外加直流磁場下微束等離子電弧行為與焊縫成形研究

劉海華，陳豪杰，卓義民，李亮玉

(天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點試驗室 (天津工業(yè)大學)， 天津 300387)

隨著薄壁件廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等諸多工業(yè)領(lǐng)域，小電流、低熱輸入的微束等離子弧焊在薄壁件電弧增材制造中的地位日益提升.為實現(xiàn)薄壁件成形及成性的精確控制，針對薄壁件金屬的增材成形制造及堆焊技術(shù)得到了普遍關(guān)注[1-2].焊接過程中可能出現(xiàn)焊接裂紋、夾渣、焊瘤等焊接缺陷，單純改變焊接電流、焊接速度、送絲速度等傳統(tǒng)的參數(shù)來避免這些缺陷很難實現(xiàn)，為了提高焊縫組織性能以及改善焊縫成形引入外加磁場輔助焊接的方法.

目前，已有一些學者研究磁場對焊接過程的影響機理并取得了一定成果[3-8].天津工業(yè)大學劉海華等[9-11]針對薄壁零件在微束等離子堆焊過程中兩側(cè)的液態(tài)金屬下淌問題，提出了外加磁場的方法向熔池施加指向內(nèi)側(cè)的電磁力，對向下流淌的液態(tài)金屬進行干預(yù),從而抑制液態(tài)金屬的流淌.上海工程技術(shù)大學張濟楠等[11]建立了二維軸對稱模型對微束等離子電弧進行了分析，得到了電弧溫度、等離子流速等電弧特性，但這些研究大多都是單獨針對電弧或者熔池.

本文使用微束等離子弧焊方法，并在電弧兩側(cè)外加直流磁場進行試驗，使用CCD相機對焊接過程進行拍攝，截取焊縫縱截面進行金相試驗，在電弧對熔池作用的基礎(chǔ)上分析外加直流磁場對焊縫成形和對焊縫晶粒變化的影響機理，得出了外加直流磁場作用下焊縫成形機理與焊縫晶粒改變規(guī)律.

1 試 驗

文中試驗采用微束等離子填絲焊，該焊接系統(tǒng)主要包括4部分； Trans Tig 800 Job 數(shù)字化焊接電源、冷卻系統(tǒng)、以及Plasma Mould 10等離子發(fā)生器、等離子焊槍.試驗中使用的勵磁電源為日本NF高速雙極性BP4610電源，勵磁終端是對稱放置于不銹鋼板兩側(cè)夾具上的自制勵磁線圈，該線圈包括線圈骨架、鐵芯、磁頭、漆包線.線圈骨架套在鐵芯上，同時纏繞同樣匝數(shù)的漆包線，并延伸出來一個磁頭，用于將線圈產(chǎn)生的磁場集中在磁頭對應(yīng)焊接區(qū)域.將兩線圈與勵磁電源串聯(lián)，用特斯拉計檢測待焊區(qū)域的磁感應(yīng)強度，再調(diào)整勵磁電源直流電流大小，直至得到試驗需要的磁感應(yīng)強度.在試驗過程中，將CA-D6-0256型CCD相機聯(lián)接在焊槍上，再調(diào)整相機位置到一個能清晰觀察到電弧的角度，最后固定相機位置以保持相機與噴嘴之間相對位置不發(fā)生變化.使用直徑0.8 mm的Y347不銹鋼焊絲，送絲速度0.25 m/min，焊接電流12 A，焊接速度0.6 m/min，等離子氣流量0.3 L/mim，在尺寸170 mm×60 mm×4 mm的304不銹鋼板[12]上進行試驗.

在焊接過程中，當焊槍移至磁頭邊緣時，打開勵磁電源，當焊槍通過磁頭區(qū)域時，關(guān)閉勵磁電源.在焊接結(jié)束后，使用線切割截取焊縫層縱截面，將其制成金相試樣，依次經(jīng)200、400、600、800、1 000、1 200號砂紙研磨至表面無劃痕，再使用P-2T金相試樣拋光機對其表面進行拋光處理，用質(zhì)量比為1∶1的Fecl3溶液與鹽酸對金相試樣表面進行腐蝕，將其表面風干后，采用 GX51型光學顯微鏡與 NANOSEM 430型掃描電鏡觀察焊縫組織.

圖1 實驗裝置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 正向直流磁場下電弧形態(tài)

電弧形態(tài)試驗結(jié)果如圖2所示，電弧在外加正向磁場(定義電弧偏轉(zhuǎn)方向與焊槍移動方向相反為正向)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn).在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，當其他參數(shù)不變的情況下，隨著磁場強度增加，電弧偏轉(zhuǎn)弧度增大.

圖2 不同強度正向直流磁場作用下電弧形態(tài)

Fig.2 Arc shapes under forward DC magnetic field with different intensities

由文獻[13-14]可知，電弧中單個帶電粒子在洛倫茲力的作用下做圓周運動,電弧由大量帶電粒子組成，因此電弧整體發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn).

其中，圓周運動半徑R可表示為

(1)

式中：R為帶電粒子在磁場中做圓周運動的半徑，B為磁場強度，I為焊接電流，ρ為等離子體密度，b為氣體流量.

噴嘴距熔池的高度D?R，且D為一定值時，磁場強度B增大，R減小，電弧偏轉(zhuǎn)幅度增大.如圖3所示.

圖3 電弧偏轉(zhuǎn)示意圖

2.2 正向直流磁場下焊縫形貌

焊縫形貌試驗結(jié)果如圖4所示，在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，外加磁場作用下焊縫余高相對增加.且隨著電弧偏轉(zhuǎn)弧度越大，焊縫余高相對越高.

圖4 不同強度正向直流磁場作用下焊縫形貌

Fig.4 Morphology of weld under forward DC magnetic field with different intensities

熔池受電弧壓力如圖5所示，由于熔池內(nèi)液態(tài)金屬存在表面張力，電弧力水平方向分量(Farcx)將熔池液態(tài)金屬向后推動，熔池內(nèi)液態(tài)金屬受力加速向后流動，大量的液態(tài)金屬堆積在電弧后方熔池，導(dǎo)致電弧后方熔池高度相對電弧前方和無磁區(qū)域增加，隨著焊槍向前移動，后方增高的熔池迅速凝固形成相對更高的焊縫[15].如圖6所示.隨著磁場強度增加，整體熔池區(qū)域向電弧后方偏移，熔深變淺.造成這一現(xiàn)象的原因一方面是因為磁場強度增加，電弧力(Farc)與水平方向夾角(θ)變小，水平方向電弧力分量(Farcx)增大，同時豎直方向電弧力分量(Farcy)減小，電弧在磁場作用下發(fā)生更大的偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致作用于水平方向的能量增加，作用于熔深方向的能量減??；另一方面，電弧的偏轉(zhuǎn)增大了電弧與空氣的接觸面積，使電弧散熱加快，能量損失相對加大.

圖5 磁場作用下熔池受電弧力示意圖

Fig.5 Schematic diagram of arc force in molten pool under magnetic field

圖6 不同強度反向直流磁場作用下電弧形態(tài)

Fig.6 Arc shape under reverse DC magnetic field with different intensities

2.3 反向直流磁場下電弧形態(tài)

在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，當其他參數(shù)不變的情況下，隨著磁場強度增加，電弧偏轉(zhuǎn)弧度增大，且偏轉(zhuǎn)方向與焊槍移動方向相同.

2.4 反向直流磁場下焊縫形貌

焊縫形貌試驗結(jié)果如圖7所示，在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，外加反向直流磁場作用下焊縫余高相對變小.且隨著電弧偏轉(zhuǎn)弧度越大，焊縫余高相對越小.

圖7 不同強度反向直流磁場作用下焊縫形貌

Fig.7 Morphology of weld under reverse DC magnetic field with different intensities

與外加正向直流磁場時電弧力對熔池作用方向相反，電弧力水平分量Farcx將熔池液態(tài)金屬向前推動，雖然電弧前方熔池內(nèi)液態(tài)金屬增多，但同時焊槍向前方移動，因此電弧前方積累的液態(tài)金屬不能第一時間凝固，在電弧的驅(qū)趕下熔池內(nèi)液態(tài)金屬持續(xù)向前移動，最終被驅(qū)趕的液態(tài)金屬大部分在停止外加磁場處凝固，形成較其余部位更高的焊縫.

3 焊縫縱截面金相圖分析

為了更直觀地觀察外加磁場對焊縫晶粒的影響以及有無磁場時熔合線高度(熔合線相對于工件底部的高度)的變化情況，分別從施加正向直流磁場和反向直流磁場試驗中各挑選一組效果較為明顯的實驗：正向26 mT直流磁場和反向26 mT直流磁場進行詳細分析.

3.1 正向直流磁場下焊縫縱截面金相分析

圖8為外加26 mT正向直流磁場焊縫縱截面金相圖.從焊縫晶粒分布可以看出，在焊縫上表層區(qū)域晶粒相對熔合線附近區(qū)域晶粒更為細密，這是因為焊縫上表層區(qū)域溫度較高，高溫停留時間長，熔池溫度梯度相對上表層下方區(qū)域更小且上方液態(tài)金屬在電弧力水平分量的推動下流動速度更快的原因，從而促進二次晶枝生長，生成更為細密的等軸晶.而在熔合線附近區(qū)域結(jié)晶過程更為復(fù)雜，影響因素較多，主要由于結(jié)晶過程中的溫度梯度大且結(jié)晶速度較慢的影響，進而導(dǎo)致晶粒相對上表層區(qū)域更為粗大.

圖8 正向直流磁場作用下焊縫縱截面金相圖

3.2 反向直流磁場下焊縫縱截面金相分析

外加26 mT反向直流磁場焊縫縱截面金相圖如圖9所示，與外加正向直流磁場相同之處是晶粒上下變化趨勢相同，在焊縫上表層區(qū)域晶粒更為細密，熔合線附近區(qū)域晶粒較焊縫上表層更為粗大，原因與外加正向直流磁場相同.但外加反向直流磁場也有其獨特之處，觀察準穩(wěn)態(tài)后加磁區(qū)域的晶粒分布，發(fā)現(xiàn)其金相圖中左邊晶粒較為細密，右邊晶粒相對左邊晶粒略微粗大，但外加反向直流磁場的晶粒整體較外加正向直流磁場作用下更為細密.這是因為電弧偏轉(zhuǎn)方向與焊槍移動方向相同，焊絲處于焊槍移動前方，隨著熔滴滴落，熔滴從電弧中穿過落入熔池對電弧也有一定的影響.隨著焊絲的填充電弧呈周期性波動，導(dǎo)致熔池也受到周期性波動，進而使熔池流動更加迅速，溫度分布更加均勻，因此熔合線呈周期性的“波浪狀”.

3.3 正反向直流磁場下焊縫縱截面金相對比分析

圖10為外加正反向直流磁場焊縫縱截面金相對比分析圖，可以看出：無外加磁場處的焊縫晶粒分布主要以胞狀晶和胞狀樹枝晶為主，晶粒較為粗大；外加正向直流磁場處的晶粒主要有胞狀晶、胞狀樹枝晶和少量的等軸晶[16]，外加正向直流磁場具有一定細化晶粒的作用，但并不明顯.起到一定的細化晶粒作用是由于外加磁場使金屬液體向后流動量更大，母材與熔滴混合較無磁區(qū)域更加均勻；外加反向直流磁場處的焊縫主要有細小等軸晶和少量胞狀樹枝晶，晶粒較外加正向直流磁場更加細化，不僅有電弧力水平分量(Farcx)使得熔池內(nèi)液態(tài)金屬向前流動量更大，而且在電弧力豎直分量(Farcy)的作用下，焊絲熔化形成的熔滴與熔池中電弧前方積累的液態(tài)金屬進行充分混合與攪拌.

圖9 反向直流磁場作用下焊縫縱截面金相圖

圖10 正反向直流磁場作用下焊縫縱截面金相對比分析圖

4 結(jié) 論

1)電弧在外加正向直流磁場的作用下產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的電弧作用在熔池表面，電弧壓力水平分量(Farcx)推動熔池內(nèi)液態(tài)金屬向后移動，最終熔池內(nèi)液態(tài)金屬大量積累在電弧后方，電弧后方熔池向上隆起，電弧離開此區(qū)域后熔池迅速凝固，形成相對無磁區(qū)域更高的焊縫余高.

2)外加反向直流磁場的焊縫晶粒較外加正向直流磁場更加細化，因為不僅有電弧力水平分量(Farcx)使熔池內(nèi)液態(tài)金屬向前流動量更大，而且在電弧力豎直分量(Farcy)的作用下，焊絲熔化形成的熔滴與熔池中電弧前方積累的液態(tài)金屬進行充分混合與攪拌.