對熔池內(nèi)部焊液凝固在機(jī)械振動作用下的探究

李康寧 李鵬 李明坤

摘要：本文從能量和力學(xué)兩個(gè)角度分析了振動對電焊過程中，熔池內(nèi)部金屬凝固的作用過程。文章從宏觀和微觀兩個(gè)方面對焊液凝固進(jìn)行了探討，宏觀上機(jī)械振動加快了熔池內(nèi)部液體的流動速度，減少了氣孔，減弱了焊縫的偏析，增大了紊流層的寬度；微觀上振動打碎了柱狀樹枝晶，使其枝晶折斷，并使其長成等軸晶；并且振動更容易使晶體成核。振動對電焊過程中焊液凝固有重要的作用，尤其在焊接性能和焊縫組織方面的影響最大，研究電焊過程中振動對熔池內(nèi)部焊液凝固的作用具有很重要的意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動 熔池 焊液凝固

引言

目前焊接工業(yè)面臨多項(xiàng)難題，其中同時(shí)能夠使熱影響組織細(xì)化，減小焊接縫隙，降低焊接過程中的殘余應(yīng)力就是一道難題。本文作者長期從事于焊接工作，對焊接過程進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)械振動對焊接過程有很重要的影響，同時(shí)又參考國內(nèi)其他一些大學(xué)在該方面的科研成果，認(rèn)為通過機(jī)械振動可以改善焊接過程中熔池內(nèi)部焊接的凝固過程，使其凝固過程中柱狀晶的枝晶折斷，晶體更容易成核，組織得到細(xì)化。因此本文從電焊過程中振動對熔池內(nèi)部焊液的凝固過程的作用入手，分析機(jī)械振動對焊液凝固的作用。

1 與埋弧焊對比的實(shí)驗(yàn)

為了研究電焊過程中機(jī)械振動對焊液的凝固的影響，我們做了一項(xiàng)對比實(shí)驗(yàn)：采用埋弧焊對焊兩塊16MnR的鋼板。焊接過程中我們采用的設(shè)備是ZSX-06型焊接裝置，選擇的焊絲為H10Mn2，直徑為4mm，焊劑的品牌為HJ431，采用的埋弧焊的焊機(jī)為MZ-1000型的埋弧焊系統(tǒng)，振動平臺采用的是16MnR材料，兩塊焊板的尺寸都是2000×400×16mm，實(shí)驗(yàn)過程中選擇的激振力為第3檔，試板的固有頻率是通過零檔歸頻方法確定的，然后對兩塊試板在激振力和零檔歸頻附近進(jìn)行振動焊接，然后再對其進(jìn)行疲勞試驗(yàn)、金相分析和殘余應(yīng)力的測試。

實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果表明，與常規(guī)的焊接方法相比，具有機(jī)械振動的埋弧焊焊接過程相對于常規(guī)的方法有很多優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)如下：

1）提高了焊件的疲勞壽命。選擇不同的激振力和激振頻率，焊件的疲勞壽命會得到不同程度的提高，當(dāng)選擇的激振頻率為5023r/min，激振力為3檔時(shí)，焊件的疲勞壽命相比于常規(guī)的焊件壽命提高了35.5%。

2）焊件的焊接接頭部分的焊接組織得到了很好的細(xì)化，焊件各向的殘余應(yīng)力也有很好的弱化。

3）機(jī)械振動焊接改善了熔池內(nèi)部焊液的金相組織，使得凝固后的焊縫組織得到了明顯的細(xì)化。

4）機(jī)械振動使得魏氏組織削減，同時(shí)窄化了過熱區(qū)和熔合區(qū)。

2 機(jī)械振動對熔池內(nèi)焊液凝固影響的宏觀分析

宏觀上，機(jī)械振動對熔池內(nèi)部焊液凝固過程的影響可以分為兩個(gè)方面：1、焊接過程中，焊件會隨著振動平臺一直振動，焊機(jī)的電弧因此會變得忽長忽短，隨之而產(chǎn)生的電弧壓力也時(shí)大時(shí)小，這種情況就類似于在熔池內(nèi)部的焊液的表面形成了了一個(gè)激振力，周期性地?cái)_動這焊液表面的金屬溶液。2、隨著振動平臺振動的過程中，焊件在同時(shí)受到來自于熔池壁和熔池內(nèi)部金屬兩方面的作用，使得液態(tài)的金屬也做受迫振動。

焊接過程中，機(jī)械振動對液態(tài)金屬產(chǎn)生周期性的作用力，使其受到周期性的受迫振動，同時(shí)機(jī)械振動加快了熔池內(nèi)部液體的流動速度，增大了紊流層的寬度，由于焊液內(nèi)部液體對流的速度的提升，使得焊接過程中產(chǎn)生的焊渣和氣孔得到減少，使得焊液更均勻，焊液均勻化，因此凝固后的焊縫的偏析會得到大大的減弱。

3 機(jī)械振動對熔池內(nèi)焊液凝固影響的微觀分析

在焊液的溫度一定時(shí)，熔池內(nèi)部的液態(tài)金屬里面的有序集團(tuán)的大小是一定的。雖然機(jī)械振動對焊液內(nèi)部的金屬原子的熱運(yùn)動的影響不大，但是可以使得熱運(yùn)動的過程中的分布形態(tài)產(chǎn)生變化，加劇或減少其中個(gè)別原子的熱運(yùn)動，增多了有序集團(tuán)的數(shù)量。焊接過程中焊液的溫度決定了液態(tài)金屬的自由能，振動使得液態(tài)金屬的自由能增加，為金屬結(jié)晶提供了更高能量以方便金屬結(jié)晶成核，提升了成核率。

焊接過程中，形成了晶核，晶核的成長速度很快。晶體形成晶核后長大的過程中，需要的過冷度比形成晶核要小很多，因此控制過冷區(qū)的大小也尤為重要。溶液冷卻的過程中，受到基體金屬的強(qiáng)烈冷卻，很容易使得晶核長大成為柱狀晶，但是柱狀晶的性能較差，如果焊液中柱狀晶過多，等到金屬凝固后，焊接接口很容易出現(xiàn)焊縫，這是因?yàn)橹鶢罹Ш懿环€(wěn)定，在受到外力時(shí)很容易折斷。機(jī)械振動減小了過冷區(qū)的大小，在溫度控制上抑制了柱狀晶的長大，機(jī)械振動能夠影響到熔池內(nèi)部焊液的能量和相起伏，使得柱狀晶的枝晶折斷。從而使得焊液內(nèi)部的金屬的組織更加細(xì)化均勻，從而形成更細(xì)的金相組織，被折斷的柱狀晶的枝晶在長大的過程中會獨(dú)立成長成為等軸晶，最終大大增加了焊接過程中等軸晶出現(xiàn)的概率，提升。由于等軸晶的晶體顆粒更細(xì)密，使得凝固后的焊接接口組織更加均勻細(xì)化，從而提升了焊接接口的焊接性能。

4 結(jié)論

1）從宏觀上分析機(jī)械振動對熔池內(nèi)部焊液金屬凝固過程中的作用可知，機(jī)械振動加快了熔池內(nèi)部液體的對流速度，減小了紊流層的大小，從而減少了氣孔，減弱了焊縫的偏析，增大了紊流層的寬度；

2）從微觀上分析機(jī)械振動對熔池內(nèi)部焊液金屬凝固過程中的作用可知，在熔池隨著基體平臺振動的過程中，熔池內(nèi)部金屬更容易形核；并且機(jī)械振動打碎了熔池內(nèi)部液態(tài)金屬內(nèi)部的柱狀樹枝晶，使其枝晶折斷，控制住成分過冷區(qū)域的范圍，從過冷溫度上抑制柱狀晶的形成，減小柱狀晶在凝固后的晶體中的比例，折斷后的枝晶在熔池中獨(dú)立長成為等軸晶，增大了等軸晶在凝固后的晶體中的比例，從而使得凝固后的晶體的質(zhì)地更加細(xì)密，金相組織更加均勻，提高了焊件接口的質(zhì)量。

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