振動(dòng)輔助磁針磁力研磨法對(duì)管件焊縫表面氧化皮的去除實(shí)驗(yàn)

程海東，馬小剛，韓冰，陳燕，朱慧寧

（遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114051）

焊接技術(shù)就是對(duì)焊接部位集中加熱，利用焊接材料熔化再冷卻，將2 種或不同材料的零件連接成整體的技術(shù)[1]。焊接易造成焊接部位的不均勻，這種不均勻性會(huì)造成零件在焊接區(qū)域出現(xiàn)失效、斷裂等缺陷[2]。為了提高焊接部位的表面質(zhì)量、抗疲勞性、耐腐蝕性[3-4]等，眾多焊接領(lǐng)域?qū)W者進(jìn)行了大量研究。通過熱處理[5-6]、化學(xué)處理[7-9]、機(jī)械處理和特種加工處理等方式對(duì)焊接零件的焊接區(qū)域進(jìn)行處理，有效提高了焊接零件的使用性能。

逯瑤等[10]利用高能噴丸技術(shù)對(duì)7A52 鋁合金焊縫進(jìn)行了表面處理，與高能噴丸前相比，由于表面顯微硬度的提高使磨損率降為原始磨損率的29.9%，焊接接頭的使用性能得到明顯提高。王宇等[11]采用表面機(jī)械研磨技術(shù)對(duì)X80 管線鋼的螺旋焊管進(jìn)行了處理，得出表面機(jī)械研磨時(shí)間越長(zhǎng)，塑性變形層的厚度越厚的結(jié)論，且表面粗糙度和顯微硬度均有所改善。王吉孝等[12]采用超音速微粒轟擊技術(shù)對(duì)16MnR 低合金鋼焊縫表面進(jìn)行了處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超音速微粒轟擊處理后，表層組織更均勻；焊縫抗H2S 應(yīng)力腐蝕性能也得到了顯著提高。李占明等[13]采用超聲沖擊技術(shù)對(duì)2A12 鋁合金焊縫進(jìn)行了處理，發(fā)現(xiàn)處理后焊縫中的氣孔、縮松等缺陷明顯減少，焊縫表面和斷面顯微硬度得到明顯提高，同時(shí)消除了焊縫表面的殘余拉應(yīng)力[14-15]，提高了其抗疲勞強(qiáng)度[16]。周留成等[17]采用激光沖擊強(qiáng)化的方法，大幅度提高了焊縫和熱影響區(qū)的硬度，消除了殘余拉應(yīng)力，提高了焊接接頭的拉伸性能，且通過二次激光沖擊強(qiáng)化后12Cr2Ni4A 焊接試件的力學(xué)性能接近于新品試件。以上方法僅解決了焊縫外表面存在的一些問題，對(duì)于管件焊縫內(nèi)表面存在的一些缺陷，用傳統(tǒng)的加工方法并不能實(shí)現(xiàn)光整加工。

磁力研磨技術(shù)是近幾年新發(fā)展的一種特種加工光整技術(shù)，它屬于柔性加工，具有切削量小、質(zhì)量高等特點(diǎn)。磁力研磨技術(shù)最早由蘇聯(lián)的工程師探索出來，隨后日本、韓國(guó)也開始研究磁力研磨光整加工技術(shù)，并取得了顯著的成果[18-21]。在國(guó)內(nèi)，磁力研磨技術(shù)發(fā)展得較晚，主要是一些高校學(xué)者將磁力研磨技術(shù)應(yīng)用于研磨平面、彎管內(nèi)外表面、自由曲面等領(lǐng)域[18-25]。磁針磁力研磨法作為磁力研磨技術(shù)的一種，也得到了廣泛應(yīng)用。周傳強(qiáng)等[26]采用磁針研磨技術(shù)對(duì)異型管件的內(nèi)表面進(jìn)行光整加工，使管件的表面粗糙度大幅下降，表面質(zhì)量得到明顯改善。陳燕等[27]利用磁針磁力研磨法去除航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸內(nèi)壁的積碳，結(jié)果表明，磁針磁力研磨方法在積碳去除方面具有可行性。文中使用振動(dòng)輔助磁針磁力研磨法對(duì)焊縫表面的氧化皮進(jìn)行去除，突破了激光沖擊、噴丸強(qiáng)化等技術(shù)在處理管件內(nèi)表面的局限性，同時(shí)磁針磁力研磨法具有自適應(yīng)性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜形狀零件的光整加工。

1 管表面焊縫去除機(jī)理

采用振動(dòng)輔助磁針磁力研磨法去除管表面焊縫的原理見圖1。磁極盤在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，使磁極盤上的非導(dǎo)磁容器桶內(nèi)的磁針繞電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在容器桶外側(cè)添加輔助磁極，目的是在飛躍的過程中增加磁針的飛躍高度，從而更有效地去除工件表面的氧化皮。如圖2 所示，在容器桶安裝座的下面裝有彈簧裝置，啟動(dòng)電機(jī)后偏心塊隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心塊在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生離心力，在離心力的作用下容器桶就會(huì)上下、左右振動(dòng)，促使磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。

圖1 加工原理Fig.1 Processing principle

圖2 自激振動(dòng)裝置Fig.2 Self excited vibration device

當(dāng)磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中時(shí)，磁針會(huì)被旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁化，使磁針變成一個(gè)小柱形磁極，會(huì)有明顯的N、S極，如圖3 所示。對(duì)單個(gè)磁針進(jìn)行受力分析，假設(shè)初始時(shí)刻梯度磁場(chǎng)方向與x軸方向平行，如圖4a 所示。當(dāng)磁場(chǎng)剛剛啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的原理，此時(shí)磁針本身的S 極與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的N 極產(chǎn)生的吸引力F1大于磁針本身的N 極與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的S 極產(chǎn)生的吸引力F2，即F1＞F2，彈簧并無彈力，此時(shí)磁針存在向x軸負(fù)方向移動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度ψ時(shí)，磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的受力情況如圖4b 所示，磁針本身的S 極與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的N 極產(chǎn)生的吸引力F1大于磁針本身的N 極與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的S 極產(chǎn)生的吸引力F2，F(xiàn)1、F2的受力方向均平行于磁場(chǎng)梯度方向。根據(jù)力的平移轉(zhuǎn)換定理，磁針的受力可轉(zhuǎn)換為一個(gè)合力F和一個(gè)力偶M，如圖4c 所示。

圖3 磁針磁化Fig.3 Magnetization diagram of magnetic needle

圖4 單個(gè)磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中受力分析Fig.4 Stress analysis of single magnetic needle in rotating magnetic field: a) at startup;b) rotate ψ angular; c) force of rotation ψ angular

根據(jù)受力分析可知，磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中始終受到一個(gè)斜向下的力F和一個(gè)力偶矩M的作用。在M的作用下，使磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中繞幾何中心做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使磁針與工件發(fā)生接觸，從而達(dá)到去除毛刺的效果。在力F的作用下，磁針與工件表面發(fā)生碰撞、劃擦、翻滾，使工件表面先發(fā)生彈性變形再發(fā)生塑性變形，從而去除了工件表面的毛刺，使工件表面更加光滑、平整。單個(gè)磁針去除焊縫表面氧化皮的過程見圖5。在力F的作用下，磁針對(duì)焊縫表面的氧化皮進(jìn)行劃擦，將氧化皮逐漸從焊縫表面去除。

圖5 磁針去除氧化皮示意圖Fig.5 Schematic diagram of removing oxide scale by magnetic needle: a) magnetic needle is in contact with welded tube; b) schematic diagram of magnetic needle entering oxide scale; c) magnetic needle scratches oxide scale; d) removal of oxide scale at scratch part of magnetic needle

2 試驗(yàn)裝置與條件

去除管表面焊縫處氧化皮的振動(dòng)磁力研磨裝置見圖6。將非導(dǎo)磁容器桶放在旋轉(zhuǎn)磁極盤上方，在磁極盤的下方安裝一圈彈簧支承研磨桶座，作為給研磨桶提供振動(dòng)的源，在研磨桶的上方安裝桶蓋，防止振動(dòng)頻率過高時(shí)桶內(nèi)研磨液和磁針飛濺。在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，磁極盤帶動(dòng)研磨桶內(nèi)的磁針旋轉(zhuǎn)，在彈簧和偏心塊的共同作用下，研磨桶在豎直、水平方向上振動(dòng)，使磁針在桶內(nèi)的運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，從而對(duì)工件表面進(jìn)行全方位的研磨。

圖6 振動(dòng)磁力研磨裝置Fig.6 Schematic diagram of vibrating magnetic grinding device

試驗(yàn)條件如表1 所示。在試驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率越高，磁針獲得的沖擊力越大，與焊縫表面的氧化皮碰撞得越頻繁，則去除氧化皮的效率越高。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，磁針與焊縫表面切削力過大，除了會(huì)去除表面的氧化皮外，也會(huì)劃擦基體表面，從而造成焊縫表面的劃傷。當(dāng)研磨時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，研磨液就會(huì)起到冷卻、潤(rùn)滑的作用，對(duì)磁針去除氧化皮起到輔助作用；直徑較小的磁針獲得的動(dòng)能不大，切削力較小，去除氧化皮的量較少，研磨效果不明顯。當(dāng)磁針長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，磁針翻滾次數(shù)減少，對(duì)焊縫表面研磨次數(shù)較少，研磨不充分，則氧化皮的去除效果不明顯。振幅不是越大越好，當(dāng)振幅過大時(shí)，振動(dòng)太劇烈，使得磁針飛出研磨區(qū)域，則達(dá)不到去除氧化皮的效果；當(dāng)振幅過小時(shí)則達(dá)不到去除效果。表1 的試驗(yàn)參數(shù)是經(jīng)過大量試驗(yàn)后得出來的一組相對(duì)最優(yōu)參數(shù)。

表1 試驗(yàn)條件Tab.1 Experimental conditions

在試驗(yàn)過程中，采用VHX–500 超景深顯微鏡觀察焊縫研磨前后的表面形貌，利用X 射線能譜分析儀（EDS）對(duì)材料微區(qū)的成分元素種類和含量進(jìn)行分析，采用X 射線衍射殘余應(yīng)力分析儀對(duì)研磨前后試驗(yàn)工件表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)工件的實(shí)物見圖7。

圖7 試驗(yàn)工件Fig.7 Schematic diagram of experimental workpiece:a) inner wall of pipe; b) outer wall of pipe

3 結(jié)果與分析

3.1 焊縫去除情況

研磨前管件內(nèi)表面焊縫的表面形貌見圖8a，可見焊縫表面存在大量的氧化皮，顏色發(fā)黑。采用無振動(dòng)輔助磁針磁力研磨去除焊縫表面氧化皮后的焊縫表面形貌見圖8b，可見氧化皮得到一定程度的去除，但在表層凹坑內(nèi)仍有少量殘留，且表面明顯凹凸不平。利用振動(dòng)輔助磁針磁力研磨去除焊縫表面氧化皮后的表面形貌見圖8c，焊縫表面基本看不見氧化皮，顏色發(fā)亮，很好地改善了表面質(zhì)量。在加工條件相同的情況下，有振動(dòng)輔助的磁力研磨效果比無振動(dòng)輔助的研磨效果好，去除表面氧化皮的量更多，效率更高。

圖8 有無振動(dòng)輔助研磨的表面形貌對(duì)比Fig.8 Comparison of surface morphology of welded tubes with or without vibration assisted grinding: a) original surface; b) after no vibration assisted grinding; c) after vibration assisted grinding

3.2 焊縫氧化皮去除結(jié)果驗(yàn)證

利用超景深電子顯微鏡觀察焊接管件焊縫處的表面形貌可了解氧化皮的去除情況，利用X 射線能譜分析儀（EDS）對(duì)加工前后的焊接管內(nèi)壁進(jìn)行元素成分分析，可以進(jìn)一步從成分上論證氧化皮是否被完全去除。

與非導(dǎo)磁類管件相比，利用磁力研磨加工技術(shù)在加工導(dǎo)磁性焊接管件方面更加困難，因此選擇具有良好導(dǎo)磁性能的焊接管件進(jìn)行研磨前后的加工效果對(duì)比和元素分析更具有普遍性。在掃描電子顯微鏡下，不同狀態(tài)管件焊縫表面的微觀形貌見圖9。首先，將管件切開，對(duì)切面的元素成分進(jìn)行定量分析，得到了管件基體的元素成分。然后，對(duì)焊接后未經(jīng)處理的焊接管內(nèi)壁原始焊縫表面進(jìn)行成分分析，得到焊接管內(nèi)壁氧化皮的原有成分。最后，對(duì)加工不同時(shí)間后的焊接管內(nèi)壁焊縫表面進(jìn)行成分分析。相應(yīng)標(biāo)記區(qū)域的EDS 能譜圖見圖10，由于管件基體的元素成分與管件焊縫處未經(jīng)處理的表面元素成分在加工前后變化最為明顯的是C、Fe 等2 種元素，所以選用C 和Fe元素進(jìn)行加工前后的對(duì)比，以驗(yàn)證振動(dòng)輔助磁針磁力研磨技術(shù)是否可以完全去除焊接管內(nèi)壁焊縫表面的氧化皮成分。

圖9 表面形貌與測(cè)量點(diǎn)位置Fig.9 Surface topography and location of measurement points: a) surface topography and measurement points A of the cut surface of the substrate; b) original surface topography and measurement point B; c) surface topography after 10min and point C; d) surface topography after 20 min and point D; e) surface topography after 30 min and point E;f) surface topography after 40 min and point F

圖10 不同測(cè)量點(diǎn)的能量譜Fig.10 Energy spectrum of different measurement points: a) point A; b) point B; c) point C; d) point D; e) point E; f) point F

對(duì)未經(jīng)處理的焊接管焊縫處表面的元素成分進(jìn)行了檢測(cè)，將檢測(cè)出的元素成分作為焊縫處存在的氧化皮元素組成。從表2 可以看出，焊接管基體與焊縫表面處氧化皮的成分主要在C 和Fe 等2 種元素的含量上存在較明顯的差異。其中，氧化皮中C、Fe 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為88.62%、0.45%；焊接管基體中C、Fe 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.98%、67.09%；經(jīng)過振動(dòng)輔助磁針磁力研磨技術(shù)加工后，焊接管表面C、Fe元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.10%、63.51%。加工后管表面的元素含量與基體的元素含量基本相同，對(duì)比加工前后的表面形貌也沒發(fā)現(xiàn)明顯的氧化皮殘留，說明氧化皮被去除干凈。

表2 不同位置元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Mass percentages of elements in different positions wt.%

通過以上分析可知，采用振動(dòng)輔助磁力研磨可以完全去除焊縫表面的氧化皮，同時(shí)也驗(yàn)證了表面形貌分析的結(jié)論。

焊接管的焊接過程屬于局部不均勻加熱的過程，在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致金屬的狀態(tài)和顯微組織的變化，焊接管在加熱冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。焊接管在使用過程中由于內(nèi)部殘余應(yīng)力的存在更容易產(chǎn)生裂紋，從而造成零件的損壞。通過X射線衍射儀檢測(cè)研磨前后的殘余應(yīng)力可知（見圖11），在加工前焊縫處的殘余應(yīng)力為17.5 MPa，經(jīng)過振動(dòng)輔助磁針磁力研磨加工后殘余應(yīng)力變?yōu)?186.0 MPa，殘余應(yīng)力得到大幅降低，有效地提高了焊縫處的抗疲勞強(qiáng)度和使用壽命。

圖11 焊縫表面研磨前后殘余應(yīng)力Fig.11 Residual stress diagram of weld surface before and after grinding: a) before grinding; b) after grinding

4 結(jié)論

通過對(duì)研磨前后焊縫表面形貌進(jìn)行觀測(cè)可以看出，采用振動(dòng)輔助磁針磁力研磨工藝加工后管件焊縫表面的顏色由暗變亮，焊縫處無明顯氧化皮存在，焊縫表面的殘余應(yīng)力由原始的拉應(yīng)力（17.5 MPa）變?yōu)閴簯?yīng)力（186.0 MPa），有效地提高了焊縫的抗疲勞強(qiáng)度和使用壽命。對(duì)振動(dòng)輔助磁針磁力研磨前后焊縫表面處的成分檢測(cè)分析與對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加工前后焊縫表面的C 元素含量降低了85.52%，F(xiàn)e 元素含量增加了63.06%，加工后焊接管表面元素與基體元素大體相同，可見氧化皮被去除得較徹底。