外加磁場對異種金屬焊接質(zhì)量的影響

1、外加磁場對異種金屬焊接質(zhì)量的影響摘要：利用外加磁場對q45crnimo1va和2o鋼進(jìn)行了11g焊，并分析了焊縫外觀、內(nèi)部組織和質(zhì)量的變化。結(jié)果表明：在適當(dāng)?shù)碾姶艆?shù)條件下，焊縫外觀和內(nèi)部組織得到改善，缺陷得到有效抑制，可保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。外加磁場通過影響熔池的傳熱、傳質(zhì)、晶粒和缺陷的形核而發(fā)揮作用。關(guān)鍵詞： 外加磁場； 異種金屬；焊縫組織； 形核；焊接缺陷中豳分類號：0441：tg4571 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：b產(chǎn)品加工中需要對不同厚度的q45crnimo1va20鋼2種金屬進(jìn)行焊接。q45crnimo1va屬于高強(qiáng)鋼， 達(dá)到1 500 mpa以上，其 (c)控制在042-048，由于合金元素較多

2、， (c) 達(dá)到11左右致使其焊接性較差。雖然采用機(jī)器人焊接技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了2種金屬的焊接，焊縫內(nèi)卻經(jīng)常產(chǎn)生裂紋、未熔合或超標(biāo)氣孔等缺陷，必須進(jìn)行反復(fù)的修補(bǔ)。電磁攪拌(electromagnetic stirring，ems)技術(shù)是控制金屬凝固過程的有效手段。從材料制備的角度講，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，電磁攪拌對焊縫質(zhì)量應(yīng)該具有較大的影響。本文通過外加磁場，探討電磁攪拌抑制異種金屬焊縫內(nèi)缺陷、改進(jìn)焊接質(zhì)量的可行性為提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率打下基礎(chǔ)。l 試驗(yàn)方法11 試樣制備t 考察裂紋產(chǎn)生情況采用q45crnimo1va制成的裂紋敏感性試樣(圖1)?？疾旌缚p質(zhì)量采用無坡1

3、3的平板對接試樣，q45crnimo1va板尺寸為260 mmx775 mmx3 mm，淬火調(diào)質(zhì)狀態(tài)，硬度為hrc40左右；2o鋼板的尺寸為260 mmx775 mmx2 mm。圖1 裂紋敏感性試樣收稿日期：20o7一o622基金項(xiàng)目： 中國工程物理研究院科學(xué)技術(shù)基金資助課題(20050322)12 焊接方法采用tig焊，焊接電流120 a，西2 mm的h18crmoa焊絲，鎢極直徑3 mm，保護(hù)氣體(ar)流量812 lmin，焊接速度100 150 mmmin。裂紋敏感性試樣不加任何約束，無焊絲，每種狀態(tài)用3件試樣。外加磁場由與焊接電弧中心同軸的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生，通過專用電源提供雙向脈沖勵(lì)磁電

4、流，產(chǎn)生的磁力線方向基本上與電弧軸線平行，并以電弧軸線為中心對稱分布，裝置如圖2所示。圖2 焊接裝置示意圖13 試驗(yàn)設(shè)備用wse一300tsm1型鎢極氬弧焊機(jī)進(jìn)行焊接試驗(yàn)， 用mg325一mu2000型x射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)對焊縫質(zhì)量進(jìn)行無損檢測和評價(jià)在mm6金相顯微鏡上進(jìn)行組織分析。2 試驗(yàn)結(jié)果與分析21 焊縫外觀形貌無外加磁場時(shí)焊縫外觀呈現(xiàn)出與焊接方向相反的波紋形狀，波紋間距較大(圖3a)，這是熔融金屬結(jié)晶線沿著凝固方向?qū)訉油七M(jìn)留下的正常焊縫形貌。施加脈沖磁場后，焊縫外觀形貌逐步變成相互交叉的網(wǎng)紋， 而且網(wǎng)紋之間的間距較小(圖3b)。勵(lì)磁電流繼續(xù)增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，焊縫表面的編織狀網(wǎng)紋又漸漸

5、減弱，并最終消失(圖3c，d)。weldinz technolozv vo136 no5 oct2oo7 焊接質(zhì)量控制與管理 55(a)無外加磁場圖3 不同外加磁場勵(lì)磁電流時(shí)焊繾外觀形貌無外加磁場時(shí)， 電弧區(qū)域起主要作用的電子和正離子進(jìn)行無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)、在焊接電流產(chǎn)生的縱向電場作用下的軸向運(yùn)動(dòng)、電弧自身電場作用下的徑向運(yùn)動(dòng)、徑向帶電粒子濃度差異引起的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)i1。外加縱向磁場時(shí)，帶電粒子的徑向運(yùn)動(dòng)切割磁力線而產(chǎn)生切向的洛侖茲力，獲得的切向速度分量使其繞軸線旋轉(zhuǎn) 電弧在宏觀上也表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)特性。磁場方向?qū)㈦S著勵(lì)磁電流方向而變化，這樣， 電弧的旋轉(zhuǎn)方向也將不斷地變化。電弧的旋轉(zhuǎn)將帶動(dòng)熔池金屬液的旋轉(zhuǎn)

6、，加速金屬液的流動(dòng)，而旋轉(zhuǎn)方向的變化導(dǎo)致金屬結(jié)晶前沿的相互交叉，從而使焊縫外觀呈現(xiàn)間距較小的相互交叉網(wǎng)紋。隨著勵(lì)磁電流的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，熔池金屬流動(dòng)的機(jī)械慣性加大，這樣網(wǎng)紋狀的外觀形貌反而減弱。直至消失。22 焊縫質(zhì)量2i21 氣孔q45crnimo1va20鋼焊接時(shí)焊縫內(nèi)部缺陷主要有氣孔、裂紋、未熔合、未焊透、夾渣等。氣孔和裂紋類缺陷(包括裂紋和未熔合)在生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)，根據(jù)gbt 3323-2005金屬 熔化焊焊接接頭射線照相對焊縫內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行射線檢測，結(jié)果見表1和圖4。表1 焊縫內(nèi)部質(zhì)量射線檢測結(jié)果試樣號 勵(lì)磁電流，a 勵(lì)磁頻率，iz 缺陷及數(shù)量，點(diǎn) 質(zhì)量級別，級cs01 0

7、0 1 ics03 15 1 焊透缺陷 cs04一cs09 255 1 0 ic101一ci05 15-4 2 0 icfo1 0 0 2 cf02一cfo7 35 0520 0 i(a)cso1(c1 cf01_e 陷一o 6圖4 焊縫內(nèi)部質(zhì)量(d1 cs06常規(guī)焊接的cso1和cf01焊縫內(nèi)部質(zhì)量為i級和級，多少存在氣孔。施加外部磁場后。除了cs03有焊透缺陷外， 電磁參數(shù)在較寬范圍內(nèi)焊縫內(nèi)部都沒有發(fā)現(xiàn)氣孔。達(dá)到i級焊縫標(biāo)準(zhǔn)說明電磁攪拌對q45crnimo1va$i120鋼焊縫內(nèi)部氣孔的抑制作用效果比較明顯。熔池中氣孔形成穩(wěn)定的核心并以此為基礎(chǔ)長大的臨界尺寸可按以下公式計(jì)算2：r _ker

8、。1 -f (21- cos麗o)fj， (1)其中： 為熔融金屬的表面張力(相間張力)， 為吸附力的作用面積，f為氣泡的表面積， 為氣孔核與表面的浸潤角，k。，k：為比例系數(shù)， ， 為液體和固體金屬中氣體飽和度， 為氣泡內(nèi)的氣體壓力， 為氣泡上部液體壓力。外加磁場作用時(shí)，熔池的周期性流動(dòng)導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)域成分濃度集中程度減弱，結(jié)晶前沿溶質(zhì)濃度降低，氣體濃度下降，降低了氣體的飽和度，提高了氣孔形成穩(wěn)定核心的臨界尺寸 ；抑制氣泡萌生的外部壓力增大；凸入到液體金屬中的枝晶被重新熔化，使枝晶臂尺寸減小，已經(jīng)形成的氣孔核因枝晶臂重熔而消失；結(jié)晶線前沿穩(wěn)定性提高，結(jié)晶界面向前推移速度降低。這些都有助于減小氣孔

9、核形成幾率。并利于氣體從焊縫表面逸出。文獻(xiàn)34中指出：外加磁場對焊縫質(zhì)量的改善需要特定的條件，包括：合理的工藝參數(shù)、嚴(yán)格的過程控制、清除帶有吸附水分的氧化膜(特別是接縫根部及焊絲表面的氧化膜)等。否則，即使采用電磁攪拌焊接，焊縫中的氣孔也不容易消除。222 裂紋對試樣進(jìn)行裂紋敏感性試驗(yàn)， 結(jié)果表明：無外加電磁場時(shí)，q45crnimolva鋼3件試樣經(jīng)過1次熔化后2件完好， 1件產(chǎn)生1條長17 mm左右的裂紋，起源于熔化起點(diǎn)，止于熱影響區(qū)與基體的交界處，與焊接方向大致成45。角；經(jīng)過多次熔化后。3件試樣中有1件熔化5次，即沿焊接方向產(chǎn)生1條95 mm長的裂紋，如圖5所示。在外加磁場(勵(lì)磁電流4

10、a、頻率2 hz)作用下，3件試樣經(jīng)過8次熔化都沒有產(chǎn)生裂紋，如圖6所示。說明無論是單次熔化還是多次熔化，電磁攪拌都能夠有效地延遲或者完全抑制焊接裂紋的產(chǎn)生。(a)1次熔化 (b)5次熔化圖5 無電磁攪拌時(shí)試驗(yàn)結(jié)果 、(a)1次熔化 (b)8次熔化m6 外加磁場(1=4 a。f=2iiz)試驗(yàn)結(jié)果56 焊接質(zhì)量控制與管理 焊接技術(shù) 第36卷第5期2007年1o月常規(guī)焊接時(shí)，熔化金屬經(jīng)歷熔化和重新凝固過程，存在冶煉現(xiàn)象和組織之間的轉(zhuǎn)變過程，因此焊縫和熱影響區(qū)同時(shí)有組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用。熔池金屬自然冷卻凝固后組織粗大，以枝晶形態(tài)為主，具有明顯的各向異性，合金元素的分布也不均勻裂紋很容易在性能較低

11、的地方產(chǎn)生。外加磁場使液態(tài)金屬旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使熔池前端具有較高溫度的金屬周期性地向尾部推移。迫使熔池中的氧化物、夾渣等促進(jìn)裂紋產(chǎn)生的因素得到有效去除。提高金屬內(nèi)部界面的結(jié)合力；(a)20鋼熱影響區(qū)熔池中固、液相界面附近的溫度和溫度梯度、溶質(zhì)擴(kuò)散過程以及結(jié)晶線前沿的枝晶結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，組織更加細(xì)小，合金元素的均勻性分布也得到改善，這些因素都有效地抑制了裂紋。23 組織結(jié)構(gòu)無外加磁場時(shí)，焊縫金屬組織具有典型的枝晶形態(tài)，q45crnimolva鋼和20鋼熱影響區(qū)組織都比較粗大2o鋼熱影響區(qū)更加明顯如圖7所示。 ，(b)q45crnim0lva熱影響區(qū)圖7 cs01的焊接組織400(c)焊

12、縫施加適當(dāng)?shù)耐獠看艌龊?，熱影響區(qū)和焊縫組織都比較細(xì) 生沖刷作用，較長的枝晶臂重新熔化而進(jìn)入液態(tài)熔池，消除小。焊縫內(nèi)枝晶形態(tài)已經(jīng)消除，如圖8所示。外加磁場使液態(tài)金屬成分均勻性得到增強(qiáng)， 因成分起伏達(dá)到成分過冷度而形成晶核的幾率降低；熔池金屬的流動(dòng)對已經(jīng)形成的枝晶產(chǎn)(a)20鋼熱影響區(qū)枝晶形態(tài)減緩了晶粒長大的進(jìn)程，并大大增加了晶核數(shù)量。以上原因最終使焊縫組織細(xì)化，凝固后基本不存在枝晶組織。(b)q45crnimo1va熱影響區(qū)圖8 cs08的焊接組織400x3 結(jié)論(1)在適當(dāng)?shù)碾姶艆?shù)條件下，外加磁場使焊縫外觀由間距較大的波紋形變成間距較小的編織狀網(wǎng)紋形，熱影響區(qū)和焊縫組織變得細(xì)小均勻。(2)電磁參數(shù)在較寬的范圍內(nèi)，外加磁場減少或消除了q45crnimo1va鋼和2o鋼焊縫中的氣孑l，保證了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。(3)外加磁場能夠有效抑制q45crnimolva鋼裂紋的產(chǎn)生。(4)外加磁場通過電弧周期性旋轉(zhuǎn)迫使熔池金屬流動(dòng)，從而影響熔池的傳熱、傳質(zhì)、晶粒和缺陷的形成，進(jìn)而改變焊接組織、內(nèi)部質(zhì)量和外觀形貌。(c)焊縫參考文獻(xiàn)：1吳豐順，王士元，史耀武，等縱向磁場作用下電弧的運(yùn)動(dòng)機(jī)制j武漢汽車工