外加交变磁场对MIG焊电弧及射流过渡影响学习体会

文献概况与研究背景

江苏航空职业技术学院韩琦和南昌航空大学江淑园发表于2023年《热加工工艺》的这篇论文，研究了外加交变间歇磁场对MIG焊电弧形态和射流过渡的影响。磁场对焊接电弧的作用机理是焊接物理领域的重要研究方向，通过合理施加磁场，可以调控电弧的形态、熔滴过渡模式和熔池流动状态，从而改善焊缝成形和焊接质量。该研究利用高速摄影系统采集了交变间歇磁场下MIG焊的电弧和射流过渡图片，通过受力分析揭示了不同磁场方向和强度下电弧与熔滴的行为特征。

实验条件与关键参数

磁场参数设置

研究采用交变间歇磁场，励磁频率固定为40 Hz，励磁电流在0~1.0 A范围内变化。磁场方向在纵向由向下到向上周期变化。这种交变间歇磁场的设置，使得磁场方向和强度随时间周期性变化，可以观察电弧和熔滴在不同磁场条件下的动态响应。

电弧形态变化特征

实验结果表明，当励磁电流在0~1.0 A范围内变化时，电弧绕焊丝轴线呈周期性顺时针和逆时针旋转，同时出现扩张和收缩现象。当励磁电流为0 A时，电弧保持自然形态，不发生偏转。随着励磁电流增大，电弧的旋转幅度和扩张收缩程度逐渐增加。这种旋转现象是由于交变磁场对电弧中带电粒子施加的洛伦兹力导致的，磁场方向的周期性变化使得洛伦兹力的方向也周期性反转，从而驱动电弧绕焊丝轴线旋转。

熔滴过渡模式变化

焊丝末端的导电流体由液锥、液流束和细小球状熔滴三部分组成，不同励磁电流下，熔滴过渡模式表现出显著差异。

物理机理分析

洛伦兹力对电弧的作用

电弧本质上是高温等离子体通道，其中包含大量带电粒子（电子和离子）。当外加磁场作用于电弧时，带电粒子受到洛伦兹力F=qv×B的作用，其中q为粒子电荷，v为粒子速度，B为磁感应强度。在交变磁场中，磁场方向周期性变化，洛伦兹力的方向也随之周期性变化，导致电弧中的等离子体受到周期性变化的侧向力，从而产生旋转运动。旋转的等离子体通道带动电弧整体绕焊丝轴线旋转，同时由于旋转产生的离心力效应，电弧在旋转过程中出现扩张和收缩现象。

磁场对熔滴过渡的影响

熔滴过渡是焊接冶金过程的核心环节，熔滴的尺寸、过渡频率和过渡模式直接影响焊缝成形和焊接质量。在MIG焊射流过渡模式下，焊丝末端的熔滴以细流形式连续过渡到熔池中。当外加交变磁场作用时，熔滴受到洛伦兹力的作用，其运动轨迹和形态发生变化。低电流时，洛伦兹力较小，熔滴仅发生轻微偏转，过渡模式基本不变。高电流时，洛伦兹力显著增大，熔滴受到强烈的侧向力作用，液流束被拉伸变形呈"S"形，熔滴过渡频率和尺寸发生变化，过渡模式从平稳过渡转变为旋转过渡。

工程应用前景与思考

磁场辅助焊接技术是焊接领域的前沿研究方向，通过合理施加磁场可以调控焊接过程的多个关键环节。在钢管焊接中，磁场辅助技术的应用前景主要体现在以下几个方面：

第一，改善焊缝成形。通过磁场调控电弧形态和熔滴过渡，可以获得更均匀的焊缝成形，减少焊波纹和咬边等缺陷。这对于薄壁管焊接和精密管件焊接尤为重要。

第二，促进熔池流动。磁场产生的电磁搅拌作用可以增强熔池的湍流程度，促进熔池中气体的逸出和夹杂物的上浮，减少气孔和夹渣等焊接缺陷。

第三，细化焊缝晶粒。磁场对熔池凝固过程的影响可以细化焊缝晶粒，提高焊缝的力学性能和韧性。这对于低温管线管和抗腐蚀管线管的焊接具有重要意义。

然而，磁场辅助焊接技术在工程应用中也面临若干挑战。首先是磁场设备的体积和成本问题，大型焊接结构需要大尺寸磁场装置，这增加了设备复杂性和生产成本。其次是磁场对焊接设备和操作人员的安全影响需要评估。此外，磁场对焊接质量的改善效果与焊接材料、焊接参数和磁场参数的匹配关系需要大量试验研究来建立。

学习心得与启示

这篇文献通过高速摄影和受力分析，清晰地揭示了交变磁场对MIG焊电弧形态和熔滴过渡的调控规律。研究结果表明，磁场强度是决定电弧和熔滴行为的关键参数，在低磁场强度下影响较小，在高磁场强度下影响显著。这一发现对于磁场辅助焊接技术的工程应用具有重要指导意义：在实际应用中，应根据焊接材料和工艺要求，选择合适的磁场强度范围，避免过强的磁场导致焊接过程不稳定。对于从事钢管和管件焊接工艺开发的技术人员而言，了解磁场对焊接过程的影响机理，有助于在特殊焊接场景（如高合金钢焊接、异种金属焊接）中探索新的工艺优化途径。焊接物理的深入理解始终是焊接工艺创新的基础，这篇文献正是这一理念的良好体现。