(遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112000)

0 引言

在常規(guī)焊接時(shí)，焊槍適合橫向、豎向等任意方向的對焊。但如果在特殊的工作環(huán)境下，例如生產(chǎn)壓力容器、管道等產(chǎn)品，需要單面焊接窄而深的焊接接頭時(shí)，由于傳統(tǒng)氬弧焊焊槍的特殊結(jié)構(gòu)，使用傳統(tǒng)焊槍深入坡口內(nèi)側(cè)焊接時(shí)擺動(dòng)十分不便，無法達(dá)到窄焊縫打底焊應(yīng)有的寬度[1]。蓋面焊時(shí)，又焊縫寬度較大，這就要求電弧左右擺動(dòng)幅度盡可能的大，以保證焊縫表面寬度，電弧的擺動(dòng)需要焊槍擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，焊槍的大幅度擺動(dòng)時(shí)，會(huì)引起電弧不穩(wěn)定和保護(hù)氣無法及時(shí)保護(hù)熔池的現(xiàn)象，焊接質(zhì)量就不能保證[2]。為了解決這個(gè)問題。我們研制一種電弧可自動(dòng)擺動(dòng)的電磁控制式焊槍。就是焊槍上的電磁控制裝置能自動(dòng)控制電弧的擺動(dòng)，上面的問題就會(huì)迎刃而解。

1 自動(dòng)擺弧氬弧焊原理

在現(xiàn)有的鎢極氬弧焊焊槍上設(shè)計(jì)添加磁擺裝置，也就是一個(gè)電磁感應(yīng)線圈，通入交流電時(shí)線圈就會(huì)在電弧區(qū)產(chǎn)生一個(gè)平行于電弧方向的交變磁場，電弧中的被電離的氣體中含有大量的正、負(fù)離子，這些正、負(fù)離子在磁場中運(yùn)動(dòng)，就會(huì)受到垂直于電弧方向洛倫茲力的作用，根據(jù)左手定則知：正、負(fù)電荷收到的磁場力方向相反，因此他們會(huì)在力的作用下沿垂直電弧方向向相反方向運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榇艌龇较蛑芷谛宰兓?，磁場力方向也是周期性變化，電弧就?huì)在磁場力的作用下做周期性擺動(dòng)，通過調(diào)節(jié)磁擺線圈電流的頻率和幅值就可調(diào)節(jié)電弧的擺動(dòng)頻率和弧值，電弧沿與磁力線垂直的方向左右擺動(dòng)把電弧加熱區(qū)加寬，從而加寬了焊道而不需要焊槍大幅度擺動(dòng)。

2 焊接試驗(yàn)

2.1 材料準(zhǔn)備

鋼板選用工業(yè)中最常用的45鋼，截取尺寸為500 mm×200 mm×20 mm，在母材Q235板材上開I形坡口，深度為20 mm，為了滿足焊槍導(dǎo)電嘴及氣罩伸入坡口方便引弧的條件；適當(dāng)加工坡口單邊坡口坡面角為5°，坡口底部寬12 mm，頂部寬15 mm，這樣的I型坡口呈上大下小形狀，目的是為了方便焊槍伸入和抵消焊后坡口收縮引起的熱變形。

2.2 焊接參數(shù)

2.2.1 極性與電流電壓

焊接電源選用直流電源，因?yàn)橹绷麟婋娀∠鄬Ψ€(wěn)定，電流極性采用直流正接，因?yàn)檫@樣工件上能得到更多的熱量，母材熔化快，有利于根部焊道的焊透，同時(shí)鎢極過熱程度?。灰?yàn)槭顷庪x子向熔池撞擊，產(chǎn)生的斑點(diǎn)力較小，容易產(chǎn)生細(xì)滴過渡和減小飛濺；電弧挺度、穩(wěn)定性較好。

焊接電流影響熔深，適當(dāng)增加電流可以增大熔深，但要與鎢極直徑或焊絲相匹配，鎢極直徑越大，電流也越大，試驗(yàn)所用焊絲直徑為3.2 mm，適合載流為250 A。電弧電壓決定電弧弧長，電弧電壓與電弧電流合理匹配時(shí)才能獲得過渡周期均勻的穩(wěn)定焊接過程。電流電壓乘積為焊接熱輸入，熱輸入越大，熔池流動(dòng)性越好。電流電壓一般按關(guān)系匹配，本實(shí)驗(yàn)選用電壓為30 V。

2.2.2 磁擺線圈的電源特性

磁擺線圈使用交流電，因?yàn)檫@樣才會(huì)在電弧區(qū)產(chǎn)生周期性變化的磁場，從而自動(dòng)控制電弧的擺動(dòng)周期和幅度，電流頻率為1～20 Hz內(nèi)可調(diào)，頻率越高，電弧區(qū)磁場方向變化越快，電弧的擺動(dòng)與穩(wěn)定，但相應(yīng)地會(huì)影響電弧擺動(dòng)的幅度，磁擺線圈的電壓采用220 V。

2.3 焊接速度

電流電壓一定時(shí)，焊接速度決定焊接線能量。焊接速度小時(shí)線能量大，熔池熔深熔寬增加，但過大的線能量會(huì)造成熔池堆高和焊縫組織粗大，接頭力學(xué)性能下降；焊接速度大時(shí)線能量小，容易造成熔寬不足，再者焊接速度增快時(shí)，氬氣流量要相應(yīng)增大，而且焊接速度過快時(shí)，由于焊接區(qū)空氣會(huì)對保護(hù)氣產(chǎn)生一個(gè)阻力，使保護(hù)氣運(yùn)動(dòng)相對滯后，保護(hù)效果變差。因此需要試驗(yàn)確定合理的焊接速度也就是焊槍運(yùn)動(dòng)的速度。本試驗(yàn)選取1.5～2.0 mm/s。

2.3.1 保護(hù)氣種類及流量

保護(hù)氣選用氬氣與二氧化碳?xì)怏w混合氣，氬氣占80%，二氧化碳?xì)怏w占比20%，因?yàn)闅鍤馐嵌栊詺怏w，用作保護(hù)氣時(shí)不會(huì)參與冶金反應(yīng)，也可以防止合金元素?zé)龘p，有效防止熔池金屬氧化，同時(shí)氬氣電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺少，噪音小，熔滴過渡形式多為射流過渡，焊縫成形美觀，并降低焊縫中產(chǎn)生氣孔、夾渣等焊接缺陷的幾率，使焊后脫渣過程更加容易。加入少量的二氧化碳，一方面二氧化碳是活性物質(zhì)，可以降低液態(tài)金屬的表面張力，使液滴過渡的阻力減少，產(chǎn)生穩(wěn)定的射滴過渡，并利于熔池液態(tài)金屬鋪展；另一方面二氧化碳具有高的導(dǎo)熱性比，能將更多的熱輸入傳給焊縫金屬，增大熔池金屬的流動(dòng)，使熔池尺寸變大，形狀為碗狀，改善了純焊縫的指狀熔深，更加適合厚斷面構(gòu)件的焊接。

保護(hù)氣體流量要適當(dāng)。因?yàn)闅鍤獗Ｗo(hù)是柔性的，容易受外界氣流的影響，當(dāng)外界氣流較強(qiáng)時(shí)，外界氣流就會(huì)減弱氬氣對熔池和電弧的保護(hù)作用，所以應(yīng)注意防止周圍空氣的強(qiáng)烈流動(dòng)，如果有風(fēng)時(shí)，可以設(shè)置擋風(fēng)板。 氬氣流速過大時(shí)，則經(jīng)過噴嘴時(shí)形成的近壁層流很薄， 氣體噴出后，氣體的挺度不好，容易形成亂流，對熔池的保護(hù)就變差。流速太小，保護(hù)氣的挺度也會(huì)變差，氬氣不能全覆蓋電弧區(qū)，這樣就失去保護(hù)作用，合適的氬氣流量為 10～15 L/min。

2.3.2 噴嘴至工件的距離

距離越遠(yuǎn)則氫氣保護(hù)效果越差，減小距離可相應(yīng)減小氣體流量，同時(shí)還可以減小側(cè)向風(fēng)對電弧的作用，但距離太小則操作觀察不方便，且磁擺裝置和磁靴易和工件相碰，合適的距離為6～10 mm。鎢極伸出噴嘴的長度選取3～4 mm。

3 焊接質(zhì)量

通過觀察焊接過程和焊接后形成的焊縫發(fā)現(xiàn)：添加磁擺裝置的自動(dòng)鎢極氫弧焊焊槍，在系列脈沖程控全位置氫弧焊管機(jī)和微機(jī)控制全位置氫弧焊管機(jī)上長時(shí)間應(yīng)用表明，該焊槍性能穩(wěn)定靠，焊縫成形良好，且具有以下優(yōu)點(diǎn)。

3.1 焊縫寬度變大

與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊焊槍相比，在同樣的焊接工藝參數(shù)條件下，這種磁擺電弧的焊縫能加寬40%～50%，在焊接窄焊縫的打底焊時(shí)，不需要擺動(dòng)焊槍，就能保證電弧寬度，有效解決了窄焊縫打底焊容易焊漏的現(xiàn)象。蓋面焊時(shí)能保證蓋面焊縫完全覆蓋住，焊縫表面質(zhì)量光滑、美觀。

3.2 焊接缺陷減少

熔池金屬在磁場力作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，向著磁場方向的變化而變化，從而對熔池產(chǎn)生攪拌作用，有利于化學(xué)成分的均勻化，熔渣、氣泡的上浮，因此焊縫成分均勻，晶粒細(xì)小，降低氣孔傾向，并有效地抑制焊縫裂紋[3]，提高焊縫力學(xué)性能。

4 結(jié)語

添加磁擺裝置的鎢極氬弧焊焊槍結(jié)構(gòu)簡單，不需要手工大幅度擺動(dòng)焊槍，性能可靠，操作方便，焊接的焊縫寬度明顯增大，焊接缺陷降低，是一種較有應(yīng)用價(jià)值的焊槍設(shè)計(jì)， 可在各種自動(dòng)鎢極氫弧焊機(jī)上應(yīng)用。