外加磁场对异种金属焊接质量的影响
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５４・焊接质量控制与管理・ 焊接技术 第３６卷第５期２００７年１０月 文章编号：１００２—０２５Ｘ｛２００７）０５—００５４－０３
外加磁场对异种金属焊接质量的影响
汤光平，刘 俊，彭昌永，羊 恒 （中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳６２１９００）
摘要：利用外加磁场对Ｑ４５ＣｒＮｉＭｏ１ＶＡ和２Ｏ钢进行了１１Ｇ焊，并分析了焊缝外观、内部组织和质量的变化。结果表明：在适当的电磁参 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）。
维普资讯 http://www.cqvip.com 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
维普资讯 http://www.cqvip.com 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： ［１］吴丰顺，王士元，史耀武，等．纵向磁场作用下电弧的运动机制 『Ｊ］．武汉汽车工业大学学报，１９９７，１９（１）：４３＿４６． ［２］贾昌申，罗键，贾涛，等．外加间歇交变纵向磁场对ＧＴＡＷ 焊缝中气孔的抑制［Ｊ］．航空工艺技术，１９９９，４２（３）：２６—２８． ［３］李海刚，殷成青，罗 键，等．用电磁搅拌提高ＬＤ１０ＣＳ铝合金焊 接接头的质量［Ｊ］．焊接学报，１９９８，１７（１２）：１００－１０５． 『４］江淑园，陈焕明，刘志凌．磁控技术在焊接中的应用及进展［Ｊ］． 中国机械工程，２００２，１３（２１）：１ ８７６－１ ８７９．
