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1、Q345R钢埋弧焊显微组织分析学 院航空航天工程学部专 业飞行器制钣制造(钣金与模具）班 级94030203学 号2009040302091姓 名 指导教师 负责教师 沈阳航空航天大学2013年6月摘要 采用加电磁搅拌装置，在不同的频率、相同的焊接速度下对Q345R钢进行自动埋弧焊实验。研究了是否加电磁搅拌，以及加电磁搅拌时，在不同的参数下焊接接头的组织和晶粒的细化情况。实验结果表明：在加电磁搅拌装置，频率为4HZ时，焊缝顶端显微组织有明显的细化现象。关键词：埋弧焊；电磁搅拌；细化晶粒；显微组织；焊接接头； Abstract 绪论1.1埋弧焊工艺介绍埋弧焊作为最早获得应用的机械化焊接方法，是焊
2、接生产中应用最广泛的工艺方法之一。由于焊接熔深大、生产效率高、机械化程度高，因而特别适合用 中厚板 长 焊缝 的焊接 。在造船 、锅炉与压力容器 、化工、桥梁、起重机械、工程机械、冶金机械以及汉阳结构、核电设备等制造中都是主要焊接生产手段。我国焊接设备制造业起步比较晚，20世纪 、50、60年代我国重点企业的大型焊接装备大部分靠引进。到了 20世纪 70年代，国内才组建一批专门生产焊接装备的制造厂。埋弧焊机电源的发展经历了 4个阶段：机械调节型电源、磁饱和放大器电源、晶闸管整流电源和IGBT逆变电源。其控制系统的发展也经历了 3个阶段：机械控制、分离元件控制、集成电路数字控制或微机控制。目前大
3、容量的数字控制晶闸管整流电源、埋弧焊逆变电源，以其高效节能、良好的动特性和弧焊工艺性能等优点成为常规埋弧焊电源的更新换代产品。随着电力电子技术的发展，埋弧焊设备的电路、器件及其控制技术向集成化、高频化、全控化、电路弱电化、控制数字化以及多功能化的方向发展。在埋弧焊接过程控制方面，微机被广泛运用于弧焊规范参数的控制、焊接工件的自动定位和埋弧焊焊缝自动跟踪、埋弧焊的过程控制以及焊接生产线的自动化，随着埋弧焊工艺的发展，为适应一些特定的焊接要求，派生出了许多新的埋弧焊工艺，如双丝和多丝埋弧焊、窄间隙埋弧焊、带极埋弧焊、添加粉末埋弧焊、添加磁性焊剂埋弧焊等。传统埋弧焊生产中有两种自动调节方法，一是电弧
4、自身调节系统，它采用缓降特性或平硬特性电源配等速送丝系统，通过改变焊丝熔化速度进行调节，该系统主要用于直径为4mm 以下细丝埋弧焊接；二是电弧电压反馈变速送丝调节系统，它采用陡降特性或垂降特性电源配变速送丝系统，利用电弧电压反馈改变送丝速度进行调节。目前国内大多数埋弧自动焊机及焊接操作机仍是采用分离元件模拟控制，由于埋弧自动焊动态过程是一个具有高度非线性、时变性及多变量耦合作用的复杂系统。固定的控制模式和控制参数难以保证各种焊接条件下的焊接性能，难以适应整个调节范围内参数的优化。在较强、较弱的焊接规范下，往往焊接性能不理想。微机控制的焊机有以下特点：（1） 电源功能拓宽。同一电源采用不同的算法
5、，能很好地实现一机多用。通过灵活地软件编程使电源外特性可获得恒电流特性、恒电压特性、斜率不同的输出外特性和恒功率的任意控制。（2） 动特性控制好。借助于PI 调节器组成的电子电抗器对焊接过程的短路电流上升率 进行控制，从而得到 的一个优化范围。（3） 操作性好。微机控制的弧焊机通常具有较好的操作界面，根据不同的焊丝直径、焊接的板厚进行焊接参数预置、再现、记忆，监控各焊接参数，根据不同需要变换参数，并且具有数字显示等功能。（4） 实现协同控制。根据工件厚度不同，同时按所需的电弧电压、电流送丝速度，甚至电感量的一元化调节，而不必逐个调节这些焊接参数。（5） 稳定性好。电源特性由控制算法决定，不会出
6、现因模拟控制中零漂及元件分散性等因素造成性能下调或不一致。（6） 工艺程序的控制和焊接故障的诊断。微机控制可以满足各种焊接工艺程序的要求，如提前供气，电流的递增和衰减，并能够对焊接过程的故障进行诊断和报警。（7） 易于开发。微机系统采用积木式结构，其开发周期短，开发成本低。纵观当今埋弧焊机 的发展趋势，可 以归纳如下特点：高精度 、高质量 、高可靠性 ；数字化 、集成化和智能化控制 ；大型化 、组体化及管控一体化和多功能化 。 图 1 埋弧自动焊数字控制器结构1.2电磁搅拌 电磁搅拌( e le c troma gne tic stirring, EMS) 技术是控制金属凝固过程的有效手段,
7、具有广泛的应用背景和深厚的工业基础。1933 年, 旋转磁场 1 ( rota ting ma gne tic fie ld ) 开始应用于金属的连续铸造过程, 当1971 年金属半固态成形工艺在世界范围内大量推广后 2, 电磁搅拌技术在制取半固态浆料方面又得到了广泛应用。电磁搅拌通过改变柱状晶生长方向、促进柱状晶向等轴晶转变、细化组织、影响初生相与共晶组织的形貌和尺寸、缩短枝晶臂间距、影响成分均匀性、控制界面形状 3, 4等方式改善铸造凝固组织。从材料学的角度讲, 焊接过程实际上是金属材料的熔化和重新凝固的过程, 因此电磁搅拌技术对焊缝组织同样具有改进作用。因此, 在Tse ng 和Sa v
8、a ge 5第一次深入研究了电磁搅拌钨极气体保护电弧焊对材料微观结构和性能的影响后, 各国学者相继将该技术应用于焊接过程, 并取得了一定效果。1.1 对焊接质量的影响( 1 ) 控制飞溅 在CO2 气体保护焊过程中, 熔滴过渡后,电弧重新引燃时, 焊接电流过大或焊接电流增大过快, 焊丝上残留的熔滴或熔池金属被排斥出来以及熔池冶金剧烈反应或有CO气体逸出时, 都可能产生剧烈的飞溅现象, 从而影响焊缝质量。如果焊接时施加一定的外加磁场强度, 电弧中带电粒子在等离子流力、热扩张力、洛仑兹力等力的联合作用下, 提高了电弧的挺度和稳定性, 增加了弧柱的能量密度及电场强度,使弧柱温度提高, 焊丝的熔化速度
9、加快, 熔滴尺寸和它们在焊丝端部存在的时间减少, 熔滴经过电弧区的过渡频率增加, 短路时间缩短, 熔滴可快速地在熔池表面铺展而不被迅速增长的电磁力排斥出熔池, 从而减少飞溅; 同时外加磁场可以减小短路峰值电流和短路初期的短路电流, 从而减小短路初期的飞溅; 外加磁场对短路液桥还会在直径方向产生向内的磁致压力作用, 从而加速液桥的断开, 降低短路末期的能量积累, 减少短路末期电爆炸飞溅, 进而有效地控制飞溅, 保证焊接质量。外加磁场对飞溅的控制效果如图1 所示 7。 ( 2 ) 影响焊缝成形 为了保证生产周期, 在TIG焊过程中经常需要提高焊接速度, 但这样容易导致电弧阳极斑点滞后,造成电弧较大
10、的后拖, 引起焊缝严重咬边和成形不良。当施加0.26 , 0.52 A的励磁电流产生交变横向磁场时, 产生的电磁力使电弧发生偏转, 在前后2 个方向拉长后形成扇形, 这样, 电弧总有1/2 向前偏转, 从而有效控制电弧的后拖, 克服咬边,改善成形 8。文献9 研究了间歇交变纵向磁场对TIG 焊焊接不同材料(低碳钢、不锈钢和铝合金) 的焊缝成形的影响。大量的工艺试验及对焊缝宏观参数的测量表明: 焊缝成形质量受到外加磁场的磁感应强度、频率以及焊接速度、焊接电流等综合因素的影响。罗键 10等通过研究发现: 在间歇交变纵向磁场的作用下, GTAW焊接电弧外形不断变化, 焊接电弧穿透力降低, 使焊缝熔宽
11、增大, 熔深减小; 同时电弧的气动压力分布也发生了变化, 引起电弧及熔池行为发生变化; 焊接电弧和焊接熔池电、热、力等性质的变化, 使焊接熔池液态金属出现周期性搅拌式运动, 影响了液态金属的凝固过程, 从而最终影响焊缝的成形。( 3 ) 抑制焊缝中气孔的数量 高强铝合金2A14 焊接时易产生夹渣并且在焊缝中生成气孔( 结晶层气孔和皮下气孔) ,严重影响焊接接头的塑韧性, 并增加裂纹的敏感性。文献11在采用合理焊接工艺的前提下, 利用磁场频率1 5 Hz、磁感应强度0.02 0.05 T的间歇交变纵向磁场, 较好地抑制了焊缝中的气孔数量。( 4 ) 防止焊缝结晶裂纹的产生 高强度变形铝合金2A1
12、4 ( 相近牌号: 美国为2014 , 英国为L87) 属于铝- 铜- 镁- 硅系,熔焊时产生热裂纹的倾向比较大。通过调整和严格控制合金基体中杂质元素铁和钛的含量, 并以6A02 合金作添加材料, 可保证合金的熔焊性能合格 12。殷咸青 13等研究了外加磁场的频率和磁感应强度对焊缝结晶裂纹的影响, 如图2 所示。结果表明: 在磁感应强度保持一定、磁场频率为2 5 Hz时, 裂纹长度明显减小; 当磁场频率为2 Hz、磁感应强度为0.03 0.05 T时,裂纹长度减至最小。因此在合理的磁场参数条件下, 焊缝结晶裂纹可以完全抑制。1.2 对焊缝组织和力学性能的影响在焊接过程中采用电磁搅拌技术是为了改
13、善焊接结构件的性能, 而性能的改善又是通过焊缝组织的变化来实现的。施加外部磁场搅拌后, 焊缝区域主要存在以下变化: 柱状晶生长方向改变、柱状晶向等轴晶转变、组织更加细化、初生相与共晶组织的形貌和尺寸受到影响、枝晶臂间距缩短、熔池区域化学成分不均匀性减少。在药芯焊丝堆焊成各种高硬度高耐磨堆焊金属时, 要求熔敷金属要有很高的硬度和很好的抗裂性。文献14采用电磁搅拌工艺, 通过电磁力激烈地搅拌熔池, 击碎粗大的柱状晶, 细化焊缝晶粒, 不仅适当提高了堆焊金属的硬度, 还将其磨损量降低了1/2 2/3 , 有效改善了熔敷金属的综合力学性能, 尤其是抗裂性能。国旭明 15在对管线钢进行埋弧焊时, 施加磁
14、感应强度为60 80 mT、频率为6 8 Hz 的外加磁场, 抑制了先共析铁素体和侧板条铁素体, 使晶内针状铁素体的比例由85.1% 提高到91.7% , 同时使焊缝非金属夹杂物的总数和体积分数减少, 组织进一步细化, 将熔敷金属的低温冲击吸收功由110 J 提高到154 J , 约提高40% 。而文献16 18 通过研究发现, 在He - TIG焊焊接2A14 铝合金时, 正确选择磁场参数, 并与焊接工艺参数恰当匹配, 可以有效细化焊接接头的组织( 图3 ) , 减小熔合区及热影响区宽度, 提高焊接接头冲击吸收功( 平均提高约20% ) , 接头的弯曲角普遍增大。2 外加磁场的数值计算在金属
15、连铸和半固态成形过程中, 对磁场作用下金属的流场、温度场、变形行为、自由表面形状和稳定化方面的数值计算和模拟的研究比较多 1922, 而焊接过程中电磁搅拌的计算机模拟和数值计算还不多, 主要集中在焊接区域附近磁场模型的建立和计算。在电磁搅拌焊接过程中, 外加磁场的方式和磁感应强度的大小、频率和分布直接影响焊缝的成形及焊缝组织和性能。因此, 掌握外加磁场的特性并加以合理利用是获得电磁搅拌良好效果的关键。但应用于焊接过程中的搅拌磁场比较复杂, 在焊接生产条件下实际测量磁场分布也相当困难, 致使对外加磁场分布的研究和测量还比较薄弱, 目前主要通过有限元分析 23、无瑕点的单积分数学模型等数值分析方法
16、对外加磁场进行研究、设计和优化。针对CO2 气体保护焊时与电极同轴的单个轴对称空心圆柱线圈在励磁电流作用下产生的外加磁场, 采用无瑕点单积分磁场的数学模型, 经过模拟和计算表明 24: 纵向磁场在电弧区域内的分布并不均匀, 具有横磁分量; 随场点远离对称轴和线圈端面, 其磁感应强度不断衰减; 同一横截面中, 横磁分量与纵磁分量的比率随着径向距离的增大而增大; 在焊接区域附近,外加磁场的纵磁分量明显大于横磁分量, 磁场分布比较均匀模拟的磁感应强度分布如图4 所示。3 电磁搅拌技术应用和研究展望电磁搅拌技术的应用从金属的连铸过程到金属的半固态成形再到焊接, 表现出较为丰富的研究内容和广泛的应用领域
17、。在工艺方法方面, 电磁搅拌技术将在传统的焊接方法 ( TIG, MIG, GTAW等) 上得到进一步研究和应用, 还会逐步与激光焊接、激光熔覆、机器人自动焊接等先进技术紧密结合, 以防止热裂纹、冷裂纹、焊缝内部气孔和夹渣的形成, 从而获得良好的焊接加工质量。随着研究的深入, 计算机数值模拟技术日渐成熟, 定量分析电磁搅拌焊接过程中外加磁场的分布特别是在有效焊接区内的分布规律将进一步符合工程实际, 并为各种焊接条件下的电磁搅拌焊接磁场设计及优化提供有益指导, 也为研究电磁搅拌焊接熔池流体流动和传热过程打下了重要基础。同时, 外加磁场与焊缝熔池的流场、温度场、应力场的相互作用和影响以及非稳态三维变物性的数值模拟也将受到越来越多的重视。为了便于工程实际应用, 磁场的布局也将出现多样化。除了研究中介绍的外加间歇交变脉冲纵向磁场外, 横向磁场、正面双线圈产生磁场、背面线圈多线圈产生磁场、旋转磁场等也在进行有益的探索。材料学、加工技术、焊接技术的快速发展也将推动电磁搅拌技术的应用。通过电磁搅拌技术可以实现焊缝凝固过程、组织设计, 并利用先进的监测技术进行过程监视和反馈控制, 从而获得预期的焊接深度和力学性能, 提高焊接质量, 使电磁搅拌技术在航空、航天、冶金、机械制造加工领域具有更加广阔的应用前景和巨大的实用价值。
