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间歇交变磁场对等离子堆焊金属组织及性能影响机理的研究

孙景刚  
【摘要】: 随着工业技术的迅速发展和机械化、自动化程度的不断提高,对机械设备和零件磨损引起的危害越来越被人们重视,减少磨料磨损与提高机械使用寿命具有很大的经济意义。 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,应用也同趋广泛。根据外加间歇交变磁场粉末等离子弧堆焊焊接过程的非线性、多因素、非稳念、强耦合的特点,综合运用电磁学、磁性物理、焊接冶金等多种交叉学科的知识,运用非电量检测技术和有限元数值分析等方法建立了外加间歇交变磁场粉末等离子弧堆焊磁场的数学模型并进行了模拟仿真。建立了外加间歇交变磁场粉木等离子弧堆焊焊接过程中外加磁场及其分布的通用数学分析模型,采用有限元法计算了不同焊接条件下外加间歇交变磁场及其分布,分析了不同间歇交变磁场参数对外加间歇交变磁场及其分布的影响规律。其模拟结果与实际测量结果具有良好的一致趋势,从而验证了间歇交变磁场及其分布数值分析的模型是准确的,具有一定的通用性。 外加纵向间歇交变磁场促使电弧旋转,改变等离子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。外加横向间歇交变磁场改变了电弧的摆动频率。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有显著作用,使堆焊层的一次结晶组织细化,控制硬质相的分布,减小化学不均匀性,从而提高了堆焊层金属的硬度和耐磨性,全面改善堆焊层的性能。 在等离子弧堆焊铁基、镍基合金粉末时外加纵向和横向间歇交变磁场,研究了外加间歇交变磁场对堆焊层组织的影响规律,系统地考察了不同磁场种类与堆焊层金属性能和微观组织之间的关系,着重叙述了外加间歇交变磁场对堆焊层金属凝固过程的作用机理,揭示了堆焊层中硬质相的形态分布,并做出了理论分析和研究探讨,得到以下主要结果: 1、在适当的间歇交变磁场参数(励磁电流、磁场频率、磁场占空比)匹配作用下,堆焊层组织才能获得最佳的细化效果。 2、没有施加磁场时,硬质相杂乱无章的分布;在最佳的问歇交变磁场参数作用下,堆焊层中硬质相细小且均匀分布,此时堆焊层金属的硬度和磨损量均达到最佳状态。 3、由实验的结果可知:纵向间歇交变磁场作用下当磁场电流I_磁=3A、f=10Hz及μ=50%时,铁基堆焊层金属的硬度为HRC68,磨损量△G=0.0318g。纵向间歇交变磁场作用下当磁场电流I_磁=3A、f=10Hz及μ=50%时,镍基堆焊层金属的硬度为HRC52.4,磨损量△G=0.39g;横向间歇交变磁场作用下当磁场电流I_磁=3A、f=10Hz及μ=50%时,堆焊层金属性能达到最佳值,此时硬度HRC67.7,磨损量△G=0.0323g。横向间歇交变磁场作用下当磁场电流I_磁=3A、f=10Hz及μ=50%时,镍堆焊层金属性能达到最佳值,此时硬度HRC51.7,磨损量△G=0.42g。


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