（材料学专业论文）纵向磁场作用下金属表面堆焊及耐磨性研究.pdf

摘要 磨损是材料三种主要失效形式之一，它所造成的经济损失是十分巨大的。随着 工业技术的迅速发展和机械化、自动化程度的不断提高，对机械设备和零件磨损引 起的危害越来越被人们重视，减少磨料磨损与提高机械耐磨性具有很大的经济意义。 采用等离子弧堆焊的方法在材料表面熔敷一层耐磨材料，节省了贵金属，降低 了成本，在目前的工业生产中已经普及使用。而如何提高金属强化层的耐磨性，需 要不断的研究和关注。电磁作用焊接技术是近年完善起来的一种新的焊接技术，应 用也日趋广泛。由于其成本低、装置简单而备受人们关注。实践表明，；, t - n 纵向磁 场对焊接过程中电弧的形态、熔池液态金属的流动、熔池中晶粒的形核与长大方式 均有显著作用，可以细化焊缝组织，降低化学不均匀性，减少气孔和热裂纹的生成， 全面提高焊接的质量。本课题以堆焊层为研究对象，着重在利用等离子弧对钢板表 面进行局部粉末堆焊的过程中，通过加入纵向磁场来进一步改善堆焊层的硬质相的 形态和分布，以达到耐磨的目的。 在试验过程中，研究了堆焊电流和磁场电流对堆焊层硬度、耐磨性及显微组织 的影响，并且着重分析了同一焊接规范下，施加与没有施加磁场时堆焊层性能的对 比。试验结果如下：1 、施加磁场作用的堆焊层性能明显优于无磁场作用的堆焊层。 2 、通过硬度试验、耐磨性试验以及金相试验证实了磁场对一次、二次结晶组织的细 化作用，同时电磁搅拌对形核率和组织细化的作用也得到证实。3 、只有在适当的磁 场电流作用下，堆焊层组织才能获得最佳的细化效果，我们对此进行了系统的理论 研究分析。 关键词：纵向磁场，堆焊，耐磨性 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g ya n dc o n t i n u e di n c r e a s eo ft h e m e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o n st oh a z a r do fp a r t sw e a r i n g ， w h i c h s h o w sag r e a te c o n o m i cs i g n i f i c a n c eb yd e c r e a s eg r i n d i n ga b r a s i o na n di n c r e a s i n g m e c h a n i c a lw e a r i n g ， t h i sd i s s e r t a t i o nr e p o r t so nt h ee f f e c to fl o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l do np l a s m a o v e r l a y i n go ff e - b a s e da n d n i - b a s e dw e l d i n ga l l o y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l di sa p p l i e dt o w e l d i n gt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r st oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fs u r f a c i n gd e p o s i t e l e c t r o m a g n e t i s mi sa p p l i e dt ow e l d i n ga san e ww e l d i n gt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s p e o p l ea r ev e r yi n t e r e s t e d i ne l e c t r o m a g n e t i s mb e c a u s eo fi t s l o wc o s ta n ds i m p l e e q u i p m e n t i ti s s h o w e di ne x p e r i e n c et h a tl o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l dc a l lg i v ea l l e f f e c t i v ei n t e r v e n t i o nt ot h es h a p eo fa r c ，f l o w i n go fm o l t e nb a t hm e t a l ，c r y s t a l l i n ea n d n u c l e a t i o no fm o l t e nb a t ha n dt h ep r o c e s so fc r y s t a l l i n eg r o w t hi nw e l d i n gp r o c e s s t h e t e x t u r eo fw e l d i n gs e a mi sr e f i n e d ，t h ed e g r e eo fs e g r e g a t i o ni sr e d u c e d ，t h eg a sc a v i t y a n dh o tc r a c ki sd e c r e a s e d ，t h eq u a l i t yo fw e l d i n gi si n c r e a s e d t h ei n f l u e n c e so ft h ea p p l i e ds u r f a c i n gc u r r e n ta n dm a g n e t i cc u r r e n to nh a r d n e s s 、 w e a r i n g 、m i c r o s t r u c t u r e sa n dc o m p o s i t i o no ft h es u r f a c i n gd e p o s i th a v eb e e nc o m p a r e d w i t ht h o s eo b t a i n e dw i t h o u tm a g n e t i cf i e l dd u r i n gt h ew e l d i n g t h em a i nr e s u l t so ft h i s p a p e rg oa sf o l l o w ：( 1 ) t h es u r f a c i n gd e p o s i to b t a i n e db yi n t r o d u c i n gm a g n e t i cf i e l dh a s b e t t e rp r o p e r t i e st h a nt h a td e p o s i t e dw i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ；( 2 ) t h et e s t so fh a r d n e s s 、 w e a r i n ga n dm i c r o s t r u c t u r e ss h o w t h a tt h em a g n e t i cf i e l dc a nr e f i n et h ep r i m a r ys t r u c t u r e a n dt h es e c o n d a r ys t r u c t u r e t h em a g n e t i cs t i r r i n gc a l li n f l u e n c et h en u c l e a t i o nr a t i oa n d r e f i n et h es t r u c t u r ee f f e c t i v e l y ；( 3 ) t h em a g n e t i cc u r r e n ta n dw e l dc r i t e r i o n p a r a r n e t e r s m u s tb em a t c h e dp r o p e r l y , t h e nt h eo p t i m a le f f e c to fg r a i nr e f i n i n gc a nb eg a i n e d w e h a v eas y s t e m a t i cs t u d yo ni t k e y w o r d s ：l o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l d ，s u r f a c el a y e rw e l d i n g ，w e a r i n gq u a l i t y 青岛大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 。本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：扇为文日期：z d 听年牛月够日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在 不保密配 论文作者签名： 导师签名： 年解密后适用于本声明。 麂溅挺 ( 本声明的版权归青岛大学所有， 日期：动口1 年午月步日 日期：年硼加 未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 5 7 青岛大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 磨损是材料三种主要失效形式之一，它所造成的经济损失是十分巨大的。如美 国1 9 8 1 年公布的数字，每年由于磨损造成的损失高达1 0 0 0 亿美元，其中材料消耗 约为2 0 0 亿美元，相当于材料年产率的7 1 1 1 。前苏联由于磨损造成的损失，每年约 为1 2 0 - - - 1 4 0 亿卢布。目前我国尚缺乏全面的统计数字，但各方面的报道表明，由于 材料耐磨性较差，我国大量基础零件的抗磨损失效寿命普遍大幅度低于国外产品的 先进水平，因此经济损失也是十分惊人的。 仅就冶金矿山、农机、煤炭、电力和建材五个工业部门不完全统计，每年由于 磨料磨损而需要补充的备件就达1 0 0 万吨钢材，相当于1 5 2 0 亿元。机械工业每年 所用的钢材，约有一半是消耗在备件的生产上，而备件中的大部分是由于磨损寿命 不高而失效的，约4 0 的农机具备件是由于磨料磨损消耗的，约3 0 的锅炉钢管是 由于腐蚀磨损失效的i z 】。 近年来我国各行业己陆续进口了高达1 0 0 0 亿美元的机械设备，由于零件磨损， 每年需要补充的备件需数亿美元去购买，这对我国是个沉重的负担。为了节约这项 外汇，必须解决进口设备中零件的国产化及磨损零件的修复问题，这都属于材料磨 损的研究领域。类似的实例，不胜枚举。如再考虑到由于零件抗磨损失效寿命不高 而造成的设备停产，机械产品质量差效率低，在国际市场上缺乏竞争力等间接损失， 材料磨损问题的重要性是十分突出的，在国民经济发展中占有举足轻重的地位。 1 2 实验方法的选择 1 2 1 堆焊作为表面强化方法的原因 随着工业技术的迅速发展和机械化、自动化程度的提高，对机械设备和零件磨 损引起的危害越来越被人们重视，减少磨料磨损与提高机械耐磨性具有很重要的经 济意义。因此表面技术受到重视，并被广泛应用于解决零部件的耐磨、防腐和装饰 问题。发展表面改性技术对于提高零部件的使用寿命和可靠性，改善机械设备的性 能质量，增强产品的竞争力，解决引进设备零备件的修复和国产化问题，支持高技 术和新技术的发展，以及节约材料，节约能源等方面都具有十分重要的意义1 3 】。 目前常用的几种用于提高金属表面耐磨性的表面强化技术分为如下几类： ( 1 )表面形变强化。主要是利用机械方法使金属表面层发生塑性变形，而形成 高硬度，高强的硬化层，常用的方法喷丸和冷挤压。表面形变强化方法简单，但对 第一章绪论 耐磨性能影响较小。 ( 2 )表面热处理强化。是利用固态相变，通过快速加热的方法对零件表面 淬火( 如感应淬火，火焰淬火，激光淬火等) ，可提高材料的耐磨性和抗疲劳强度j ( 3 )化学热处理强化。是利用外来元素的固态扩散渗入，来改变金属表面 层的化学成分以实现表面强化。化学处理需要专门的设备，处理周期长、成本高。 ( 4 )表面合金化。一般是指利用工件表层金属的重新熔化和凝固，以得到 预期成分或组织的一种表面技术。它是采用高能量密度的快速加热，将金属表层熔 化，或将涂覆在金属表面的合金材料熔化，随后靠激冷却进行凝固而得到硬化层， 而使表层具有高的耐磨性。 ( 5 )表面薄膜强化。是通过物理的或化学的方法在金属表面被覆与基体材 料不同的膜层，形成耐磨膜，抗蚀膜等。主要方法：电镀、气相沉积、离子注入等。 需要有专门的设备，技术性高，成本高，形成的薄膜很薄，不宜长期使用。 上述表面强化技术，但绝大多数需专用设备，技术复杂，成本高，应用受到限 制。堆焊也是一种改善机械表面耐磨性的简单、经济且行之有效的方法。它是用焊 接方法在零件表面堆一层具有一定性能材料的工艺过程，将焊接中的零件连接技术 移植到零件表面进行敷焊的技术，利用焊接热源使基材表面与敷焊材料之间形成熔 化冶金结合的一种表面工程技术。用堆焊方法将耐磨材料覆盖在基体材料上，既提 高了耐磨性、延长了零件使用寿命，又节省了贵重材料，降低了成本【8 1 。它不是为 了连接零件，其目的更在于增加零件的耐磨、耐热、耐蚀等方面的性能。 堆焊的方法一般有：埋弧堆焊、熔化极气体保护电弧堆焊、带极电渣堆焊、 双丝埋弧堆焊、钨极及熔化极氩弧堆焊、气体保护堆焊、振动电弧堆焊、等离子弧 堆焊、挤压辊堆焊、电火花堆焊。与其他堆焊工艺相比，等离子堆焊弧柱稳定、温 度高、热量集中、规范参数可调性好、熔池平静、可控制基体金属熔深、降低冲淡 率、易于实现自动化；对粉末等离子弧堆焊还有堆焊层材料来源广等特点，但设备 成本高。目前国内外通常采用这种方法来改善表面的性能。本课题通过采用等离子 弧堆焊外加纵向直流磁场的方法提高材料表面耐磨性。 1 2 2 磁场的作用 电磁作用焊接技术是近几年完善起来的一种新的焊接技术。从宏观上，外加磁 场不仅可以改变电弧的形态，对焊接熔池产生附压，还可以改变焊丝金属的过渡特 性，进而控制焊缝成型；从微观上，外磁场的电磁搅拌作用还能改变焊接熔池熔体 的结晶条件，细化焊缝金属的一次结晶组织。在焊接过程中通过改变外加磁场的种 类和方向可以得到不同的结果。国外许多国家已将电磁作用焊接装置商品化。而在 2 青岛大学硕士学位论文 国内，部分高校和研究单位已陆续开展了这方面的研究工作，部分工厂已将这种新 技术用于焊接生产。因此这种方法应用前景广泛，具有很高的研究价值。 电磁作用焊接技术近年来应用也日趋广泛。焊接条件下的外加磁场由螺线管或 电磁线圈组成。依据其对电弧轴线的相对位置，能够获得各种类型的外磁场，纵向 的和横向的。纵向磁场的磁力线平行于焊接电弧轴线；而横向磁场的磁力线则与其 垂直。对于控制焊缝金属一次结晶过程来说，横向磁场具有最大的可能性【9 】【1 0 1 。本 课题先采用与电弧轴向平行的纵向磁场作为外加磁场进行研究。 当施加纵向磁场时，电弧围绕自己的轴线进行旋转。旋转的方向与电流的种类 和极性无关，而是由磁力线的方向确定的。外加纵向磁场赋予焊接电弧大的刚性和 稳定性，并且由于磁压增高的原因，提高了弧柱中心的温度。纵向磁场促使电弧旋 转，改变弧柱等离子流和电流密度的径向分布，影响母材的加热熔化和焊缝成形【i l 】。 实践表明，利用外加磁场对焊接中熔滴的过渡、熔池金属的流动、熔池的结晶形核 及结晶生长等过程进行有效地干预，使堆焊层金属的一次结晶组织细化，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 堆焊层的性能，全面改善堆焊层的质型1 0 】。在航空航天、冶金、机械等部门具有广 泛的应用前景和巨大的实用价值。国外诸多国家都已应用并将电磁作用焊接装置商 品化，国内部分研究单位也已经开展了这方面的工作。但利用纵向磁场控制堆焊层 硬质相的形态和分布来提高材料耐磨性方面，国内报道还是很少的。因此利用此种 方法来提高材料的耐磨料磨损不但是企业追求低成本、高效益的重要途径，而且也 是极具创新意义和应用前景。 1 3 磁场在焊接过程中的意义 1 3 1 磁场对电弧形态的影响 焊接电弧是一种持续的气体放电现象，是等离子体。一般情况下，在各种电弧 力的作用下，焊接电弧呈圆锥状。但是，在外加磁场作用下电弧形态发生明显变化。 在外加横向交流电磁场下，由于洛仑兹力作用，当激磁电流频率小于8 5 0 h z 时，电 弧沿焊缝中心左右摆动，而且随着频率的增加，电弧阴极区明显扩展，电弧呈扇形： 当激磁电流频率大于8 5 0 h z 而小于5 k h z 时，电弧的宏观形态与不加磁场时相似， 但电弧漂移困难、稳定性提高；当激磁电流频率大于5 k h z 时，电弧发生收缩，随 着频率的增加，电弧收缩程度增加。当弧长和焊接电流一定时，随着外加磁场频率、 强度的增加，电弧电压上升。说明外加磁场频率达到一定数值时，磁场可以增加电 弧的能量密度i i 引。 在外加纵向磁场时，具有纵向运动的带电粒子与磁场作用产生洛仑兹力，驱使 第一章绪论 这些带电粒子进行旋转，从而促使电弧旋转，而且焊接电弧外形下部扩张、上部收 缩。随着磁感应强度的增加，电弧旋转速度加快。当磁感应强度达到一定值时，电 弧由原来的圆锥形变为钟罩形，其钟罩面是一个高速旋转的封闭曲面u 3 1 4 1 。由于焊 接电弧形态的变化，也使焊接电弧其他特性不可避免地受到影响。外加纵向磁场使 电弧温度分布发散，温度场“矮而胖”，电弧中心的温度下降、径向温度梯度较小。 随着磁感应强度的增加，电弧温度分布更加发散，电弧中心区温度降低、径向温度 梯度下降，而且电弧力也随之发生变化【l3 。 1 3 2 磁场对焊接熔池形状的影响 在电磁作用下，由于电弧形态和金属运动状态的变化，导致焊接熔池形状改变。 资料表明，在横向磁场作用下，熔池的运动速度由两部分组成，即焊接速度和在磁 场作用下垂直焊接方向的运动速度。在两者的共同作用下焊接熔池的运动速度增加 ( 相对无磁场时) ，加上电弧的偏转，造成熔池的不对称。如果是交变横向磁场，则 焊接熔池呈波浪式前进。而且由于熔池运动速度地增加，使焊接热影响区和半熔化 区的范围减小。 在纵向磁场中，由于焊接电弧的旋转扩张，使焊缝熔宽增加，熔深减小。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。由于离心力的作用，熔 池前端液态金属沿熔池一侧向尾部流动，相应的熔池尾部液态金属沿另一侧向前端 流动。因为熔池前端液态金属温度高，在流动过程中使一侧熔合比大，另一侧熔合 比小，造成焊接熔池不对称。若在纵向交变磁场作用下，熔池液态金属周期性正反 向旋转，使熔池呈波浪式形状。但是，如果磁场参数选择合适，无论在横向磁场还 是在纵向磁场作用下，焊缝表面光滑、平整，焊缝成形良好。 此外，t s e ，h c 等人利用电磁场控制c 0 2 激光焊时保护气的影响，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，焊接熔深增加 了1 3 左右。 1 3 3 磁场对焊缝组织的影响 外加纵向直流磁场又称为同轴磁场，它可以促使电弧旋转并改变电弧弧柱等离 子流力和电流密度的径向分布，进而影响母材的加热熔化和焊缝成形，利用电流纵 向磁场控制凝固，磁场作用主要包括两个方面，即磁场和电流交互作用产生电磁搅 拌和抑制熔体流动。一方面熔池中的一次结晶方向紊乱，固液相界面也不是光滑的 界面，因而热流方向是不一致、不稳定的。这些运动方向不一致的带电熔体中，直 流电流和直流感应磁场相互作用产生一定的电磁力，促使熔体流动，即发生电磁搅 4 青岛大学硕士学位论文 拌；另一方面，固定的磁场会对液体金属产生电磁阻尼作用，抑制流体流动【1 6 1 。 另外，外加直流纵向磁场可以有效地搅拌熔池，改变熔池金属的结晶状况，提 高焊缝质量。实践表咀，利用电磁搅拌：它可以细化焊缝的一次结晶组织，减少化 学不均匀性，提高焊缝金属的塑性和韧性，又能降低结晶裂纹和气孔的敏感性。 电磁搅拌是对金属凝固过程进行控制的一种有效手段，有着广泛的应用和深厚 的工业基础。电磁搅拌法是已进入工业应用的有限的几种方法之一【l7 1 。可分为以下 几种类型： ( 1 ) 旋转磁场搅拌：旋转磁场发生器的结构与三相异步电动机的定子相似，通 过旋转磁场使金属液产生旋转流动。为了充分发挥旋转磁场的效能，目前旋转磁场 发生器的结构也在向组合方向发展。此外，还有研究者提出旋转磁场与静磁场叠加 的方法【1 8 l ； ( 2 ) 直线运动磁场搅拌：这种搅拌器在原理上与直线电机相似。按照搅拌方向， 直线搅拌又可分为垂直搅拌和水平搅拌； ( 3 ) 旋转永磁体法：这种方法最早由c v e s 提出的，磁场通过高性能永磁材料 产生。通过永久磁铁的机械转动来产生旋转磁场，所以它同时兼有机械搅拌法和电 磁搅拌法的特点，也不失为一种高效率的搅拌方法； ( 4 ) 离心运动与静磁场联合：借助于离心铸造机及外加单方向恒定磁场，使金 属液在洛仑兹力的作用下产生搅拌作用【1 9 】。 1 3 4 磁场对焊接缺陷的影响 电弧焊时焊接气孔的产生是由于固液两相对气体的溶解度不同，在凝固的过程 中气体原子在焊缝中聚集生成气泡，如果气泡不能逸出液体表面则生成气孔。气孔 的产生过程分为气泡的萌生和长大两个阶段。如果气体的逸出压力( p 6 ) 大于外部 压力( p b h ) ，即p 6 p b h 时，焊接熔池中萌生气泡。在无外加磁场的作用时，阻止气 泡萌生的外部压力p b h 由下式【加j 决定： p b h = p 6 + h t + 2 0 r 式中p r 熔化金属熔池上方的气体压力，n ； h 一液体金属柱的高度，m m ； 卜金属的比密度，g m m 3 ； 啦气体界面上液态金属的表面张力，n ； 卜气泡半径，i t i i t i 。 在外磁场的作用下，液态金属的流动产生附加的流体动压力( n ) ，此时阻止气 泡萌生的外部压力p a h 公式变为：p b h = p 6 + 时2 0 r + p 。因此，在增加液态金属循环 或者转动强度时，增加了流体动压力p 。，从而增加了抑制气泡萌生的外部压力p b h ， 第一章绪论 使焊缝气孔率下降。此外，电磁搅拌降低了液态金属中气体的饱和度【i o l ，生成气泡 的可能性较小。生成微小气孔后，熔池中液态金属的流动，增大气泡聚集长大的几 率，有利于其长大、上浮。而且焊接电弧形态的变化使熔深减小、熔宽增大，也有 利于气泡的逸出。 金属材料抗热裂纹能力由三个因素决定：脆性温度区间，该温度区间内的材料 塑性，变形增长速度。在高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性 变形量时，产生热裂纹。电磁作用下变形增长速度变化不大，电磁作用主要是改变 脆性温度区间和该温度区间内的材料塑性。电磁作用下焊缝组织中出现了等轴晶粒， 晶粒细化，低熔点第二相的细小弥散分布等现象都提高材料的塑性；其次，由于减 小熔质元素的偏析，减小脆性温度区间，二者都有利于降低热裂纹的敏感性。电磁 作用改变了熔池形状，也改变了传热方向，从而改变晶粒生长方向，也增加了热裂 纹扩展的阻力。电磁作用使熔深减小、熔宽增大，提高了焊缝的形状系数，从而提 高了抗裂性能。 文献 1 2 】表明，在电磁作用下电阻点焊熔核中的“疏松区”明显减小。无磁场作用 时，熔核金属以树枝晶形式长大。当结晶金属所占比例相当大，核心中剩下的液态 金属很少时，电极对核心内部所加压力，大部分为己结晶的枝晶所吸收。因此，用 于使液态金属补充到枝权缝隙去的能量被减少，而液态金属自由流动的阻力却在增 大，因此形成疏松的可能性将大为增加。在电磁作用下熔核中温度分布趋向均匀， 电磁搅拌改变结晶方向，在合理参数下生成等轴晶，而且液态金属流动降低温度梯 度，降低了金属液的粘度有助于流动，所以，能够填充金属结晶过程中因金属原子 有序排列而体积收缩时所造成的空隙，减小形成疏松、缩孔的可能型2 0 1 。 1 4 电磁辅助焊接技术在国内外的研究现状 磁力应用工程是近几年来提出和发展起来的应用广泛、覆盖面较广的一门综合 实用技术。也可以这样说，磁力应用工程正在走向每一个技术领域，发挥独特的功 能，它节能、简化工艺，可以解决一些复杂的技术难题。 采用外加磁场控制焊接质量，具有附加装置简单、投入成本低、效益高、耗能 少等特点，引起了焊接工作者的广泛兴趣。1 9 6 2 年，b r o w n 等人最先在不锈钢、钛 合金、铝合金焊接中研究电磁搅拌的影响，并且发现晶粒细化现剩2 1j ：1 9 7 1 年，t s e n g 和s a v a g e 2 a i 第一个深入研究了在t i g 焊时电磁搅拌对微观组织和性能的影响；随后， 国内外开始对外加磁场作用下的焊接技术进行广泛地研究。研究发现：外加磁场作 用下的焊接技术改变了电弧焊的电弧形态，影响母材熔化和焊缝成形；通过电磁搅 拌作用，改变焊接熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程，从而改变晶粒的结 晶方向，细化一次组织，减小偏析，提高焊缝的力学性能，降低气孔、裂纹等焊接 6 青岛大学硕士学位论文 缺陷的敏感性，在国外被称为“无缺陷焊接”t 2 0 。 前苏联专家对外加磁场作用于焊接方面做了大量研究。他们认为，由于外加磁 场的作用，使合金元素及硅、硫、氢等元素沿树枝晶晶界的偏析都会减小，同时可 使氧化物的数量和长度大大减小，这样就降低了焊缝金属的化学不均匀性，使结晶 组织得到控制，减少裂纹出现的几率【lo 】。 西安交通大学采用外加间歇交变纵向磁场对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢t i g 焊焊缝的 耐腐蚀性的影响进行了研究【2 3 1 。实验表明：加了纵向磁场后，焊缝成分的均匀程度 得到明显改善，提高了焊缝的均匀耐腐蚀性。 针对l d l 0 c s 铝合金焊接接头易产生气孔的现象，西安交通大学采用外加间歇 交变纵向磁场焊接技术，选用合理的焊接规范和工艺方法，对焊接过程进行控制。 他们采用直流正极性( d c s p ) 不填丝钨极氦弧焊，弧长l = i 0 1 5 m m ，焊接速度 v = 3 0 0 m m m i n ，气体流量q v = 18 l m i n ，焊接电流i = 1 4 0 a ，板厚 i = 6 m m ，并严格控制 电弧电压，利用h e + 0 5 h 2 作为保护气，验证电磁搅拌对l d l0 c s 铝合金焊缝气孔 形成的影响i z 4 一引。 清华大学研究了一种新的降低残余应力方法，即脉冲磁处理法。实验证明，适 当的强脉冲处理后，焊接试样的残余应力水平发生了明显的下降，表现为纵向与横 向残余应力分布曲线呈一定程度的整体下移，同一截面中不同位置应力降低的幅值 有所不刚2 引。而且，采用一定次数的强脉冲磁处理的效果比一次强脉冲磁处理好。 中国科学院金属研究所研究了以一定频率间歇交变的纵向磁场对管线钢埋弧 焊熔敷金属低温韧性的影响。实验证明，在磁感应强度b = 6 0 - - - - 8 0 m t , 磁搅拌频率 仁6 8 h z 的电磁搅拌作用下，针状铁素体的比例达到9 0 以上i z7 1 。 沈阳工业大学曾用横向交变磁场来控制正极性等离子弧。在横向交变磁场的磁 力线交替横向穿过电弧轴线时，电磁作用力对焊缝中液态金属起着搅拌作用，液态 金属来回冲击着刚形成的晶体，使晶体生长受到抑制，从而获得晶核增多、结晶方 向不明显、晶粒细小的组织，使焊缝的熔深减小( 可降到o 1 - - - 0 3 m m ) 1 2 引。实验证明， 这种磁控摆动等离子弧能够改善等离子弧热与力的分布特性，非常适合堆焊热源的 需要。该实验还验证：在频率为1 0 - - 1 5 h z 时，焊缝晶粒细化效果最好。 1 5 本课题的研究内容 本课题是在等离子弧堆焊过程中加入纵向磁场来控制堆焊层的晶粒大小及硬质 相形态及分布。课题采用的堆焊合金粉末是f e 5 、f e 3 粉末及n i 6 0 合金粉末，并对 它们进行对比。在对其进行等离子弧堆焊时加入纵向直流磁场，纵向直流磁场又称 为同轴磁场，它可以促进电弧旋转、偏移并改变电弧弧柱等离子流力和电流密度的 径向分布，进而影响母材的加热熔化和堆焊焊缝成形，利用纵向磁场来控制凝固， 7 第一章绪论 可以细化晶粒，增加焊缝的致密性。 本课题除了将合金粉末进行对比外，还将分别进行一系列施加与不施加磁场作 用下的等离子弧粉末堆焊，然后将试件的金相显微组织、表面硬度、表面耐磨性进 行对比，从而研究磁场强度对堆焊层的影响规律。 众所周知，利用堆焊可以将耐磨贵金属涂覆在普通碳钢表面，形成堆焊层，可 以提高普通材料表面的耐磨性，而堆焊层的耐磨性主要取决于堆焊层中基体组织及 硬质相的数量、种类、形态和分布。如果硬质相的数量和种类不变，则分布形态起 主要作用。实验的理想状态是利用纵向磁场使硬质相均成竖直状，其轴向垂直于被 磨面。从摩擦机理来说，当硬质相成杆状垂直于被磨面时，其材料受力较小，故能 提高表面的耐磨性【l 】。主要手段是通过调节堆焊电流及磁场强度来改善堆焊层的性 能。在一定的磁场范围内，随着外加磁场电流的增大，磁场强度增强，电磁对熔池 的搅拌作用增强，堆焊层的一次结晶组织细化程度提高，减少了气孔、疏松等缺陷， 能够提高致密性，从而增强耐磨性。 8 青岛大学硕士学位论文 2 1 实验材料 第二章实验材料、设备及方法 实验用的材料为低碳钢钢板，牌号为2 5 g ，尺寸为1 0 0 m m x 8 0 m m x l 2 m m ，化学 成分见表2 1 ，所用的合金粉末主要有f e 5 、f e 3 及n i 6 0 ，其化学成分如表2 2 所示。 表2 12 0 g 的化学成分 i 化学成分 cs im nsp l 含量( ) 0 2 50 ，1 5 o 3 5 0 6 5 0 0 1 5 0 0 1 5 表2 2f e 5 、f e 3 及n i 6 0 的化学成分 镍基自熔合金粉末是我国最早引进的自熔合金之一。由于这种粉末材料可采用 喷涂、堆焊工艺，通过调节，可适应各种要求的硬度，同时具有相当的抗磨、抗氧 化、抗高温、抗腐蚀等性能，因而很快在国民经济各部门得到推广，应用于零部件 的制造和修复。 铁基合金粉末是在镍基、钴基合金粉末之后发展起来的堆焊粉末材料。通过改 变合金元素的含量，来达到应有的性能。在f e l1 基础上降低硼、硅的含量，去掉锰、 钒而研制成f e 3 粉末，改善了抗裂性。 用等离子弧焊机在1 2 m m 厚的低碳钢钢板上分别堆焊铁基自熔合金( f e 5 、f e 3 ) 和镍基自熔合金( n i 6 0 ) ，堆焊层厚度3 - - 4 m m 。 2 2 实验设备 本课题采用的堆焊装置是由等离子弧堆焊机配上电磁作用装置及电弧移动装置 构成的。如图2 1 所示： 电磁作用装置主要由两个部件组成：电源和电磁线圈，每一部件均具有各自独 立的结构。电源用来产生按要求规律变化的可调电压，与电源相连的电磁线圈产生 和电源输出电压相符合的磁场。在本次实验中，采用的是直流电源，电流是5 0 h z 9 第二章实验材料、设备及方法 的工频电流通过由四个半导体二极管组成的桥式整流而获得的。电磁线圈的骨架是 用5 m m 厚的绝缘管( 0 1 2 0 m m ，长1 5 0 m m ) 和3 m m 厚的绝缘板做成的；线圈是 1 5 m m 的漆包线绕在骨架上制成的，线圈匝数是7 3 7 匝。为了避免电流过大时导 线绝缘层被击穿，线圈在绕制过程中每绕一层就用绝缘纸隔开。为防止焊接温度过 高烧毁枪体，我们用石棉包裹住焊炬来实现绝热。 图2 1 实验装置简图 实验装置的实物图如图2 2 所示。该装置采用普通等离子弧堆焊机配上电磁作用 装置及电弧移动装置，主要组成部分有焊接电源、控制箱等。考虑到电弧的左右及 前后自由移动，利用了等离子堆焊机上的自由移动控制装置，由于等离子焊机上左 右摆动装置的电机功率太小( 5 0 w ) ，无法带动线圈6 及焊枪摆动，经过多次实验及 改进，我们采用在焊机上装一悬臂梁，用一个框架支起线圈来减轻摆动装置的受力， 经过调试后，此方法能达到预定的目的。这样非常简单地实现了电弧的自动移动， 提高了堆焊层表面的光洁程度，降低了操作难度及劳动强度。 l o 青岛大学硕士学位论文 曲焊机及附加装置 b ) 控制柜 图2 2 实验装置实物图 本课题将分别就不1 刮的粉术进行 将井试件的金相纤维组织、表面碗度 焊层金属性能的影响。 2 3 实验方法及步聚 系列的施加与不施加磁场的堆焊实验，然后 表面耐磨性等进行对比，从而分析磁场对堆 第二章实验材料、设备及方法 23 1 实验准备 ( 1 ) 将低碳钢板加工成尺寸为1 0 0 m m 8 0 r m n 1 2 m m 的实样并对其表面进行清 理确保表面光洁。 ( 2 ) 购买实验所需的铁基与镍基台金粉末、绝缘村料及漆包线等。 ( 3 ) 用绝缘管、绝缘板做成线圈的骨架，然后将漆包线紧密地绕在骨架上，每 绕一层用玻璃丝绝缘纸隔开，这样就做成了实验用的电磁线圈。 ( 4 ) 线圈做好后，按原理图对设备进行安装调试。调试无误后，即可按照试验 方案进行实验。 2 32 堆焊实验 将加工好的试样放在堆焊装置的工作台上，准备进行等离子口& 堆焊实验，合金 粉末通过送粉器输送。按预先设计的实验方案确定调节焊接电压、电弧横摆宽度、 摆动频率以及电弧移动速度等堆焊参数( 见表2 3 ) 。通过调节堆焊电流与电磁电流 来控制堆焊层中主要是硬质相c r ，c ，的形态与分布，从而提高堆焊层的耐磨性。堆 焊过程中采用反接形式，试样与电源输出的负极相连，焊枪与电源的正极相连。所 有的焊接参数调节完毕，开始堆焊实验。 堆焊的试样如图23 所示，其中a ，b ，c 分别为f e 5 合金粉末堆焊式样，f e 3 台 金粉束堆焊试样和n i 6 0 合金粉末堆焊试样。 匐f e 5 合金粉末堆焊试样 青岛大学硕士学位论文 233 试样加工 e ) n i 6 0 合金粉末堆焊试样 图23 堆焊试样的常规照片图 将焊好试样的表面氧化层际、，用机械方法将焊缱表磨r 然后进行蚀悭奠 骀。将以删试完硬度的试块先刖无锯齿加工成尺 j 为5 0 m m 2 7 r a m 1 1 ”呐钚准件， 再把试件表面铣平，铣左e 边毛刺，以备进行磨损实骑 表23 堆焊试验的主要参数 n 滁功苹p ( w ) 审载电压l ( v ) m 弧l u 流i ( a 蕊蘸 第二章实验材料、设备及方法 电弧电压u ( v ) 3 0 电极直径d ( 衄)3 2 电弧纵向移动速度v ( c m m i n ) 。 3 1 5 ： 电弧横向摆动频率( 次分) 4 5 电弧横向摆动宽度( c m ) 2 2 电极距工件表面距离( m m )3 2 3 4 试样的检测和分析 本课题为了很好的了解磁场对堆焊层组织和性能的影响，我们分别对试样进行 了宏观硬度实验，磨损实验，金相分析，x 射线衍射实验。 硬度是衡量金属材料强度的主要性能指标之一，其物理意义因测试方法不同而 不同。一般情况下通常是用压入法来测量材料的硬度，即通过压头或压球在材料表 面产生压痕的大小或深浅来衡量材料的硬度。因此，压入法硬度值实际上综合反映 了附近局部体积内金属的弹性、微量塑变抗力、形变强化能力及大量塑变抗力等物 理量的大小1 2 引。常用的测试硬度仪器主要有布氏硬度计、洛氏硬度计、维氏硬度计 和显微硬度计等。 本实验采用h r c 1 5 0 型洛氏硬度计测量堆焊合金表面的宏观硬度( h r c ) 。测 试时在堆焊层表面上均匀的测五点硬度，然后取平均值，用其平均值来衡量试件堆 焊层表面硬度。 试样的磨损实验在湿砂橡胶式磨损实验机上进行，试验原理图如2 4 所示。 实验时首先将测试完硬度的试样用普通天平粗称其质量，再用精度为万分之一 克的分析天平进行精测磨前的质量( g 。) ，接着在湿砂橡胶轮磨损实验机上做磨损实 验。磨损实验参数如表2 4 所示。 1 4 青岛大学硕士学位论文 表2 4 磨损试验参数 图2 4 磨损实验原理图 磨料及粒度( 2 0 5 0 目)石英砂 胶轮转速r m i n2 4 0 胶轮直径m m1 5 0 胶轮表面压力n c m 2 1 5 0 用砂量k g 1 5 磨损时间m i n4 磨损实验做完之后，立即把试块擦干，以防其腐蚀氧化。在烘干箱中烘干，再 放在分析天平上测量其质量，获得试样磨损后的质量( g 2 ) 。则试样的磨损失重a g 用下式表示： 1 g = g i g 2 ( 2 1 ) 由上式可知：么g 越小，则耐磨性越好。 试样磨损实验结束之后，把试样加工成1 0 n u n x 2 7 m r n x l l m m 的标准试样，用机 械方法轻磨其表面，在磨的时候一定要注意冷却，以防止试样发热使得堆焊层组织 发生变化。然后用5 0 、2 8 、1 4 、7 、5 目砂纸精磨，接着利用抛光机进行抛光。金相 实验时，先用4 的硝酸酒精溶液腐蚀待观察面，随后用吹风机吹干表面，准备金相 实验。 利用o l m p u sb x 6 型金相显微镜对铁基的堆焊层金属进行显微组织观察，利 用m e f 4 a 型金相显微镜对镍基的堆焊层金属进行显微组织观察。照出金相照片后， 观察试件显微组织并对试件堆焊层金属进行分析，研究其组织，找出强化机理，最 第二章实验材料、设备及方法 后对测试的结果进行整理、分析和讨论。 金相实验后，将试件加工成l o m m x l o m m x l o m m 的试样，准备进行x 射线衍射 分析。利用布鲁克d 。型衍射仪对堆焊层进行物相分析。随后对其中生成的硬质相及 其它化合物的成分进行分析。 1 6 青岛大学硕士学位论文 第三章堆焊电流对堆焊层硬度及耐磨性的影响 堆焊电流是堆焊过程中主要的焊接参数之一。为了进一步提高堆焊层的各项性 能，最大限度提高堆焊层的硬度和耐磨性，提高堆焊层的使用寿命，我们首先固定 磁场电流为1 a ，进行不同堆焊电流的堆焊实验。随后我们确定最佳的堆焊电流，研 究不同磁场电流对堆焊层性能的影响。在堆焊试验参数不变的情况下调节堆焊电流， 分别进行了堆焊电流1 2 0 a ，1 4 0 a ，1 6 0 a ，1 8 0 a 时的堆焊实验，堆焊参数如表3 1 所示。 表3 1 堆焊实验参数 3 1 堆焊电流对n i 6 0 堆焊层的影响 堆焊电流对镍基的影响很明显，图3 1 a 、b 分别表示外加磁场电流il = l a 的情 况下，分别改变堆焊电流时，n i 6 0 堆焊层表面硬度和磨损量的变化曲线( 图中硬度 值为各试样堆焊层表面任意五点硬度的平均值；耐磨性用磨损量来表示，即磨损量 减少表示耐磨性增强，磨损量增加表示耐磨性降低。具体的数据见附录a ) 。如图 3 3 所不： 叭匡圈 u 筮 士 型 皤 5 4 5 3 5 2 5 1 5 0 4 9 4 8 1 2 01 4 01 6 01 8 0 堆焊电流a a ) 堆焊层硬度随堆焊电流变化的曲线 1 7 第三章堆焊电流对堆焊层硬度及耐磨性的影响 o 6 一o 5 e 0 4 糍 o 1 2 01 4 01 6 01 8 0 堆焊电流a b ) 堆焊层磨损量随堆焊电流变化的曲线 图3 1 堆焊层硬度和耐磨性随堆焊电流变化的曲线 镍基合金粉末的堆焊层与铁基合金粉末的不同，由图3 1 中可看出，n i 6 0 合金 堆焊层在堆焊电流1 4 0 a 时硬度最高。堆焊电流大于1 4 0 a 时，电弧的能量增加，堆 焊层表面吸收的热能增多，相应的温度梯度减小，冷却速度减慢，晶粒长大时间加 长。因此，在堆焊层内出现较大的组织，导致表面硬度降低。小于1 4 0 a 时焊缝的 成型性不好，且低于堆焊电流1 4 0 a 时的硬度。因此，对于n i 6 0 我们选择堆焊电流 1 4 0 a 作为最佳堆焊电流。表3 2 是堆焊电流变化时，n i 6 0 堆焊层的硬度和磨损量。 表3 2 堆焊电流变化时，n i 6 0 堆焊层的硬度和磨损量 3 2 堆焊电流对f e 5 堆焊层的影响 1 8 青岛大学硕士学位论文 6 6 6 4 u 董6 2 馨6 0 鼻、 5 8 5 6 e j 习 - ! 。 1 r - 1 2 0 0 1 2 0 1 3 0 0 8 型o 0 6 碰0 0 4 0 0 2 o 1 4 01 6 0 1 8 0 堆焊电流a a ) 堆焊层硬度随堆焊电流变化的曲线 1 2 01 4 01 6 01 8 0 焊接电流a b ) 堆焊层磨损量随堆焊层电流变化的曲线 图3 2 堆焊层硬度和耐磨性随堆焊电流变化的曲线 图3 2 ，a ，b 分别表示外加磁场电流i 磁= i a 的情况下，f e 5 堆焊层表面硬度和磨 损量随堆焊电流变化的曲线( 图中硬度值为各试样堆焊层表面任意五点硬度的平均 值；耐磨性用磨损量来表示，即磨损量减少表示耐磨性增强，磨损量增加表示耐磨 性降低；具体的数据见附录a ) 。然后对堆焊层进行硬度及耐磨性试验，用h r c l 5 0 型硬度计测其洛氏硬度，试验结果如图3 2 及表3 3 所示。 表3 3 堆焊电流变化时，f e 5 堆焊层的硬度和磨损量 从实验结果中可知，堆焊参数不变改变堆焊电流时，对f e 5 堆焊层的硬度值和 1 9 第三章堆焊电流对堆焊层硬度及耐磨性的影响 磨损量的影响是不同的。从表3 3 可以看出，随着堆焊电流的增加，堆焊层的硬度 和磨损量有明显变化，这表明堆焊电流在f e 5 堆焊层的形成过程中起了重要作用。 我们发现当堆焊电流1 2 0 a 和1 6 0 a 时硬度要高于堆焊电流1 4 0 a 及1 8 0 a 时的硬度。 由图3 2 及表3 3 中