电磁场对焊缝组织的影响Word格式.docx

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Thelastismakingwithelectromagneticfield,andthedirectionofelectromagneticfieldisparalleltothedirectionofweldingline.ThenIwatchedmetalphotographofthese3testpieces，studiedtheirtexturesandpropertiesin3placesbelow：

weldingline，heatinfluenceareaandmothermaterial.Theresultindicatedthatweldingwithelectromagneticfieldmadea-FeandPextenuation，nomatterthedirectionofelectromagneticfieldissquarenessorparallel.Thissaidelectromagneticfieldcanmakecrystalgrainextenuation.

Electromagneticfieldasaphysicsfield，becauseofitsuniqueproperty，itusedwidelyinmaterialscientificresearchandprocess.Thistextintroducedelectromagneticfielddealwithappliesintheprocessofmaterialsolidificationandthedevelopmenttendency.Ithasparticularreferencevaluetoresearcherswhowereengagedinmetallurgyandcastfield.

Thepaperintroducedrelevanceknowledgeaboutwelding.Forexampleweldingdevices,weldingtheories,weldingparametersandsoon.Weldingismainlyusedinautomobileandsteamshipmanufacturingindustries.

Keywords：

electromagneticfield，solidification，weld.

1前言

1.1本课题研究的背景和意义

随着科学技术的飞速发展，各行各业对材料的性能提出了更高的要求，这就促使人们不断开发新材料以及传统材料的新型研究。

电磁场作为自然界重要的物理场之一，因其具有独特的性能而使其成为金属材料熔炼、熔体提纯、组织细化、控制熔体凝固与成型以及制造复合材料的一种重要手段。

电磁处理是将电磁场用于材料的各种加工过程，实现对过程的控制、材料组织和性能的改善。

因它具有无污染、操作方便和效果显著等优点，受到了人们的高度重视。

在正常的焊接条件下，焊缝为铸态组织，奥氏体晶粒粗大，铁素体呈针状魏氏组织，强度低，韧性差。

为此，细化焊缝组织，提高焊缝的强度和韧性变得非常重要。

本文将焊接试件放置在交变电磁场中进行焊接。

通过电磁场的作用使焊缝组织得到细化。

将焊接接头制作成金相试样，经过砂轮打磨，砂纸粗磨到细磨，抛光等工序，之后用硝酸酒精腐蚀，再用酒精擦拭，风筒吹干，进行金相显微组织的观察，并与没有施加电磁场焊接的焊缝的金相组织进行比较。

1.2本课题研究的技术要求

（1）可以通过预热来降低冷裂纹出现概率，预热及道间温度要求控制[1]在180-300摄氏度之间，焊后热处理在620-690摄氏度之间，保温1小时，为了保证焊缝金属强度，在620摄氏度的温度下回火不超过30小时,否则降低回火温度。

（2）通过焊后热处理不仅能消除焊接残余应力，更重要的是能改善组织，提高接头的综合力学性能。

（3）采用少的焊接[2]线能量焊接，防止过多的马氏体淬硬组织生成。

（4）采用富氩气体保护进行喷射过渡焊接（电弧长度控制在4mm-5mm左右），过获得美观的焊缝。

1.2.1发展概况及存在的问题

（1）电磁场细化焊缝组织的作用。

（2）电磁场的搅拌作用。

（3）电磁场对电弧的影响。

（4）电磁场对焊接工艺的影响。

（5）电磁场对成分的影响。

（6）电磁场的净化作用等。

1.2.2应用情况

电磁场，即电磁辐射场。

静电场不是辐射场，辐射场只包括加速运动电荷产生的扭转电场中的横向场。

电磁场和实物一样具有能量、动量等属性，从而得出电磁场是物质的一种形态。

电场不同于电磁场，它称为辐射场。

根据麦克斯韦电磁理论，变化电场的空间存在变化的磁场，同样存在变化磁场的空间必然存在变化的电场。

可见变化电场和变化磁场不是彼此孤立的，它们相互联系，相互激发，组成一个统一的电磁场。

由于电磁场的震动，这就形成电磁波。

实际上，所谓的静电场只是想象中的虚拟体。

因为任何看似静止的电荷都在不停地震动着，时刻不停地向外发射或吸收电磁波。

从这个意义上，每个电荷都在激发电磁场。

当空间某点又出现另一电荷时，原有电荷周围空间的电磁场发生了突变，驱动原有电荷产生新的运动。

这就是电荷之间的相互作用，它是通过各自激发的电磁场来实现的。

试想，每一电荷发射（和吸收）一般没有被检测到的粒子（虚光子）流，可以认为电荷之间的这种粒子交换就是它们之间相互作用的方式。

电荷是电磁场的源，反过来电磁场又影响带电粒子的运动。

在任何时刻体系的能量的一部分将存在于场中，相互作用是通过场作为媒介的。

在一定条件下，这个场就成为脱离电荷和电流独立存在的电磁场。

电磁场有自己的运动规律，它能以波的形式传递能量。

如同静止的物体受到一个力的作用获得动量一样，静电场中一旦引入其它电荷，静电场不再静止，而产生了运动的电场，即辐射电场。

变化了的电场又产生了辐射磁场，传播的电磁场当然也携带了动量。

高压、超高压输变电工程建成投运后，其产生的电磁现象成为主要的环境问题。

随着电力工业的迅猛发展和输变电电压等级以及电网容量的不断提升，高压输变电工程的电磁辐射对职业人群和公众可能造成的影响已愈来愈引起人们的关注。

电磁辐射是发射体以电磁波的形式向空间环境发射能量的过程，电磁环境是存在于给定场所的所有电磁现象的总和，是生态环境的一部分。

描述电磁场的基本方程是麦克斯韦方程组，麦克斯韦方程组反映了在一般情况下，电荷电流激发电磁场以及电磁场内部运动的规律在讨论电磁场的基本属性时，麦克斯韦方程组是一组完备的方程组。

电磁场的质量，狭义相对论指出，物质的能量W与它的质量m之间的关系，由质能关系给出，即W=mc2。

根据质能关系，电磁场表现出的惯性质量为电磁场具有能量、动量，还具有惯性质量，这说明电磁场是客观存在的物质。

1.3电磁场理论

研究电磁场中各物理量之间的关系及其空间分布和时间变化的理论。

人们注意到电磁现象首先是从它们的力学效应开始的。

基于这与牛顿万有引力定律十分类似，S.D.泊松、C.F.高斯等人[3]仿照引力理论，直到M.法拉第在1831年发现了著名的电磁感应定律，并用磁力线的模型对定律成功地进行了阐述。

电磁场理论给出了场的分布及变化规律，若已知电场中介质的性质,再运用适当的数学手段,即可对电工设备的结构设计、材料选择、能量转换、运行特性等，进行分析计算，因而极大地促进电工技术的进步。

1.3.1麦克斯韦方程组

J.C.麦克斯韦[4]继承并发展了法拉第的这些思想，仿照流体力学中的方法，采用严格的数学形式,将电磁场的基本定律归结为四个微分方程，人们称之为麦克斯韦方程组。

根据这组方程，麦克斯韦还导出了场的传播是需要时间的，其传播速度为有限数值并等于光速，从而断定电磁波与光波有共同属性，预见到存在电磁辐射现象。

法拉第的电磁感应实验将机械功与电磁能联系起来，证明二者可以互相转化。

麦克斯韦进一步提出：

电磁场中各处有一定的能量密度，即能量定域于场中。

电磁波可以不凭借导体的联系，在空间传播信息和能量。

电磁场理论给出了场的分布及变化规律，若已知电场中介质的性质,再运用适当的数学手段,即可对电工设备的结构设计、材料选择、能量转换、运行特性等，进行分析计算，因而极大地促进电工技术的进步。

电磁场的分布及变化规律为：

（1）电位移的散度等于该点处自由电荷的体密度；

（2）磁感强度的散度处处等于零；

（3）电场强度的旋度等于该点处磁感强度变化率的负值；

（4）磁场强度的旋度等于该点处传导电流密度与位移电流密度的矢量和。

1.3.2霍尔效应

霍尔效应在1879年被E.H.霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。

当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力，从而在导体的两端产生电压差。

虽然这个效应多年前就已经被大家知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。

根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器。

1.3.3反常霍尔效应

美国物理学家霍尔（1855-1938）发现，如果对位于磁场中的导体施加一个电压，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。

更通俗地说，就是导体中有电流时，就有电荷载子在里面移动。

而当导体内有磁场时，导体内的电荷载子运动就会受影响，这些电荷载子因此可能就会往某一边靠过去。

好比一条路，本来大家是均匀地分布在路面上，往前移动，当有磁场时，大家可能会被推到靠路的右边行走。

故路（导体）的两侧，就会产生电压差。

铁磁材料的霍尔效应通常由两部分构成，一般非磁金属材料的电阻应正比于外加磁场，称为一般霍尔效应。

然而在铁磁金属材料中，其电阻还与材料的磁化强度有关，此项被称为反常霍尔效应。

1.3.4电磁场理论的基础:

电磁场理论是麦克斯韦创立的，麦克斯韦提出了两个假设：

变化的磁场可产生涡旋电场变化的电场（位移电流）可产生磁场;

电磁场理论主要研究的就是电和磁这两个方面的关系。

1.3.520钢简介

20号钢[5]是锅炉压力容器上的管道广泛应用的一种碳素钢，它的正常金相组织是铁素体和珠光体。

其中的珠光体是由呈薄片状的铁素体和渗碳体交互排列，从而获得良好的力学性能。

长期在高温下服役或短时在超温状态运行的20号钢，最常见的一种高温损伤就是珠光体球化。

所谓珠光体球化是指珠光体中的渗碳体（碳化物）由片状转变成球状。

珠光体球化过程包括碳化物从片状转化成球状以及球状粒子聚集长大，这种过程实质上是一个扩散的过程。

珠光体内呈片状、表面积较大并处于高能量状态的碳化物在常温下是稳定的。

但在高温、应力长期作用下，原子扩散速度加快，具有高能量的片状碳化物自行向低能量的球状碳化物转变并进一步聚集长大。

所以球化是金属在长期高温作用下的一种组织变化的必然过程。

由于晶界上原子扩散速度大，所以球状碳化物首先在晶界附近析出。

严重时，珠光体形态消失，球状碳化物不仅沿晶界，而且分布于铁素体基体上。

珠光体球化会使材料的室温和高温强度降低。

若碳化物沿晶界呈链状，还会使碳素钢和低钢钼钢的室温冲击值明显下降。

20钢中珠光体的球化及聚集与其受热的温度和时间有关，通过不同的热处理规范可获得不同球化程度的金相组织。

珠光体球化使材料的抗拉强度、屈服点以及硬度降低，球化越严重，影响越大。

试验表明，采用定量金相组织分析方法进行损伤后剩余强度预测可行，只要能准确的判定材料的球化级别，就可对其剩余强度进行较为准确的估计。

1.4电磁场对金属熔体的作用

1.4.1电磁场与导体的相互作用

磁体和导体的电动力相互作用问题,是爱因斯坦为说明电磁的某些不对称现象首先提出讨论的。

他在“论动体的电动力学”一文中写道:

“比如设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用。

如果是磁体在运动,导体静止着,那么在磁体附近就会出现一个具有一定能量的电场。

电磁辐射环境分为两种类型：

一是指在较大区域范围内电磁场的背景值，是各种设备和传播途径造成的电磁辐射环境本底；

另一类型是指在某一电磁辐射设备或设施的局部范围内造成的较强电磁辐射。

1.4.2电磁场构造

基本地磁场空间分布规律和位于地球中心的磁偶极子场相当，它来源于地球内部。

地磁场随时间变化部分包含有一系列的频谱成分，一般认为它来源于地球外部，和太阳的活动密切相关。

大地电磁测深法以随时间变化的天然电磁场为场源。

基本地磁场的空间分布：

基本地磁场是相对稳定的，各种不同周期变化的地磁场和它相比都显得很微弱。

1.4.3金属凝固原理

凝固组织细化是提高金属材料力学性能及使用性能的有效手段之一。

大量研究表明:

在金属凝固过程中施加电磁振荡能控制柱状晶,细化等轴晶,甚至形成近球状组织。

但是关于电磁振荡对金属凝固组织的影响机制,缺乏系统性、规律性的研究。

此外,以往的研究多采用交变/脉冲磁场,仅限于应用电磁场的振荡效应。

1.5焊接冶金原理

熔焊热源的高温集中熔化焊缝区金属，并向工件金属传导热量，必然引起焊缝及附近区域金属的组织和行为熔化焊缝区各点温度变化示意能发生变化。

由于各点与焊缝中心距离不同，所受的最高加热温度不同，相当于对焊接接头区域进行了一次不同规范的热处理，因此焊接接头的各部位会出现不同的组织变化和性能变化。

整个焊接接头由焊缝区、熔合区、热影响区构成。

1.5.1焊缝区

焊缝区是在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域，焊缝区熔焊时，是焊缝表面和熔合线所包围的区域。

焊缝区在冷却过程中以熔合线上局部半熔化的晶粒为核心向内生长，生长方向为散热最快方向，最终成长为柱状晶粒。

晶粒前沿伸展到焊缝中心，呈柱状铸态组织，此种结晶方式称为联生结晶。

联生结晶过程使化学成分和杂质易在焊缝中心区产生偏析，引起焊缝金属力学性能下降，因此焊接时要以适当摆动和渗合金等方式加以改善。

1.5.2熔合区

熔合区是焊接接头中焊缝金属向热影响区过渡的区域。

该区很窄，两侧分别为经过完全熔化的焊缝区和完全不熔化的热影响区。

熔合区的加热温度在合金的固液相线之间。

熔合区具有明显的化学不均匀性，从而引起组织不均匀，其组织特征为少量铸态组织和粗大的过热组织，因而塑性差，强度低，脆性大，易产生焊接裂纹和脆性断裂，是焊接接头最薄弱的环节之一。

1.5.3热影响区

热影响区是焊缝两侧因焊接热作用没有熔化但发生金相组织变化和力学性能变化的区域。

根据热影响区内各点受热情况的不同，热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。

1.5.4过热区

过热区是指热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。

其加热温度为AC3以上100-200℃至固相线之间。

该区内奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，因此塑性和韧性差，也是焊接接头的一个薄弱环节。

对易淬火硬化材料，该区的脆性会更大。

1.5.5正火区

正火区是指热影响区内相当于受到正火热处理的区域。

加热温度为AC3至AC3+（100-200）℃之间。

此温度区间与正火温度区间相同，金属完全发生重结晶，冷却后为均匀而细小的正火组织，力学性能明显改善，该区是焊接接头中组织和性能最好的区域。

1.5.6部分相变区

部分相变区是指热影响区内组织发生部分转变的区域。

加热温度在AC1至AC3之间。

该区内的热温度在珠光体和部分铁素体发生重结晶，使晶粒细化，而另一部分铁素体来不及转变，冷却后成为粗大的铁素体与细晶粒珠光体的混合组织。

由于晶粒大小不一，故该区力学性能较差。

1.5.7焊后热处理

熔焊方法不可避免地要出现熔合区和热影响区。

这两个区域的大小和组织性能取决于被焊材料、焊接方法、焊接工艺参数等因素。

焊接方法不同，上述两区的大小也不同，一般来说，加热能量集中或提高焊接速度可减小上述两区。

以上是针对低碳钢熔焊时的分析，而不同材料对加热的敏感性不同，熔合区和热影响区的表现形式也不一样。

如易淬硬材料会产生淬硬组织，使焊接接头力学性能降低。

熔合区和热影响区的存在对提高焊接接头的性能不利，在熔焊过程中无法消除它，所以常采用焊后热处理的方式（正火或退火）来消除或改善。

1.6电磁场细化焊缝组织的作用

1.6.1电磁场细化晶粒

稳恒强磁场和交流电复合产生的电磁振荡对纯Al的凝固组织具有明显的细化作用；

在Al-6wt%Si合金凝固的过程中同时施加磁场和交流电,晶粒尺寸急剧减小,微观形貌由树枝形转变为蔷薇形；

在Al-12.6wt%Si共晶合金的凝固过程中施加单一的强磁场,共晶组织细化；

在Al-18wt%Si过共晶合金的凝固过程中施加单一的强磁场,随着磁场强度的增大,初生硅细化。

通过对合金凝固曲线的分析,考察复合场对细晶[6]范围影响的研究。

表明:

同一磁场强度下,电流强度越大,细化效应的传递范围也越大。

同一电流强度下,晶粒的细化范围随磁场的增大先增大后略有减小,存在极值。

研究发现振荡可以改变纯铝的晶界结构,使小角度晶界增多,从而提高材料的耐腐蚀性能。

1.6.2X射线衍射

施加复合场后,晶粒的<

111>

晶向沿磁场方向取向;

晶粒取向度随晶粒的细化有增大趋势。

从球形颗粒旋转取向和颗粒迁移角度推导了晶体粒径和取向的关系。

1.6.3电磁场的搅拌作用

电磁搅拌采用行波磁场或旋转磁场搅拌金属液来促进金属液中夹杂物的去除，让作为电流载体的金属液受到电磁力的作用而产生流动，形成搅拌作用，导致夹杂物相互碰撞长大以及和炉渣和炉衬碰撞的机会增加，提高夹杂物的去除效率。

1.6.4电磁场对电弧的影响

通过气体保护焊接技术，探讨了外加磁场对电弧及熔滴过渡的作用机理，明确了所需的外加磁场分布。

结果表明，圆形截面绕线圈产生的磁场分布具有较好的轴向性，而方形线圈产生的磁场分布的径向性有所增强，因此励磁线圈应选用方形截面绕线圈。

CO2体保护焊的熔滴过渡广泛采用短路过渡形式，存在着飞溅大和成形差的问题：

大量研究表明，飞溅主要产生在短路初期和短路末期两个阶段；

前者是当熔滴刚刚接触熔池的瞬间，接触面积小，若此时电流过大，就会产生过大的电磁收缩力，导致熔滴来不及在熔池表面铺展开就被迅速排斥出熔池而形成飞溅，这种又称为瞬时短路飞溅；

后者是处于短路末期，短路液桥在表面张力、电磁收缩力作用下形成很细的缩颈，当短路电流增大至某一数值时，缩颈由于过电流而爆断，将产生大量飞溅，此即电爆炸飞溅。

1.6.5外加磁场对电弧的作用机理

CO2焊电弧中充满离子、电子、负离子以及中性粒子，由于电子和离子的流动而形成电流，构成导电现象。

无外加磁场作用时，电弧区域中的带电粒子由于纵向电场、径向电场的存在以及浓度差异而产生轴向运动速度Vz和径向运动速度Vr。

外加磁场可以分解为轴向分量Bz和径向分量Br。

外加磁场作用在电荷量为q的带电粒子上的洛伦兹力可以表示为：

Frz=qvr×

Bz，Fzr=qvz×

Br，Frz和Fzr在同一条直线上，方向相反。

在电场力和洛伦兹力的共同作用下，弧柱截面内带电粒子的运动是一个围绕电弧轴线的旋转漂移运动；

电弧轴对称平面内的带电粒子沿轴线方向高速运动，同时作一定的旋转运动。

外加磁场后，带电粒子作螺旋式高速旋转运动，弧柱中的中性粒子由于气体粒子之间粘滞力的作用也作旋转运动，因此外加磁场使得电弧成为高速旋转的钟罩形；

CO2气流具有强烈的冷却作用，电弧的高速旋转加剧了电弧的冷却，弧柱电场强度E增加，根据最小电压原理，电场强度E增加的同时，电弧将自动收缩，减少散热面，使在此条件下E增加得最小。

外加磁场后，电弧收缩，电流密度及电场强度增加，电弧温度升高，加快了焊丝的熔化速度，熔滴尺寸和它们在焊丝端部存在的时间减少了，获得较稳定的短路过渡过程。

焊接电弧中，电弧电压Ua与弧柱电场强度E的关系：

Ua=Uao+EL，式中Uao为阴极与阳极压降之和，E为弧柱电场强度，L为弧长。

随着弧柱电场强度的增加，电弧电压增大。

CO2焊短路过渡时采用外特性为恒压的焊接电源匹配等速送丝系统，燃弧等效电路如图2所示，如果忽略电阻R，则其关系式为：

L（di/dt）=E-Ud，式中L为电感，i为燃弧电流，E为电源电压，Ua为电弧电压。

Ua增大，则di/dt减小，即燃弧电流的下降速度更快，当到达燃弧末期（短路初期）时，焊接电流较小。

短路初期电流的减少，使得熔滴能够柔顺地与熔池润湿汇合，从而可避免瞬时短路飞溅。

1.6.6外加磁场对熔滴短路过渡的作用机理

CO2焊短路过渡过程中，当熔滴与熔池接触时，形成短路液柱，短路液柱截面上的电流可看做是由许多平行的电流线组成的，这些电流线可以分解成轴向分量Iz和径向分量Ir。

在外加磁场作用下，单位长度液柱上的安培力为：

Fw=Iz×

Br，F’w=Ir×

Bz。

安培力作用在短路液柱的切向方向上，促使熔滴旋转，如图3所示。

随着短路电流的逐渐增大，由于电磁收缩效应，熔滴形成缩颈，缩颈处截面最小，在切向安培力的作用下，加