窄焊縫的自動擺弧氬弧焊焊接技術

(遼寧工程職業學院，遼寧 鐵嶺 112000)

0 引言

在常規焊接時，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境下，例如生產壓力容器、管道等產品，需要單面焊接窄而深的焊接接頭時，由于傳統氬弧焊焊槍的特殊結構，使用傳統焊槍深入坡口內側焊接時擺動十分不便，無法達到窄焊縫打底焊應有的寬度[1]。蓋面焊時，又焊縫寬度較大，這就要求電弧左右擺動幅度盡可能的大，以保證焊縫表面寬度，電弧的擺動需要焊槍擺動來實現，焊槍的大幅度擺動時，會引起電弧不穩定和保護氣無法及時保護熔池的現象，焊接質量就不能保證[2]。為了解決這個問題。我們研制一種電弧可自動擺動的電磁控制式焊槍。就是焊槍上的電磁控制裝置能自動控制電弧的擺動，上面的問題就會迎刃而解。

1 自動擺弧氬弧焊原理

在現有的鎢極氬弧焊焊槍上設計添加磁擺裝置，也就是一個電磁感應線圈，通入交流電時線圈就會在電弧區產生一個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、負離子，這些正、負離子在磁場中運動，就會受到垂直于電弧方向洛倫茲力的作用，根據左手定則知：正、負電荷收到的磁場力方向相反，因此他們會在力的作用下沿垂直電弧方向向相反方向運動，因為磁場方向周期性變化，磁場力方向也是周期性變化，電弧就會在磁場力的作用下做周期性擺動，通過調節磁擺線圈電流的頻率和幅值就可調節電弧的擺動頻率和弧值，電弧沿與磁力線垂直的方向左右擺動把電弧加熱區加寬，從而加寬了焊道而不需要焊槍大幅度擺動。

2 焊接試驗

2.1 材料準備

鋼板選用工業中最常用的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，為了滿足焊槍導電嘴及氣罩伸入坡口方便引弧的條件；適當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

2.2.1 極性與電流電壓

焊接電源選用直流電源，因為直流電電弧相對穩定，電流極性采用直流正接，因為這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，同時鎢極過熱程度小；因為是陰離子向熔池撞擊，產生的斑點力較小，容易產生細滴過渡和減小飛濺；電弧挺度、穩定性較好。

焊接電流影響熔深，適當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才能獲得過渡周期均勻的穩定焊接過程。電流電壓乘積為焊接熱輸入，熱輸入越大，熔池流動性越好。電流電壓一般按關系匹配，本實驗選用電壓為30 V。

2.2.2 磁擺線圈的電源特性

磁擺線圈使用交流電，因為這樣才會在電弧區產生周期性變化的磁場，從而自動控制電弧的擺動周期和幅度，電流頻率為1～20 Hz內可調，頻率越高，電弧區磁場方向變化越快，電弧的擺動與穩定，但相應地會影響電弧擺動的幅度，磁擺線圈的電壓采用220 V。

2.3 焊接速度

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

2.3.1 保護氣種類及流量

保護氣選用氬氣與二氧化碳氣體混合氣，氬氣占80%，二氧化碳氣體占比20%，因為氬氣是惰性氣體，用作保護氣時不會參與冶金反應，也可以防止合金元素燒損，有效防止熔池金屬氧化，同時氬氣電弧燃燒穩定，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，可以降低液態金屬的表面張力，使液滴過渡的阻力減少，產生穩定的射滴過渡，并利于熔池液態金屬鋪展；另一方面二氧化碳具有高的導熱性比，能將更多的熱輸入傳給焊縫金屬，增大熔池金屬的流動，使熔池尺寸變大，形狀為碗狀，改善了純焊縫的指狀熔深，更加適合厚斷面構件的焊接。

保護氣體流量要適當。因為氬氣保護是柔性的，容易受外界氣流的影響，當外界氣流較強時，外界氣流就會減弱氬氣對熔池和電弧的保護作用，所以應注意防止周圍空氣的強烈流動，如果有風時，可以設置擋風板。 氬氣流速過大時，則經過噴嘴時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，對熔池的保護就變差。流速太小，保護氣的挺度也會變差，氬氣不能全覆蓋電弧區，這樣就失去保護作用，合適的氬氣流量為 10～15 L/min。

2.3.2 噴嘴至工件的距離

距離越遠則氫氣保護效果越差，減小距離可相應減小氣體流量，同時還可以減小側向風對電弧的作用，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 焊接質量

通過觀察焊接過程和焊接后形成的焊縫發現：添加磁擺裝置的自動鎢極氫弧焊焊槍，在系列脈沖程控全位置氫弧焊管機和微機控制全位置氫弧焊管機上長時間應用表明，該焊槍性能穩定靠，焊縫成形良好，且具有以下優點。

3.1 焊縫寬度變大

與傳統鎢極氬弧焊焊槍相比，在同樣的焊接工藝參數條件下，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，不需要擺動焊槍，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象。蓋面焊時能保證蓋面焊縫完全覆蓋住，焊縫表面質量光滑、美觀。

3.2 焊接缺陷減少

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

4 結語

添加磁擺裝置的鎢極氬弧焊焊槍結構簡單，不需要手工大幅度擺動焊槍，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，是一種較有應用價值的焊槍設計， 可在各種自動鎢極氫弧焊機上應用。