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1、南昌航空大学学士学位论文磁控TIG焊低碳钢焊缝组织的研究学生姓名： 班级：指导老师：江淑园摘要：现代焊接结构对焊接质量的要求越来越高，焊缝金属的内部组织及其结构显著影响焊接接头的性能。在焊接过程中引入磁场控制已成为一种正在发展的先进焊接技术。利用外加磁场控制焊接过程，其磁控装置具有附加装置简单，投入成本低、耗能少等特点。电弧弧柱区是由自由电子和带正、负电荷的离子组成的等离子体，具有优良的导电性，利用外加磁场可以改变电弧的形态和运动特性，从而影响焊缝成形；外加磁场对熔池具有电磁搅拌作用，从而可以细化晶粒，改善焊缝组织，提高焊缝的机械性能。本文采用外加纵向磁场焊接技术对低碳钢Q235进行TIG焊接
2、，通过金相实验和硬度试验研究了外加纵向磁场对低碳钢焊缝金属组织的影响，并将结果进行了对比分析。试验结果表明：外加合适纵向磁场作用下，焊缝表面成形良好、焊缝组织得到明显细化；在一定的焊接规范下，有一相匹配的磁场强度，在此条件下，在一定磁场强度范围内，磁场强度越大，焊缝组织细化越明显，焊缝硬度也越大。关键词：TIG焊；纵向磁场；低碳钢；焊缝组织 指导老师签名：Studies on magnetic field on microstructure of TIG weld of mild steel Student name：Wang Ying kai Class：060142Supervisor：J
3、iang Shu yuanAbstract：The request for welding quality in modern welded structures isincreasingly high，the microstructure of welding metal has a remarkable influence on the properties of welding jointAppend magnetic field control on welding process is an advanced welding technology which is developin
4、g nowTo control the welding proeess with additional magnetic field has many advantages such as its affixture equip is simple,the cost is low，and it consumes little energy etcArc-zone is plasma body composed of the free electron and the ion with positive and negative charge，welding arc has well elect
5、ric characterExterior magnetic field can affect shape and movment of welding arc，Thus affecting weld formationAs the magnetic field produced the electromagnetic stirring of weld pool，which can refined the grain，to improve the microstructure and the mechanical properties of the weldOn the base of the
6、 theoretic analysis above，longitudinal magnetic field acting on mild steel Q235 TIG welding was used in this paperHow longitudinal magnetie field effeeting the weld of the mild steel were studied through the metallographic experim- ent and hardness testingThe results show that：the weld surface of th
7、e mild steel slicked and the weld microstructure is refined obviousIn a certain welding conditions，and a magnetic field that matchUnder these conditions，field intensity range，the size of grain decreases and the weld hardness increase with the increasing of magnetic field intensityKeyword：TIG welding
8、；longitudinal magnetic field；mild steel；weld strucrureSignature of Supervisor:目 录1 前言1.1 选题的依据及意义11.2 电磁作用焊接技术国内外研究现状21.3 电磁作用焊接技术发展趋势51.4 外加纵向磁场对焊缝宏观形貌、显微组织影响的相关机理51.4.1 外加纵向磁场对焊缝宏观形貌的影响的相关机理51.4.2 外加纵向磁场对焊缝微观组织的影响的相关机理61.5 本课题的研究目的71.6 本课题的研究内容82 实验设备及内容2.1实验试样和实验设备82.1.1 实验试样82.1.2 实验设备82.2 实验内容1
9、22.2.1 实验方案122.2.2 磁场强度大小的测定122.2.3 实验各参数的确定132.2.4 实验步骤143 实验结果及分析3.1 纵向磁场对焊缝宏观形态的影响163.2 纵向磁场对焊缝微观组织的影响203.3 纵向磁场对焊缝硬度的影响234 结论25参考文献26致谢281 前言1.1 选题的依据及意义焊接作为先进制造技术的重要组成部分在国民经济的发展和国家建设中发挥了重要的作用。它广泛应用于石油化工、电力、航空航天、海洋工程、核动力工程、微电子技术、桥梁、船舶、潜艇以及各种金属结构等工业部门。可以预料，在推动我国的经济建设和发展科学事业上，焊接技术将起着重要的作用1。钨极惰性气体保
10、护焊英文简称TIG（Tungsten Inert Gas Welding）焊。它是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（如果使用填充焊丝）的一种焊接方法。TIG焊的应用很广泛，它可以用于几乎所有金属和合金的焊接，比如钢铁材料、有色金属及其合金，以及金属基复合材料等。特别是对铝、镁、钛、铜等有色金属及其合金、不锈钢、耐热钢、高温合金和钼、铌、锆等难熔金属等的焊接最具优势。但是，由于钨极的承载电流能力有限，且电弧较易扩展而不集中，所以TIG焊的功率密度受到制约，致使焊缝熔深浅，熔敷速度小，焊接速度不高和生产率低2。因此，焊后焊缝质量不能得到良好的保证。焊接电弧是发生
11、在电极和工件之间的一种强烈而又持久的放电现象，它是一种等离子体。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。由于电弧是由大量带电粒子组成的导电体，因此可用磁场来控制焊接电弧的形状、位置和运动。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，可见，外部磁场可以改变焊
12、接电弧，从而改变焊缝金属的性能。电磁作用焊接技术是近年来完善起来的一种新的焊接技术，应用也日趋广泛。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，使焊缝金属的一次结晶组织细化，减小化学不均匀性，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。低碳钢Q235在实际生产当中的运用极为广泛，由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，其焊接性较好。焊接低碳钢时，一般不需要采取特殊的工艺措施，对焊接电源没有特殊要求，交、直流弧焊电源均可。低碳钢焊缝的综合力学性能较好，通常情况下不会因焊接而产
13、生严重硬化组织或淬火组织。因此，将外加磁场运用于对低碳钢的焊接的影响的研究时，受到其他干扰因素的影响较少。本文把外加磁场应用于TIG焊，通过对外加纵向磁场作用下的低碳钢TIG焊焊缝组织的研究，了解外加纵向磁场对TIG焊结晶过程的影响。利用外加磁场对电弧进行控制的方式通常有3种：1) 外加横向磁场，即外加磁场的磁力线垂直通过电弧轴线；2) 外加纵向磁场，即外加磁场的磁力线方向与电弧轴线方向平行；3) 外加尖角形磁场，他可使电弧弧柱的形状变为椭圆形，使弧柱能量密度和电弧电场强度提高。在实际应用时，可根据不同工艺要求在很大范围内改变所加磁场的强度和脉冲频率，用来控制电弧形态及焊缝成型，达到改善焊缝结
14、晶和消除缺陷的目的4。腐蚀破坏是焊接结构在使用过程中发生的一种常见破坏形式，其可对金属材料造成巨大的直接损失，是材料科学中亟待解决的一个重要问题。而低碳钢在空气当中较易生锈腐蚀，且低碳钢结构广泛运用于建筑行业。因此，改善低碳钢结构的耐腐蚀性能有助于延长结构的服役寿命。对此，国内外研究者对磁处理对钢铁材料使用性能的影响进行了较多的研究。林建，赵海燕等5对磁处理对低碳钢焊接接头耐腐蚀性能的影响进行的研究结果表明：磁处理后的低碳钢焊接接头的耐腐蚀性能明显有所提高。对低碳钢TIG焊接时，外加纵向磁场不仅可以细化焊缝组织，改善焊缝金属的综合力学性能，焊接过程当中产生的电磁搅拌作用还可以对焊缝进行磁处理，
15、提高焊接接头的耐腐蚀性能。因此，进一步研究电磁作用对低碳钢的TIG焊接的影响是十分有意义的。1.2 电磁作用焊接技术国内外研究现状现代焊接结构对焊接质量的要求越来越高，焊缝金属的内部组织及其结构显著影响焊接接头的性能。目前在航空航天的运用当中，由于焊接接头性能不能满足足够的要求，始终还是以铆接为主。如果能够改善焊接接头的内部晶粒结构提高焊缝金属的强度，将焊接全部取代铆接，将大大减轻飞机及航空运载器的重量，为航空航天技术的研究迈出新的一步。因此，控制焊接接头内部晶粒形态、尺寸成为目前研究的热点。外加磁场控制的焊接技术就是控制晶粒形态及其尺寸的一种有效方法。由于磁场控制的焊接技术及其附加装置简单、
16、投入的成本低、效益高等优点，引起了国内外焊接研究人员的广泛研究。1962年，Brown等6最早尝试将电磁搅拌用于TIG焊接，其研究结果表明：电磁搅拌作用下焊接能够细化焊缝宏观组织，降低焊缝气孔率。从此，国内外学者开始对外加磁场对焊接质量的影响进行了广泛的研究。1981年，Pearce B P和Kerr H W7对Al Mg、Al -Mn和Al - Zn - Mg等铝合金TIG焊的结果表明，在TIG焊焊接过程中加入外加磁场，焊丝中细化剂Ti和Al - Cu合金使Zn元素均匀分布和(Al)非均质形核，细化了焊缝组织。1988年，前苏联专家MA阿勃拉洛夫等8对外加磁场作用于焊接方面作了大量的研究。其
17、研究结果表明：外加磁场可以降低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。电磁作用能有效地抑制焊缝中气孔的产生，减小气孔尺寸。通过外加磁场的作用，焊缝组织得到了明显的改善，提高了焊接接头的性能。1992年，Charls Vives9对电磁搅拌技术运用于焊接技术的研究表明：电磁搅拌通过改变柱状晶生长方向、促进柱状晶向等轴晶转变、细化组织、影响初生相与共晶组织的形貌和尺寸、缩短枝晶臂间距、影响成分均匀性、控制界面形等方式改善了铸造凝固组织。1995年，Asahina T等10对外加磁场作用下镁合金TIG焊接的研究表明：电磁搅拌可有效地改变焊接熔池液态金属结晶过程，从而改变晶粒结
18、晶方向，细化一次组织，减少偏析，提高焊缝综合性能。2002年，Boldyrew AM11对横向磁场作用下TIG焊进行了研究，其研究结果表明：横向磁场作用下的TIG焊LD10CS和LY12CE铝合金时，焊接热裂纹明显减少。2003年，YHKang和SJNa12利用磁摆弧工艺来解决窄间隙T1G焊的侧壁熔合问题，发现当场强不变时，侧壁熔深随着摆动频率缓慢增加，而底板熔深却减小；当频率不变时，侧壁熔深随着磁场强度的增加而增加，但当场强超过50Gs时，侧壁出现未熔合现象。2006年，Manuel Marya等13研究发现：电磁搅拌可有效的改变焊接熔池液态金属结晶过程，改变晶粒结晶方向，细化焊缝组织，提高
19、焊缝的综合性能。虽然我国焊接研究人员对外加磁场的焊接技术的研究较国外晚，但从二十世纪八、九十年代开始，国内的焊接学者对磁场在焊接当中的运用也进行了大量的研究，并颇有成效。1990年，王雅生14通过研究外加横向磁场对TIG焊不锈钢焊缝成形的影响证明：通过对电弧施加外加横向磁场可以抵消(或部分抵消)因焊速增加而引起的电弧弧柱过度后倾和阳极斑点滞后，改善焊缝成形，并使熔深有所增加。1990年，张九海，王其隆等15通过对小电流TIG焊磁控特性的研究表明：外加横向磁场能够有效的抑制小电流电弧随机飘移现象，使电弧稳定，可以改善小电流TIG焊时电弧稳定性和焊缝成形。1991年，卢烨，周万胜等16从微观角度分
20、析了磁弧摆动减少热裂纹的机理，其研究表明：磁弧摆动消除了焊缝中偏析严重的羽毛晶组织，使低熔共晶物呈弥散、细小等特征，因此不利于结晶裂纹的产生和扩展。1997年，吴丰顺，王士元等17通过对纵向磁场作用下电弧的运动机制的研究结果表明：加入纵向磁场，电弧中带电粒子增加了旋转运动；加入磁场，可引起电弧区域电弧压力和电流密度的变化，从而改变了能量密度的分布。2001年，罗健，王雅生等18对外加纵向间歇交变磁场对TIG焊缝成形的影响进行了研究。结果表明：在焊接速度影响的条件下，施加磁场时焊缝的熔宽比不加磁场时要宽，施加磁场时焊缝的熔深比不加磁场时要浅；证明了外加间歇交变纵向磁场对铁磁性材料和非铁磁性材料的
21、TIG焊缝成形均产生明显的影响。2001年，罗健，贾昌生等19对外加纵向磁场对GTAW焊缝成形机理进行了研究，结果表明：外加磁场作用时，焊缝宽而浅；外加磁场休止时，焊缝窄而深；另外，焊缝熔池中液态金属离励磁线圈越近，受外加纵向磁场的影响越强烈，即熔池金属受作用力越大，致使Q235钢焊缝熔宽减小、熔深增大。2003年，眭向荣，沈风刚等20对电磁搅拌工艺对堆焊金属性能的影响进行了研究，其研究结果为：通过电磁力激烈地搅拌熔池，击碎粗大的柱状晶，细化焊缝晶粒，适当提高了堆焊金属的硬度，有效改善了熔敷金属的综合力学性能。2006年，江淑园，陈焕明等21对外加磁场对CO2焊接焊缝成形的影响进行了研究，结果
22、表明：在外加纵向磁场作用下，焊接电弧形态发生了改变，电弧中带电粒子绕电弧轴线作螺旋式运动，能量分布呈“双峰状”，从而电弧中心能量密度降低，使得焊缝熔宽增加，熔深减小。2007年，国旭明，杨成刚22对磁搅拌对铝铜合金MIG焊缝形状、组织及性能影响进行了研究，结果表明：电磁搅拌通过增加焊缝中非均质形核核心，降低固液前沿液相的温度梯度，促进粗大的柱状晶和树枝晶转变为细小的等轴晶，细化了焊缝的晶粒组织，提高了焊缝金属的强度和塑性。2007年，常云龙，贺优优等23对纵向磁场对低碳钢MIG焊焊缝组织及性能的影响的研究表明：外加纵向磁场焊接可以有效地细化焊缝的晶粒，提高焊缝抗拉强度和冲击韧性等力学性能。20
23、07年，汤光平，刘俊等24对外加磁场对异种金属焊接质量的影响进行了研究，利用外加磁场对Q45CrNiMo1VA和20钢进行了TIG焊，并分析了焊缝外观、内部组织和质量的变化，其研究结果表明：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，焊缝外观和内部组织得到改善，缺陷得到有效抑制。2008年，华爱兵，陈树君等25对横向旋转磁场对TIG焊焊缝成形的影响进行了研究。结果表明：当励磁电流低于临界值时，磁场对焊缝成形无影响；当励磁电流高于临界值时，随着励磁电流的增大，焊缝熔深减小、熔宽增加，而随着励磁频率的增大，焊缝熔深增加、熔宽减小。2009年，张冠宇，隋方
24、飞等26对外加磁场对镁合金TIG焊电弧形态及焊缝质量的影响的研究结果表明：直流纵向磁场可促使电弧收缩、旋转并提高其稳定性，焊接热量集中，熔池搅拌均匀。焊缝由均匀细小且沿一定方向生长的等轴晶组成，减小了化学不均匀性。1.3 电磁作用焊接技术发展趋势随着世界制造业的快速发展，焊接技术应用越来越广泛，焊接技术水平也越来越高。而磁控技术作为一种新型焊接技术，也应该不断地去寻求新的发展方向。通过对国内外磁控技术焊接的研究发现，影响焊接质量的重要因素是磁场形态，如何产生理想的磁场形态达到稳定拘束和控制电弧的目的是磁控焊接技术未来的发展方向。随着研究的深入，计算机数值模拟技术日渐成熟，定量分析电磁搅拌焊接过
25、程中外加磁场的分布特别是在有效焊接区内的分布规律将进一步符合工程实际，并为各种焊接条件下的电磁搅拌焊接磁场设计及优化提供有益指导。也为研究电磁搅拌焊接熔池流体流动和传热过程打下了重要基础。同时，外加磁场与焊缝熔池的流场、温度场、应力场的相互作用和影响以及非稳态三维变物性的数值模拟也将受到越来越多的重视27。1.4 外加纵向磁场对焊缝宏观形貌、显微组织影响的相关机理1.4.1 外加纵向磁场对焊缝宏观形貌的影响的相关机理由于电弧是由大量带电粒子组成的导电体，因此，当外加纵向磁场作用于焊接时，将会直接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，导致对熔池中焊缝金属凝固成型的形状产生直接的影
26、响。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、洛仑兹力等力的联合作用下，产生螺旋式高速旋转运动，同时由于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变成高速旋转的钟罩形，从而使电弧扩张，电流密度在整个电弧径向上呈双峰分布，于是电弧中心能量密度降低，两端能量密度增大，从而导致焊缝熔宽增加，熔深减小21。同时，在纵向直流磁场作用下，在焊接熔池中将产生恒稳磁场，直流磁场与熔池中运动的液态金属之间的交互作用具有“电磁制动”的功能，在一定的磁场强度范围内，随着励磁电流的增加，磁场强度增强，作用于熔池的电磁力也随之增大；使焊接熔池液态金属出现搅拌
27、式运动，由于液态金属的旋转产生离心力的作用,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，从而最终影响了焊缝的成形。1.4.2 外加纵向磁场对焊缝微观组织的影响的相关机理从焊缝金属凝固机理来说，由于外加纵向磁场的作用，焊接电弧旋转并扩张、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等因素的影响，不可避免地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；而且，高温金属流对结晶前沿的冲刷作用，提高了焊接熔池中熔融金属的平衡结晶温度，使结晶区域过冷程度减小。在这个周期内，结晶线前沿的稳定性提高，促进了均匀扩散过程的完成，降低了
28、双相区的厚度，熔池金属结晶速度大大降低。因此，必定引起焊接熔池液态金属结晶过程及组织的改变19。在纵向磁场作用下的熔池中还可以产生热电磁对流效应，而热电磁对流效应是外加的直流磁场与热电流相互作用的结果。在凝固系统中，形成热电磁对流效应的条件有两个：1、系统中必须包含两种以上的具有不同热电性的组元；2、在较高的温度下发生凝固。这两个条件在金属和合金的枝晶前沿很容易得到满足，因为液固界面是非等温的，两者之间存在热电势差，即在凝固界面处存在热电势的突变；这时，如果固液两相均为导体，则会产生热电流。热电流与外加的直流电磁场的相互作用也产生电磁力，从而引起熔池金属的流动；虽然这种对流仅集中在凝固的前沿，
29、但却能够极大地影响到液固界面处的传热、传质、能量传输和晶体的形核与长大过程，从而细化了焊缝晶粒。1.5 本课题的研究目的当今我国已成为世界上第三制造业大国，随着科学技术的日益提高和制造业的迅猛发展，材料作为21世纪的产业支柱，新钢种不断涌现；非铁金属及其合金、复合材料的应用日益广泛，这都对焊接技术提出了更高的要求。解决焊接难题方法很多大体上可分为物理方法和化学方法。无论采用物理方法或化学方法或同时采用上述2种方法，其基本思路是：调整焊缝组织，改进焊接工艺，提高焊接质量，满足使用要求28。磁控焊接技术就是利用外加磁场来改变电弧的形态和电磁搅拌作用以控制液态金属结晶过程,从而改善焊缝组织,提高焊接
30、质量的一种新型的焊接技术。不加磁场焊接时，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，裂纹也很容易在性能较低的地方产生。外加磁场焊接时，产生的纵向磁场对熔池产生电磁搅拌作用，使液态金属旋转，驱使熔池头部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；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
31、加细小，合金元素的均匀性分布也得到改善24。由于低碳钢焊缝的含碳量较低，故固态相变的结晶组织主要是铁素体加少量的珠光体，铁素体一般都是首先沿原奥氏体边界析出，这样就沟划出凝固组织的柱状轮廓，其晶粒十分粗大1。焊缝组织具有典型的枝晶形态，施加适当的外部磁场后，热影响区和焊缝组织都比较细小。焊缝内枝晶形态已经消除，这是由于外加磁场使熔池中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，电磁搅拌作用使熔池金属的流动对已经形成的枝晶产生冲刷作用，较长的枝晶臂重新熔化而进入液态熔池，消除枝晶形态，减缓了晶粒长大的进程，并大大增加了晶核数量。本课题的研究目的就是围绕外加纵向磁场T
32、IG焊对低碳钢焊缝组织的影响，通过金相显微组织图的观察和分析，证实外加纵向磁场是否对焊缝组织起到细化作用，从而改善了焊缝的性能；并在此基础上通过施加不同强度的纵向磁场，研究不同强度的纵向磁场对焊缝组织细化作用的趋势。1.6 本课题的研究内容（1） 研究有无外加磁场对低碳钢TIG焊焊缝组织的影响；（2） 研究不同磁场强度对低碳钢TIG焊焊缝组织的影响；（3） 通过焊缝组织硬度试验来验证磁场强度对焊缝组织的影响；2 实验设备及内容2.1实验试样和实验设备2.1.1 实验试样 外加纵向磁场对焊缝组织的影响所用试件材料为Q235低碳钢板，试件尺寸为240mm40mm2mm，试件件数为8，试样材料物理性
33、能具体参数见表2.1。表2.1 Q235低碳钢物理性能参数材料密度gcm-3比热容Jkg-1 k-1热导率/w m-1k-1熔点/Q235钢7.870042.015002.1.2 实验设备（1）TIG焊机本课题采用日本日立公司生产的AD-GP2V高性能、多功能交直流两用脉冲TIG焊机进行焊接工艺试验。TIG焊机相关参数如表2.2所示。表2.2 TIG焊机相关参数参数名称单位参数值额定容量负载电压空载电压起始电压占空比频率AVVV%HZ30030571474050/60（2）弧焊自动操作台本课题是研究外加纵向磁场对低碳钢TIG焊焊缝组织的影响以及不同磁场强度作用下对焊缝组织的影响。若实验采用手工
34、TIG焊接，对低碳钢板材焊接过程当中不能保证均匀的焊接速度，使得因焊接速度的不均匀性导致熔池的热输入量也不同，从而影响焊缝组织晶粒的大小，导致实验无法顺利进行。因此，本实验采用AWT3B弧焊自动操作台。自动操作台的钢板移动速度可调节，实验室将焊枪固定到工作台中央处，调好合适的移动速度，通过工作台的匀速移动来达到相同焊接速度的目的。弧焊自动操作台如图2.1所示。（3）焊接夹具焊接工装夹具就是将焊件准确定位和可靠夹紧，便于焊件进行装配和焊接、保证焊件结构精度方面要求的工艺装备。本实验采用自动行走焊接工作台，移动钢板在匀速移动过程当中会产生一定的震动，为了使焊接过程当中保证低碳钢板材的固定和防止低碳
35、钢板因过热发生变形，本次实验也采用焊接工装夹具，该夹具由不锈钢板、压块和压紧螺母组成。焊接夹具平放在弧焊自动操作台上，位置由实际焊接情况时确定。焊接时将低碳钢试样平放在不锈钢板中央，并用压块压紧，将压紧螺母旋紧即可。焊接夹具示意图如图2.2所示。图2.1 弧焊自动操作台 图2.2 焊接夹具示意图（4）外加磁场发生装置本研究对磁控TIG焊低碳钢焊缝组织的研究采用外加纵向磁场，实验所用的外加磁场发生装置由晶体管稳压电源（励磁电源）和励磁线圈组成。励磁电源采用北京无线电电源控制设备厂生产的WYJ-9B型晶体管稳压电源，其电流可调，它的最大直流输出为5安培，电源稳定度为级精度，自身具有反馈调节系统，输
36、出电压的脉动非常小，能够满足本次课题研究实验中对设备的要求。励磁电源如图2.3所示。图3.3励磁电源本实验采用的励磁线圈是自制线圈，实际上是用表面刷了一层绝缘漆的铜线一匝一匝紧挨着绕制而成的轴对称线圈，其中心为圆筒形空心圆柱，励磁线圈各个尺寸是经过计算所确定的，线圈的内半径a1=20mm，中心至顶部高度b=55mm，线圈的外半径为a2=40mm。励磁线圈结构示意图如图2.4所示，励磁线圈如图2.5所示。图2.4 励磁线圈结构示意图 图2.5励磁线圈为了能够使外加磁场的大小能够在一个比较宽的范围内变动，本实验将此外加磁场发生装置与滑动变阻器串联组成。滑动变阻器全电阻为107欧姆，额定电流为6安培
37、，通过改变励磁电源电流大小和滑动变阻器电阻大小可以获得在一定磁场强度范围内任意磁场强度。（5）数字特斯拉计由于本课题需要研究不同直流纵向磁场强度大小对TIG焊低碳钢焊缝组织的影响，因此，实验时对磁场强度大小的准确数值的精度要求较高。对此，本课题实验采用上海亨通磁电科技有限公司生产的HT100数字特斯拉计来测量磁感应强度的大小。HT100系列数字式特斯拉计是检测磁体直流磁感应强度的专用仪器，是磁性测量领域中用途最为广泛的测量仪器之一。该系列仪器采用了霍尔效应原理制成的传感器，传感器有纵向、轴向，可根据需求选择或另配，电路采用精密恒流源，低漂移的放大器，高稳定度的供电电源，最后由数字电压表显示测量
38、值。在测量材料表面磁感应强度时，将霍尔传感器的有效作用点垂直于材料的磁力线方向且紧密接触被测材料表面进行测量，数字显示值即为被测材料表面磁场的大小。由于HT100数字特斯拉计具有独特的稳定性、操作使用方便、显示清晰读数可靠，因此能够达到本次研究实验的要求。HT100数字特斯拉计如图2.6所示。图2.6 HT100数字特斯拉计2.2 实验内容2.2.1 实验方案试验采用的材料为低碳钢Q235，采用TIG焊焊接，外加磁场发生装置，通过不加磁场、施加纵向磁场以及改变磁场强度大小分别对Q235钢进行TIG焊接。焊件试样经切割，粗磨、细磨和精抛光后，用电子显微镜观察焊缝微观组织。焊接试验系统机理图如图2
39、.7所示图2.7 焊接试验系统机理图根据相关文献的研究表明：在一定范围内，较高的磁感应强度有助于晶粒细化，但若磁感应强度过高，熔池和电弧运动激烈，保护气流的稳定性变差，则焊缝成形也会变差严重者还会形成起皱焊道，所以，磁感应强度应有上限值29。因此，本研究实验决定采用磁场强度大小为0mT、2mT、6mT、10mT进行磁场强度大小对焊缝组织影响的研究。2.2.2 磁场强度大小的测定本次课题研究的是纵向磁场对TIG焊低碳钢焊缝组织的影响，而实际焊接时所需的纵向磁场大多由安装在电极上部且与电极同轴的多匝密绕线圈产生，因此纵向磁场存在横向分量，显然磁场的横向分量与焊接电流的轴向分量能发生作用，从而使电弧
40、的受力分析更加复杂，相应地电弧的运动特点也更加复杂30。针对这一问题，张淑芳，刘志凌，江淑园31对通电轴对称空心圆柱线圈的纵向磁场分布范围进行了研究，实验所用的自制轴对称空心圆柱线圈各尺寸为：线圈的内半径a1=20mm，中心至顶部高度b=55mm，线圈的外半径为a2=40mm。其研究结果表明：外加磁场的磁力线在励磁线圈中心轴附近比较密集，这表明该处的磁感应强度较大；离线圈中心越远，磁感应强度逐渐减小，磁感应强度的大小与离开电弧中心轴的距离成反比。同时中心轴上各场点磁感应强度的方向与Z 轴平行，均无横磁分量；在非中心轴上各场点的磁感应强度均有横磁分量，离中心轴越远,磁力线与中心轴的夹角越大，即横
41、磁分量所占的比例越高，磁场的均匀程度越低。随着磁力线弯曲程度增大，磁场在该点的横磁分量增大，纵磁分量减小，直到磁场发生反向。为了保证本课题实验所施加的外加磁场是恒定的纵向磁场，实验时将励磁线圈放在离试样表面15mm高度以内，在此高度范围内，产生的横向磁场可以忽略不计。安装好并固定，为了能够保证钨丝能在励磁线圈中心，实验时将焊枪用黑胶布沿焊枪外部缠绕，直到焊枪外径与空心圆柱线圈的内径大小相同，使焊枪刚好能够伸入线圈中心，这样，钨丝就能够保证一直在线圈中心，其中心线与焊枪喷嘴中心线重合。使得焊接时施加的外加磁场为均匀的纵向磁场。利用数字特斯拉计测磁场大小时，将霍尔传感器的有效作用点（即尖端）垂直于
42、钨丝且紧密接触钨丝的延长线与材料表面的交点处，通过改变滑动变阻器和励磁电源电流大小来获得所需要的磁场强度大小。2.2.3 实验各参数的确定本实验对Q235钢采用直流正极性TIG焊接，保护气体选用工业用纯氩气，气体流量为10L/min 。根据以往对2mm厚的低碳钢板进行TIG焊接采用的最佳电流大小为70A，经过几次试焊也证明70A的电流为最佳电流，所以本实验确定焊接电流为70A，为了使结论更加有说服力，避免试验结果偶然性的存在，本实验决定做两组实验，另一组采用焊接电流为90A，其余参数均不变，使低碳钢板焊透。具体的焊接工艺参数见表2.3。表2.3 Q235低碳钢焊接工艺参数焊接电流（A）70A9
43、0A焊接速度（mm/s）氩气流量(L/min)钨极直径（mm）喷嘴直径（mm）钨极伸出长度（mm）3.7103.29.553.7103.29.552.2.4 实验步骤（1）焊前准备焊前清洗是保证焊接质量的重要工序，做好焊前清洗工作是十分必要的。由于低碳钢极易生锈，因此低碳钢材料表面都被涂了一层防锈油，为了防止油污对焊接质量的影响，实验前需用丙酮溶液将试样进行清洗，并用干净的干抹布擦干。实验前需清理工作台，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；将夹具平放在自动操作台钢板上，使Q235钢的起始焊接位置对准焊枪。将外加磁场装置串联好，将励磁线圈套进焊枪，并用支架固定，调
44、整支架高度，使线圈下表面离试样上表面的距离小于15mm，固定好后整个实验过程当中都不能调节固定支架高度。（2）按照已选定好的焊接参数对Q235钢进行两组实验，通过改变滑动变阻器和励磁电源来施加0mT、2mT、6mT、10mT大小的纵向磁场，制取8个焊接件试样。（3）使用高清数码相机将低碳钢试样焊缝宏观形貌拍下，拍照时为了保证所有照片中的焊缝与实际焊缝的比例完全一样，必须使相机固定在一个相同的高度，并且拍照时不能改变焦距，对此，实验制作了一个小木架，将小木架固定在工作台上，将相机放在架子上，然后选取焊缝中较为均匀的一段焊缝，不改变焦距对其进行拍照，并用读数显微镜测量其焊缝熔宽及熔深，观察并分析直
45、流纵向磁场对焊缝宏观形貌的影响。（4）金相实验将8个低碳钢试样分别选取一段比较均匀的焊缝，手工锯锯开，为了防止试样在截取的过程中出现过热，导致试样组织因受热而发生变化,用手工锯锯时速度不宜过快，整个过程应当停顿几次，使试样冷却。试样尺寸为15mm2mm10mm。将制取的试样用金相镶嵌机镶嵌，金相采用酚醛树脂热固型镶嵌，镶嵌时试样磨面应当统一，本实验决定将焊接方向的那一面为磨面。将准备好的试样磨面向下，放在下模上，在套筒中放入适量酚醛树脂粉后，装上模，固紧顶压螺杆，先转动加压手轮至压力灯亮，再加热，加热过程当中要一直保持灯亮，若灯灭了马上加压至灯亮，当温度上升到135时，停止加热，进行保温8分钟
46、，此过程不加压，保温完毕后取出试样，镶嵌工作完毕。 将镶嵌好的金相试样进行磨光抛光处理，选取静电植砂氧化铝耐水砂纸进行磨光，分别用型号为240、800、1000、1500、2000的砂纸由粗至细循序渐进进行磨光 ，打磨过程中应遵循单方向向前推动时磨制，然后提起试样退回，在回程过程中不与砂纸接触，当新的磨痕盖过旧的磨痕，并且磨痕是平行均匀的，就可以更换下一号砂纸。磨光过程当中应不断加水以防止金相试样因摩擦过热导致组织发生改变。将磨好的金相试样进行抛光处理，用以除去试样磨面上留下的磨痕，得到似镜面的表面，为观察组织作好准备。本实验采用P2P型抛光机，转速为900n/min，抛光时先加入适量抛光粉溶
47、液用以增大抛光布与试样磨面的摩擦，抛光粉采用Cr2O3水溶液，抛光时间应尽可能短，用力切勿过大，抛光时试片应沿抛光盘的半径来回移动，抛光到最后时则要将试片不断转动，转动的方向与抛光盘的旋转方向相反，以免出现曳尾现象。当金相试样表面得到像镜面一样的光面时，即可结束抛光。由于低碳钢材料极易生锈，因此抛光好的金相试样应立即用酒精清洗，然后用电吹风吹干，吹干后立刻用腐蚀剂腐蚀，本实验采用4%的硝酸酒精溶液作为腐蚀剂，腐蚀时间应当适中，应避免试样腐蚀过当，整个腐蚀过程大约为15秒，腐蚀完后用酒精冲洗，再用电吹风吹干。若腐蚀过当则应重新用2000的砂纸磨光，再用抛光机抛光后再重复腐蚀过程。腐蚀完后将试样在金相显微镜下观察组织并拍照，分析纵向磁场对低碳钢焊缝组织的影响。（5）硬度试验金相实验完成后，针对低碳钢TIG焊焊缝组织进行了维氏硬度测试，以便进一步验证外加纵向磁场对焊缝组织的影响。在金相试样焊缝横截面中心处画一个十字