焊劑帶約束電弧焊接引弧穩(wěn)定性與工藝研究

張永強(qiáng)， 孔清泉， 楊向， 朱 亮

(1.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106； 2.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730030)

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焊劑帶約束電弧焊接引弧穩(wěn)定性與工藝研究

(1.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106； 2.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730030)

引弧穩(wěn)定性是制約焊劑帶約束電弧焊接方法實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的主要因素.為解決引弧不穩(wěn)定問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種焊接控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了引弧階段和焊接階段獨(dú)立控制.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：引弧工藝參數(shù)是影響引弧穩(wěn)定性的主要因素，當(dāng)引弧延時(shí)時(shí)間為0.8～1.2 s、引弧電流為160～170 A、引弧電壓為22～24 V時(shí)，能夠穩(wěn)定引弧，電弧不會(huì)出現(xiàn)攀升現(xiàn)象，焊縫成形良好.

引弧穩(wěn)定性；焊接控制系統(tǒng)；引弧工藝

0 引 言

焊劑帶約束電弧焊接，是一種利用受到焊劑帶約束和冷卻作用的電弧加熱焊接[1]，具有效率高、節(jié)約焊接材料、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn),并能夠?qū)崿F(xiàn)薄板單面焊接雙面成型[2].與普通電弧焊接方法相比，其焊接熱輸入小，焊接后冷卻速度快，熱影響區(qū)寬度較窄，尤其適合于對(duì)熱輸入敏感材料的焊接[3-4].但是這種焊接方法引弧時(shí)，電弧極易攀升，嚴(yán)重影響后續(xù)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，而引弧的穩(wěn)定性是決定焊接質(zhì)量的的重要因素[5].對(duì)此，本研究分析了引弧工藝對(duì)焊劑帶約束電弧焊接引弧穩(wěn)定的影響規(guī)律，擬為因引弧引起的電弧攀升和焊接不穩(wěn)定性問(wèn)題提供一種解決方案.

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)厚度為3 mm的430不銹鋼進(jìn)行焊接，焊接襯條為ER308不銹鋼焊絲.焊劑帶約束電弧焊接實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.焊劑帶折疊成U形緊貼坡口內(nèi)壁放置，襯條放入焊劑帶U形槽底部,由于受到襯條的壓緊力作用，焊劑帶在間隙內(nèi)不會(huì)發(fā)生坡口處收縮或者離開(kāi)坡口底部.采用熔化極惰性氣體(metal inert-gas,MIG)焊機(jī)，焊絲經(jīng)焊槍導(dǎo)電嘴以設(shè)定的參數(shù)等速送入焊劑帶間隙中.

針對(duì)引弧不穩(wěn)定性問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了如圖2所示的焊接控制系統(tǒng).系統(tǒng)通過(guò)對(duì)引弧階段與焊接階段采取分段控制策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)階段工藝參數(shù)的獨(dú)立調(diào)節(jié).具體流程為：焊接時(shí)， 首先進(jìn)入引弧階段，該階段通過(guò)引弧程序控制，調(diào)節(jié)引弧時(shí)間t、引弧電壓U1、引弧電流A1、引弧焊接速度V2；引弧階段完成后，自動(dòng)進(jìn)入焊接程序，該階段可調(diào)節(jié)的焊接工藝參數(shù)有焊接電壓U2、焊接電流A2、焊接速度V2.

圖1 焊劑帶約束電弧焊接裝置示意圖

圖2 焊接控制系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 引弧延時(shí)時(shí)間對(duì)焊縫形貌的影響

設(shè)定引弧電流175 A,引弧電壓22 V,引弧焊槍速度13.45 mm/s，不同引弧延時(shí)時(shí)間(t)的焊縫引弧處的形貌如圖3所示.

圖3 不同引弧延時(shí)時(shí)間焊縫形貌

由圖3可見(jiàn)，隨著延時(shí)時(shí)間變化，焊縫形貌發(fā)生明顯變化.當(dāng)延時(shí)時(shí)間為1.8 s時(shí)，電弧出現(xiàn)攀升現(xiàn)象，焊縫正面弧坑較大，焊縫背面余高大(見(jiàn)圖3(a))；延時(shí)時(shí)間減小至1.2 s時(shí)，電弧攀升現(xiàn)象明顯減弱，弧坑大幅度減小(見(jiàn)圖3(b))；繼續(xù)減小延時(shí)時(shí)間至0.8 s,引弧端焊縫成形較好，未發(fā)現(xiàn)電弧攀升和背部成形不良現(xiàn)象(見(jiàn)圖3(c))；當(dāng)延時(shí)時(shí)間為0.5 s時(shí)，電弧未攀升，但是焊縫根部未熔合，背部成形較差(見(jiàn)圖3(d)).由于在焊接過(guò)程中，電弧熱量主要用于加熱焊劑帶和填充金屬，反之焊劑帶對(duì)電弧起著冷卻、約束、收縮作用，使電弧集中加熱側(cè)壁和根部.但在引弧時(shí)，由于電弧對(duì)焊劑帶的加熱熔化需要一定的時(shí)間，當(dāng)引弧延時(shí)時(shí)間大于1.2 s時(shí)，焊劑帶燒損數(shù)量較大，電弧加熱范圍由坡口區(qū)域向坡口邊緣擴(kuò)展，熔池增大，但是填充金屬數(shù)量不變，導(dǎo)致弧坑出現(xiàn).另外，電弧一旦離開(kāi)坡口底部，焊劑帶并沒(méi)有起到約束電弧的作用，從而導(dǎo)致電弧攀升現(xiàn)象發(fā)生.當(dāng)引弧延時(shí)時(shí)間小于0.8 s時(shí)，電弧對(duì)坡口底部熱輸入減小，坡口熔合不充分，成形不良.

2.2 引弧電流對(duì)焊縫形貌的影響

其他工藝參數(shù)不變，調(diào)節(jié)焊接電流時(shí)，焊接試樣的焊縫形貌如圖4所示.

圖4 不同引弧電流焊縫形貌

如圖4可知，當(dāng)焊接電流為165 A時(shí)，坡口根部熔合較好，引弧穩(wěn)定性較好(見(jiàn)圖4(a))；電流增至170 A時(shí)，坡口根部背部余高明顯減?。浑娏鳛?80 A時(shí)，電弧發(fā)生攀升現(xiàn)象(見(jiàn)圖4(b)).實(shí)驗(yàn)表明，焊接電流在165 A～176 A范圍內(nèi)時(shí)，引弧穩(wěn)定性最佳.由于焊接電流與送絲速度成正比，隨著焊接電流的增大，送絲速度增大，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入焊縫的填充金屬數(shù)量增多.此時(shí)，若坡口位于焊縫根部焊劑帶未被完全熔化，進(jìn)入坡口的熔化焊絲迅速填滿(mǎn)坡口，此時(shí)電弧會(huì)自動(dòng)尋找能夠使其電壓保持最低值的位置穩(wěn)定燃燒，電弧的高度提升，導(dǎo)致電弧無(wú)法對(duì)坡口根部加熱，產(chǎn)生電弧攀升.

2.3 引弧電壓對(duì)焊縫形貌的影響

其他工藝參數(shù)不變，不同引弧電壓焊接試樣的焊縫形貌如圖5所示.

由圖5可知，當(dāng)焊接電壓為18 V時(shí)，從焊縫正面觀察，焊縫中焊劑帶未燒損，并且焊縫背部出現(xiàn)空洞(見(jiàn)圖5(a))；當(dāng)電壓增大至20 V時(shí)， 焊劑帶燒損程度明顯增大，但仍有未燒損的焊劑帶存在于焊縫，焊縫背部成型良好(見(jiàn)圖5(b))；繼續(xù)增大電壓至22 V，電弧對(duì)焊劑帶的加熱作用加強(qiáng)，焊縫中未發(fā)現(xiàn)未燒損焊劑帶，焊縫正面與背面成型良好.由于較小的電壓引起電弧長(zhǎng)度減小，電弧熱量主要集中在焊縫根部，另外焊劑帶與焊縫底部距離為2～5 mm,較短的電弧無(wú)法對(duì)焊劑帶充分加熱，也就意味著焊劑帶燒損數(shù)量小，焊縫背部出現(xiàn)焊漏現(xiàn)象，同時(shí)焊縫正面焊劑帶以?shī)A渣的形式存在于焊縫.而當(dāng)電壓增大時(shí)，電弧長(zhǎng)度增加，電弧一部分熱量加熱焊劑帶，集中在焊縫根部的熱量減小，焊縫成形良好.

圖5 不同引弧電壓焊接試樣

2.4 穩(wěn)定引弧工藝參數(shù)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在引弧階段應(yīng)盡量減小送絲速度，增大電壓；引弧時(shí)間在0.8～1.2 s范圍內(nèi)引弧穩(wěn)定性最好.在此基礎(chǔ)上，利用正交試驗(yàn)方法，通過(guò)調(diào)整引弧工藝參數(shù)，獲得了能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定引弧的工藝參數(shù)如表1所示.

表1 穩(wěn)定引弧的工藝參數(shù)

3 結(jié) 論

本研究表明，引弧工藝是決定焊劑帶約束電弧焊接方法引弧穩(wěn)定性的重要因素，引弧階段和焊接階段工藝單獨(dú)控制可有效解決引弧不穩(wěn)定性問(wèn)題.通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引弧延時(shí)時(shí)間0.5～1.2 s，引弧電流165～176 A，引弧電壓21～24 V時(shí)，焊劑帶約束電弧焊接方法能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定引弧，電弧不會(huì)出現(xiàn)攀升現(xiàn)象，焊縫成形良好.

[1]朱亮,鄭韶先,陳劍虹.Developmentofultra-narrowgapweldingwithconstrainedarcbyfluxband[J].中國(guó)焊接,2006,15(2):44-49.

[2]鄭韶先,朱亮,黃斌維,等.焊劑帶約束電弧用于超窄間隙的焊接[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009,45(2):219-223.

[3]朱亮,李宗志,馮志鵬.焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接根焊方法[J].電機(jī),2011,41(9):1-4.

[4]龔練,朱亮,楊韜君.鋼軌對(duì)接的焊劑帶約束電弧超窄間隙焊[J].電焊機(jī),2016,46(8):43-47.

[5]尚文娟,朱亮,符平坡.430鐵素體不銹鋼超窄間隙焊接試驗(yàn)[J].焊接,2013，57(4):14-17.

Study on Stability and Technology of Arc Striking in Constricting Arc Welding with Flux Strips

ZHANGYongqiang1,KONGQingquan1,YANGXiangjun1，ZHULiang2

(1.School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China;2.School of Materials Science and Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730030, China)

The stability of arc striking is the main factor that restricts the wide application of the arc welding method.In order to solve the problem,the welding control system is designed to realize the independent control of arc welding and welding.It’s found that the arc parameters are the main factors influencing arc stability.When the ignition delay time is between 0.8～1.2 s,the arc current is 160～170 A,and the arc voltage is from 22 to 24 V,the arc can be stable without rising,and the weld will be well formed.

arc striking stability;welding control system;arc technology

1004-5422(2017)02-0198-03

2017-05-09.

成都大學(xué)?？萍及l(fā)展基金(2017XJZ06)資助項(xiàng)目.

張永強(qiáng)(1987 — )， 男， 碩士， 高級(jí)工程師， 從事電弧焊與釬焊相關(guān)技術(shù)研究.

TG444.7

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