振動輔助磁針磁力研磨法對管件焊縫表面氧化皮的去除實驗

程海東，馬小剛，韓冰，陳燕，朱慧寧

（遼寧科技大學，遼寧 鞍山 114051）

焊接技術就是對焊接部位集中加熱，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[1]。焊接易造成焊接部位的不均勻，這種不均勻性會造成零件在焊接區域出現失效、斷裂等缺陷[2]。為了提高焊接部位的表面質量、抗疲勞性、耐腐蝕性[3-4]等，眾多焊接領域學者進行了大量研究。通過熱處理[5-6]、化學處理[7-9]、機械處理和特種加工處理等方式對焊接零件的焊接區域進行處理，有效提高了焊接零件的使用性能。

逯瑤等[10]利用高能噴丸技術對7A52 鋁合金焊縫進行了表面處理，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]采用表面機械研磨技術對X80 管線鋼的螺旋焊管進行了處理，得出表面機械研磨時間越長，塑性變形層的厚度越厚的結論，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對16MnR 低合金鋼焊縫表面進行了處理，發現經超音速微粒轟擊處理后，表層組織更均勻；焊縫抗H2S 應力腐蝕性能也得到了顯著提高。李占明等[13]采用超聲沖擊技術對2A12 鋁合金焊縫進行了處理，發現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，同時消除了焊縫表面的殘余拉應力[14-15]，提高了其抗疲勞強度[16]。周留成等[17]采用激光沖擊強化的方法，大幅度提高了焊縫和熱影響區的硬度，消除了殘余拉應力，提高了焊接接頭的拉伸性能，且通過二次激光沖擊強化后12Cr2Ni4A 焊接試件的力學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，對于管件焊縫內表面存在的一些缺陷，用傳統的加工方法并不能實現光整加工。

磁力研磨技術是近幾年新發展的一種特種加工光整技術，它屬于柔性加工，具有切削量小、質量高等特點。磁力研磨技術最早由蘇聯的工程師探索出來，隨后日本、韓國也開始研究磁力研磨光整加工技術，并取得了顯著的成果[18-21]。在國內，磁力研磨技術發展得較晚，主要是一些高校學者將磁力研磨技術應用于研磨平面、彎管內外表面、自由曲面等領域[18-25]。磁針磁力研磨法作為磁力研磨技術的一種，也得到了廣泛應用。周傳強等[26]采用磁針研磨技術對異型管件的內表面進行光整加工，使管件的表面粗糙度大幅下降，表面質量得到明顯改善。陳燕等[27]利用磁針磁力研磨法去除航空發動機渦輪軸內壁的積碳，結果表明，磁針磁力研磨方法在積碳去除方面具有可行性。文中使用振動輔助磁針磁力研磨法對焊縫表面的氧化皮進行去除，突破了激光沖擊、噴丸強化等技術在處理管件內表面的局限性，同時磁針磁力研磨法具有自適應性，可實現對復雜形狀零件的光整加工。

1 管表面焊縫去除機理

采用振動輔助磁針磁力研磨法去除管表面焊縫的原理見圖1。磁極盤在電機的驅動下，使磁極盤上的非導磁容器桶內的磁針繞電機的旋轉軸線做回轉運動，在容器桶外側添加輔助磁極，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，啟動電機后偏心塊隨之轉動，偏心塊在轉動的過程中會產生離心力，在離心力的作用下容器桶就會上下、左右振動，促使磁針在旋轉磁場中運動。

圖1 加工原理Fig.1 Processing principle

圖2 自激振動裝置Fig.2 Self excited vibration device

當磁針在旋轉磁場中時，磁針會被旋轉磁場磁化，使磁針變成一個小柱形磁極，會有明顯的N、S極，如圖3 所示。對單個磁針進行受力分析，假設初始時刻梯度磁場方向與x軸方向平行，如圖4a 所示。當磁場剛剛啟動時，根據同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的原理，此時磁針本身的S 極與旋轉磁場中的N 極產生的吸引力F1大于磁針本身的N 極與旋轉磁場中的S 極產生的吸引力F2，即F1＞F2，彈簧并無彈力，此時磁針存在向x軸負方向移動的趨勢。當旋轉磁場逆時針旋轉角度ψ時，磁針在旋轉磁場中的受力情況如圖4b 所示，磁針本身的S 極與旋轉磁場中的N 極產生的吸引力F1大于磁針本身的N 極與旋轉磁場中的S 極產生的吸引力F2，F1、F2的受力方向均平行于磁場梯度方向。根據力的平移轉換定理，磁針的受力可轉換為一個合力F和一個力偶M，如圖4c 所示。

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

圖4 單個磁針在旋轉磁場中受力分析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

根據受力分析可知，磁針在旋轉磁場中始終受到一個斜向下的力F和一個力偶矩M的作用。在M的作用下，使磁針在旋轉磁場中繞幾何中心做自轉運動，使磁針與工件發生接觸，從而達到去除毛刺的效果。在力F的作用下，磁針與工件表面發生碰撞、劃擦、翻滾，使工件表面先發生彈性變形再發生塑性變形，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，磁針對焊縫表面的氧化皮進行劃擦，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 試驗裝置與條件

去除管表面焊縫處氧化皮的振動磁力研磨裝置見圖6。將非導磁容器桶放在旋轉磁極盤上方，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的源，在研磨桶的上方安裝桶蓋，防止振動頻率過高時桶內研磨液和磁針飛濺。在啟動電機時，磁極盤帶動研磨桶內的磁針旋轉，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，使磁針在桶內的運動更加復雜，從而對工件表面進行全方位的研磨。

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

試驗條件如表1 所示。在試驗過程中調節旋轉磁場的頻率發現，旋轉磁場的頻率越高，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。當旋轉磁場轉速過高時，磁針與焊縫表面切削力過大，除了會去除表面的氧化皮外，也會劃擦基體表面，從而造成焊縫表面的劃傷。當研磨時間過長時，研磨液就會起到冷卻、潤滑的作用，對磁針去除氧化皮起到輔助作用；直徑較小的磁針獲得的動能不大，切削力較小，去除氧化皮的量較少，研磨效果不明顯。當磁針長度較長時，磁針翻滾次數減少，對焊縫表面研磨次數較少，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，當振幅過大時，振動太劇烈，使得磁針飛出研磨區域，則達不到去除氧化皮的效果；當振幅過小時則達不到去除效果。表1 的試驗參數是經過大量試驗后得出來的一組相對最優參數。

表1 試驗條件Tab.1 Experimental conditions

在試驗過程中，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）對材料微區的成分元素種類和含量進行分析，采用X 射線衍射殘余應力分析儀對研磨前后試驗工件表面的殘余應力進行檢測。試驗工件的實物見圖7。

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

3 結果與分析

3.1 焊縫去除情況

研磨前管件內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，顏色發黑。采用無振動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，但在表層凹坑內仍有少量殘留，且表面明顯凹凸不平。利用振動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，顏色發亮，很好地改善了表面質量。在加工條件相同的情況下，有振動輔助的磁力研磨效果比無振動輔助的研磨效果好，去除表面氧化皮的量更多，效率更高。

圖8 有無振動輔助研磨的表面形貌對比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 焊縫氧化皮去除結果驗證

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）對加工前后的焊接管內壁進行元素成分分析，可以進一步從成分上論證氧化皮是否被完全去除。

與非導磁類管件相比，利用磁力研磨加工技術在加工導磁性焊接管件方面更加困難，因此選擇具有良好導磁性能的焊接管件進行研磨前后的加工效果對比和元素分析更具有普遍性。在掃描電子顯微鏡下，不同狀態管件焊縫表面的微觀形貌見圖9。首先，將管件切開，對切面的元素成分進行定量分析，得到了管件基體的元素成分。然后，對焊接后未經處理的焊接管內壁原始焊縫表面進行成分分析，得到焊接管內壁氧化皮的原有成分。最后，對加工不同時間后的焊接管內壁焊縫表面進行成分分析。相應標記區域的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元素進行加工前后的對比，以驗證振動輔助磁針磁力研磨技術是否可以完全去除焊接管內壁焊縫表面的氧化皮成分。

圖9 表面形貌與測量點位置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 不同測量點的能量譜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

對未經處理的焊接管焊縫處表面的元素成分進行了檢測，將檢測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 元素的質量分數分別為88.62%、0.45%；焊接管基體中C、Fe 元素的質量分數分別為2.98%、67.09%；經過振動輔助磁針磁力研磨技術加工后，焊接管表面C、Fe元素的質量分數分別為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，對比加工前后的表面形貌也沒發現明顯的氧化皮殘留，說明氧化皮被去除干凈。

表2 不同位置元素的質量分數Tab.2 Mass percentages of elements in different positions wt.%

通過以上分析可知，采用振動輔助磁力研磨可以完全去除焊縫表面的氧化皮，同時也驗證了表面形貌分析的結論。

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

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

4 結論

通過對研磨前后焊縫表面形貌進行觀測可以看出，采用振動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，焊縫表面的殘余應力由原始的拉應力（17.5 MPa）變為壓應力（186.0 MPa），有效地提高了焊縫的抗疲勞強度和使用壽命。對振動輔助磁針磁力研磨前后焊縫表面處的成分檢測分析與對比發現，加工前后焊縫表面的C 元素含量降低了85.52%，Fe 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。