MIG焊具备低氢、高熔敷率、自动化等优点,从20世纪末以来,随着焊接电源控制技术的发展成为具备深水应用前景的电弧焊接方法。Cranfield University的研究人员利用高压焊接试验装置Hypei Weld 250采用连续送丝、脉冲电流工艺,实现了25MPa压力(即相当于250m水深)的MIG焊接,并且对焊接电弧、熔滴过渡、焊接熔池等进行了深入的研究。
研究表明,对于高压MIG焊接熔滴过渡形式,当压力大于常压之后,弧柱因为热量损失增加而收缩,同时弧根也收缩,导致电极端头电子发射区域迁移到熔滴表面,弧柱与熔滴、熔池之间的电流密度增加,初始反向等离子流强度增加,该反向等离子流阻碍熔滴过渡,实际上,当压力增加至1.2MPa时,正常的射流过渡不可避免地转变为旋转过渡,造成飞溅和焊接过程的不稳定,如图2-27。为此Cranfield University的策略一是采用控制性能非常优良的恒压—恒流混杂脉冲MIG焊接电源,二是将弧长控制在很小的长度,典型的平均值≤1mm,实现了2 500m水深条件之下的MIG焊接。但是,焊接过程只是大致稳定,而且因为弧长非常短,实际的熔滴过渡过程是短路过渡和射流过渡的混合过渡,所以焊接过程的稳定性不够理性,而且对于实际作业而言,如此精确的弧长以及控制的实现也是比较困难的。
图2-27 熔滴过渡阻碍作用及其磁控消除原理
显然,高压环境下反向等离子流对于等离子流的阻碍是MIG焊接熔滴过渡的首要问题,Cranfield University将弧长控制在如此小的长度是一种被动适应策略。实际上可以考虑引入外加因素来加强等离子流、抑制反向等离子流,将受到阻碍的金属熔滴过渡回复成为正常的射流过渡,从而显著降低高压环境之下对MIG焊接电源性能、焊接参数控制的要求。外加纵向磁场作用下弧柱电场强度和能量密度的增加,以及电弧挺度和拘束作用的加强等能够抑制CO2焊接的飞溅。而对于高压MIG焊接,北京石油化工学院水下焊接研究组提出可以采用外加纵向磁场促进熔滴过渡,其原理如图2-27所示,外加纵向磁场将促使弧柱电场强度增加,增加的电场强度将加强等离子流、抑制反向等离子流,从而通过调节磁场强度,可以实现高压环境之下的熔滴正常过渡。此外,外加纵向磁场对熔池的搅拌作用还能够极大地改善焊接质量。
高压脉冲MIG焊接熔滴过渡纵向磁场控制试验系统如图2-28所示。电磁线圈安装在焊枪上,通过微压传感器测量等离子流与反向等离子流的差值,并通过安装在承压套筒之内的高速摄像机拍摄熔滴过渡照片。纵向磁场、高速摄像均与电流信号同步、只在峰值电流作用期间磁场才起作用,通过调节磁场强度实现高压作用之下的熔滴过渡。
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