窄焊缝的自动摆弧氩弧焊焊接技术

(辽宁工程职业学院，辽宁 铁岭 112000)

0 引言

在常规焊接时，焊枪适合横向、竖向等任意方向的对焊。但如果在特殊的工作环境下，例如生产压力容器、管道等产品，需要单面焊接窄而深的焊接接头时，由于传统氩弧焊焊枪的特殊结构，使用传统焊枪深入坡口内侧焊接时摆动十分不便，无法达到窄焊缝打底焊应有的宽度[1]。盖面焊时，又焊缝宽度较大，这就要求电弧左右摆动幅度尽可能的大，以保证焊缝表面宽度，电弧的摆动需要焊枪摆动来实现，焊枪的大幅度摆动时，会引起电弧不稳定和保护气无法及时保护熔池的现象，焊接质量就不能保证[2]。为了解决这个问题。我们研制一种电弧可自动摆动的电磁控制式焊枪。就是焊枪上的电磁控制装置能自动控制电弧的摆动，上面的问题就会迎刃而解。

1 自动摆弧氩弧焊原理

在现有的钨极氩弧焊焊枪上设计添加磁摆装置，也就是一个电磁感应线圈，通入交流电时线圈就会在电弧区产生一个平行于电弧方向的交变磁场，电弧中的被电离的气体中含有大量的正、负离子，这些正、负离子在磁场中运动，就会受到垂直于电弧方向洛伦兹力的作用，根据左手定则知：正、负电荷收到的磁场力方向相反，因此他们会在力的作用下沿垂直电弧方向向相反方向运动，因为磁场方向周期性变化，磁场力方向也是周期性变化，电弧就会在磁场力的作用下做周期性摆动，通过调节磁摆线圈电流的频率和幅值就可调节电弧的摆动频率和弧值，电弧沿与磁力线垂直的方向左右摆动把电弧加热区加宽，从而加宽了焊道而不需要焊枪大幅度摆动。

2 焊接试验

2.1 材料准备

钢板选用工业中最常用的45钢，截取尺寸为500 mm×200 mm×20 mm，在母材Q235板材上开I形坡口，深度为20 mm，为了满足焊枪导电嘴及气罩伸入坡口方便引弧的条件；适当加工坡口单边坡口坡面角为5°，坡口底部宽12 mm，顶部宽15 mm，这样的I型坡口呈上大下小形状，目的是为了方便焊枪伸入和抵消焊后坡口收缩引起的热变形。

2.2 焊接参数

2.2.1 极性与电流电压

焊接电源选用直流电源，因为直流电电弧相对稳定，电流极性采用直流正接，因为这样工件上能得到更多的热量，母材熔化快，有利于根部焊道的焊透，同时钨极过热程度小；因为是阴离子向熔池撞击，产生的斑点力较小，容易产生细滴过渡和减小飞溅；电弧挺度、稳定性较好。

焊接电流影响熔深，适当增加电流可以增大熔深，但要与钨极直径或焊丝相匹配，钨极直径越大，电流也越大，试验所用焊丝直径为3.2 mm，适合载流为250 A。电弧电压决定电弧弧长，电弧电压与电弧电流合理匹配时才能获得过渡周期均匀的稳定焊接过程。电流电压乘积为焊接热输入，热输入越大，熔池流动性越好。电流电压一般按关系匹配，本实验选用电压为30 V。

2.2.2 磁摆线圈的电源特性

磁摆线圈使用交流电，因为这样才会在电弧区产生周期性变化的磁场，从而自动控制电弧的摆动周期和幅度，电流频率为1～20 Hz内可调，频率越高，电弧区磁场方向变化越快，电弧的摆动与稳定，但相应地会影响电弧摆动的幅度，磁摆线圈的电压采用220 V。

2.3 焊接速度

电流电压一定时，焊接速度决定焊接线能量。焊接速度小时线能量大，熔池熔深熔宽增加，但过大的线能量会造成熔池堆高和焊缝组织粗大，接头力学性能下降；焊接速度大时线能量小，容易造成熔宽不足，再者焊接速度增快时，氩气流量要相应增大，而且焊接速度过快时，由于焊接区空气会对保护气产生一个阻力，使保护气运动相对滞后，保护效果变差。因此需要试验确定合理的焊接速度也就是焊枪运动的速度。本试验选取1.5～2.0 mm/s。

2.3.1 保护气种类及流量

保护气选用氩气与二氧化碳气体混合气，氩气占80%，二氧化碳气体占比20%，因为氩气是惰性气体，用作保护气时不会参与冶金反应，也可以防止合金元素烧损，有效防止熔池金属氧化，同时氩气电弧燃烧稳定，飞溅少，噪音小，熔滴过渡形式多为射流过渡，焊缝成形美观，并降低焊缝中产生气孔、夹渣等焊接缺陷的几率，使焊后脱渣过程更加容易。加入少量的二氧化碳，一方面二氧化碳是活性物质，可以降低液态金属的表面张力，使液滴过渡的阻力减少，产生稳定的射滴过渡，并利于熔池液态金属铺展；另一方面二氧化碳具有高的导热性比，能将更多的热输入传给焊缝金属，增大熔池金属的流动，使熔池尺寸变大，形状为碗状，改善了纯焊缝的指状熔深，更加适合厚断面构件的焊接。

保护气体流量要适当。因为氩气保护是柔性的，容易受外界气流的影响，当外界气流较强时，外界气流就会减弱氩气对熔池和电弧的保护作用，所以应注意防止周围空气的强烈流动，如果有风时，可以设置挡风板。 氩气流速过大时，则经过喷嘴时形成的近壁层流很薄， 气体喷出后，气体的挺度不好，容易形成乱流，对熔池的保护就变差。流速太小，保护气的挺度也会变差，氩气不能全覆盖电弧区，这样就失去保护作用，合适的氩气流量为 10～15 L/min。

2.3.2 喷嘴至工件的距离

距离越远则氢气保护效果越差，减小距离可相应减小气体流量，同时还可以减小侧向风对电弧的作用，但距离太小则操作观察不方便，且磁摆装置和磁靴易和工件相碰，合适的距离为6～10 mm。钨极伸出喷嘴的长度选取3～4 mm。

3 焊接质量

通过观察焊接过程和焊接后形成的焊缝发现：添加磁摆装置的自动钨极氢弧焊焊枪，在系列脉冲程控全位置氢弧焊管机和微机控制全位置氢弧焊管机上长时间应用表明，该焊枪性能稳定靠，焊缝成形良好，且具有以下优点。

3.1 焊缝宽度变大

与传统钨极氩弧焊焊枪相比，在同样的焊接工艺参数条件下，这种磁摆电弧的焊缝能加宽40%～50%，在焊接窄焊缝的打底焊时，不需要摆动焊枪，就能保证电弧宽度，有效解决了窄焊缝打底焊容易焊漏的现象。盖面焊时能保证盖面焊缝完全覆盖住，焊缝表面质量光滑、美观。

3.2 焊接缺陷减少

熔池金属在磁场力作用下发生旋转，向着磁场方向的变化而变化，从而对熔池产生搅拌作用，有利于化学成分的均匀化，熔渣、气泡的上浮，因此焊缝成分均匀，晶粒细小，降低气孔倾向，并有效地抑制焊缝裂纹[3]，提高焊缝力学性能。

4 结语

添加磁摆装置的钨极氩弧焊焊枪结构简单，不需要手工大幅度摆动焊枪，性能可靠，操作方便，焊接的焊缝宽度明显增大，焊接缺陷降低，是一种较有应用价值的焊枪设计， 可在各种自动钨极氢弧焊机上应用。