卓金管件有限公司平板工件表面电渣带极堆焊电磁力分布学习体会
文献概况与研究背景
李培麟等发表于《焊接》2011年第6期的这篇文献，针对电渣带极堆焊过程中存在的咬边现象，建立了平板工件的电磁场模型，通过数值模拟手段对电磁力分布进行了分析。研究发现，工件中的电磁场与堆焊电极的位置密切相关，当焊道处于母材边缘时，磁场及电磁收缩力会产生突变，焊趾左右单元所受到的电磁收缩力之比达到2.1倍。
电渣带极堆焊（Submerged Arc Strip Electrode Welding，SASE）是一种高效、高质量的堆焊工艺，广泛应用于大型结构件的表面强化和修复。然而，在平板工件表面进行带极堆焊时，边缘焊道常出现咬边缺陷，严重影响堆焊层质量和后续加工。该文献从电磁力角度揭示了咬边产生的机理，为工艺优化提供了理论依据。
电磁力分布与咬边机理
电磁收缩力（Lorentz Force）
在电渣堆焊过程中，焊接电流通过熔池时产生磁场，磁场与电流相互作用产生电磁收缩力（Lorentz Force）。电磁收缩力的方向指向熔池中心，具有收缩熔池的作用。
电磁收缩力的大小与以下因素相关：
| 影响因素 | 影响规律 | 对咬边的影响 |
|---|---|---|
| 电流密度 | 电流密度越大，电磁收缩力越大 | 边缘焊道电流密度分布不均，导致咬边 |
| 熔池形状 | 熔池越扁平，电磁收缩力分布越不均匀 | 边缘焊道熔池形状受边界影响，易产生咬边 |
| 电极位置 | 电极位置影响磁场分布 | 边缘焊道电极位置不对称，电磁力分布不均 |
| 接地方式 | 接地方式影响电流路径 | 双面接地导致电流分布异常，加剧咬边 |
边缘焊道的电磁力突变
文献研究发现，当焊道处于母材边缘时，电磁场和电磁收缩力会产生突变。具体表现为：
- 焊道中心的电磁收缩力分布相对均匀；
- 焊道边缘的电磁收缩力出现不对称分布；
- 焊趾处左右两侧的电磁收缩力之比达到2.1倍。
这种电磁收缩力的不对称分布导致熔池边缘的液态金属被过度拉向熔池中心，造成焊趾处金属填充不足，形成咬边缺陷。
咬边的产生机理
咬边是焊接缺陷中常见的一种，其产生机理可归纳为：
- 电磁收缩力作用：边缘焊道电磁收缩力不对称，焊趾处金属被拉离；
- 表面张力作用：熔池边缘表面张力方向指向熔池内部，加剧金属流失；
- 流动作用：熔池内液态金属流动带走焊趾处金属；
- 凝固收缩：焊趾处金属凝固时体积收缩，形成凹陷。
数值模拟方法与分析
电磁场模型建立
文献中建立了平板工件的电磁场模型，采用有限元方法（FEM）进行数值模拟。模型的主要假设和边界条件包括：
- 电流分布：假设电流从带极均匀流出，通过熔池流入工件；
- 磁场计算：基于Maxwell方程组计算磁场分布；
- 电磁力计算：基于J×B公式计算电磁收缩力分布；
- 边界条件：工件边缘为自由边界，远场为无限大边界。
模拟结果分析
数值模拟揭示了以下重要规律：
- 电极位置效应：焊道处于母材中心时，电磁力分布对称；焊道处于母材边缘时，电磁力分布不对称。
- 焊趾处电磁力突变：焊趾处左右两侧的电磁收缩力之比达到2.1倍，这是咬边产生的直接原因。
- 电极电压分布不均的影响：电极电压分布不均会导致电流分布异常，加剧电磁力不对称。
- 双面接地的影响：工件双面接地会导致电流路径异常，影响电磁力分布。
工艺优化建议
基于电磁力分布分析结果，可提出以下工艺优化建议：
焊道位置优化
- 避免边缘焊道：尽量将焊道布置在母材中心区域，避免边缘焊道。
- 采用搭接焊道：对于必须覆盖边缘的区域，采用搭接焊道方式，避免单道焊道直接到达边缘。
- 采用多道焊：采用多道焊方式，每道焊道宽度适当减小，减少单道焊道的电磁力不对称效应。
焊接参数优化
- 降低焊接电流：适当降低焊接电流，减小电磁收缩力。
- 提高焊接速度：适当提高焊接速度，减小熔池尺寸，降低电磁收缩力影响。
- 优化保护渣：选用合适的保护渣，改善熔池流动性，减少咬边倾向。
接地方式优化
- 单面接地：采用单面接地方式，避免电流路径异常。
- 接地位置优化：将接地位置布置在远离焊道的位置，减小接地电流对焊道电磁力分布的影响。
工装夹具优化
- 增加垫板：在工件边缘增加垫板，改变焊道相对于母材边缘的位置。
- 采用工装定位：采用工装夹具固定工件，保证焊道位置准确。
与工程实践的结合
在大型结构件表面堆焊的实际生产中，咬边缺陷是常见质量问题。通过理解电磁力分布规律，技术人员可以采取以下措施预防咬边：
- 工艺评定：在正式生产前进行工艺评定试验，确定最佳焊接参数。
- 过程监控：在生产过程中实时监控焊接参数，及时调整。
- 质量检验：对堆焊层进行外观检查和无损检测，及时发现咬边缺陷。
- 返修处理：对已产生的咬边缺陷进行返修处理，保证产品质量。
从FMEA（失效模式与影响分析）的角度，咬边缺陷的潜在影响包括：
- 堆焊层厚度不足，影响耐磨性能；
- 咬边处应力集中，可能导致裂纹产生；
- 咬边处表面质量差，影响后续加工。
关键思考与启示
这篇文献从电磁力角度揭示了电渣带极堆焊咬边缺陷的产生机理，为工艺优化提供了理论指导。数值模拟方法在焊接工艺研究中的应用，为深入理解焊接物理过程提供了有力工具。
然而，数值模拟结果与实际焊接过程之间仍存在一定差距。实际焊接过程中，熔池流动、凝固行为、保护渣作用等因素都会影响咬边的产生。因此，在实际工艺优化中，需要将数值模拟结果与试验验证相结合，才能得出可靠的结论。
对于工程技术人员而言，理解焊接物理过程的基本原理是进行工艺优化的基础。只有深入理解电磁力、表面张力、流动等物理作用对焊接过程的影响，才能在面对复杂工程问题时做出科学合理的决策。