Q345R鋼埋弧焊顯微組織分析

1、q345r鋼埋弧焊顯微組織分析學(xué) 院航空航天工程學(xué)部專 業(yè)飛行器制鈑制造(鈑金與模具）班 級94030203學(xué) 號(hào)2009040302091姓 名 指導(dǎo)教師 負(fù)責(zé)教師 沈陽航空航天大學(xué)2013年6月摘要 采用加電磁攪拌裝置，在不同的頻率、相同的焊接速度下對q345r鋼進(jìn)行自動(dòng)埋弧焊實(shí)驗(yàn)。研究了是否加電磁攪拌，以及加電磁攪拌時(shí)，在不同的參數(shù)下焊接接頭的組織和晶粒的細(xì)化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在加電磁攪拌裝置，頻率為4hz時(shí)，焊縫頂端顯微組織有明顯的細(xì)化現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：埋弧焊；電磁攪拌；細(xì)化晶粒；顯微組織；焊接接頭； abstract 緒論1.1埋弧焊工藝介紹埋弧焊作為最早獲得應(yīng)用的機(jī)械化焊接方法，是焊

2、接生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的工藝方法之一。由于焊接熔深大、生產(chǎn)效率高、機(jī)械化程度高，因而特別適合用 中厚板 長 焊縫 的焊接 。在造船 、鍋爐與壓力容器 、化工、橋梁、起重機(jī)械、工程機(jī)械、冶金機(jī)械以及漢陽結(jié)構(gòu)、核電設(shè)備等制造中都是主要焊接生產(chǎn)手段。我國焊接設(shè)備制造業(yè)起步比較晚，20世紀(jì) 、50、60年代我國重點(diǎn)企業(yè)的大型焊接裝備大部分靠引進(jìn)。到了 20世紀(jì) 70年代，國內(nèi)才組建一批專門生產(chǎn)焊接裝備的制造廠。埋弧焊機(jī)電源的發(fā)展經(jīng)歷了 4個(gè)階段：機(jī)械調(diào)節(jié)型電源、磁飽和放大器電源、晶閘管整流電源和igbt逆變電源。其控制系統(tǒng)的發(fā)展也經(jīng)歷了 3個(gè)階段：機(jī)械控制、分離元件控制、集成電路數(shù)字控制或微機(jī)控制。目前大

3、容量的數(shù)字控制晶閘管整流電源、埋弧焊逆變電源，以其高效節(jié)能、良好的動(dòng)特性和弧焊工藝性能等優(yōu)點(diǎn)成為常規(guī)埋弧焊電源的更新?lián)Q代產(chǎn)品。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，埋弧焊設(shè)備的電路、器件及其控制技術(shù)向集成化、高頻化、全控化、電路弱電化、控制數(shù)字化以及多功能化的方向發(fā)展。在埋弧焊接過程控制方面，微機(jī)被廣泛運(yùn)用于弧焊規(guī)范參數(shù)的控制、焊接工件的自動(dòng)定位和埋弧焊焊縫自動(dòng)跟蹤、埋弧焊的過程控制以及焊接生產(chǎn)線的自動(dòng)化，隨著埋弧焊工藝的發(fā)展，為適應(yīng)一些特定的焊接要求，派生出了許多新的埋弧焊工藝，如雙絲和多絲埋弧焊、窄間隙埋弧焊、帶極埋弧焊、添加粉末埋弧焊、添加磁性焊劑埋弧焊等。傳統(tǒng)埋弧焊生產(chǎn)中有兩種自動(dòng)調(diào)節(jié)方法，一是電弧

4、自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它采用緩降特性或平硬特性電源配等速送絲系統(tǒng)，通過改變焊絲熔化速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)主要用于直徑為4mm 以下細(xì)絲埋弧焊接；二是電弧電壓反饋?zhàn)兯偎徒z調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它采用陡降特性或垂降特性電源配變速送絲系統(tǒng)，利用電弧電壓反饋改變送絲速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前國內(nèi)大多數(shù)埋弧自動(dòng)焊機(jī)及焊接操作機(jī)仍是采用分離元件模擬控制，由于埋弧自動(dòng)焊動(dòng)態(tài)過程是一個(gè)具有高度非線性、時(shí)變性及多變量耦合作用的復(fù)雜系統(tǒng)。固定的控制模式和控制參數(shù)難以保證各種焊接條件下的焊接性能，難以適應(yīng)整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)參數(shù)的優(yōu)化。在較強(qiáng)、較弱的焊接規(guī)范下，往往焊接性能不理想。微機(jī)控制的焊機(jī)有以下特點(diǎn)：（1） 電源功能拓寬。同一電源采用不同的算法

5、，能很好地實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。通過靈活地軟件編程使電源外特性可獲得恒電流特性、恒電壓特性、斜率不同的輸出外特性和恒功率的任意控制。（2） 動(dòng)特性控制好。借助于pi 調(diào)節(jié)器組成的電子電抗器對焊接過程的短路電流上升率 進(jìn)行控制，從而得到 的一個(gè)優(yōu)化范圍。（3） 操作性好。微機(jī)控制的弧焊機(jī)通常具有較好的操作界面，根據(jù)不同的焊絲直徑、焊接的板厚進(jìn)行焊接參數(shù)預(yù)置、再現(xiàn)、記憶，監(jiān)控各焊接參數(shù)，根據(jù)不同需要變換參數(shù)，并且具有數(shù)字顯示等功能。（4） 實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。根據(jù)工件厚度不同，同時(shí)按所需的電弧電壓、電流送絲速度，甚至電感量的一元化調(diào)節(jié)，而不必逐個(gè)調(diào)節(jié)這些焊接參數(shù)。（5） 穩(wěn)定性好。電源特性由控制算法決定，不會(huì)出

6、現(xiàn)因模擬控制中零漂及元件分散性等因素造成性能下調(diào)或不一致。（6） 工藝程序的控制和焊接故障的診斷。微機(jī)控制可以滿足各種焊接工藝程序的要求，如提前供氣，電流的遞增和衰減，并能夠?qū)附舆^程的故障進(jìn)行診斷和報(bào)警。（7） 易于開發(fā)。微機(jī)系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu)，其開發(fā)周期短，開發(fā)成本低。縱觀當(dāng)今埋弧焊機(jī) 的發(fā)展趨勢，可 以歸納如下特點(diǎn)：高精度 、高質(zhì)量 、高可靠性 ；數(shù)字化 、集成化和智能化控制 ；大型化 、組體化及管控一體化和多功能化 。 圖 1 埋弧自動(dòng)焊數(shù)字控制器結(jié)構(gòu)1.2電磁攪拌 電磁攪拌( e le c troma gne tic stirring, ems) 技術(shù)是控制金屬凝固過程的有效手段,

7、具有廣泛的應(yīng)用背景和深厚的工業(yè)基礎(chǔ)。1933 年, 旋轉(zhuǎn)磁場 1 ( rota ting ma gne tic fie ld ) 開始應(yīng)用于金屬的連續(xù)鑄造過程, 當(dāng)1971 年金屬半固態(tài)成形工藝在世界范圍內(nèi)大量推廣后 2, 電磁攪拌技術(shù)在制取半固態(tài)漿料方面又得到了廣泛應(yīng)用。電磁攪拌通過改變柱狀晶生長方向、促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變、細(xì)化組織、影響初生相與共晶組織的形貌和尺寸、縮短枝晶臂間距、影響成分均勻性、控制界面形狀 3, 4等方式改善鑄造凝固組織。從材料學(xué)的角度講, 焊接過程實(shí)際上是金屬材料的熔化和重新凝固的過程, 因此電磁攪拌技術(shù)對焊縫組織同樣具有改進(jìn)作用。因此, 在tse ng 和sa v

8、a ge 5第一次深入研究了電磁攪拌鎢極氣體保護(hù)電弧焊對材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響后, 各國學(xué)者相繼將該技術(shù)應(yīng)用于焊接過程, 并取得了一定效果。1.1 對焊接質(zhì)量的影響( 1 ) 控制飛濺 在co2 氣體保護(hù)焊過程中, 熔滴過渡后,電弧重新引燃時(shí), 焊接電流過大或焊接電流增大過快, 焊絲上殘留的熔滴或熔池金屬被排斥出來以及熔池冶金劇烈反應(yīng)或有co氣體逸出時(shí), 都可能產(chǎn)生劇烈的飛濺現(xiàn)象, 從而影響焊縫質(zhì)量。如果焊接時(shí)施加一定的外加磁場強(qiáng)度, 電弧中帶電粒子在等離子流力、熱擴(kuò)張力、洛侖茲力等力的聯(lián)合作用下, 提高了電弧的挺度和穩(wěn)定性, 增加了弧柱的能量密度及電場強(qiáng)度,使弧柱溫度提高, 焊絲的熔化速度

9、加快, 熔滴尺寸和它們在焊絲端部存在的時(shí)間減少, 熔滴經(jīng)過電弧區(qū)的過渡頻率增加, 短路時(shí)間縮短, 熔滴可快速地在熔池表面鋪展而不被迅速增長的電磁力排斥出熔池, 從而減少飛濺; 同時(shí)外加磁場可以減小短路峰值電流和短路初期的短路電流, 從而減小短路初期的飛濺; 外加磁場對短路液橋還會(huì)在直徑方向產(chǎn)生向內(nèi)的磁致壓力作用, 從而加速液橋的斷開, 降低短路末期的能量積累, 減少短路末期電爆炸飛濺, 進(jìn)而有效地控制飛濺, 保證焊接質(zhì)量。外加磁場對飛濺的控制效果如圖1 所示 7。 ( 2 ) 影響焊縫成形 為了保證生產(chǎn)周期, 在tig焊過程中經(jīng)常需要提高焊接速度, 但這樣容易導(dǎo)致電弧陽極斑點(diǎn)滯后,造成電弧較大

10、的后拖, 引起焊縫嚴(yán)重咬邊和成形不良。當(dāng)施加0.26 , 0.52 a的勵(lì)磁電流產(chǎn)生交變橫向磁場時(shí), 產(chǎn)生的電磁力使電弧發(fā)生偏轉(zhuǎn), 在前后2 個(gè)方向拉長后形成扇形, 這樣, 電弧總有1/2 向前偏轉(zhuǎn), 從而有效控制電弧的后拖, 克服咬邊,改善成形 8。文獻(xiàn)9 研究了間歇交變縱向磁場對tig 焊焊接不同材料(低碳鋼、不銹鋼和鋁合金) 的焊縫成形的影響。大量的工藝試驗(yàn)及對焊縫宏觀參數(shù)的測量表明: 焊縫成形質(zhì)量受到外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度、頻率以及焊接速度、焊接電流等綜合因素的影響。羅鍵 10等通過研究發(fā)現(xiàn): 在間歇交變縱向磁場的作用下, gtaw焊接電弧外形不斷變化, 焊接電弧穿透力降低, 使焊縫熔寬

11、增大, 熔深減小; 同時(shí)電弧的氣動(dòng)壓力分布也發(fā)生了變化, 引起電弧及熔池行為發(fā)生變化; 焊接電弧和焊接熔池電、熱、力等性質(zhì)的變化, 使焊接熔池液態(tài)金屬出現(xiàn)周期性攪拌式運(yùn)動(dòng), 影響了液態(tài)金屬的凝固過程, 從而最終影響焊縫的成形。( 3 ) 抑制焊縫中氣孔的數(shù)量 高強(qiáng)鋁合金2a14 焊接時(shí)易產(chǎn)生夾渣并且在焊縫中生成氣孔( 結(jié)晶層氣孔和皮下氣孔) ,嚴(yán)重影響焊接接頭的塑韌性, 并增加裂紋的敏感性。文獻(xiàn)11在采用合理焊接工藝的前提下, 利用磁場頻率1 5 hz、磁感應(yīng)強(qiáng)度0.02 0.05 t的間歇交變縱向磁場, 較好地抑制了焊縫中的氣孔數(shù)量。( 4 ) 防止焊縫結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生 高強(qiáng)度變形鋁合金2a1

12、4 ( 相近牌號(hào): 美國為2014 , 英國為l87) 屬于鋁- 銅- 鎂- 硅系,熔焊時(shí)產(chǎn)生熱裂紋的傾向比較大。通過調(diào)整和嚴(yán)格控制合金基體中雜質(zhì)元素鐵和鈦的含量, 并以6a02 合金作添加材料, 可保證合金的熔焊性能合格 12。殷咸青 13等研究了外加磁場的頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度對焊縫結(jié)晶裂紋的影響, 如圖2 所示。結(jié)果表明: 在磁感應(yīng)強(qiáng)度保持一定、磁場頻率為2 5 hz時(shí), 裂紋長度明顯減小; 當(dāng)磁場頻率為2 hz、磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.03 0.05 t時(shí),裂紋長度減至最小。因此在合理的磁場參數(shù)條件下, 焊縫結(jié)晶裂紋可以完全抑制。1.2 對焊縫組織和力學(xué)性能的影響在焊接過程中采用電磁攪拌技術(shù)是為了改

13、善焊接結(jié)構(gòu)件的性能, 而性能的改善又是通過焊縫組織的變化來實(shí)現(xiàn)的。施加外部磁場攪拌后, 焊縫區(qū)域主要存在以下變化: 柱狀晶生長方向改變、柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變、組織更加細(xì)化、初生相與共晶組織的形貌和尺寸受到影響、枝晶臂間距縮短、熔池區(qū)域化學(xué)成分不均勻性減少。在藥芯焊絲堆焊成各種高硬度高耐磨堆焊金屬時(shí), 要求熔敷金屬要有很高的硬度和很好的抗裂性。文獻(xiàn)14采用電磁攪拌工藝, 通過電磁力激烈地?cái)嚢枞鄢? 擊碎粗大的柱狀晶, 細(xì)化焊縫晶粒, 不僅適當(dāng)提高了堆焊金屬的硬度, 還將其磨損量降低了1/2 2/3 , 有效改善了熔敷金屬的綜合力學(xué)性能, 尤其是抗裂性能。國旭明 15在對管線鋼進(jìn)行埋弧焊時(shí), 施加磁

14、感應(yīng)強(qiáng)度為60 80 mt、頻率為6 8 hz 的外加磁場, 抑制了先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體, 使晶內(nèi)針狀鐵素體的比例由85.1% 提高到91.7% , 同時(shí)使焊縫非金屬夾雜物的總數(shù)和體積分?jǐn)?shù)減少, 組織進(jìn)一步細(xì)化, 將熔敷金屬的低溫沖擊吸收功由110 j 提高到154 j , 約提高40% 。而文獻(xiàn)16 18 通過研究發(fā)現(xiàn), 在he - tig焊焊接2a14 鋁合金時(shí), 正確選擇磁場參數(shù), 并與焊接工藝參數(shù)恰當(dāng)匹配, 可以有效細(xì)化焊接接頭的組織( 圖3 ) , 減小熔合區(qū)及熱影響區(qū)寬度, 提高焊接接頭沖擊吸收功( 平均提高約20% ) , 接頭的彎曲角普遍增大。2 外加磁場的數(shù)值計(jì)算在金屬

15、連鑄和半固態(tài)成形過程中, 對磁場作用下金屬的流場、溫度場、變形行為、自由表面形狀和穩(wěn)定化方面的數(shù)值計(jì)算和模擬的研究比較多 1922, 而焊接過程中電磁攪拌的計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)值計(jì)算還不多, 主要集中在焊接區(qū)域附近磁場模型的建立和計(jì)算。在電磁攪拌焊接過程中, 外加磁場的方式和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小、頻率和分布直接影響焊縫的成形及焊縫組織和性能。因此, 掌握外加磁場的特性并加以合理利用是獲得電磁攪拌良好效果的關(guān)鍵。但應(yīng)用于焊接過程中的攪拌磁場比較復(fù)雜, 在焊接生產(chǎn)條件下實(shí)際測量磁場分布也相當(dāng)困難, 致使對外加磁場分布的研究和測量還比較薄弱, 目前主要通過有限元分析 23、無瑕點(diǎn)的單積分?jǐn)?shù)學(xué)模型等數(shù)值分析方法

16、對外加磁場進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)和優(yōu)化。針對co2 氣體保護(hù)焊時(shí)與電極同軸的單個(gè)軸對稱空心圓柱線圈在勵(lì)磁電流作用下產(chǎn)生的外加磁場, 采用無瑕點(diǎn)單積分磁場的數(shù)學(xué)模型, 經(jīng)過模擬和計(jì)算表明 24: 縱向磁場在電弧區(qū)域內(nèi)的分布并不均勻, 具有橫磁分量; 隨場點(diǎn)遠(yuǎn)離對稱軸和線圈端面, 其磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷衰減; 同一橫截面中, 橫磁分量與縱磁分量的比率隨著徑向距離的增大而增大; 在焊接區(qū)域附近,外加磁場的縱磁分量明顯大于橫磁分量, 磁場分布比較均勻模擬的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖4 所示。3 電磁攪拌技術(shù)應(yīng)用和研究展望電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用從金屬的連鑄過程到金屬的半固態(tài)成形再到焊接, 表現(xiàn)出較為豐富的研究內(nèi)容和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在工藝方法方面, 電磁攪拌技術(shù)將在傳統(tǒng)的焊接方法 ( tig, mig, gtaw等) 上得到進(jìn)一步研究和應(yīng)用, 還會(huì)逐步與激光焊接、激光熔覆、機(jī)器人自動(dòng)焊接等先進(jìn)技術(shù)緊密結(jié)合, 以防止熱裂紋、冷裂紋、焊縫內(nèi)部氣孔和夾渣的形成, 從而獲得良好的焊接加工質(zhì)量。隨著研究的深入, 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)日漸成熟, 定量分析電磁攪拌焊接過程中外加磁場的分布特別是在有效焊接區(qū)內(nèi)的分布規(guī)律將進(jìn)一步符合工程實(shí)際, 并為各種焊接條件下的電磁攪拌焊接磁場設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供有益指導(dǎo), 也為研究電磁攪拌焊接熔池流體流動(dòng)和傳熱過程打下了重要基礎(chǔ)。同時(shí), 外加磁場與焊縫熔池的流場、溫度場、應(yīng)力場的相互作用和影響