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1、南昌航空大学学士学位论文开题报告毕业设计（论文）开题报告题目 磁控TIG焊低碳钢焊缝组织的研究专 业 名 称 焊接技术与工程班 级 学 号 *学 生 姓 名 *指 导 教 师 江淑园填 表 日 期 2010 年 04 月 09 日一、选题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。钨极惰性气体保护焊英文简称TIG（Tungsten Inert Gas Weld
2、ing）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
3、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
4、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
5、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形，达到改善焊缝结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
6、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，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
7、焊接的影响是十分有意义的。二、 国内外研究现状概况及发展趋势2.1 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、投入的成本低、效益高等优点，引起
8、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。其研究结果表明：外加磁场可以降低焊缝金
9、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 T10等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，从而改变晶粒结晶方向，细化一次组织，减少偏析，提高
10、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，提高焊缝的综合性能。虽然我国焊接研究人员
11、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从微观角度分析了磁弧摆动减少热裂纹的机理，其研究
12、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TIG焊缝成形均产生明显的影响。20
13、01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，结果表明：在外加纵向磁场作用下，焊接电弧
14、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。2007年，汤光平，刘俊等24对外加磁场对
15、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，隋方飞等26对外加磁场对镁合金TIG焊电弧
16、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。2.2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程中外加磁场的分布特别是在有效焊接区内的
17、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。三、研究内容及实验方案3.1 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外加磁场对焊缝组织的影响；3.2 实验方案试验采用的材料为低碳钢Q235，采用TIG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
18、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所示。图 焊接试验系统机理图3.2.1实验材料与设备低碳钢Q235标准试件，TIG焊机，电子显微镜，研磨抛光机，外加磁场装置，腐蚀剂，金相砂纸等。3.2.2实验步骤按照焊接试验系统机理图安装好系统装置，试调焊接参数并对工件进行试焊，直到调试出最佳焊接参数为止。实验具体操作步骤：（1）通过施加外加磁场和不加磁场对工件进行TIG焊接，制取不同试样。（2）通过改变激励电流大小I对工件进行TIG焊接，制取不同试样。3.2.3金相实验具体操作步骤：（1）将实验试样沿垂直焊缝方向
19、用线切割取样，将制取的8个金相试样做好标记，便于实验结果的记录。（2）将金相试样分别用研磨抛光机打磨，再进行粗抛和精抛。（3）将抛光好的金相试样用腐蚀剂腐蚀后放在电子显微镜下观察，将观察到不同条件下焊缝微观组织的形态特点记录下来。3.2.4硬度实验 金相实验完成以后，对金相试样焊缝进行维氏硬度测试。在金相试样焊缝横截面中心处画一个十字线，在十字线周围选取几个点做硬度试验，记录实验结果，分析外加磁场对焊缝硬度的影响，用以验证外加磁场对焊缝组织的影响。四、目标、主要特色及工作进度4.1 目标通过试验的方法，观察试样焊缝的显微组织，分析外加磁场对低碳钢焊缝组织的影响。 4.2 主要特色 外加磁场能量
20、的输入是无触点控制的，保证了能量输入变化快，无触点损耗，使得磁场控制焊接过程较为灵敏；外加磁场的种类较多，形式较丰富。能够较好的满足多种条件下不同焊接工艺的要求；外加磁场控制的焊接技术适用材料的范围广泛，除了普通的金属材料外，还可以用于合金钢、不锈钢、铝合金、钛合金、铜及其合金等金属材料；外加磁场装置由电源和激磁线圈两部分组成，各部分具有相对独立的结构，设备体积小，使用灵活；外加磁场所需功率不大，电能损耗少，外加磁场强度小，无接触控制，无噪音；外加磁场控制的焊接技术应用的焊接方法多，包括TIG焊、等离子焊、MIG焊、MAG焊、等焊接方法28。4.3 工作进度1检索文献，翻译外文资料一篇，完成开
21、题报告 2010.3.222010.4.162外加磁场装置的安装与调试，TIG焊接工艺参数的优化2010.4.192010.4.303.进行焊接，制取不同磁场强度下的宏观金相试样 2010.5.32010.5.284.对比分析外加纵向磁场对焊缝组织的影响 2010.5.312010.6.185.撰写毕业论文，答辩 2010.6.212010.7.2五、参考文献1 张文钺焊接冶金学M北京：机械工业出版社，199662 王宗杰熔焊方法及设备M北京：机械工业出版社，200612：134-1353 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，2002，21（13）：1876-18
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