李康宁 李鹏 李明坤

摘要：本文从能量和力学两个角度分析了振动对电焊过程中，熔池内部金属凝固的作用过程。文章从宏观和微观两个方面对焊液凝固进行了探讨，宏观上机械振动加快了熔池内部液体的流动速度，减少了气孔，减弱了焊缝的偏析，增大了紊流层的宽度；微观上振动打碎了柱状树枝晶，使其枝晶折断，并使其长成等轴晶；并且振动更容易使晶体成核。振动对电焊过程中焊液凝固有重要的作用，尤其在焊接性能和焊缝组织方面的影响最大，研究电焊过程中振动对熔池内部焊液凝固的作用具有很重要的意义。

关键词：机械振动 熔池 焊液凝固

引言

目前焊接工业面临多项难题，其中同时能够使热影响组织细化，减小焊接缝隙，降低焊接过程中的残余应力就是一道难题。本文作者长期从事于焊接工作，对焊接过程进行了深入分析，发现机械振动对焊接过程有很重要的影响，同时又参考国内其他一些大学在该方面的科研成果，认为通过机械振动可以改善焊接过程中熔池内部焊接的凝固过程，使其凝固过程中柱状晶的枝晶折断，晶体更容易成核，组织得到细化。因此本文从电焊过程中振动对熔池内部焊液的凝固过程的作用入手，分析机械振动对焊液凝固的作用。

1 与埋弧焊对比的实验

为了研究电焊过程中机械振动对焊液的凝固的影响，我们做了一项对比实验：采用埋弧焊对焊两块16MnR的钢板。焊接过程中我们采用的设备是ZSX-06型焊接装置，选择的焊丝为H10Mn2，直径为4mm，焊剂的品牌为HJ431，采用的埋弧焊的焊机为MZ-1000型的埋弧焊系统，振动平台采用的是16MnR材料，两块焊板的尺寸都是2000×400×16mm，实验过程中选择的激振力为第3档，试板的固有频率是通过零档归频方法确定的，然后对两块试板在激振力和零档归频附近进行振动焊接，然后再对其进行疲劳试验、金相分析和残余应力的测试。

实验后的结果表明，与常规的焊接方法相比，具有机械振动的埋弧焊焊接过程相对于常规的方法有很多优点，优点如下：

1）提高了焊件的疲劳寿命。选择不同的激振力和激振频率，焊件的疲劳寿命会得到不同程度的提高，当选择的激振频率为5023r/min，激振力为3档时，焊件的疲劳寿命相比于常规的焊件寿命提高了35.5%。

2）焊件的焊接接头部分的焊接组织得到了很好的细化，焊件各向的残余应力也有很好的弱化。

3）机械振动焊接改善了熔池内部焊液的金相组织，使得凝固后的焊缝组织得到了明显的细化。

4）机械振动使得魏氏组织削减，同时窄化了过热区和熔合区。

2 机械振动对熔池内焊液凝固影响的宏观分析

宏观上，机械振动对熔池内部焊液凝固过程的影响可以分为两个方面：1、焊接过程中，焊件会随着振动平台一直振动，焊机的电弧因此会变得忽长忽短，随之而产生的电弧压力也时大时小，这种情况就类似于在熔池内部的焊液的表面形成了了一个激振力，周期性地扰动这焊液表面的金属溶液。2、随着振动平台振动的过程中，焊件在同时受到来自于熔池壁和熔池内部金属两方面的作用，使得液态的金属也做受迫振动。

焊接过程中，机械振动对液态金属产生周期性的作用力，使其受到周期性的受迫振动，同时机械振动加快了熔池内部液体的流动速度，增大了紊流层的宽度，由于焊液内部液体对流的速度的提升，使得焊接过程中产生的焊渣和气孔得到减少，使得焊液更均匀，焊液均匀化，因此凝固后的焊缝的偏析会得到大大的减弱。

3 机械振动对熔池内焊液凝固影响的微观分析

在焊液的温度一定时，熔池内部的液态金属里面的有序集团的大小是一定的。虽然机械振动对焊液内部的金属原子的热运动的影响不大，但是可以使得热运动的过程中的分布形态产生变化，加剧或减少其中个别原子的热运动，增多了有序集团的数量。焊接过程中焊液的温度决定了液態金属的自由能，振动使得液态金属的自由能增加，为金属结晶提供了更高能量以方便金属结晶成核，提升了成核率。

焊接过程中，形成了晶核，晶核的成长速度很快。晶体形成晶核后长大的过程中，需要的过冷度比形成晶核要小很多，因此控制过冷区的大小也尤为重要。溶液冷却的过程中，受到基体金属的强烈冷却，很容易使得晶核长大成为柱状晶，但是柱状晶的性能较差，如果焊液中柱状晶过多，等到金属凝固后，焊接接口很容易出现焊缝，这是因为柱状晶很不稳定，在受到外力时很容易折断。机械振动减小了过冷区的大小，在温度控制上抑制了柱状晶的长大，机械振动能够影响到熔池内部焊液的能量和相起伏，使得柱状晶的枝晶折断。从而使得焊液内部的金属的组织更加细化均匀，从而形成更细的金相组织，被折断的柱状晶的枝晶在长大的过程中会独立成长成为等轴晶，最终大大增加了焊接过程中等轴晶出现的概率，提升。由于等轴晶的晶体颗粒更细密，使得凝固后的焊接接口组织更加均匀细化，从而提升了焊接接口的焊接性能。

4 结论

1）从宏观上分析机械振动对熔池内部焊液金属凝固过程中的作用可知，机械振动加快了熔池内部液体的对流速度，减小了紊流层的大小，从而减少了气孔，减弱了焊缝的偏析，增大了紊流层的宽度；

2）从微观上分析机械振动对熔池内部焊液金属凝固过程中的作用可知，在熔池随着基体平台振动的过程中，熔池内部金属更容易形核；并且机械振动打碎了熔池内部液态金属内部的柱状树枝晶，使其枝晶折断，控制住成分过冷区域的范围，从过冷温度上抑制柱状晶的形成，减小柱状晶在凝固后的晶体中的比例，折断后的枝晶在熔池中独立长成为等轴晶，增大了等轴晶在凝固后的晶体中的比例，从而使得凝固后的晶体的质地更加细密，金相组织更加均匀，提高了焊件接口的质量。

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