外加磁场对焊接过程的影响

外加磁场对焊接过程的影响摘要:论述了外加磁场对焊接电弧形态、焊接熔池形状、焊缝显微组织、焊接缺陷、接头力学性能及残余应力的影响，并讨论了电磁作用下焊接技术的发展方向。

关键词:电磁场焊接质量磁场强度频率INFLUENCE OF ADDING MAGNETIC FIELD ON WELDING PROCESS Harbin Institute of TechnologyZhang Zhongdian, Li DongqingYin Xiaohui, Zheng AilongJilin institute of technology Zhao HongyunChina first automobile work group corporation Yan Lihong Abstract This paper discusses the influence of adding magnetic field on shape of welding arc and pool, microstructure of weld, weld defect, mechanical properties and residual-stress of welded joint. Moreover, the development of welding technology affected by magnetic field is discussed.Key words：magnetic field，welding quality，magnetic field intensity，frequency0前言随着材料科学和工程技术的发展，现代结构材料对焊接质量的要求越来越高。

研究表明，焊接接头的内部晶粒结构显著影响焊缝金属的强度等性能，细小的等轴晶能减少结晶裂纹、提高力学性能（如强度、韧性、疲劳寿命）。

因此，控制焊接接头内部晶粒形态、尺寸成为人们研究的热点。

外加磁场控制的焊接技术就是控制晶粒形态及其尺寸的一种有效方法。

采用外加磁场控制焊接质量，具有附加装置简单、投入成本低、效益高、耗能少等特点,引起了焊接工作者的广泛兴趣。

1962年，Brown 等人［1］最先在不锈钢、钛合金、铝合金焊接中研究电磁搅拌的影响，并且发现晶粒细化现象；1971年，Tseng 和Savage［2］第一个深入研究了在TIG焊时电磁搅拌对微观组织和性能的影响；随后，国内外开始对外加磁场作用下的焊接技术进行广泛地研究。

研究发现：外加磁场作用下的焊接技术改变了电弧焊的电弧形态，影响母材熔化和焊缝成形；通过电磁搅拌作用，改变焊接熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程，从而改变晶粒的结晶方向，细化一次组织，减小偏析，提高焊缝的力学性能，降低气孔、裂纹等焊接缺陷的敏感性，在国外被称?quot;无缺陷焊接"。

1对电弧形态的影响焊接电弧是一种持续的气体放电现象，是等离子体。

一般情况下，在各种电弧力的作用下，焊接电弧呈圆锥状。

但是，在外加磁场作用下电弧形态发生明显变化。

在外加横向交流电磁场，由于洛仑兹力作用，当激磁电流频率小于850 Hz时，电弧沿焊缝中心左右摆动，而且随着频率的增加，电弧阴极区明显扩展，电弧呈扇形；当激磁电流频率大于850 Hz而小于5K Hz时，电弧的宏观形态与不加磁场时相似，但电弧漂移困难、稳定性提高；当激磁电流频率大于5K Hz时，电弧发生收缩，随着频率的增加，电弧收缩程度增加。

当弧长和焊接电流一定时，随着外加磁场频率、强度的增加，电弧电压上升。

说明外加磁场频率达到一定数值时，磁场可以增加电弧的能量密度 ［３］。

在外加纵向磁场时，具有纵向运动的带电粒子与磁场作用产生洛仑兹力，驱使这些带电粒子进行旋转，从而促使电弧旋转，而且焊接电弧外形下部扩张、上部收缩。

随着磁感应强度的增加，电弧旋转速度加快。

当磁感应强度达到一定值时，电弧由原来的圆锥形变为钟罩形，其钟罩面是一个高速旋转的封闭曲面?［４.５］。

由于焊接电弧形态的变化，也使焊接电弧其他特性不可避免地受到影响。

外加纵向磁场使电弧温度分布发散，温度场"矮而胖"，电弧中心的温度下降、径向温度梯度较小。

随着磁感应强度的增加，电弧温度分布更加发散，电弧中心区温度降低、径向温度梯度下降［4］。

而且电弧力也随之发生变化。

2对焊接熔池形状的影响在电磁作用下，由于电弧形态和金属运动状态的变化，导致焊接熔池形状改变。

资料表明，在横向磁场作用下，熔池的运动速度由两部分组成，即焊接速度和在磁场作用下垂直焊接方向的运动速度。

在两者的共同作用下焊接熔池的运动速度增加（相对无磁场时），加上电弧的偏转，造成熔池的不对称。

如果是交变横向磁场，则焊接熔池呈波浪式前进。

而且由于熔池运动速度地增加，使焊接热影响区和半熔化区的范围减小。

在纵向磁场中，由于焊接电弧的旋转扩张，使焊缝熔宽增加，熔深减小。

熔池中的液态金属受洛仑兹力的作用，绕焊接电弧中心轴旋转。

由于离心力的作用，熔池前端液态金属沿熔池一侧向尾部流动，相应的熔池尾部液态金属沿另一侧向前端流动。

因为熔池前端液态金属温度高，在流动过程中使一侧熔合比大，另一侧熔合比小，造成焊接熔池不对称。

若在纵向交变磁场作用下，熔池液态金属周期性正反向旋转，使熔池呈波浪式形状。

但是，如果磁场参数选择合适，无论在横向磁场还是在纵向磁场作用下，焊缝表面光滑、平整，焊缝成形良好。

此外，Tse, H.C.等人利用电磁场控制CO2激光焊时保护气的影响，提高了激光能量的吸收率，增加了焊缝熔深。

实验表明，选择合适的磁场参数，焊接熔深增加了13%左右 ［６］。

3对焊缝组织的影响根据凝固理论，晶粒组织形态及尺寸受形核率和过冷度的影响。

含有合金元素的金属，由于固液相对合金溶解度的不同，因此在凝固的过程中存在溶质再分配过程。

对于K0<1的合金凝固时，在固液界面前沿形成溶质富集层。

使液相内的实际温度梯度小于液相线的温度梯度，出现了成分过冷区。

对于一定成分的合金，其固有的造成成分过冷的溶质富集层宽度由两个因素决定，即液相温度梯度G和冷却速度R。

一般情况下，焊接接头组织为胞状晶或胞状树枝晶。

当有磁场作用时，根据文献［7］，电磁搅拌细化晶粒主要是通过三个途径增加了形核率：①熔池尾部的树枝晶碎片；②熔池边缘半熔化晶粒的分离；③异质形核粒子。

由于熔池中液态金属的快速流动，冲刷熔池边缘半熔化晶粒，使它们分离开来进入熔池边缘而成为形核中心；熔池中液态金属的冲击，使柱状树枝晶断裂、重熔，产生新的形核中心；这种现象容易发生在固相溶质含量较高区域，合金的一次组织--树枝晶的二次或高次分支的颈部属于这种区域；而且该区域截面尺寸小，更容易熔断［8］。

由于电弧形态的改变使其温度分布趋向均匀，并使焊接熔池变宽；液态金属的流动增加，降低了液态熔池的温度梯度，减小了溶质富集层厚度，从而降低了成分过冷。

对于含有异质形核粒子的合金，上述变化使熔池中异质形核粒子在相对低的温度区域更多地保存下来而不被熔化，进一步增加了形核率。

形成晶核后在长大过程中，电磁作用改变了熔池形状，也改变了传热方向，从而使最大散热方向不断变化。

这样，一个树枝晶晶粒沿最大散热反方向生长的时间很短，另一个枝晶晶粒沿另一最大散热反方向长大，因此每个枝晶晶粒生长时间很短，从而减小了晶粒尺寸。

4对焊接缺陷的影响4.1对焊接气孔的影响电弧焊时焊接气孔的产生是由于固液两相对气体的溶解度不同，在凝固的过程中气体原子在焊缝中聚集生成气泡，如果气泡不能逸出液体表面则生成气孔。

气孔的产生过程分为气泡的萌生和长大两个阶段。

如果气体的逸出压力（Pζ）大于外部压力（Pвн），既Pζ>Pвн 时，焊接熔池中萌生气泡。

在无外加磁场的作用时，阻止气泡萌生的外部压力Pвн 由下式决定：Pвн=Pδ+hγ+2σ/r式中Pδ--熔化金属熔池上方的气体压力h--液体金属柱的高度γ--金属的比密度σ--在气体界面上液态金属的表面张力r--气泡半径在外磁场的作用下，液态金属的流动产生附加的流体动压力(Pд)，此时阻止气泡萌生的外部压力Pвн公式变为：Pвн= Pδ+hγ+2σ/r+Pд因此，在增加液态金属循环或者转动强度时，增加了流体动压力Pд，从而增加了抑制气泡萌生的外部压力Pвн，使焊缝气孔率下降。

此外，电磁搅拌降低了液态金属中气体的饱和度 [9］，生成气泡的可能性减小。

生〖JP〗成微小气孔后，熔池中液态金属的流动，增大气泡聚集长大的几率，有利于其长大、上浮。

而且焊接电弧形态的变化使熔深减小、熔宽增大，也有利于气泡的逸出。

4.2对焊接裂纹的影响Tseng 和Savage发现在电磁作用下焊接高强钢时，降低了热裂纹的敏感性［2］。

卢烨等人发现在横向磁场作用下的TIG焊LD10CS 和LY12CE铝合金时，焊接热裂纹明显减少［10］。

殷咸同等人对纵向磁场作用下TIG焊LD10CS铝合金时，也发现同样的现象 ［11］。

金属材料抗热裂纹能力由三个因素决定：脆性温度区间，该温度区间内的材料塑性，变形增长速度。

在高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性变形量时，产生热裂纹。

电磁作用下变形增长速度变化不大，电磁作用主要是改变脆性温度区间和该温度区间内的材料塑性。

电磁作用下焊缝组织中出现了等轴晶晶粒，晶粒细化，低熔点第二相的细小弥散分布等现象都提高材料的塑性；其次，由于减小溶质元素的偏析，减小脆性温度区间，二者都有利于降低热裂纹的敏感性。

电磁作用改变了熔池形状，也改变了传热方向，从而改变晶粒生长方向，也增加了热裂纹扩展的阻力。

电磁作用使熔深减小、熔宽增大，提高了焊缝的形状系数，从而提高了抗裂性能。

4.3对缩松、缩孔的影响由于电阻点焊熔核结晶的特殊性，焊点中缩松、缩孔是常见的缺陷。

缩孔减少了结合面上承力面积，有时与裂纹同时产生。

文献［12］;表明，在电磁作用下，电阻点焊熔核中的"疏松区"明显减少。

无磁场作用时，熔核金属以树枝晶形式长大。

当结晶金属所占比例相当大，核心中剩下的液态金属很少时，电极对核心内部所加压力，大部分为已结晶的枝晶所吸收。

因此，用于使液态金属补充到枝杈缝隙去的能量被减少，而液态金属自由流动的阻力却在增大，故形成疏松的可能性将大为增加。

在电磁作用下熔核中温度分布趋向均匀，电磁搅拌改变结晶方向，在合理参数下生成等轴晶，而且液态金属流动降低温度梯度，降低了金属液的粘度有助于流动，所以，能够填充金属结晶过程中因金属原子有序排列而体积收缩时所造成的空隙，减小形成缩松、缩孔的可能性。

5对焊缝金属力学性能的影响在电磁作用下，焊接接头的力学性能明显提高，已经在几种金属的焊接中得到证明，如奥氏体不锈钢 ［１３］、各种铝合金 ［８］、铝-锂合金 ［１４］。