直流正接mag焊電弧及熔滴過(guò)渡特性研究

直流正接mag焊電弧及熔滴過(guò)渡特性研究

0直流正接mag焊電弧的穩(wěn)定機(jī)理及方法長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外焊接研究主要集中在直接插入上。人們普遍認(rèn)為，在直接插入mag焊接時(shí)，焊接電源的負(fù)氧化膜將自動(dòng)尋找，焊接盤(pán)的端頭或側(cè)面的焊接異常。此外,由于陰極斑點(diǎn)壓力較大,增大了電弧對(duì)熔滴過(guò)渡的排斥作用,使得熔滴不能順暢地脫離焊絲端部,容易造成焊絲端部液態(tài)金屬的積聚,并產(chǎn)生較大的飛濺。為了穩(wěn)定直流正接MAG焊電弧,有報(bào)道稱(chēng)國(guó)外研究者采用了向焊絲中加入表面活性物質(zhì)(如銫鹽和鉀鹽)的方法以降低陰極金屬表面的逸出功。如果這些表面活性物質(zhì)能夠穩(wěn)定地存在焊絲端頭及其側(cè)面,則有利于焊絲端頭發(fā)射電子,這時(shí)靠近焊絲的陰極區(qū)域?qū)⒃黾与娮恿鞫鴾p小離子流的比例,于是減小了電弧對(duì)熔滴過(guò)渡的排斥力。但是從實(shí)際應(yīng)用效果看,確?；钚晕镔|(zhì)均勻分布在焊絲端頭及其側(cè)面,難度較大,因此該方法并不可靠,具有一定的局限性。倘若保護(hù)氣氛的氧化性較強(qiáng),使得由于氧化作用產(chǎn)生的氧化膜生成速度大于或者等于其破碎速度,就有可能使得陰極斑點(diǎn)固定在焊絲端頭及其側(cè)面,可見(jiàn)直流正接MAG焊的保護(hù)氣氛必須具有足夠的氧化性。為此,本文摒棄以往采用向焊絲添加活化物質(zhì)的方法,而是考慮選擇合適的并且常規(guī)的二元氧化性保護(hù)氣體,即采用Ar+O2或者Ar+CO2加以嘗試,以便弄清楚直流正接MAG焊的電弧行為,并力爭(zhēng)獲得過(guò)程穩(wěn)定、飛濺較小的直流正接MAG焊。如果不加以特別說(shuō)明,本文以下所有試驗(yàn)采用的焊絲材料為H08Mn2SiA,焊絲直徑為1.2mm。180%ar+20%co保護(hù)的mag焊電弧形態(tài)當(dāng)保護(hù)氣體采用Ar+CO2時(shí),直流正接MAG焊接過(guò)程如圖1所示。試驗(yàn)參數(shù)為:送絲速度vf=20m/min,焊接電流I=300A左右,電弧電壓Ua=40V,焊絲伸出長(zhǎng)度Le=16mm,保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2,保護(hù)氣體流量為15L/min。由圖1可知,80%Ar+20%CO2保護(hù)的直流正接MAG焊電弧形態(tài)可分為兩層,外層暗弧呈束狀且比較穩(wěn)定,而內(nèi)層亮弧在液錐末端作小范圍的跳動(dòng);熔滴過(guò)渡方式基本上為大滴排斥過(guò)渡,其間還摻雜著少量的射流過(guò)渡。總體來(lái)說(shuō),80%Ar+20%CO2保護(hù)的直流MAG焊接過(guò)程不夠穩(wěn)定、飛濺較大。由此可見(jiàn),直流正接MAG焊不宜采用Ar+CO2保護(hù),而應(yīng)選用對(duì)熔滴過(guò)渡排斥作用較弱的氧化性氣體,由此考慮到采用Ar+O2保護(hù)。298用金元素焊接mag焊通過(guò)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Ar與O2的配比必須合適。倘若含O2量過(guò)多,易產(chǎn)生大量的焊接煙塵,不但污染環(huán)境、影響焊工健康,而且會(huì)燒損較多的合金元素,使得焊縫含氧量增大,從而降低焊縫性能;而含O2量過(guò)少,保護(hù)氣氛中的氧化性不足以穩(wěn)定電弧;當(dāng)Ar與O2的配比為98∶2,如果送絲速度與電弧電壓搭配合適,就能夠獲得較為理想的結(jié)果。而98%Ar+2%O2保護(hù)的直流正接MAG焊按焊接電流的不同劃分為兩個(gè)區(qū)間,它們分別為小電流(I≤220A)和大電流(I>220A)。電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡在不同的電流區(qū)間呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn),下面分別予以介紹。2.1焊接電流對(duì)電弧力的影響當(dāng)焊接電流I≤220A時(shí),98%Ar+2%O2保護(hù)的直流正接MAG焊的熔滴過(guò)渡形式較為簡(jiǎn)單(其中焊絲伸出長(zhǎng)度Le=20mm),基本上為滴狀過(guò)渡,只不過(guò)隨著焊接電流的變化,熔滴尺寸及熔滴過(guò)渡頻率都發(fā)生改變,如圖2所示。從圖2中不難看出,電流較小時(shí)(圖2中第1、2、3幅圖),電弧力相應(yīng)較小,這時(shí)施加于熔滴上的作用力主要為重力和表面張力,只有當(dāng)熔滴體積聚集到較大的球滴后,其表面張力不能維持它的重力時(shí),熔滴便脫離焊絲端頭并向熔池過(guò)渡,所以此時(shí)的熔滴尺寸較大并且熔滴過(guò)渡頻率較低。當(dāng)焊接電流提高時(shí),電弧力有所增大。電弧力的增大有利于熔滴快速向熔池過(guò)渡,因此熔滴過(guò)渡頻率相應(yīng)提高,而熔滴體積逐漸減小,這一點(diǎn)與直流反接MAG焊的情況一致。當(dāng)焊接電流增大到180A時(shí),電弧力進(jìn)一步增大,同時(shí)等離子流力也相應(yīng)提高,而等離子流力對(duì)焊絲端頭的液態(tài)金屬產(chǎn)生較強(qiáng)的沖刷作用,使得焊絲端頭的形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)錐形(圖2中第4、5幅圖),并使得熔滴過(guò)渡頻率大為提高。但是與直流反接MAG焊的不同之處在于隨著焊接電流的增加,電弧形態(tài)并沒(méi)有發(fā)生明顯變化,它總是介于束狀和鐘罩狀之間,盡管此過(guò)程伴隨著焊絲端頭的液態(tài)金屬形狀的改變,如圖3所示。2.2帶模型的電弧模型當(dāng)焊接電流I>220A時(shí),并配合適當(dāng)?shù)碾娀‰妷?電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡行為都發(fā)生了很大的變化,如圖4所示。試驗(yàn)參數(shù)為:vf=15m/min,I=280A左右,Ua=35V,Le=20mm,保護(hù)氣體流量為20L/min。由圖4可知,當(dāng)I>220A時(shí),焊接電流出現(xiàn)了分流現(xiàn)象,使得電弧爍亮區(qū)可分成上下相串聯(lián)的兩部分,其中上弧呈束狀(稱(chēng)之為“束狀爍亮區(qū)”),它始終包覆液錐和大部分液流束,而下弧呈圓球狀(稱(chēng)之為“電弧爍亮球”),它包覆著液流束的端頭。由于電弧爍亮球的亮度明顯高于束狀爍亮區(qū),這說(shuō)明焊接電流經(jīng)過(guò)液態(tài)金屬的分量相對(duì)較大。另外,肉眼還能夠觀(guān)察到電弧爍亮區(qū)的外圍有一層較暗的虛弧,虛弧的形態(tài)跟小電流滴狀過(guò)渡直流正接MAG焊的電弧形態(tài)相似,也是介于束狀電弧和鐘罩狀電弧之間。當(dāng)熔滴脫離液流束末端后,束狀爍亮區(qū)變化不大,但是電弧爍亮球卻不規(guī)則地左右擺動(dòng),并且伴隨著無(wú)規(guī)律的上下跳動(dòng)。電弧爍亮球的這種運(yùn)動(dòng)方式使得液流束呈螺旋狀并且易失穩(wěn),同時(shí)熔滴過(guò)渡軌跡也偏離了焊絲軸線(xiàn),但是基本在電弧爍亮球內(nèi)部進(jìn)行,因此飛濺較小。由此可以給出大電流直流正接MAG焊的電弧模型,如圖5所示?？梢?jiàn),大電流直流正接MAG焊的熔滴過(guò)渡方式具有射流過(guò)渡的特征,例如液錐下端有一條細(xì)長(zhǎng)的液流束、熔滴尺寸小、熔滴過(guò)渡頻率高等,但是它的液流束并不是始終為直線(xiàn),大部分情況下呈螺旋狀,而且熔滴過(guò)渡并不是嚴(yán)格沿焊絲軸線(xiàn)進(jìn)行,基本上都偏離了焊絲軸線(xiàn),甚至當(dāng)液流束尖端上的液滴偏角過(guò)大時(shí)還產(chǎn)生了少量的細(xì)顆粒飛濺。盡管如此,這里仍稱(chēng)大電流直流正接MAG焊的熔滴過(guò)渡方式為射流過(guò)渡,但是應(yīng)與通常所說(shuō)的直流反接MAG焊射流過(guò)渡有所區(qū)別。2.3焊接工藝參數(shù)的變化試驗(yàn)結(jié)果表明,保持送絲速度不變的前提下,隨著電弧電壓的提高,使得焊絲端頭和電弧形態(tài)都發(fā)生了變化,由圖6可見(jiàn)它們將整體上移(試驗(yàn)參數(shù)與圖4相同,僅將Ua提高到45V),焊絲端頭將遠(yuǎn)離工件,并形成較大的弧長(zhǎng)。從電弧形態(tài)看,束狀爍亮區(qū)的亮度減弱,而電弧爍亮球仍與焊絲端頭相連,但是電弧爍亮球卻呈現(xiàn)為更亮的球狀電弧,并且該球狀電弧非常不穩(wěn)定,它不斷地沿熔滴端部游動(dòng)。在電弧形態(tài)的影響下,焊絲端頭的液態(tài)金屬的形態(tài)也發(fā)生了變化,由細(xì)長(zhǎng)的液流束變?yōu)樵诤附z端頭懸掛著一個(gè)體積較大的熔滴。這是由于在束狀爍亮區(qū)的電弧與液流束所構(gòu)成的系統(tǒng)中,由于液流束中流過(guò)較大的電流,于是電弧爍亮球?qū)?duì)焊絲端頭產(chǎn)生較大的排斥作用,從而形成了較大的熔滴。從電弧爍亮球存在的位置可以這樣認(rèn)為:因?yàn)橐毫魇祟^處作為陰極,其特點(diǎn)表現(xiàn)為陰極的電場(chǎng)強(qiáng)度高且陰極的電流密度大,這就決定了陰極附近的區(qū)域?qū)⑹悄芰棵芏茸畲蟮奈恢?不僅產(chǎn)熱高,而且氣體電離度也高,于是形成了電弧爍亮球。當(dāng)電弧遠(yuǎn)離陰極區(qū)并進(jìn)入到弧柱,由于此時(shí)電弧電場(chǎng)強(qiáng)度降低,使得電弧的產(chǎn)熱也低,因而導(dǎo)致電弧的亮度變暗。然而當(dāng)電弧電壓降低時(shí),焊絲端頭和電弧形態(tài)整體下移,如圖7所示(焊接工藝參數(shù)同上,僅將Ua降低到27V)。由于電弧電壓太低,電弧難以上爬到固態(tài)焊絲上,于是束狀爍亮區(qū)變短甚至消失,而所謂的電弧爍亮球?qū)⒁誀q亮電弧形態(tài)存在,并直接在焊絲與熔池之間形成。焊絲端頭常常與熔池短路,同時(shí)形成大量的飛濺。綜合以上分析可知,只有確保焊接規(guī)范參數(shù)處于射流過(guò)渡區(qū)間,才能獲得相對(duì)穩(wěn)定的大電流直流正接MAG焊接過(guò)程,如圖8所示,其中圖8中剖面線(xiàn)區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)穩(wěn)定的大電流直流正接MAG焊的射流過(guò)渡區(qū)間,上面部分表示電弧電壓過(guò)高導(dǎo)致飛濺較大的大滴排斥過(guò)渡區(qū)間,而虛線(xiàn)下面的區(qū)域則表示電弧電壓過(guò)低導(dǎo)致液流束與熔池短路的短路過(guò)渡區(qū)間。3啟動(dòng)mag焊的必要性穩(wěn)定的直流正接MAG焊(尤其當(dāng)I>220A時(shí))所特有的電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡機(jī)制,使其焊絲熔化特性與直流反接MAG焊時(shí)存在很大的區(qū)別。(1)電弧籠罩了部分固態(tài)焊絲并對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱,從而加快了焊絲熔化。(2)焊絲接負(fù),由于焊絲為冷陰極材料,因此陰極壓降較高,在相同的電流條件下,陰極產(chǎn)熱要大于陽(yáng)極產(chǎn)熱,同樣能加快焊絲熔化。(3)液流束末端的電弧爍亮區(qū)所特有的運(yùn)動(dòng)特征導(dǎo)致液流束易失穩(wěn),有利于液流束末端的液態(tài)金屬快速脫離液流束并向熔池過(guò)渡。直流正接MAG焊的電弧和熔滴過(guò)渡的上述特點(diǎn)使得焊絲熔化效率大為提高。在相同的送絲速度條件下,若不考慮電弧電壓的影響,直流正接MAG焊的焊絲熔化系數(shù)α+為直流反接MAG焊的焊絲熔化系數(shù)α–的1.3~1.4倍左右,如下表所示。4熔滴過(guò)渡方式設(shè)計(jì)(1)80%Ar+20%CO2保護(hù)的直流正接MAG焊電弧形態(tài)可分為兩層,外層暗弧呈束狀且比較穩(wěn)定,而內(nèi)層亮弧在液錐末端作小范圍的跳動(dòng);熔滴過(guò)渡方式基本上為大滴排斥過(guò)渡,其間還摻雜著少量的射流過(guò)渡。(2)基于98%Ar+2%O2保護(hù)的、穩(wěn)定的直流正接MAG焊的熔滴過(guò)渡方式可分為滴狀過(guò)渡(I≤220A)和射流過(guò)渡(I>220A),其中前者的電弧形態(tài)介于束狀電弧和錐狀電弧之間,而后者的電弧爍亮區(qū)可分為為束狀爍亮