一种MAG焊接设备及其应用

一种mag焊接设备及其应用
技术领域
1.本发明涉及一种mag焊接设备及其应用，具体涉及一种mag焊接设备及其应用于低合金高强钢的焊接，属于mag焊接技术领域。


背景技术：

2.作为一种高强度、高韧性的钢材，低合金高强钢广泛应用于工程机械、桥梁和汽车船舶等领域，相比其他钢材，低合金高强钢在节能减排、降低能耗和可持续发展等方面优势明显，因而受到越来越多的关注。焊接是低合金高强钢在应用过程中主要的连接方法，焊接质量的好坏直接决定了低合金高强钢的使用效果和服役安全性。但是，由于低合金高强钢的碳当量较高，其在焊接过程中易出现裂纹、气孔、未熔合等焊接缺陷，这严重制约了低合金高强钢的应用。
3.mag焊接技术具有焊接质量好、焊缝成型好、热影响区小及操作简单等优点，得到了广泛的应用。但是，常规的mag焊接技术无法有效解决低合金高强钢焊接后焊接接头缺陷高、综合力学性能差的问题。
4.相比传统焊接方法，磁控焊接法能更好地控制焊接接头的质量，因而享有“无损焊接”的美誉.利用外加磁场对焊接中的熔滴过渡、熔池金属流动、熔池结晶形核及结晶生长等过程进行有效地干预，能够使焊缝金属的一次结晶组织得到细化，减小化学不均匀性，提高焊缝金属的塑性和韧性，降低结晶裂纹和气孔的敏感性，从而提高焊缝金属的性能，全面改善焊接接头的质量。现有的磁场辅助焊接的磁场形式分为：静态磁场(横向磁场、纵向磁场和尖角磁场)和动态旋转磁场。静态磁场一般通过调控电流大小来控制磁场大小，磁场方向不能改变，而动态旋转磁场可以通过磁场方向的不断变化来旋转电弧，优化电弧形态，促进熔滴过渡和焊缝填充金属结晶。cn1872479公开了用于控制焊接电弧的旋转磁场发生装置，cn104816079公开了焊接用旋转磁场发生装置及其工作方法，两者都是通过对多个缠绕在不同电极上的线圈通入不同位相的交流电产生旋转磁场来调整电弧形态辅助焊接通过励磁线圈产生的旋转磁场辅助焊接，电弧相当于电机的转子，励磁线圈缠绕的电极相当于定子，磁场主要作用到电弧上，作用到焊缝熔池的磁场较为微弱。且磁场旋转的频率调控复杂，作用在电弧上的磁场分布难以定量设计和测量，磁场无法直接对焊缝液态填充金属的结晶凝固进行搅拌。而且，励磁线圈要产生强的磁场需要增加线圈的体积和电流强度，强的电流还会使线圈温度升高，不利于长时间焊接。此外，通过多个励磁线圈产生旋转磁场的装置设计复杂，在实际焊接生产过程中操作困难。


技术实现要素：

5.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种低合金高强钢的焊接方法，通过对永磁铁的磁路和磁场旋转机构设计，产生同时垂直于电弧和焊缝熔池的横向旋转磁场。。
6.技术方案：本发明的一种mag焊接设备，包括焊枪，所述焊枪外侧设有包括两块对
称设置的磁铁组成磁场旋转机构，所述两块磁铁的n极、s极相反设置，并朝向焊枪头部，可产生垂直于电弧和焊缝的横向磁场。
7.进一步地，所述磁铁为耐高温的钐钴磁体。
8.进一步地，所述磁场旋转机构通过轴承套在焊枪外侧。
9.进一步地，所述磁场旋转机构通过电机带动旋转。
10.进一步地，可根据需要跟换体积不同的磁铁，磁铁的体积为2～18cm3。
11.进一步地，磁铁距离焊枪头部的距离可调整，所述距离为1～5cm。
12.本发明所述的mag焊接设备在低合金高强钢焊接中的应用。
13.本发明还包括一种利用本发明所述的mag焊接设备焊接低合金高强钢的方法，包括以下步骤：
14.(1)对待焊接的低合金高强钢的坡口加工，预热，固定在焊接工装夹具上；
15.(2)调节磁铁的高度和磁场旋转机构的旋转速度；
16.(3)设置焊接工艺参数；
17.(4)通入保护气后进行mag焊接。
18.进一步地，步骤(1)中，所述待焊接的低合金高强钢的钢板厚度5～20mm。
19.进一步地，步骤(1)中，所述预热的温度为100～150℃，预热的时间为10min～30min。
20.进一步地，步骤(2)中，所述磁场旋转机构的旋转速度为60～360转/分钟。
21.进一步地，步骤(3)中，所述mag焊接设备的焊接电压为20v～40v，焊接电流为150～300a，焊接速度为100～400mm/min。
22.进一步地，步骤(4)中，所述保护气体为ar和co2的混合气体，其中，所述co2的体积分数为20％，气体流量为15～20l/min。
23.工作原理：磁场旋转机构中的两块耐高温的钐钴磁铁分别是n极和s极朝向焊枪头部，磁力线会从n极出发到s极，产生垂直于电弧和焊缝的横向磁场，横向磁场的大小可以通过调控磁铁的体积和磁铁的高度来实现，磁场大小可以通过磁通计精确测量。磁场旋转机构通过轴承套在焊枪外侧，通过电机带动磁场旋转机构旋转，这样就实现施加在电弧和焊缝上横向的旋转磁场。
24.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
25.(1)本发明采用耐高温的强磁钐钴永磁体来提供磁场，不需要额外的励磁电源和缠绕励磁线圈的电极，磁场发生装置结构设计简单，磁场大小方便调控。
26.(2)本发明作用在电弧和焊缝上旋转的横向磁场的旋转速度通过控制焊枪外侧可旋转的机械装置的旋转速度来实现，磁场旋转的速度定量可控。
27.(3)本发明的横向旋转磁场不仅可以作用在电弧上，还可以直接作用在焊缝的熔池中。通过在焊缝液态金属凝固过程中施加旋转的横向磁场细化了焊缝晶粒，抑制了柱状晶的生长，促进了熔池中气体的排放，降低了气孔率。从而改善焊缝成型效果，抑制热裂纹和气孔产生，细化焊缝晶粒的效果更好，焊接后焊接接头可获得优异的综合力学性能。
附图说明
28.图1是本发明的焊接装置的局部结构示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
30.以下各实施例中，待焊接的低合金高强钢的钢板选择目前较有代表性的牌号为wq960高强钢，钢板的厚度有5mm、10mm、15mm和20mm四种规格，焊丝选用jm-100填充焊丝，焊丝的直径为1.2mm。
31.实施例1
32.如图1所示，本发明所述的mag焊接设备，包括焊枪1，焊枪1内部填充焊丝2，焊枪1的外侧设有磁场旋转机构3，磁场旋转机构3包括两块对称设置的永磁铁，分别为第一永磁体4、第二永磁体5，第一永磁体4和第二永磁体5通过轴承套在焊枪1的外侧。磁场旋转机构3连接有电机，通过电机带动磁场旋转机构3进行旋转。第一永磁体4和第二永磁体5的n极、s极相反设置，并朝向焊枪1的头部，可产生垂直于电弧和焊缝的横向磁场。第一永磁体4和第二永磁体5为耐高温的钐钴磁体，第一永磁体4和第二永磁体5可以根据需要更换不同体积的永磁体，本实施例第一永磁体4和第二永磁体5的可根据需要更换为体积为2-18cm3。第一永磁体4和第二永磁体5距离焊枪1头部的距离可调整，本实施例第一永磁体4和第二永磁体5距离焊枪1头部的距离可调整为1-5cm。通过调控第一永磁体4和第二永磁体5的体积和第一永磁体4和第二永磁体5距离焊枪1头部的距离调控横向磁场的大小。
33.实施例2
34.用实施例1所述的mag焊接设备对低合金高强钢的钢板(待焊工件6)进行焊接：
35.(1)将两块尺寸为200mm
×
100mm
×
10mm的wq960钢板开坡口，打磨，在100℃预热10min后，固定在焊接工装夹具上；
36.(2)第一永磁体4和第二永磁体5的体积为2cm3，调整第一永磁体4和第二永磁体5距离焊枪1头部的距离为1cm，通过磁通计精确测量使得第一永磁体4和第二永磁体5在焊缝中心的横向磁场大小为30mt，磁场旋转机构3的旋转速度为60转/分钟；
37.(3)设置焊接工艺参数：焊接电压为20v，焊接电流150a，焊接速度100mm/min；
38.(4)通入ar和co2的混合保护气体，co2的体积分数为20％，气体流量为15l/min，对待焊工件6进行mag焊接。
39.对焊接后的工件6的焊接头进行力学性能测试，结果如表1所示。
40.实施例3
41.用实施例1所述的mag焊接设备对低合金高强钢的钢板(待焊工件6)进行焊接：
42.(1)将两块尺寸为200mm
×
100mm
×
10mm的wq960钢板开坡口，打磨，在110℃预热15min后，固定在焊接工装夹具上；
43.(2)第一永磁体4和第二永磁体5的体积为7cm3，调整第一永磁体4和第二永磁体5距离焊枪1头部的距离为2cm，通过磁通计精确测量使得第一永磁体4和第二永磁体5在焊缝中心的横向磁场大小为30mt，磁场旋转机构3的旋转速度为120转/分钟；
44.(3)设置焊接工艺参数：焊接电压为25v，焊接电流200a，焊接速度200mm/min；
45.(4)通入ar和co2的混合保护气体，co2的体积分数为20％，气体流量为17l/min，对待焊工件6进行mag焊接。
46.对焊接后的工件6的焊接头进行力学性能测试，结果如表1所示。
47.实施例4
48.用实施例1所述的mag焊接设备对低合金高强钢的钢板(待焊工件6)进行焊接：
49.(1)将两块尺寸为200mm
×
100mm
×
15mm的wq960钢板开坡口，打磨，在130℃预热20min后，固定在焊接工装夹具上；
50.(2)第一永磁体4和第二永磁体5的体积为12cm3，调整第一永磁体4和第二永磁体5距离焊枪1头部的距离为3cm，通过磁通计精确测量使得第一永磁体4和第二永磁体5在焊缝中心的横向磁场大小为30mt，磁场旋转机构3的旋转速度为240转/分钟；
51.(3)设置焊接工艺参数：焊接电压为30v，焊接电流250a，焊接速度300mm/min；
52.(4)通入ar和co2的混合保护气体，co2的体积分数为20％，气体流量为18l/min，对待焊工件6进行mag焊接。
53.对焊接后的工件6的焊接头进行力学性能测试，结果如表1所示。
54.实施例5
55.用实施例1所述的mag焊接设备对低合金高强钢的钢板(待焊工件6)进行焊接：
56.(1)将两块尺寸为200mm
×
100mm
×
20mm的wq960钢板开坡口，打磨，在150℃预热30min后，固定在焊接工装夹具上；
57.(2)第一永磁体4和第二永磁体5的体积为18cm3，调整第一永磁体4和第二永磁体5距离焊枪1头部的距离为5cm，通过磁通计精确测量使得第一永磁体4和第二永磁体5在焊缝中心的横向磁场大小为30mt，磁场旋转机构3的旋转速度为360转/分钟；
58.(3)设置焊接工艺参数：焊接电压为40v，焊接电流300a，焊接速度400mm/min；
59.(4)通入ar和co2的混合保护气体，co2的体积分数为20％，气体流量为20l/min，对待焊工件6进行mag焊接。
60.对焊接后的工件6的焊接头进行力学性能测试，结果如表1所示。
61.对比例1
62.本对比例实验过程同实施例3，本对比例与实施例3的焊接参数相同，不同之处在于在焊接过程中不施加横向旋转磁场，即不开启磁场旋转机构3。对焊接后的工件6的焊接头进行力学性能测试，结果如表1所示。
63.对比例2
64.本对比例实验过程同实施例3，本对比例与实施例3的焊接参数相同，不同之处在于在焊接过程中施加的横向旋转磁场由励磁线圈产生，其磁场作用在电弧上。对焊接后的工件6的焊接头进行力学性能测试，结果如表1所示。
65.表1实施例和对比例焊接接头的力学性能对比
[0066][0067]
从表1可以看出，采用本发明焊接方法焊接的高强钢接头的抗拉强度远远高于不
施加磁场的传统焊接工艺(对比例1)和现有的通过励磁电源产生的横向旋转磁场辅助的焊接工艺(对比例2)，本发明的焊接方法对于不同板厚的高强钢板焊接后其抗拉强度一致性好。同时本发明焊接后高强钢接头的断后伸长率、冲击吸收功也远优于对比例1和对比例2。
[0068]
综上所述，采用本发明方法能够有效提高现有的低合金高强钢的焊接质量，提升焊接接头的综合力学性能，解决目前低合金高强钢焊接质量差的技术难题，推动低合金高强钢的推广应用。

技术特征：
1.一种mag焊接设备，包括焊枪，其特征在于，所述焊枪外侧设有包括两块对称设置的磁铁组成磁场旋转机构，所述两块磁铁的n极、s极相反设置，并朝向焊枪头部，可产生垂直于电弧和焊缝的横向磁场。2.根据权利要求1所述的mag焊接设备，其特征在于，所述磁铁为耐高温的钐钴磁体。3.根据权利要求1所述的mag焊接设备，其特征在于，可根据需要更换体积不同的磁铁，所述磁铁的体积为2～18cm3。4.根据权利要求1所述的mag焊接设备，其特征在于，磁铁距离焊枪头部的距离可调整，所述距离为1～5cm。5.权利要求1-4任一项所述的mag焊接设备在低合金高强钢焊接中的应用。6.一种利用权利要求1-4任一项所述的mag焊接设备焊接低合金高强钢的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对待焊接的低合金高强钢的坡口加工，预热，固定在焊接工装夹具上；(2)调节磁铁的高度和磁场旋转机构的旋转速度；(3)设置焊接工艺参数；(4)通入保护气后进行mag焊接。7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，步骤(1)中，所述待焊接的低合金高强钢的钢板厚度5～20mm，所述预热的温度为100～150℃，预热的时间为10min～30min。8.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，所述磁场旋转机构的旋转速度为60～360转/分钟。9.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，步骤(3)中，所述mag焊接设备的焊接电压为20v～40v，焊接电流为150～300a，焊接速度为100～400mm/min。10.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，步骤(4)中，所述保护气体为ar和co2的混合气体，其中，所述co2的体积分数为20％，气体流量为15～20l/min。

技术总结
本发明公开了一种MAG焊接设备及其应用，该MAG焊接设备包括焊枪，焊枪外侧设有包括两块对称设置的磁铁组成磁场旋转机构，两块磁铁的N极、S极相反设置，并朝向焊枪头部，可产生垂直于电弧和焊缝的横向磁场。本发明通过在MAG焊过程中施加旋转的横向磁场提升熔融焊缝填充金属的成型质量，解决低合金高强钢焊接后焊接接头强韧性差的难题。在焊缝液态金属凝固过程中施加旋转的横向磁场细化了焊缝晶粒，抑制了柱状晶的生长，促进了熔池中气体的排放，降低了气孔率。利用该MAG焊接可有效提升低合金高强钢焊接接头的综合力学性能。高强钢焊接接头的综合力学性能。高强钢焊接接头的综合力学性能。


技术研发人员：钱瑞鹏 户倩文 陈俊阳 张海龙 陈夫刚 赵勇 付娟 邹家生
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/10/6