外加磁場(chǎng)對(duì)焊接過程的影響

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1、外加磁場(chǎng)對(duì)焊接過程的影響摘要:　論述了外加磁場(chǎng)對(duì)焊接電弧形態(tài)、焊接熔池形狀、焊縫顯微組織、焊接缺陷、接頭力學(xué)性能及殘余應(yīng)力的影響，并討論了電磁作用下焊接技術(shù)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:　電磁場(chǎng)　焊接質(zhì)量　磁場(chǎng)強(qiáng)度　頻率INFLUENCEOFADDINGMAGNETICFIELDONWELDINGPROCESSHarbinInstituteofTechnologyZhangZhongdian,LiDongqingYinXiaohui,ZhengAilongJilininstituteoftechnology　ZhaoHongyunChinaf

2、irstautomobileworkgroupcorporation　YanLihongAbstract　Thispaperdiscussestheinfluenceofaddingmagneticfieldonshapeofweldingarcandpool,microstructureofweld,welddefect,mechanicalpropertiesandresidual-stressofweldedjoint.Moreover,thedevelopmentofweldingtechnologyaffectedbyma

3、gneticfieldisdiscussed.Keywords：　magneticfield，　weldingquality，　magneticfieldintensity，　frequency　　0　前　言　　　　隨著材料科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料對(duì)焊接質(zhì)量的要求越來越高。研究表明，焊接接頭的內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)顯著影響焊縫金屬的強(qiáng)度等性能，細(xì)小的等軸晶能減少結(jié)晶裂紋、提高力學(xué)性能（如強(qiáng)度、韌性、疲勞壽命）。因此，控制焊接接頭內(nèi)部晶粒形態(tài)、尺寸成為人們研究的熱點(diǎn)。外加磁場(chǎng)控制的焊接技術(shù)就是控制晶粒形態(tài)及其尺寸的一種有效方法?！　　?/p>

4、采用外加磁場(chǎng)控制焊接質(zhì)量，具有附加裝置簡單、投入成本低、效益高、耗能少等特點(diǎn),引起了焊接工作者的廣泛興趣。1962年，Brown等人［1］最先在不銹鋼、鈦合金、鋁合金焊接中研究電磁攪拌的影響，并且發(fā)現(xiàn)晶粒細(xì)化現(xiàn)象；1971年，Tseng和Savage［2］第一個(gè)深入研究了在TIG焊時(shí)電磁攪拌對(duì)微觀組織和性能的影響；隨后，國內(nèi)外開始對(duì)外加磁場(chǎng)作用下的焊接技術(shù)進(jìn)行廣泛地研究。研究發(fā)現(xiàn)：外加磁場(chǎng)作用下的焊接技術(shù)改變了電弧焊的電弧形態(tài)，影響母材熔化和焊縫成形；通過電磁攪拌作用，改變焊接熔池液態(tài)金屬結(jié)晶過程中的傳質(zhì)和傳熱過程，從而改變晶粒的結(jié)

5、晶方向，細(xì)化一次組織，減小偏析，提高焊縫的力學(xué)性能，降低氣孔、裂紋等焊接缺陷的敏感性，在國外被稱?quot;無缺陷焊接"。1　對(duì)電弧形態(tài)的影響　　　　焊接電弧是一種持續(xù)的氣體放電現(xiàn)象，是等離子體。一般情況下，在各種電弧力的作用下，焊接電弧呈圓錐狀。但是，在外加磁場(chǎng)作用下電弧形態(tài)發(fā)生明顯變化。在外加橫向交流電磁場(chǎng)，由于洛侖茲力作用，當(dāng)激磁電流頻率小于850Hz時(shí)，電弧沿焊縫中心左右擺動(dòng)，而且隨著頻率的增加，電弧陰極區(qū)明顯擴(kuò)展，電弧呈扇形；當(dāng)激磁電流頻率大于850Hz而小于5KHz時(shí)，電弧的宏觀形態(tài)與不加磁場(chǎng)時(shí)相似，但電弧漂移困難、穩(wěn)定

6、性提高；當(dāng)激磁電流頻率大于5KHz時(shí)，電弧發(fā)生收縮，隨著頻率的增加，電弧收縮程度增加。當(dāng)弧長和焊接電流一定時(shí)，隨著外加磁場(chǎng)頻率、強(qiáng)度的增加，電弧電壓上升。說明外加磁場(chǎng)頻率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，磁場(chǎng)可以增加電弧的能量密度［３］?！　　≡谕饧涌v向磁場(chǎng)時(shí)，具有縱向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生洛侖茲力，驅(qū)使這些帶電粒子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而促使電弧旋轉(zhuǎn)，而且焊接電弧外形下部擴(kuò)張、上部收縮。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，電弧旋轉(zhuǎn)速度加快。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，電弧由原來的圓錐形變?yōu)殓娬中危溏娬置媸且粋€(gè)高速旋轉(zhuǎn)的封閉曲面?［４.５］。由于焊接電弧形態(tài)的變化，

7、也使焊接電弧其他特性不可避免地受到影響。外加縱向磁場(chǎng)使電弧溫度分布發(fā)散，溫度場(chǎng)"矮而胖"，電弧中心的溫度下降、徑向溫度梯度較小。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，電弧溫度分布更加發(fā)散，電弧中心區(qū)溫度降低、徑向溫度梯度下降［4］。而且電弧力也隨之發(fā)生變化。2　對(duì)焊接熔池形狀的影響　　　　在電磁作用下，由于電弧形態(tài)和金屬運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，導(dǎo)致焊接熔池形狀改變。資料表明，在橫向磁場(chǎng)作用下，熔池的運(yùn)動(dòng)速度由兩部分組成，即焊接速度和在磁場(chǎng)作用下垂直焊接方向的運(yùn)動(dòng)速度。在兩者的共同作用下焊接熔池的運(yùn)動(dòng)速度增加（相對(duì)無磁場(chǎng)時(shí)），加上電弧的偏轉(zhuǎn)，造成熔池的不對(duì)稱

8、。如果是交變橫向磁場(chǎng)，則焊接熔池呈波浪式前進(jìn)。而且由于熔池運(yùn)動(dòng)速度地增加，使焊接熱影響區(qū)和半熔化區(qū)的范圍減小?！　≡诳v向磁場(chǎng)中，由于焊接電弧的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)張，使焊縫熔寬增加，熔深減小。熔池中的液態(tài)金屬受洛侖茲力的作用，繞焊接電弧中心軸旋轉(zhuǎn)。