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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流王忠海毕业论文5.精品文档.外加磁场CO2焊接焊缝性能的研究1 前言焊接是一种应用极为广泛的材料加工技术，在众多的焊接方法中，CO2 焊接的应用较为广泛，因为CO2气体保护具有成本低，抗氢气孔能力强，适合薄板焊接并且易进行全位置焊等特点。，所以被广泛应用于低碳钢和低合金钢等黑色金属的焊接1。短路过渡是其最常用的一种过渡形式，但在这种过渡形式的焊接中会产生大量的飞溅，这样不仅浪费材料，降低熔敷速度，还恶化了焊工工作环境2，并且飞溅的产生降低了电弧的稳定性，焊缝成形较差，在很大程度上限制了CO2气体保护 焊接的应用范围，制约了它在工业生产中的进一
2、步推广和应用。为了解决上述诸多问题，国内外研究人员一直努力研究寻找好的解决方法，国内外有大量的研究者对短路过渡飞溅、成形问题，在焊接材料、焊接工艺以及电源方面作了大量研究工作。提高焊接接头质量最主要的方法之一是通过控制焊缝金属凝固过程来改善焊缝金属结晶组织。在焊接中，用来改善焊缝金属结晶组织的常用方法有两种，即合金化和振动法。实践证明，通过向熔池中添加细化晶粒的合金元素，可以细化焊缝金属晶粒，改变晶粒状态，从而提高强度和韧性，改善抗裂性能。但在某些情况下，向焊缝中添加元素很困难，或不允许改变焊缝金属成分的含量，所以合金化法在实际中受到一定的限制。而振动法中的机械振动和超声波振动虽然均能很好的细
3、化晶粒，消除和降低缺陷，提高焊接接头组织和性能，但它们的都具有设备复杂，成本高，效率低的缺点。施加外加磁场也是振动法中的一种形式，外加磁场具有附加装置简单，投入成本低，效率高等优点，所以外加磁场焊接技术得到了国内外的普遍重视，也使得其在冶金、热能、电力、航空、航天、机械等部门和领域具有广泛的应用前景。外加磁场一般采用与电弧轴向平行的的纵向磁场3，所以外加磁场又称为同轴磁场4。利用外加纵向磁场可以促进焊接电弧旋转并改变电弧弧柱等离子流密度的径向分布，进而影响母材的热熔化过程和焊缝成形；亦可有效地搅拌焊接熔池，改变熔池金属的结晶状况，提高焊缝质量4。实践表明：外加磁场对焊接中溶滴的过渡，熔池金属的
4、流动，熔池的结晶形核及结晶生长等过程能进行有效的干预，使焊缝金属一次结晶组织细化，减少化学不均匀性，提高焊缝金属的塑性和韧性，降低结晶裂纹和气孔的敏感性，从而提高焊缝金属的性能，全面改善焊接接头的质量3。经过大量的资料表明：随着人们对磁场的进一步认识和对磁场作用下的焊接过程的研究不断深入，发现外加磁场在改善焊缝金属的结晶组织和提高熔敷金属的各项性能有明显的效果5。外加磁场在焊接方面的应用已有很长的历史，从1941年迄今，人们对外加磁场焊接技术研究的范围越来越广，程度也愈来愈深入。在上世纪八十年代以前，国内研究很少进行电弧焊过程外加磁场作用机理的研究工作，而在八十年代中后期，西安交通大学贾昌申教
5、授在20#钢埋弧自动焊中，用此方法细化了焊缝一次结晶组织，减少了焊缝化学不均匀性，改善焊缝金属塑性和韧性，提高了冷弯角的合格率6。太原工业大学对双尖角磁场对等离子弧焊的二次压缩作用进行了深入的研究，将电弧压缩成椭圆形，在穿孔等离子焊接中得到较好的应用，北京工业大学对纵向磁场对电弧的压缩作用进行了研究，并将其应用到大电流高熔敷率旋转射流过渡的MAG焊接工艺中，取得了较好的效果7。西安交通大学焊接研究所采用外加间歇磁场对1Cr18Ni9Ti不锈钢TIG焊焊缝的耐腐蚀性的影响进行了研究。研究表明：外加纵向磁场后，焊接成分的均匀程度得到改善，提高了焊缝金属的均匀性和耐腐蚀性8。早在1962年，Brow
6、n等人利用外加磁场最先在不锈钢，钛合金钢，铝合金焊接中研究电磁搅拌的影响，并且发现晶粒细化现象，影响焊缝组织9。1982年，P.V.Cherngush采用GTAW焊和埋弧自动焊对外加磁场和焊接本身磁场之间的相互作用大等问题作了研究，通过对比分析提出：焊接生产自动化的下一发展阶段就是广泛采用磁控电弧焊接，通过搅拌控制焊接结晶动力学过程，从而控制焊缝金属微观组织和性能10。1977年，M.A.Abralov研究了纵向磁场对01420铝合金焊缝金属组织和性能的影响，认为该方法使焊缝金属一次结晶组织得以细化，并提高了接头强度10。1985年，美国的S.kon,Y.Le等人从改善焊接熔池的结晶条件的角度
7、，研究了磁控电弧横向摆动对高强铝合金201416T焊缝熔池结晶组织的热裂纹的影响11，但他们利用横向磁场是电弧摆动的方法不利于焊缝的外观成形，所以没有得到推广。西安交通大学焊接研究所又采用外加间隙交变纵向磁场作用于LD10CS 铝合金TIG氦弧焊，用来抑制裂纹的产生。在第1个半周期中，由于外加纵向磁场的作用，焊接电弧旋转，熔池头部高温液态金属被推向尾部，结晶前沿的温度及温度梯度提高，造成凸入到液态金属中的结晶组织 胞状晶或树枝晶的部分枝头和枝颈被重新熔化，结晶区域浓度过冷程度减小，促进了均匀扩散，熔池金属结晶速度大大降低。在第2个半周期中，由于磁场休止，电弧停止旋转，电弧形态恢复自然状态，在结
8、晶前沿因枝晶重熔所形成的高熔点质点开始活化，形成新的结晶核；另外，电弧旋转造成的熔融金属流的附加运动停止，结晶线与焊接电弧之间的距离拉大，结晶前沿的温度和温度梯度随之降低，成分过冷程度增大，瞬时结晶速度突然加快，晶粒横向尺寸减小，从而降低了低熔点共晶物的偏析，达到了抑制结晶裂纹的目的。因此，只要磁场参数选择恰当，电磁搅拌能够有效细化焊缝金属的结晶组织，减小其化学不均匀性，周期性地改变树枝晶的生长方向，增大裂纹扩展的阻力10。天津大学的应小东等研究了电磁搅拌对超高硬度堆焊层组织和性能的影响，结果表明：电磁搅拌可以改善敷层金属的结晶状态，使焊缝组织由胞状晶向胞状树枝、树枝状甚至等轴晶转变；电磁搅拌
9、还可以打碎非金属夹杂物，是尺寸在14微米之间的夹杂物数量减少，0.10.5微米之间的夹杂物数量增加；外加磁场促进敷层成分均匀化，提高堆焊层低温冲击韧性等力学性能，但对硬度的提高不很明显12。1971年Teng和Savage等第一次深入研究了电磁搅拌对TIG焊焊缝微观组织和性能的影响；1972年V.D.Kuznetsov研究了间隙交变磁场对焊接电弧行为的影响，他认为由于磁场的作用，焊接电弧间隙性正反向旋转，并周期性地扩张形成钟罩形电弧、然后收缩成普通电弧形态，并且研究了在磁场作用下金属熔滴过渡较自然焊接条件时发生的变化，起过渡熔滴及其在电极端部停留时间均受外加磁场的影响，进而影响了熔化极电弧焊熔
10、滴金属的过渡。1975年，V.N.Selyanenkov研究了纵向磁场对钨极氩弧焊焊缝成形的影响10。此外，Tse,H.C等人利用电磁场控制CO2激光焊时保护气体的影响，提高了激光能量的吸收率，增加了焊缝熔深。实验表明，选择合适的磁场参数，焊缝熔深增加了13%左右13。沈阳市锅炉压力容器监督检察所的任克华高级工程师等人研究了钴基堆焊合金在磁场作用下组织性能，研究结果表明：当其他条件一定时，在适当的磁场范围内，电磁搅拌可以改善堆焊层金属的结晶形态，细化晶粒，促使堆焊层组织分布均匀，提高了堆焊层金属的硬度和耐磨性；通过对外加纵向直流磁场作用下堆焊层的金属性能及组织的分析，发现磁场参数（磁场电流I）
11、与焊接参数必须相匹配，焊缝组织才能获得最佳的细化效果14。上海交通大学的柴锋，徐洲等人对含铜时效钢气体保护焊热影响区组织和性能的研究表明：热输入对热影响区粗晶区组织有显著影响，热输入小时主要以板条贝氏体为主，随着热输入的增加，板条贝氏体数量减少，尺寸增大，粒状贝氏体数量增多15。西安工业学院的程巨强教授对HB400级新型贝氏体钢耐磨板CO2保护焊焊接接头的组织和性能做了研究，研究表明：在CO2保护焊焊接的条件下，焊后不热处理，新型贝氏体钢耐磨板焊接接头具有良好的强韧性，焊缝组织为板条贝氏体，少量铁素体和珠光体，晶粒比较细小，分布比较均匀，热影响区组织为细板条贝氏体组织，分布均匀，晶粒细小，熔合
12、区无明显边界，结合良好16。东北大学的赵洪运教授对400Mpa超级钢CO2焊不同焊接工艺焊接接头组织性能做了研究，结果表明：超级钢CO2气体保护焊焊后空冷的金相组织为铁素体、珠光体和少量贝氏体，焊后水冷的金相组织为铁素体、珠光体，少量贝氏体和少量马氏体17。 西北工业大学的刘小文和杨宁宁研究了紫铜黄铜搅拌摩擦焊接头的组织与力学性能，结果表明：紫铜黄铜具有良好的搅拌摩擦焊接性能，可获得与母材等强度的搅拌摩擦焊接接头，熔合区在热力偶合作用下获得动态再结晶组织，接头黄铜一侧热影响区沿厚度方向上下不同，下侧可分为再结晶区、不完全再结晶区、动态回复区；上侧出现明显的偏析现象；接头紫铜一侧热影响区出现明显
13、的须状组织，并有晶粒微溶的迹象18。山东电力建设第三工程公司和山东大学的周冰和李亚江等人采用硬度、金相、X射线衍射等试验方法，对钨极氩弧焊（TIG）条件下10CrMo1VNbN小径管焊接接头的组织性能进行了研究，试验结果表明：10CrMo1VNbN焊接接头中不存在明显的软化区，焊缝的显微组织由奥氏体 + 少量提素体组成，奥氏体晶内亚结构是呈板条状分布的马氏体19。南京理工大学的余进，王克鸿等采用5A56焊丝对7A52铝合金进行双丝气体保护焊，对焊接接头的力学性能和显微组织进行了研究。结果表明，7A52铝合金焊接性能较好。因焊丝合金化学成分和结晶过程的影响，焊缝处是合金接头的薄弱环节。对于中厚7
14、A52铝合金板，采用双丝气体保护焊方法可得到优良的焊接接头20。天津大学的刘俊砻采用两种不同的焊接工艺对双相不锈钢SAF2205管道进行全位置焊接，对比分析了在两种不同工艺下焊接接头的金相组织、力学性能以及断裂韧性。结果显示：不同的焊接工艺使接头中两相比例存在差异，并使接头的力学性能和断裂韧性也存在较大差异。在本试验中，使用较大线能量并使用含N 保护气体的钨极惰性气体保护焊能使接头中铁素体更充分地向奥氏体转变，使其接头具有比手工焊条电弧焊的焊接接头更合适的两相比例，同时也具有更优异的力学性能和断裂韧性21。东北大学的田福泉和付高峰等利用光学显微镜和透射电子显微镜研究了国产7020铝合金熔化极惰
15、性气体保护焊(MIG)接头的微观组织结构，并对接头的力学性能进行研究结果表明，接头的硬度以焊缝中心线为轴呈对称分布，且焊缝中心为接头的最薄弱环节；焊缝区为典型的树枝状晶的铸造组织在熔合区，焊缝一侧为沿散热方向排列的柱状晶，另一侧为细小的等轴晶组织热影响区内，仍可见纤维状加工痕迹，部分析出相固溶到基体中；强化相的粗化，是热影响区内出现软化区的主要原因国产7020铝合金焊接接头强度达到欧洲标准22。哈尔滨工业大学的田福泉和林三宝等采用搅拌摩擦焊方法对8mm厚的2O14AI合金进行对焊焊接，试板尺寸为250mm*100mm*8mm，焊后对接头的微观组织和力学性能及断裂特性进行了分析。研究结果表明，焊
16、核区和轴肩影响区由细小的等轴再结晶组织构成；热机影响区受机械和热的双重作用组织发生了较大程度的变形，在热循环的作用下发生回复反应；热影响区仅受热循环的作用，组织稍微有粗化现象。力学试验表明：焊接速度为150mmmin时，接头的抗拉强度可以达到361MPa，为母材的78 ，抗弯强度达到母材的76 。断口形貌分析显示，接头断裂模式为韧性和脆性的混合型断裂23。中国石油天然气集团公司石油管力学与环境行为重点实验室的李为卫和马秋荣等采用热模拟技术、I程测试手段和显微分析方法，研究了焊前顸热温度对X80管线钢粗晶热影响区的夏比冲击韧性的影响规律 并分析了原因， 确定了管道在小线能量下焊接的预热温度。认为
17、在较小线能量下焊接， 焊前预热对粗晶区的韧性有利在现场焊接线能量为10 kJcm时，推荐焊前预热温度为150 ；若在较大线能量下焊接焊前预热对粗晶区的韧性没有益处，预热温度过高会给粗晶区韧性带来危害，应予以限制24。大连铁道学院的王浩和大连重工集团有限公司焊接研究所的王庆章等人选用NiFe合金和NiFeC合金作为填充金属对YG30硬质合金与45钢进行了TIG焊试验，运用扫描电镜、x射线衍射、弯曲力学性能试验等方法对焊接接头的组织形态、物相及抗弯强度进行了研究。结果表明，分布于YG30焊缝界面区域的相为M6C型的Fe3W3C，相的存在是焊接接头抗弯强度低下的原因。适当碳含量的NiFeC合金作为填
18、充金属，能够提高焊接接头的抗弯强度25。伴随着材料科学与工程技术的发展，各种新的焊接工艺不断涌现，以满足现代结构材料的焊接要求，在电弧焊接过程中引入磁场控制就是满足这种需要的正在发展的先进焊接技术。随着对电磁理论的进一步研究，人们开始尝试把磁场应用于其他的焊接方法中去。如：CO2激光焊、电阻焊。还有就是随着超导磁体的发展，高强磁场的获得越来越容易，而且正逐渐应用于科学研究领域，一种称为“强磁场学”（Science Relating with a High Magnetic Field）的学术研究正在兴起。强磁场应用于材料加工过程，在国内外都已经进行了研究和应用。综上所述，磁场控制技术在国内外都
19、已经有了一些研究，并且取得一定的效果，而外加磁场对CO2焊短路过渡焊缝组织和性能的研究，在国内外还很少有人进行过研究，通过已有的研究表明，外加磁场对焊接的控制，可以改善焊缝金属的结晶组织和提高焊接接头性能。不过高频强磁场对焊接过程的影响更为显著，所以以后应朝着高频强磁场的方向进行研究。2 工艺实验 为了研究外加磁场对CO2 焊接焊缝的性能，进而探索其对焊缝性能的影响规律。本课题组进行了大量的工艺实验：无磁场条件下的焊缝硬度和抗拉强度的数据，外加纵向磁场条件下的焊缝硬度和抗拉强度的数据。2.1 实验设备、装置及材料 2.1.1 实验设备及材料 Miller 250mp 型焊机 一台1.2H08M
20、n2SiA 一卷工作台（带小车） 一个焊接夹具 一套稳压电源 一台电磁线圈 一个HT100数字特斯拉计 一个安培表（量程0-15A和0-500A） 两个导线 若干焊枪支撑架 一个金相砂纸（0#-6#） 若干4%硝酸酒精试剂 50mlCO2 气体 一瓶显微硬度计（401MVD） 一台宏观硬度计（HR-150A） 一台金相镶嵌机 一台低碳钢板（st12 230200mm） 若干2.1.2 电磁作用装置电磁作用装置由五部分组成3 ：变压器、整流器、控制器、电抗器和电磁线圈。工频电源经变压器降压后，再经整流电路变为直流，又经控制器，最后经电抗器滤波后送到电磁线圈，产生稳定的外加磁场。外加纵向磁场作用C
21、O2焊装置见图1.1。励磁电源焊接电源 励磁线圈 工件 焊丝 焊枪 图2.1 外加纵向磁场作用CO2 焊装置图在实验中，电磁线圈实际上是用漆包线在一个螺线管上绕制而成。采用圆筒形空心厚壁线圈来产生所需恒定磁场。焊接时，焊枪与电磁线圈螺线管保持刚性连接，尽量确保焊枪在磁场轴线上。线圈示意图见图1.2。 图2.2 厚壁线圈图本实验中的磁感应强度可以用HT100数字特斯拉计直接测出Z方向上任何一点的磁场强度。通过改变励磁电流的大小，既可获得同一点上不同的磁场强度，然后在一较佳的焊接工艺规范下，可以通过改变励磁电流进而改变外加磁场磁感应强度焊一组试片，测量出不同磁场强度下焊缝的硬度数据，从中得出结论。
22、 表2.1 在Z方向上距电磁线圈顶面中心13mm处励磁电流和磁感应强度的对应关系 序号12345678励磁电流（A）11.522.53455.5磁感应强度（mT）1.371.732.202.833.404.405.536.232.2 实验方案及步骤2.2.1 实验方案实验方案：在CO2焊的焊接参数中对本课题实验中有影响的有送丝速度(V)，焊接速度(v)，焊接电压(U),焊接电流（I），气体流量(Q),干伸长（L）。通过查找阅读与CO2焊相关的资料，可以知道送丝速度，焊接电流、焊接电压、焊接速度对实验影响较大，其中焊接电流对焊缝组织的影响最大26。根据这些参数在CO2焊接短路过渡时的合适范围，通
23、过大量的试探性试验，找出最佳的参数搭配。以这一最佳参数为基准，分别改变送丝速度和焊接电压在无磁场条件下做一组实验，然后在有磁场条件下分别做同样的实验，得到有无磁场条件下的焊缝性能数据，再在这一最佳参数下，改变不同的磁场强度做一组实验，得出在不同磁场强度下的焊缝性能数据。将试片在焊缝相同处切开，做成试样：然后用0#6#金相砂纸对试样进行磨光，然后用抛光机进行抛光，再用4%硝酸酒精溶液腐蚀数秒种，然后用德国Lei.ca.Dm Irm图象分析仪照出焊缝金相组织图，然后测量焊缝及热影响区的硬度。分析外加磁场对焊缝组织性能的影响，以及对焊接接头热影响区的影响。2.2.2 实验步骤1.清理试件并打上钢印；
24、2.清理工作台，调整焊接夹具，并将清理好的试件固定在夹具上，将焊枪调整到合适的高度；3.打开焊机电源，CO2气体，调到所需参数；4.启动焊接小车，进行施焊；5.探索最佳焊接工艺规范参数（无磁场条件下）；6.以选定的最佳参数为基准，（无磁场条件下）固定焊接电压，改变送丝速度焊一组试件，然后固定最佳送丝速度，改变焊接电压焊一组试件；7.当焊接完两至三个参数时，关掉电源，停止焊接，让焊接夹具冷却，保证所有试件在同一焊接环境下施焊，并清理焊枪喷嘴和导电嘴，保证送丝和送气的通畅；8.在施加外加磁场的作用下，并调到最佳磁场强度，重复步骤1 4，6 7。得到外加磁场下进行的焊件；9.在送丝速度为3.60m/
25、min,焊接电压为20.5V，焊接速度为0.39m/min，气体流量为18L/min，干伸长为14mm的条件下，改变励磁电流，重复步骤1 4，焊一组试件；10.焊接完毕，进行切片，然后用金相镶嵌机镶嵌试样，再用不同的砂纸磨光试样，抛光后用4%的硝酸酒精溶液腐蚀试样数秒，清洗并吹干；11.用显微硬度计测量焊缝和热影响区的显微硬度，为了避免焊缝的硬度测量偏差大，再用宏观硬度计测量焊缝的宏观硬度。 12.作出焊接参数对硬度的关系曲线图。3 实验结果及分析3.1 实验结果3.1.1焊接参数与磁感应强度对焊缝硬度的影响根据实验记录数据，整理得到下面一系列表格，并根据表格绘出相应的曲线。其中HB值是通过查
26、各种硬度对照表得出，并绘出相应的曲线图。表3.1 无磁场条件下焊缝的硬度数据 v =0.39m/min, Q=18L/min, U =20.5V焊接电流I（A）85100110120125130焊缝的硬度显微硬度(HV0.05Kg)261234231242225295宏观硬度HRB82.481.277.777.384.286.5表3.2 有磁场条件下焊缝的硬度数据v =0.39m/min, Q =18L/min, U =20.5V, B=2.83mT焊接电流I（A）8595105115120125焊缝的硬度显微硬度(HV0.05Kg)294216269255250229宏观硬度HRB76.77
27、6.583.676.581.082.6表3.1和表3.2 的工艺参数为：焊接速度v=0.39m/min，焊接电压U=20.5V，气流量Q=18L/min，磁感应强度B=2.83mT所得。根据表3.1和表3.2的实验数据可以绘制出改变送丝速度时有、无磁场条件下的焊缝硬度对比曲线，如图3.1和图3.2所示。从图3.1中可以看出无磁场条件下，随着焊接电流的增加，焊缝的硬度先减小后增大；而有磁场条件下，当焊接电流为110A时焊缝的硬度高于无磁场时焊缝的硬度，且焊缝的硬度波动较大。从图3.2来看焊缝的显微硬度曲线，无磁场条件下焊缝的显微硬度随着焊接电流的增加先略有降低而后升高，并且曲线较平滑；有磁场条件
28、下焊缝的显微硬度则普遍比无磁场条件下的硬度高，当焊接电流增加到较大时，有磁场时的硬度反而低于无磁场时的硬度。表3.3 不同磁场强度条件下焊缝的硬度数据v =0.39m/min, Q =18L/min, U=20.5V,V =3.60m/min, l=14mm磁场强度B（mT）1.732.202.833.404.405.53焊缝的硬度显微硬度(HV0.05Kg)215324220242277249宏观硬度HRB78.681.080.575.578.980.0表3.4 不同磁场强度条件下焊缝的硬度数据v =0.39m/min, Q =18L/min, U=20.5V,V =3.40m/min, l
29、=14mm磁场强度B（mT）1.732.202.833.404.405.53焊缝的硬度显微硬度(HV0.05Kg)289235261236269282宏观硬度HRB76.473.576.577.074.079.6根据表3.3和表3.4的实验数据，可以绘制出在不同磁感应强度下焊缝的硬度曲线图，如图3.3和图3.4所示。其中表3.3送丝速度V=3.60m/min,表3.4送丝速度V=3.40m/min，焊接电压为U=20.5V，焊接速度=0.39m/min,气流量Q=18L/min。从图3.3中可以看出随着磁感应强度的增加，焊缝的宏观硬度HRB有不规律的变化，只有焊接参数与磁感应强度较匹配的范围内
30、焊缝的硬度才会得到提高。当焊接工艺参数不同时，匹配的磁感应强度范围也不同。从图3.4中可以看出不同的磁感应强度对焊缝的显微硬度都有所提高，但波动不大，曲线比较平滑，尤其是在送丝速度V=3.40m/min时更是如此。3.1.2 焊接参数和磁感应强度对热影响区硬度的影响根据实验记录数据，整理得到下面一系列表格，并根据表格绘出相应的曲线。表3.5 无磁场条件下热影响区的硬度数据 v =0.39m/min, Q=18L/min, U =20.5V焊接电流（A）85100110120125130热影响区显微硬度（HV0.05Kg）179202204236194177表3.6 有磁场条件下热影响区的硬度数
31、据v =0.39m/min, Q =18L/min, U =20.5V, B=2.83mT焊接电流（A）85100110120125130热影响区显微硬度（HV0.05Kg）196175195177144193根据表3.5和表3.6实验数据，绘制出在有无磁场条件下焊接电流与热影响区硬度的关系曲线图，如图3.5所示。在无磁场条件下，随着焊接电流的增加，热影响区的硬度先增大后减小。而在有磁场条件下，其中磁感应强度B=2.83mT,随着焊接电流的增加，热影响区的硬度先减小后增大再逐渐减小，最后增大，并且在同一工艺参数下，有磁场时热影响区的硬度普遍没有得到提高。表3.7 不同磁场强度条件下热影响区的硬
32、度数据 v =0.39m/min, Q =18L/min, U=20.5V,V =3.60m/min, l=14mm磁场强度B（mT）1.732.202.833.404.405.53热影响区显微硬度（HV0.05Kg）192199190205193192表3.8 不同磁场强度条件下热影响区的硬度数据v =0.39m/min, Q =18L/min, U=20.5V,V =3.40m/min, l=14mm磁场强度B（mT）1.732.202.833.404.405.53热影响区显微硬度（HV0.05Kg）189183173190177194根据表3.7和表3.8的实验数据，绘出不同磁感应强度下
33、，热影响区的硬度曲线，如图3.6所示。两条曲线分别表示送丝速度V=3.60m/min和V=3.40m/min时不同磁感应强度对热影响区硬度的影响。从图中可以看出,随着磁感应强度的增大，热影响区的硬度有增有减，不过当磁感应强度在一匹配的范围内，随着磁感应强度的增大，热影响区的硬度得到了提高。3.2 结果分析本课题是在外加纵向磁场的情况下，研究CO2短路过渡焊接的焊缝性能。外加纵向磁场影响焊接电弧的形态，从而影响焊接电弧对工件的能量输入，外加纵向磁场对熔池流体产生力的作用使流体在熔池中做旋转运动，电磁搅拌改变焊接熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程，从而改变了晶粒的结晶方向，细化一次组织，减少偏
34、析，提高焊缝的硬度。在纵向磁场作用下，电弧中带电粒子在等离子流力、热扩张力、洛伦兹力等力的联合作用下，产生螺旋式高速旋转运动，同时弧柱中气体粒子之间的粘滞力，使得带电粒子的高速旋转必将带动中性粒子旋转，外加磁场的电弧形状成为高速旋转的钟罩形，使电弧扩张，使电流密度在整个电弧径向上呈双峰分布27，电弧的边缘的电流密度大于中心的电流密度，也即能量密度大于中心的能量密度。另外，外加磁场产生电磁搅拌，促进了熔池金属液的流动，从而促使低碳钢组织能够很好的结合，并且在电磁力的作用下，焊接电弧旋转并扩张，熔池液态金属作复杂的循环运动，高温金属流不断地对熔池产生冲刷作用，使得均匀分布,从而提高了焊缝及热影响区
35、的硬度。在一定的磁场强度范围内，随着磁场电流的增加，磁场强度增强，作用于熔池的电磁力也随之增大；熔池中的液态金属受洛仑兹力的作用，绕焊接电弧中心轴旋转，作复杂的循环运动，磁场对熔池的搅拌作用也随之增强。电磁力F的作用下，促使电弧旋转。由于离心力的作用，熔池前部高温液态金属被推向尾部，结晶前沿的温度及温度梯度提高等因素的影响，使得结晶前沿存在着较强地液相流动，从而使枝晶折断 ；而且，高温金属流对结晶前沿的冲刷作用，提高了熔池中熔融金属的平衡结晶温度，使结晶区域浓度过冷程度减少，从而使得结晶线前沿的稳定性提高，促进了均匀扩散，细化凝固组织的作用效果。另外，在外加磁场作用下CO2焊接过程的热膨胀与金
36、属的磁致收缩有相互抵消的倾向，还有可能减弱焊接过程中热膨胀引起的内应力，减少了焊接时易出现裂纹的缺点，提高了焊缝及热影响区的硬度。当磁感应强度与焊接工艺参数不匹配时，在外加纵向磁场后，电弧中带电粒子在磁场的作用下产生洛伦兹力而旋转运动，从而带动电弧旋转而电弧扩张，并且熔池流体也在做旋转运动，这些带电粒子的旋转，相当于在弧柱截面上产生了一个环行电流，这一环行电流在电弧区中产生一纵向磁场，磁力线方向与外加纵向磁场磁力线方向相反，使之部分抵消，使电弧受到一个附加的收缩力，磁感应强度增大，电弧旋转加快，环行电流增大，附加收缩力增大，电弧继续扩张，同时使得焊接电弧的旋转发生絮乱，电弧的挺度和稳定性减弱，
37、保护气流的稳定性变差，致使硬度降低。4 结论(1) 外加纵向磁场作用CO2焊接可以改善焊缝的性能。(2) 在外加纵向磁场作用下，焊接电弧形态受影响，电弧中带电粒子在绕电弧轴线做螺旋式运动，致使电弧旋转及扩张，能量分布呈“双峰状”分布，电弧中心能量密度降低。电磁搅拌改变焊接熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程，从而改变了晶粒的结晶方向，细化一次组织，减少偏析，提高焊缝的硬度。(3) 外加磁场作用于CO2短路过渡焊接时，在一定的焊接规范下，焊缝 的硬度和热影响区的硬度随着磁感应强度的增加而改变，某个范围内升高而某个范围内降低。则磁场强度有一最佳范围，在这一范围内，磁场对焊缝及热影响区的性能影响很
38、大。所以可以在这一范围内选择一较佳磁场来提高CO2短路过渡焊缝及热影响区的性能。5 致谢在这三个月的毕业设计过程中，从开始熟悉课题到实验装置及实验的筹备和进行对课题的研究以及最后整个课题的完成，我觉得自己受益不少，不仅学到了很多理论知识，还掌握了一些学习的方法，知道了怎样去查找并利用别人的东西，更重要的是懂得了怎样对待生活，怎样对待工作。本课题所有进行的环节中，都得到了指导老师江淑园教授的大力帮助和悉心指导。她不仅在学习上给予我孜孜不倦的教导，在实验过程中为我们指出了许多自己平时没有注意到的细节问题，还在对工作以及任何事情上的态度给了我谆谆教诲，让我懂得了以后怎样去对待工作和生活中的任何事情。
39、她严谨治学，严于律己的崇高品德，对待工作的态度永远是我学习的榜样。还要感谢的就是葛志雄老师，在我们做实验的过程中也得到了他很多的悉心指导和教诲。还有就是感谢我的同组人雷兵，我们一起相互携手，互帮互助，完成了毕业设计。在此我向他们表示衷心的感谢！最后感谢所有帮助过我的同学和老师！6 参考文献1 中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册（焊接方法与设备）M.北京:机械出版社.1992.2 杨立军.气体保护焊飞溅的应用技术J.焊接学报，1998,13(2):232237.3 江淑园,陈焕明,刘志凌，等.磁控技术在焊接中的应用及进度J.中国机械工程，2003,13(21):47.4 贾昌申.纵向磁场的焊接
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