【外加磁场对异种金属焊接质量的影响】 异种金属的焊接
时间:2020-02-15 08:58:00 来源:柠檬阅读网 本文已影响 人
数条件下,焊缝外观和内部组织得到改善,缺陷得到有效抑制,可保证产品的焊接质量。外加磁场通过影响熔池的传热、传质、晶粒
和缺陷的形核而发挥作用。
关键词:
外加磁场;
异种金属;
焊缝组织;
形核;
焊接缺陷
中豳分类号:0441:TG457.1 文献标识码:B
产品加工中需要对不同厚度的Q45CrNiMo1VA~20钢2种
金属进行焊接。Q45CrNiMo1VA属于高强钢, 达到1 500 MPa
以上,其 (C)控制在0.42%--0.48%,由于合金元素较多, (C) 达
到1.1%左右.致使其焊接性较差。虽然采用机器人焊接技术成功
实现了2种金属的焊接,焊缝内却经常产生裂纹、未熔合或超标
气孔等缺陷,必须进行反复的修补。
电磁搅拌(electromagnetic stirring,EMS)技术是控制金
属凝固过程的有效手段。从材料制备的角度讲,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,电磁搅拌对焊
缝质量应该具有较大的影响。本文通过外加磁场,探讨电磁搅
拌抑制异种金属焊缝内缺陷、改进焊接质量的可行性.为提高
产品的生产效率打下基础。
l 试验方法
1.1 试样制备
.
t 考察裂纹产生情况采用Q45CrNiMo1VA制成的裂纹敏感性试
样(图1)。考察焊缝质量采用无坡13的平板对接试样,
Q45CrNiMo1VA板尺寸为260 mmx775 mmx3 mm,淬火调质状态,
硬度为HRC40左右;
2O钢板的尺寸为260 mmx77.5 mmX2 mm。
图1 裂纹敏感性试样
收稿日期:20o7一O6—22
基金项目:
中国工程物理研究院科学技术基金资助课题
(20050322)
1.2 焊接方法
采用TIG焊,焊接电流120 A,西2 mm的H18CrMoA焊丝,
钨极直径3 mm,保护气体(Ar)流量8—12 L/min,焊接速度
100 150 mm/min。裂纹敏感性试样不加任何约束,无焊丝,
每种状态用3件试样。
外加磁场由与焊接电弧中心同轴的励磁线圈产生,通过专
用电源提供双向脉冲励磁电流,产生的磁力线方向基本上与电
弧轴线平行,并以电弧轴线为中心对称分布,装置如图2所示。
图2 焊接装置示意图
1.3 试验设备
用WSE一300TSM1型钨极氩弧焊机进行焊接试验, 用
MG325一MU2000型x射线实时成像系统对焊缝质量进行无损检
测和评价.在MM6金相显微镜上进行组织分析。
2 试验结果与分析
2.1 焊缝外观形貌
无外加磁场时.焊缝外观呈现出与焊接方向相反的波纹形
状,波纹间距较大(图3a),这是熔融金属结晶线沿着凝固方
向层层推进留下的正常焊缝形貌。施加脉冲磁场后,焊缝外观
形貌逐步变成相互交叉的网纹, 而且网纹之间的间距较小(图
3b)。励磁电流继续增加,磁感应强度增强,焊缝表面的编织
状网纹又渐渐减弱,并最终消失(图3c,d)。
Weldinz Technolozv Vo1.36 No.5 Oct.2oo7 ·焊接质量控制与管理· 55
(a)无外加磁场
图3 不同外加磁场励磁电流时焊缱外观形貌
无外加磁场时, 电弧区域起主要作用的电子和正离子进行
无规则的热运动、在焊接电流产生的纵向电场作用下的轴向运
动、电弧自身电场作用下的径向运动、径向带电粒子浓度差异
引起的扩散运动I1]。外加纵向磁场时,带电粒子的径向运动切
割磁力线而产生切向的洛仑兹力,获得的切向速度分量使其绕
轴线旋转. 电弧在宏观上也表现出旋转特性。磁场方向将随着
励磁电流方向而变化,这样, 电弧的旋转方向也将不断地变
化。电弧的旋转将带动熔池金属液的旋转,加速金属液的流
动,而旋转方向的变化导致金属结晶前沿的相互交叉,从而使
焊缝外观呈现间距较小的相互交叉网纹。随着励磁电流的增
大,磁感应强度不断增强,熔池金属流动的机械惯性加大,这
样网纹状的外观形貌反而减弱。直至消失。
2.2 焊缝质量
2I2.1 气孔
Q45CrNiMo1VA~20钢焊接时焊缝内部缺陷主要有气孔、
裂纹、未熔合、未焊透、夹渣等。气孔和裂纹类缺陷(包括裂
纹和未熔合)在生产中频繁出现,根据GB/T 3323-2005《金
属熔化焊焊接接头射线照相》对焊缝内部质量进行射线检测,
结果见表1和图4。
表1 焊缝内部质量射线检测结果
试样号 励磁电流,A 励磁频率,}Iz 缺陷及数量,点 质量级别,级
CS01 0 0 1 I
CS03 1.5 1 焊透缺陷 Ⅳ
CS04一CS09 2.5~5 1 0 I
c101一ci05 1.5-4 2 0 I
CFO1 0 0 2 Ⅱ
CF02一CFO7 3.5 0.5~20 0 I
(a)CSO1
(c1 CF01
■—_
e 陷
——一
O 6
图4 焊缝内部质量
(d1 CS06
常规焊接的CSO1和CF01焊缝内部质量为I级和Ⅱ级,多
少存在气孔。施加外部磁场后。除了CS03有焊透缺陷外, 电
磁参数在较宽范围内焊缝内部都没有发现气孔。达到I级焊缝
标准.说明电磁搅拌对Q45CrNiMo1VA$I120钢焊缝内部气孔的
抑制作用效果比较明显。
熔池中气孔形成稳定的核心并以此为基础长大的临界尺寸
可按以下公式计算[2]:
⋯
R _Ker
。△
[1 -F .(
2△
1- cos丽O)/FJ, (1)
其中:
为熔融金属的表面张力(相间张力), 为吸附力的
作用面积,F为气泡的表面积, 为气孔核与表面的浸润角,
K。,K:为比例系数,△ ,△ 为液体和固体金属中气体饱和
度, 为气泡内的气体压力, 为气泡上部液体压力。
外加磁场作用时,熔池的周期性流动导致结晶区域成分浓
度集中程度减弱,结晶前沿溶质浓度降低,气体浓度下降,降
低了气体的饱和度,提高了气孔形成稳定核心的临界尺寸 ;
抑制气泡萌生的外部压力增大;
凸入到液体金属中的枝晶被重
新熔化,使枝晶臂尺寸减小,已经形成的气孔核因枝晶臂重熔
而消失;
结晶线前沿稳定性提高,结晶界面向前推移速度降
低。这些都有助于减小气孔核形成几率。并利于气体从焊缝表
面逸出。
文献[3~4]中指出:外加磁场对焊缝质量的改善需要特
定的条件,包括:合理的工艺参数、严格的过程控制、清除带
有吸附水分的氧化膜(特别是接缝根部及焊丝表面的氧化膜)
等。否则,即使采用电磁搅拌焊接,焊缝中的气孔也不容易消
除。
2.2.2 裂纹
对试样进行裂纹敏感性试验, 结果表明:无外加电磁场
时,Q45CrNiMolVA钢3件试样经过1次熔化后2件完好, 1件产
生1条长17 mm左右的裂纹,起源于熔化起点,止于热影响区
与基体的交界处,与焊接方向大致成45。角;
经过多次熔化后。
3件试样中有1件熔化5次,即沿焊接方向产生1条9.5 mm长的裂
纹,如图5所示。在外加磁场(励磁电流4 A、频率2 Hz)作用
下,3件试样经过8次熔化都没有产生裂纹,如图6所示。说明
无论是单次熔化还是多次熔化,电磁搅拌都能够有效地延迟或
者完全抑制焊接裂纹的产生。
(a)1次熔化 (b)5次熔化
图5 无电磁搅拌时试验结果 、
(a)1次熔化 (b)8次熔化
m6 外加磁场(1=4 A。f=2Iiz)试验结果
56 ·焊接质量控制与管理· 焊接技术 第36卷第5期2007年1O月
常规焊接时,熔化金属经历熔化和重新凝固过程,存在冶
炼现象和组织之间的转变过程,因此.焊缝和热影响区同时有
组织应力和热应力的作用。熔池金属自然冷却凝固后组织粗
大,以枝晶形态为主,具有明显的各向异性,合金元素的分布
也不均匀.裂纹很容易在性能较低的地方产生。
外加磁场使液态金属旋转,驱使熔池前端具有较高温度的
金属周期性地向尾部推移。迫使熔池中的氧化物、夹渣等促进
裂纹产生的因素得到有效去除。提高金属内部界面的结合力;
(a)20钢热影响区
熔池中固、液相界面附近的温度和温度梯度、溶质扩散过程以
及结晶线前沿的枝晶结构都发生变化,枝晶转变为等轴晶,组
织更加细小,合金元素的均匀性分布也得到改善,这些因素都
有效地抑制了裂纹。
2.3 组织结构
无外加磁场时,焊缝金属组织具有典型的枝晶形态,
Q45CrNiMolVA钢和20钢热影响区组织都比较粗大.2o钢热影
响区更加明显.如图7所示。
,
(b)Q45CrNiM0lVA热影响区
图7 CS01的焊接组织400~
(c)焊缝
施加适当的外部磁场后,热影响区和焊缝组织都比较细 生冲刷作用,较长的枝晶臂重新熔化而进入液态熔池,消除
小。焊缝内枝晶形态已经消除,如图8所示。外加磁场使液
态金属成分均匀性得到增强, 因成分起伏达到成分过冷度而
形成晶核的几率降低;
熔池金属的流动对已经形成的枝晶产
(a)20钢热影响区
枝晶形态.减缓了晶粒长大的进程,并大大增加了晶核数
量。以上原因最终使焊缝组织细化,凝固后基本不存在枝晶
组织。
(b)Q45CrNiMo1VA热影响区
图8 CS08的焊接组织400X
3 结论
(1)在适当的电磁参数条件下,外加磁场使焊缝外观由间
距较大的波纹形变成间距较小的编织状网纹形,热影响区和焊
缝组织变得细小均匀。
(2)电磁参数在较宽的范围内,外加磁场减少或消除了
Q45CrNiMo1VA钢和2O钢焊缝中的气孑L,保证了产品的焊接质
量。
(3)外加磁场能够有效抑制Q45CrNiMolVA钢裂纹的产
生。
(4)外加磁场通过电弧周期性旋转迫使熔池金属流动,从
而影响熔池的传热、传质、晶粒和缺陷的形成,进而改变焊接
组织、内部质量和外观形貌。
(C)焊缝
参考文献:
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