学生姓名 指导教师姓名 题目名称 课题适用专业

潘在庆 许建平

系部 职称

材料科学与 工程系 讲师

专业、 班级 从事 专业

材料科学与工程 09-3 班 材料 科学 是否外 □是□否 聘

焊接工艺参数对 CO2 焊接 Q235 钢成型工艺影响的研究 材料科学与工程 课题类型

CO2焊接具有生产效率高、焊接质量优良等特点，广泛应用于国民经济的各个部门。CO2 焊接的熔滴过渡形式对于材料的焊接性能有重要的影响。本文以Q235钢为母材，考察在 不同工艺参数(气体流量、电流、干身长度等)外加磁场对Q235钢焊接性能的影响规律， 研究熔滴过渡形式对于焊接成型性、焊缝金属熔化深度及性能的变化规律。针对CO2气 体保护焊飞溅大、成形差的特点, 利用外加纵向磁场控制CO2焊短路过渡。通过试验得 出: 在外加纵向磁场作用下,熔深减小, 熔宽增加, 焊缝堆高略有增加, 焊缝大致成 “宽而浅”的形状, 明显改变了CO2焊短路过渡的焊缝成形。 一、课题研究目的和意义 比较CO2气体保护焊相对于其他焊接方法的优点，阐述CO2气体保护焊自身的特点及相关 的工艺参数，并根据各种相关的工艺参数对CO2 气体保护焊的影响，来正确的选择焊接 参数及所要注意的问题。虽然CO2气体保护焊具有许多优点，但是它也有某些缺点，如 金属飞溅损失量约占焊接丝熔化量的10%左右，严重时可达30%~40%。金属飞溅不仅 会降低焊丝的熔敷系数， 增加焊接成本， 而且会使飞溅金属粘着导电嘴端面和喷嘴内壁， 引起送丝不畅，使电弧燃烧不稳定，降低气体保护作用，并使劳动条件恶化，必要时需 停止焊接进行喷嘴清理工作。 根据飞溅形成机理及人们的实际经验考虑， 减少飞溅是C02 气体保护焊推广应用的关键。 利用外加纵向磁场控制CO2焊， 比较在外加纵向磁场与 无磁场作用下,焊接工艺参数对焊接成型工艺的影响。 二、文献综述 1.课题的选题背景 针对CO2气体保护焊飞溅大、成形差的特点,利用外加纵向磁场控制CO2焊短路过渡。通 过试验得出:在外加纵向磁场作用下,熔深减小, 熔宽增加, 焊缝堆高略有增加,焊缝大 致成“宽而浅”的形状, 明显改变了CO2焊短路过渡的焊缝成形。 2. 技术发展的历史及现状 CO2气体保护焊技术, 是一种节能、高效、优质的焊接工艺, 自50 年代初问世以来, 受 到世

界各国的普遍重视, 很多国家的焊接工作者都致力于CO2气体保护焊技术的研究工 作, 并且随着相关科学技术的发展及研究手段的提高, 进一步推动了CO2 气体保护焊 技术的应用与发展。研究初期, 世界各国学者都认为: CO2气体保护焊中金属的氧化、 焊缝气孔及飞溅等问题是阻碍CO2气体保护焊技术应用的关键问题。为此,重点进行了 CO2气体保护焊冶金学的研究。60~70 年代, CO2焊接技术基础理论研究取得了突破性 进展, 提出了CO2 气体保护焊熔滴过渡模型, 研制成功晶闸管焊机, 实现了规范参数 一元化调节。80年代以后, CO2焊接技术无论在焊接电弧理论还是焊接冶金学方面都日

趋成熟。90年代至今, 焊接电源已从简单的抽头式变压器向高性能的电力电子化方向发 展；出现了一些新工艺, 如高速焊等；应用领域进一步扩大, CO2焊接技术在机车车辆、 汽车制造、石油化工及海洋船舶等众多领域得到了广泛应用。随着工业的发展, 我国焊 接行业也得到了蓬勃发展, 而CO2 气体保护焊因其具有高效节能、成本低、对油锈敏感 性较低、便于实现半自动和自动化焊接等优点, 发展十分迅速。然而CO2 焊短路过程中 飞溅大、焊缝成形差的问题一直没能根本解决, 阻碍了它的进一步发展。 3. 课题的应用前景 电磁作用焊接技术是近年来完善起来的一种新的焊接技术, 应用也日趋广泛。外加磁场 一般采用与电弧轴向平行的纵向磁场。纵向磁场促使电弧旋转, 改变弧柱等离子流和电 流密度的径向分布, 影响母材的加热熔化和焊缝成形。实践表明,利用外加磁场对焊接 中熔滴的过渡、熔池金属的流动、熔池的结晶形核及结晶生长等过程进行有效地干预, 使焊缝金属的一次结晶组织细化, 减小化学不均匀性, 提高焊缝金属的塑性和韧性, 降低结晶裂纹和气孔的敏感性, 从而提高焊缝金属的性能, 全面改善焊接接头的质量。 在航空、航天、冶金、机械等部门具有广泛的应用前景和巨大的实用价值 4. 工作机理 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。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，加速了缩 颈的断开，加快了熔滴过渡，降低了短路末期的能量积累，减少了电爆炸飞溅。短路液 柱电流的轴向分量Iz 占主要部分，径向分量Ir较小， 这就要求外加磁场存在一定的径

向分量Br,才能对缩颈产生较大的切向安培力。

5.性能和主要应用 有关资料表明, 在电磁作用焊接时,如果使用横向磁场, 在外磁场与等离子体和电弧自 身磁场作用下, 弧柱会产生偏移,工件上的活性斑点也会产生移动；当给电弧施加纵向 磁场时,电弧围绕自己的轴线发生旋转,加热斑点也发生旋转,外加磁场赋予电弧较大的 挺度和稳定性,并由于磁压增高的结果, 提高了弧柱中心温度,进而使得熔池的熔体被 均匀搅拌,熔滴尺寸和它们在焊丝端部的存在时间平均减少了1/ 3~1/ 2, 熔滴的过渡 频率增加,提高了焊缝质量,所以在外加磁场作用焊接时多采用外加纵向磁场。

5.1 改善金属的结晶组织及提高熔敷金属的各项性能 5.1.1 控制结晶组织和裂纹 前苏联专家对外加磁场作用于焊接方面所作的大量研究,由于外加磁场的作用, 使合金 元素及硅、硫、氢等元素沿树枝晶晶界的偏析都会减少, 同时可使氧化物的数量和长度 大大减小, 这样就降低了焊缝金属的化学不均匀性, 使结晶组织得到控制, 减少裂纹 出现的几率。 5.1.2 抑制焊接气孔 研究表明, 在合适的焊接参数下, 电磁作用能有效地抑制焊缝中气孔的产生, 减小气 孔尺寸。 5.1.3 提高熔敷金属的机械性能、耐蚀性和低温韧性 实验表明, 加了外加纵向磁场后,焊缝成分的均匀程度得到改善, 提高了焊缝的均匀耐 腐蚀性。 5.2 在CO2 激光焊接中的应用 国内外对外加磁场的研究只局限于电弧焊,近年来,国外学者开展了外加磁场作用于CO2 激光焊的研究。实验证明, 在激光焊接中应用磁流体动力装置能改变熔池的流动条件, 稳定焊接过程,提高焊接速度和焊接质量。发现在稳定的磁场中,磁流体动力对导电金属 熔体有2个基本作用, 即修正流体速度曲线和把紊流变成层流。 三、基本内容、拟解决的主要问题 1.基本内容 1.1 分别在有，无磁场作用下对 Q235 钢进行 CO2 焊接，研究不同工艺有，无磁场作 用下焊接成型工艺。 1.2 分析磁场对 CO2 焊焊接成型工艺的影响 1.3 对比有磁场作用与无磁场做下的 Q235 钢焊接成型工艺的优缺点。 2.拟解决的主要问题 2.1 母材厚度的选择 2.2 焊接电流，电压电弧焊接速度，电场强度等的选择 四、技术路线或研究方法 采用型号为Q235的低碳钢板， 尺寸为250mm×25mm×2mm的标准试件， 在其上作平铺试验， 焊接时，分别改变焊接电流和电弧电压,、励磁电流( 即外加磁场磁感应强度B)大小， 为尽量减小误差和其随机性, 每一焊缝形状数据为3块试样测量值的平均值.采用收集 法对焊接飞溅颗粒进行收集，得到有、无外加磁场条件下的焊接飞溅率、不同外加磁场 强度下的焊接飞溅率。 五、进度安排 2013.02.2

7~2013.03.13 2013.03.13~2013.03.18 2013.03.19~2013.05.13 2013.05.14~2013.05.20 2013.05.21~2013.06.03

(第 1~3 周) 检索文献、撰写开题报告； (第 4 周) 确定实验(设计)方案； (第 5~11 周) 试验(计算，设计); (第 12 周) 试验(设计)结果分析； (第 13~14 周)撰写论文(设计说明书);

2013.06.04~2013.06.10 (第 15 周)指导教师和评阅人评阅，论文(设计说明) 修改； 2013.06.11~2013.06.17 (第 16 周)答辩。 六、主要参考文献 [1] 键， 罗 贾昌申， 王雅生等,外加纵向磁场GTAW焊接机理 [J].金属学报， 2001,2:212~ 216 [2] Kern M, Berger P,Hugel H.Magneto-Fluid Dynamic Control of Seam Quality in CO2 Laser Beam Welding. Welding Journal,2000,79(3):72~78 [3] 国旭明,钱百年,薛小怀等.电磁搅拌对管线钢埋弧焊熔敷金属低温韧性的影响.金 属学报,2000,36(2):177~180 [4] 邓黎丽等.CO2气体保护焊短路过渡的控制技术[J].焊接技术.1999,28(3): 39~42 [5] 叶志平.焊接工艺参数因素对焊缝成形影响的分析[J].煤矿机械,2004,25(12):9697. [6] 殷树言.气体保护焊工艺基础[M].北京：机械工业出版社，2007. [7] 朱成华，许先果，姚宗湘.CO2气体保护焊熔滴短路过渡特性的研究现状与展望 [J]. 电焊机，2004,34(12):48-51. [8] 潘宏伟 CO2气体保护焊的飞溅与气孔[J]-科技风2009(11) [9] 陈娟霞 浅谈CO2气体保护焊的工艺参数选择[J]-青年社会·中外教育研究2010(4) [10] 王荣青 简论CO2气体保护焊的工艺参数选择[J]-科协论坛(下半月)2010(2) [11] 吕国强.李延军.孙延斌CO2气体保护焊焊接工艺的简要论述[J]-中小企业管理与 科技2010(10) [12] 张雪珍 CO2气体保护焊与氩弧焊技术特点对比分析[J]-科技信息2009(27) [13] 马骋.周建桃.王晓明CO2 气体保护焊气孔产生的原因及防止措施[J]-中国高新技 术企业2010(21)

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