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鋼進行自動埋弧焊實驗。研究了是否加電磁攪拌，以及加電磁攪拌時，在不同的參數(shù)下焊接接頭的組織和晶粒的細(xì)化情況。實驗結(jié)果表明：在加電磁攪拌裝置，頻率為4hz時，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、起重機械、工程機械、冶金機械以及漢陽結(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年代我國重點企業(yè)的大型焊接裝備大部分靠引進。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。埋弧焊機電源的發(fā)展經(jīng)歷了 4個階段：機械調(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個階段：機械控制、分離元件控制、集成電路數(shù)字控制或微機控制。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、良好的動特性和弧焊工藝性能等優(yōu)點成為常規(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，微機被廣泛運用于弧焊規(guī)范參數(shù)的控制、焊接工件的自動定位和埋弧焊焊縫自動跟蹤、埋弧焊的過程控制以及焊接生產(chǎn)線的自動化，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；二是電弧電壓反饋變速送絲調(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行調(diào)節(jié)。目前國內(nèi)大多數(shù)埋弧自動焊機及焊接操作機仍是采用分離元件模擬控制，由于埋弧自動焊動態(tài)過程是一個具有高度非線性、時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)整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)參數(shù)的優(yōu)化。在較強、較弱的焊接規(guī)范下，往往焊接性能不理想。微機控制的焊機有以下特點：（1） 電源功能拓寬。同一電源采用不同的算法

5、，能很好地實現(xiàn)一機多用。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 進行控制，從而得到 的一個優(yōu)化范圍。（3） 操作性好。微機控制的弧焊機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） 實現(xiàn)協(xié)同控制。根據(jù)工件厚度不同，同時按所需的電弧電壓、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^程的故障進行診斷和報警。（7） 易于開發(fā)。微機系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu)，其開發(fā)周期短，開發(fā)成本低?？v觀當(dāng)今埋弧焊機 的發(fā)展趨勢，可 以歸納如下特點：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 氣體保護焊過程中, 熔滴過渡后,電弧重新引燃時, 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, 都可能產(chǎn)生劇烈的飛濺現(xiàn)象, 從而影響焊縫質(zhì)量。如果焊接時施加一定的外加磁場強度, 電弧中帶電粒子在等離子流力、熱擴張力、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間減少, 熔滴經(jīng)過電弧區(qū)的過渡頻率增加, 短路時間縮短, 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的勵磁電流產(chǎn)生交變橫向磁場時, 產(chǎn)生的電磁力使電弧發(fā)生偏轉(zhuǎn), 在前后2 個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; 同時電弧的氣動壓力分布也發(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)周期性攪拌式運動, 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 高強鋁合金2a14 焊接時易產(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 高強度變形鋁合金2a1

12、4 ( 相近牌號: 美國為2014 , 英國為l87) 屬于鋁- 銅- 鎂- 硅系,熔焊時產(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)強度保持一定、磁場頻率為2 5 hz時, 裂紋長度明顯減小; 當(dāng)磁場頻率為2 hz、磁感應(yīng)強度為0.03 0.05 t時,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, 要求熔敷金屬要有很高的硬度和很好的抗裂性。文獻14采用電磁攪拌工藝, 通過電磁力激烈地攪拌熔池, 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在對管線鋼進行埋弧焊時, 施加磁

14、感應(yīng)強度為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% , 同時使焊縫非金屬夾雜物的總數(shù)和體積分?jǐn)?shù)減少, 組織進一步細(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16 18 通過研究發(fā)現(xiàn), 在he - tig焊焊接2a14 鋁合金時, 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)值計算和模擬的研究比較多 1922, 而焊接過程中電磁攪拌的計算機模擬和數(shù)值計算還不多, 主要集中在焊接區(qū)域附近磁場模型的建立和計算。在電磁攪拌焊接過程中, 外加磁場的方式和磁感應(yīng)強度的大小、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、對外加磁場進行研究、設(shè)計和優(yōu)化。針對co2 氣體保護焊時與電極同軸的單個軸對稱空心圓柱線圈在勵磁電流作用下產(chǎn)生的外加磁場, 采用無瑕點單積分磁場的數(shù)學(xué)模型, 經(jīng)過模擬和計算表明 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; 隨場點遠(yuǎn)離對稱軸和線圈端面, 其磁感應(yīng)強度不斷衰減; 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) 上得到進一步研究和應(yīng)用, 還會逐步與激光焊接、激光熔覆、機器人自動焊接等先進技術(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, 計算機數(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)律將進一步符合工程實際, 并為各種焊接條件下的電磁攪拌焊接磁場設(shè)計及優(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和傳熱過程打下了重要基礎(chǔ)。同時, 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