(shí)，電弧旋轉(zhuǎn)速度慢，環(huán)行電流較小，對(duì)外加縱向磁場(chǎng)減小飛濺的作用影響不大；而當(dāng)外加磁場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，電弧旋轉(zhuǎn)速度快，環(huán)行電流大所產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度比較大，因而降低了外加縱向磁場(chǎng)對(duì)短路頻率的控制作用。參考文獻(xiàn)江淑園，陳煥明，熊震宇等.外加磁場(chǎng)對(duì)CO2焊的影響[J].南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,Wl.17(2):2-4. 2⑵賈昌申，殷成青，賈濤.縱向磁場(chǎng)中的焊接電弧行為[J].西安交通大學(xué)報(bào),1994,28(4):7-13.劉政軍，程江波，蘇允海等.外加縱向磁場(chǎng)對(duì)堆焊金屬性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào),2006,35(1):16-17.江淑園，陳煥明，熊震宇.外加磁場(chǎng)對(duì)CO2焊接焊縫成形的影響[J].焊接技術(shù)，2006,35(2):23-24. 'D.C.Brown,etal.TheEffectofElectromagneticStirringandMechanicalVibrationonArcWelding.WeldingJournal.1962,41(2):241S-250S.C.F.Tseng,W.F.Savage.TheEffectofArcOscillationineithertheTransverseorLongitudinalDirectionhasaBeneficialEffectontheFusionZoneMicrostructareandTendtoReduceSensitivitytoHotCracking.WeldingJournal.1971,50(12):777-785.陳文惠，黃均仁，董文軍.厚壁管道MIG全位置自動(dòng)焊接國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展[R].哈爾濱:水電部電力建設(shè)研究所，1982,1.12.阿勃拉格夫.電磁作用焊接技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998,3-13.賈昌申，肖克民.用電磁攪拌提高20g鋼埋弧自動(dòng)焊焊縫質(zhì)量[J].電焊機(jī)，No4,14-17,1987.賈昌申，殷咸青，賈濤，等.縱向磁場(chǎng)中的焊接電弧行為[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1994,28(4):7-13.賈昌申，肖克民.用電磁攪拌提高20g鋼埋弧焊自動(dòng)焊焊縫質(zhì)量[J].電焊機(jī)，1987,17(4):14-17.羅鍵.外加間歇