磁控旋轉(zhuǎn)電弧焊技術(shù)在管件焊接的研究進(jìn)展及應(yīng)用

劉紅兵，彭銘建，劉旭，楊瑾，宣揚

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620；2.揚州東升汽車零部件股份有限公司，江蘇 揚州 211403)

0 前言

管件結(jié)構(gòu)重量輕、剛性好、成本低，在石油化工和天然氣傳輸管道、汽車工業(yè)等有廣泛的應(yīng)用。隨著制造工業(yè)的快速發(fā)展，管件的焊接效率和質(zhì)量成為普遍關(guān)注的重要問題。目前管件焊接的實際應(yīng)用中，主要以熔化極氣體保護(hù)焊、非熔化極氣體保護(hù)焊、旋轉(zhuǎn)摩擦焊、閃光對焊等為主。然而現(xiàn)有的焊接都存在較多的局限性，如：氣體保護(hù)焊焊前需要對工件開坡口，采用多層多道焊，需要大量的填充金屬，焊接易出現(xiàn)氣孔缺陷；氬弧焊焊接質(zhì)量好，但效率較低；旋轉(zhuǎn)摩擦焊焊件一端需要高速旋轉(zhuǎn)，容易受管件結(jié)構(gòu)和尺寸的影響；而閃光對焊焊接時很難保證對工件精度的要求。磁控旋轉(zhuǎn)電弧焊(簡稱磁弧焊)作為一種新型的焊接工藝，在管件焊接上具有無可比擬的優(yōu)勢，它焊接速度快效率高、焊縫質(zhì)量高，不需要添加額外的焊接耗材，工藝節(jié)能環(huán)保，非常符合現(xiàn)代綠色制造的趨勢[1]。

近年來，隨著對磁弧焊技術(shù)研究的深入，磁弧焊技術(shù)穩(wěn)步提高日漸成熟，使其在制造業(yè)的許多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。特別是在發(fā)展迅速的汽車行業(yè)，對汽車的需求增長，促使高效的磁弧焊焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車半軸、傳動軸、軸套、后橋總成、車輪軸承座、管道和管道總成、減震器總成、螺紋套筒總成等制造領(lǐng)域[2-3]。

1 磁弧焊焊接特點及原理

1.1 磁弧焊的特點

磁弧焊是一種利用電弧和壓力進(jìn)行焊接的特殊的焊接工藝，屬于特殊的壓力焊，它與旋轉(zhuǎn)摩擦焊一樣在焊接管棒狀材料具有一定優(yōu)勢，如焊接無需填充焊絲、施加壓力、焊接穩(wěn)定性好、自動化程度高。不同的是磁弧焊利用電弧放電所產(chǎn)生的熱加熱焊件，電弧在外加磁場和感應(yīng)磁場之間復(fù)雜的相互作用下繞管件高速旋轉(zhuǎn)加熱，達(dá)到熔融狀態(tài)后在壓力的作用下實現(xiàn)連接。而旋轉(zhuǎn)摩擦焊是利用工件間旋轉(zhuǎn)摩擦生熱作為熱源加熱，焊接時需要工件一端高速旋轉(zhuǎn)摩擦生熱，這樣會限制焊接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及尺寸，難以焊接不能旋轉(zhuǎn)的部件[4-5]。雖然改進(jìn)的摩擦焊新工藝—Friex不需兩端工件旋轉(zhuǎn)，但中間焊接環(huán)的材料、尺寸和旋轉(zhuǎn)速度都會嚴(yán)重影響接頭的性能和成形，高速旋轉(zhuǎn)時會由于安裝和定位精度等原因，出現(xiàn)接頭偏心、飛邊不封閉等缺陷[6]。另外，旋轉(zhuǎn)摩擦焊時頂鍛壓力較大，焊接薄壁管件時容易失穩(wěn)變形，因此更適合焊接厚度較大管件或?qū)嵭陌舨摹?/p>

相比而言，磁弧焊焊接時管狀構(gòu)件兩端夾緊固定，電弧在外加磁場的作用繞著管旋轉(zhuǎn)，磁弧焊焊接零件不需旋轉(zhuǎn)，工件能精確定位對齊，而且能保證管件的橢圓度。磁弧焊時電弧需要持續(xù)旋轉(zhuǎn)，要求焊接位置應(yīng)為封閉結(jié)構(gòu)，因此磁弧焊工藝常用于管狀或類管狀連接，在管板上也能實現(xiàn)很好的連接，是焊接管狀或非對稱結(jié)構(gòu)件最佳焊接方法，可以實現(xiàn)1～16 mm厚管材的自動化焊接。磁弧焊的電弧移動速度可達(dá)到200 m/s，高速旋轉(zhuǎn)的電弧在接頭處產(chǎn)生均勻的熱，同時磁弧焊不存在與熔化焊相關(guān)的復(fù)雜的熔池冶金反應(yīng)，從而能得到變形小、缺陷少的高質(zhì)量焊接接頭。另外，磁弧焊在異種材料焊接上也有較大優(yōu)勢，如焊接汽車穩(wěn)定桿時，若使用常規(guī)的氣體保護(hù)焊焊接球墨鑄鐵與低碳鋼時需要焊接預(yù)熱、焊后保溫，且易出現(xiàn)熱裂紋缺陷，而采用磁弧焊能獲得穩(wěn)定的、高質(zhì)量的焊縫。在焊接過程中不產(chǎn)生煙塵和夾雜，也不需要填充焊材，為各種接頭焊接節(jié)約了大量成本。整個焊接過程操作可完全由自動化設(shè)備完成，大批量生產(chǎn)能夠節(jié)省大量的人力物力，大幅度提高生產(chǎn)效率(焊接時間2～10 s)。

1.2 磁弧焊的原理

磁弧焊是利用磁場力驅(qū)動電弧沿焊件端面高速旋轉(zhuǎn)，把焊接端面均勻快速加熱到熔融狀態(tài)，然后快速施加壓力頂鍛從而形成牢固接頭的焊接方法。如圖1所示，在焊件兩端外加極性相反的永磁體或激勵線圈，使其產(chǎn)生一個磁場B。焊件通過電流I引弧時，在磁場作用下會生產(chǎn)一個作用力F，F(xiàn)的大小與磁感應(yīng)強度B、電流I、電弧長L成正比：當(dāng)交角為90°時，F(xiàn)=B·I·L，其中電弧長度L受焊接間隙大小影響，力的方向可以通過Fleming左手定則確定。焊接時，外加磁體產(chǎn)生的磁力沿工件徑向，正好與電弧垂直相交，電弧始終受到一個沿截面切線方向的力的作用，推動電弧沿工件端面快速旋轉(zhuǎn)加熱工件，因此，可以通過調(diào)節(jié)磁場強度、電弧電流的大小或電弧間隙的寬度，來調(diào)整焊接接頭質(zhì)量[7]。

圖1 磁弧焊原理圖和受力示意圖

磁弧焊焊接過程電弧受力分析如圖2所示，焊接時在焊件端產(chǎn)生的感應(yīng)磁場B會產(chǎn)生軸向分量Ba和徑向分量Br；對應(yīng)的電弧電流I分為徑向分量Ir和軸向分量Ia。電弧在電流軸向分量Ia與磁場分量Br的相互作用在電弧上產(chǎn)生較大的磁場力FBr，推動電弧沿管壁切向做高速圓周運動。另外，焊接過程中還存在著另外一個推動電弧向徑外運動的力FBa，它是由電弧的徑向電流分量Ir穿過磁場的軸向分量Ba時產(chǎn)生。磁弧焊開始時，由于電弧吹弧效應(yīng)，電弧被推到接頭的深處，首先加熱管的內(nèi)壁，隨后FBa力將電弧向外推，使得焊接管外側(cè)和內(nèi)側(cè)都能夠均勻加熱，從而使磁弧焊可以焊接較厚的管材[8]。

圖2 電弧受力分析示意圖

1.3 磁弧焊焊接過程

磁弧焊焊接過程的一般可以分為以下6個階段(圖3[9])：起弧階段、電弧開始旋轉(zhuǎn)階段、電弧旋轉(zhuǎn)過渡階段、電弧穩(wěn)定階段、電弧旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定階段與頂鍛階段。在I階段，原相互接觸的兩工件被拉開出一定縫隙(2～3 mm)，并在間隙中起弧；在Ⅱ階段，電弧在焊接電弧與徑向磁場的相互作用下以較低的旋轉(zhuǎn)速度從工件的內(nèi)部向徑外表面移動。在此階段，磁場如果不充分或不適當(dāng)將導(dǎo)致熄??；電弧旋轉(zhuǎn)速度超過臨界速度V1進(jìn)入Ⅲ階段，電弧速度急劇增大至V2；在Ⅳ階段，電弧穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)加熱工件表面，沿表面形成一層熔融的金屬；在Ⅴ階段，當(dāng)熔融的金屬進(jìn)入間隙，會造成電弧旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定，電弧速度大幅度波動；同時，在Ⅵ階段，工件在外力的頂鍛作用下排出熔融的金屬，電弧熄滅，焊接過程結(jié)束。在不影響描述焊接動態(tài)過程下，磁弧焊的這些階段又可以看作為4個階段，即引弧、穩(wěn)弧、電弧旋轉(zhuǎn)和頂鍛[10]。磁弧焊焊接因素較為復(fù)雜，涉及電與磁的相互關(guān)系，各階段的時間、電流等參數(shù)都會對焊接過程產(chǎn)生一定的影響。因此，對磁弧焊工藝參數(shù)的研究顯得尤為重要。

圖3 磁弧焊焊接不同階段與焊接過程示意圖

2 磁弧焊的研究進(jìn)展

磁弧焊焊接工藝不同于電弧熔化焊和摩擦焊固相連接，焊接參數(shù)組合較為復(fù)雜，焊縫區(qū)組織及其性能上存在較大的區(qū)別。近年來，隨著磁弧焊技術(shù)的優(yōu)勢日益突顯，研究人員展開了對磁弧焊的焊接工藝參數(shù)、缺陷檢測及模擬等方面大量研究。

Sivasankari等人[11]以MIAB焊接的6 mm厚的低合金鋼管為研究對象，通過改變電弧旋轉(zhuǎn)電流、電弧峰值電流和電弧旋轉(zhuǎn)時間來研究對熱機械影響區(qū)(TMAZ)的影響，分析其焊接性能(圖4)。結(jié)果表明：在電弧旋轉(zhuǎn)電流310 A、峰值電流800 A時抗拉強度最高為511 MPa，在母材處斷裂，且根部彎曲試驗未發(fā)現(xiàn)外露缺陷。電弧旋轉(zhuǎn)電流越大，焊縫的抗拉強度和延性越好；在較高的電弧旋轉(zhuǎn)電流下，電弧旋轉(zhuǎn)時間和峰值電流的影響很小。

圖4 MIAB焊接T11管的宏觀結(jié)構(gòu)

試驗研究分析表明，電弧旋轉(zhuǎn)速度對焊縫影響較大，調(diào)整MIAB焊接電流、電壓、磁通密度等參數(shù)組合得到合適的電弧速度，可以顯著改善焊接質(zhì)量。Panda等人[12]采用試驗與數(shù)值相結(jié)合的方法，根據(jù)焊接電流、電弧電壓、磁線圈電流、磁線圈電壓四種參數(shù)輸入下測量MIAB焊接中T11合金管的電弧速度，并基于MGGP演化方法的數(shù)值計算過程，得到了電弧速度與四個輸入量之間的函數(shù)關(guān)系，模型預(yù)測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好。如圖5所示，研究表明焊接電流和電弧電壓與電弧速度是線性變化的，而磁線圈電流與電弧速度是拋物線型增長的；其中焊接電流對電弧速度的影響最大，其次是電弧電壓、磁線圈電流和磁線圈電壓。

圖5 參數(shù)輸入對MIAB過程電弧速度的貢獻(xiàn)百分比

磁通密度是影響電磁力的重要因素之一，而電磁力又反過來影響電弧的旋轉(zhuǎn)，從而影響焊接質(zhì)量。Arungalai Vendan等人[13]利用Ansys有限元模擬軟件研究MIAB焊接過程中的磁通密度和電磁力的分布，如圖6所示。仿真結(jié)果表明：電弧慢速旋轉(zhuǎn)時，磁通量密度主要集中在兩管之間的中心，遠(yuǎn)離中心的地方逐漸減??；力的方向與焊接電流方向和磁通密度方向呈垂直向外，沿焊縫邊緣均勻分布，電磁力較大有利于推動電弧由內(nèi)徑向外徑均勻旋轉(zhuǎn)加熱，提高焊接質(zhì)量。

圖6 磁通密度在管間隙區(qū)域的分布

Manoharan等人[14]對T11合金管MIAB焊接接頭進(jìn)行金相檢驗和無損檢測，以確定采用MIAB焊接工藝焊接承壓合金鋼管的可行性。研究發(fā)現(xiàn)所有被測MIAB焊接試樣的質(zhì)量都在可接受范圍內(nèi)(缺陷比例約為1%～2%)。試樣的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)分析表明，焊接區(qū)域具有良好的結(jié)合性和微觀結(jié)構(gòu)完整性。X射線衍射分析表明了MIAB焊接過程中接頭中的雜質(zhì)相已被排出，焊縫中沒有夾雜物，焊后可以獲得合格的承壓合金鋼管。

磁弧焊因其快速高效及質(zhì)量穩(wěn)定性好等特點因而被大量研究，但主要集中在合金鋼管的焊接上，在非磁性有色金屬如鋁上的應(yīng)用研究較少。Mori等人[15]對鋁或鋁與銅小口徑管道對接焊的焊接工藝進(jìn)行探索研究。對不同頂鍛條件下的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)斷裂都發(fā)生在焊縫區(qū)域。與鋼鐵材料相比，鋁、銅實現(xiàn)良好焊接較為困難，輕質(zhì)合金焊接過程中磁通密度對電弧運動影響較大，從而影響焊接質(zhì)量。

3 磁弧焊設(shè)備研制及應(yīng)用現(xiàn)狀

磁弧焊技術(shù)是由烏克蘭E.O.Paton電焊研究所在上世紀(jì)50～60年代發(fā)展起來用于焊接小直徑薄壁管的新工藝。1972年KUKA公司開發(fā)出第一臺商用磁弧焊焊機，并將其命名為Magnetarc工藝。由于磁弧焊焊接在管狀或類管狀結(jié)構(gòu)上具有獨特的優(yōu)勢，該焊接技術(shù)發(fā)展迅速，在歐洲和烏克蘭有廣泛的應(yīng)用[16-18]。而國內(nèi)早期冶金部建筑研究院和成都電焊機研究所[19]對磁弧焊技術(shù)有一定的研究，但在工程應(yīng)用中使用較少。

早期的磁弧焊主要集中在小直徑、薄壁管的單一對接應(yīng)用工藝上。蘇聯(lián)在1979年建造奧運會館時，在燃弧時間1.8 s的工藝狀態(tài)下完成25 000根φ38 mm結(jié)構(gòu)鋼管的對焊，加速了工程進(jìn)度；英國利用磁弧焊工藝焊接壁厚小于5 mm的管子，取代了部分電阻對焊、閃光對焊和摩擦焊任務(wù)，焊接周期可縮短至2.5 s，一臺設(shè)備每天可焊1 000個接頭[20]。

隨著對磁弧焊研究的深入，磁弧焊已不局限于單一的薄壁小直徑管對接，朝向大厚度大管徑和非圓構(gòu)件發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。烏克蘭E.O. Paton電焊研究所開發(fā)的磁弧焊設(shè)備能夠用于最大直徑219 mm、最大壁厚16 mm管件焊接，部分實心棒材也可以焊接。而日本JIT公司已經(jīng)開發(fā)出K-782型MIAB焊機能夠焊接35 mm厚的鋁合金管件，售價為420萬美元/臺。

過于昂貴的造價使得磁弧焊技術(shù)很難大規(guī)模的推廣應(yīng)用，該工藝比較適合在連續(xù)生產(chǎn)的行業(yè)應(yīng)用如汽車行業(yè)[21]。德國蒂森克虜伯汽車系統(tǒng)公司和中國東升汽車零部件股份有限公司已經(jīng)在駕駛室懸架系統(tǒng)(如圖7)上大量使用磁弧焊技術(shù)，能夠有效提高焊接質(zhì)量以及生產(chǎn)節(jié)拍。福特汽車公司Hagan等人[22]在Fiesta后橋十字管總成制造過程中使用了磁弧焊技術(shù)，相對與于常見的摩擦焊和閃光對焊，更容易保證法蘭主軸和軸管之間的徑向關(guān)系且在零件上不會留下過多的夾緊標(biāo)記。隨著汽車工業(yè)需求的不斷增長，加上磁弧焊技術(shù)的不斷優(yōu)化，以及自動化、機器人和先進(jìn)的控制方法，該技術(shù)在汽車傳動軸、軸、油箱排氣管道或減震器的生產(chǎn)上也得到了廣泛應(yīng)用[23]。

圖7 駕駛室穩(wěn)定桿

4 結(jié)束語

磁弧焊技術(shù)具有效率高、無焊接耗材、焊接變形小、焊接穩(wěn)定性好、接頭強度高等特點，在管件焊接上的優(yōu)勢顯著優(yōu)于氣體保護(hù)焊、旋轉(zhuǎn)摩擦焊和閃光對焊。但磁弧焊磁控旋轉(zhuǎn)電弧焊焊接參數(shù)較多，參數(shù)之間存在相互影響；不同材料厚度、實心或空心都會對磁通密度產(chǎn)生影響，改變電弧速度，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量；磁控旋轉(zhuǎn)電弧焊焊受磁通密度的影響較大，只適用于磁性材料的焊接，在非磁性材料應(yīng)用幾乎沒有。隨著對汽車等行業(yè)對材料減重的深入，對輕質(zhì)材料鋁合金、鈦合金等的焊接需求將不斷增加，因此加強輕質(zhì)合金磁弧焊技術(shù)研究對今后實際應(yīng)用將具有重要意義，也可以進(jìn)一步拓展磁弧焊技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。