电磁搅拌技术在焊接中的应用

（ ０， ２２） ３．１８０ ３．１９４
（ ０， ２７） ２．５００ ２．５１０
（ ５， ２７） ２．４９０ ２．４８３
（ ５， ３２） １．８９０ １．８７１
（ １０， ３２） １．７８０ １．７６２
３ 电磁搅拌技术应用和研究展望 电磁搅拌技术的应用从金属的连铸过程到金属的半固态成
形再到焊接， 表现出较为丰富的研究内容和广泛的应用领域。 在工艺方法方面， 电磁搅拌技术将在传统的焊接方法
（ ２） 影 响 焊 缝 成 形 为 了 保 证 生 产 周 期 ， 在ＴＩＧ焊 过 程 中 经常需要提高焊接速度， 但这样容易导致电弧阳极斑点滞后， 造成电弧较大的后拖， 引起焊缝严重咬边和成形不良。当施加 ０．２６， ０．５２ Ａ的 励 磁 电 流 产 生 交 变 横 向 磁 场 时 ， 产 生 的 电 磁 力 使电弧发生偏转， 在前后２个方向拉长后形成扇形， 这样， 电 弧 总 有１／２向 前 偏 转 ， 从 而 有 效 控 制 电 弧 的 后 拖 ， 克 服 咬 边 ， 改 善 成 形［８］。 文 献［９］研 究 了 间 歇 交 变 纵 向 磁 场 对ＴＩＧ焊 焊 接 不 同材料 （低碳钢、不锈钢 和 铝 合 金） 的 焊 缝 成 形 的 影 响 。 大 量 的工艺试验及对焊缝宏观参数的测量表明： 焊缝成形质量受到 外加磁场的磁感应强度、频率以及焊接速度、焊接电流等综合 因素的影响。
Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ． ２００６ 文章编号： １００２－ ０２５Ｘ（ ２００６） ０５－ ０００３－ ０４
电磁搅拌技术在焊接中的应用
·专题综述· ３
汤光平， 陈金明， 刘 俊
（ 中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所， 四川 绵阳 ６２１９００）
摘要： 作为控制金属凝固过程的有效手段， 电磁搅拌技术在焊接过程中的应用日益广泛。综述了该技术在焊接过程中的具体应用， 包
Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ． ２００６ 模拟的磁感应强度分布如图４所示。
图４ 空心圆柱线圈磁场的磁感应强度的流线分布
而 对 于１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不 锈 钢ＴＩＧ焊 ， 外 加 间 歇 交 变 纵 向 磁 场
在进行数值计算时可简化为开域、连续、线性、轴对称和时变
２ 外加磁场的数值计算 在金属连铸和半固态成形过程中， 对磁场作用下金属的流
场、温度场、变形行为、自由表面形状和稳定化方面的数值计 算 和 模 拟 的 研 究 比 较 多 ， ［１９￣２２］ 而 焊 接 过 程 中 电 磁 搅 拌 的 计 算 机 模拟和数值计算还不多， Hale Waihona Puke Baidu要集中在焊接区域附近磁场模型的 建立和计算。
罗 键［１０］等 通 过 研 究 发 现 ： 在 间 歇 交 变 纵 向 磁 场 的 作 用 下 ， ＧＴＡＷ焊接电弧外形不断变化， 焊接电弧穿透力降低， 使焊缝 熔宽增大， 熔深减小； 同时电弧的气动压力分布也发生了变 化， 引起电弧及熔池行为发生变化； 焊接电弧和焊接熔池电、
４ ·专题综述·
热、力等性质的变化， 使焊接熔池液态金属出现周期性搅拌式 运动， 影响了液态金属的凝固过程， 从而最终影响焊缝的成 形。
１．２ 对焊缝组织和力学性能的影响 在焊接过程中采用电磁搅拌技术是为了改善焊接结构件的
性能， 而性能的改善又是通过焊缝组织的变化来实现的。施加 外部磁场搅拌后， 焊缝区域主要存在以下变化： 柱状晶生长方 向改变、柱状晶向等轴晶转变、组织更加细化、初生相与共晶 组织的形貌和尺寸受到影响、枝晶臂间距缩短、熔池区域化学 成分不均匀性减少。
括控制飞溅、影响焊缝成形、抑制焊缝中气孔的数量、防止焊缝结晶裂纹的产生及改善焊缝组织和力学性能， 介绍了外加磁场数值计
算的研究状况， 指出了电磁搅拌技术的研究方向、应用前景和实用价值。
关键词： 电磁搅拌； 金属凝固； 焊接质量； 焊缝组织； 数值计算
中图分类号： ＴＧ１１５．２７
文献标识码： Ｂ
电 磁 搅 拌 （ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｔｉｒｒｉｎｇ， ＥＭＳ） 技 术 是 控 制 金 属凝固过程的有效手段， 具有广泛的应用背景和深厚的工业基 础。１９３３年， 旋转磁场［１］ （ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ） 开始 应 用 于 金 属 的 连 续 铸 造 过 程 ， 当１９７１年 金 属 半 固 态 成 形 工 艺 在 世 界 范围内大量推 广 后［２］， 电 磁 搅 拌 技 术 在 制 取 半 固 态 浆 料 方 面 又 得到了广泛应用。
电磁搅拌通过改变柱状晶生长方向、促进柱状晶向等轴晶 转变、细化组织、影响初生相与共晶组织的形貌和尺寸、缩短 枝晶臂间距、影响成分均匀性、控制界面形状［３， ４］等方式改善铸 造凝固组织。
从材料学的角度讲， 焊接过程实际上是金属材料的熔化和 重新凝固的过程， 因此电磁搅拌技术对焊缝组织同样具有改进 作用。因此， 在Ｔｓｅｎｇ 和 Ｓａｖａｇｅ［５］第一次深入研究了电磁搅拌钨 极气体保护电弧焊对材料微观结构和性能的影响后， 各国学者 相继将该技术应用于焊接过程， 并取得了一定效果。
焊接技术 第 ３５ 卷第 ５ 期 ２００６ 年 １０ 月
９１．７％， 同时使焊缝非金属 夹 杂 物 的 总 数 和 体 积 分 数 减 少 ， 组 织 进 一 步 细 化 ， 将 熔 敷 金 属 的 低 温 冲 击 吸 收 功 由１１０ Ｊ提 高 到 １５４ Ｊ， 约提高４０％。而 文 献［１６￣１８］通 过 研 究 发 现 ， 在Ｈｅ－ ＴＩＧ 焊 焊 接２Ａ１４铝 合 金 时 ， 正 确 选 择 磁 场 参 数 ， 并 与 焊 接 工 艺 参 数恰当匹配， 可以有效细化焊接接头的组织 （ 图３） ， 减小熔合 区及热影响区宽度， 提高焊接接头冲击吸收功 （ 平均提高约 ２０％） ， 接头的弯曲角普遍增大。
在药芯焊丝堆焊成各种高硬度高耐磨堆焊金属时， 要求熔 敷金属要有很高的硬 度 和 很 好 的 抗 裂 性 。 文 献［１４］采 用 电 磁 搅 拌工艺， 通过电磁力激烈地搅拌熔池， 击碎粗大的柱状晶， 细 化焊缝晶粒， 不仅适当提高了堆焊金属的硬度， 还将其磨损量 降 低 了１／２￣２／３， 有 效 改 善 了 熔 敷 金 属 的 综 合 力 学 性 能 ， 尤 其 是抗裂性能。
的夹角越大， 横磁分量所占的比例越高， 磁场的均匀程度越
低。在正脉冲与负脉冲励磁电流作用下， 磁场的区别仅在于改
变场点的磁感应强度矢量方向。不同位置实际测试的磁感应强 度与计算结果十分接近， 见表１［２５］， 说明试验结果计算模型比较
符合实际情况。
表１ 磁感应强度值 （ 励磁电流为１ Ａ）
坐标 （ｒ，ｚ） ／ｍｍ Ｂ测 量 ／ｍＴ Ｂ计 算 ／ｍＴ
针对ＣＯ２气 体 保 护 焊 时 与 电 极 同 轴 的 单 个 轴 对 称 空 心 圆 柱 线圈在励磁电流作用下产生的外加磁场， 采用无瑕点单积分磁 场的数学模型 ， 经过模拟和计算表明［２４］： 纵向磁场在电弧区域 内的分布并不均匀， 具有横磁分量； 随场点远离对称轴和线圈 端面， 其磁感应强度不断衰减； 同一横截面中， 横磁分量与纵 磁分量的比率随着径向距离的增大而增大； 在焊接区域附近， 外加磁场的纵磁分量明显大于横磁分量， 磁场分布比较均匀。
国 旭 明 ［１５］在 对 管 线 钢 进 行 埋 弧 焊 时 ， 施 加 磁 感 应 强 度 为 ６０￣８０ ｍＴ、 频 率 为６￣８ Ｈｚ的 外 加 磁 场 ， 抑 制 了 先 共 析 铁 素 体 和 侧 板 条 铁 素 体 ， 使 晶 内 针 状 铁 素 体 的 比 例 由 ８５．１％提 高 到
收稿日期： ２００６－ ０５－ １１ 基金项目： 中国工程物理研究院科学技术基金资助课题 （２００５０３２２）
路时间缩短， 熔滴可快速地在熔池表面铺展而不被迅速增长的 电磁力排斥出熔池， 从而减少飞溅； 同时外加磁场可以减小短 路峰值电流和短路初期的短路电流， 从而减小短路初期的飞 溅； 外加磁场对短路液桥还会在直径方向产生向内的磁致压力 作用， 从而加速液桥的断开， 降低短路末期的能量积累， 减少 短路末期电爆炸飞溅， 进而有效地控制飞溅， 保证焊接质量。 外 加 磁 场 对 飞 溅 的 控 制 效 果 如 图 １所 示 ［７］。
１ 电磁搅拌的作用 １．１ 对焊接质量的影响
（ １） 控 制 飞 溅 在ＣＯ２气 体 保 护 焊 过 程 中 ， 熔 滴 过 渡 后 ， 电弧重新引燃时， 焊接电流过大或焊接电流增大过快， 焊丝上 残留的熔滴或熔池金属被排斥出来以及熔池冶金剧烈反应或有 ＣＯ气体逸出时， 都可能产生剧烈的飞溅现象［６］， 从而影响焊缝 质量。如果焊接时施加一定的外加磁场强度， 电弧中带电粒子 在等离子流力、热扩张力、洛仑兹力等力的联合作用下， 提高 了电弧的挺度和稳定性， 增加了弧柱的能量密度及电场强度， 使弧柱温度提高， 焊丝的熔化速度加快， 熔滴尺寸和它们在焊 丝端部存在的时间减少， 熔滴经过电弧区的过渡频率增加， 短
２
｛ Ｂｚ（
０，
ｚ）
＝
μ０Ｊ ２
（ｂ－
ｚ）
ｌｎ
ａ２＋［ａ２
２
＋（ｂ－
ｚ）２］１／２
＋
ａ１＋［ａ１ ＋（ｂ－ ｚ）２］１／２
２
｝ （ｂ＋ｚ）
ｌｎ
ａ２＋［ａ２
２
ａ１＋［ａ１
＋（ｂ＋ｚ）２］１／２ ＋（ｂ＋ｚ）２］１／２
。
（ ２）
数值计算表明： 对称轴ｚ上各点的磁感应强度Ｂ的矢量方向 与ｚ轴 平 行 ， 均 无 横 磁 分 量 ， 磁 感 应 强 度 的 大 小 与 离 开 钨 极 （阴 极） 的 距 离 成 反 比 ； 在 非 对 称 轴 上 各 场 点 的Ｂ均 有 横 磁 分 量， 离对称轴 （电弧中心 轴） 越 远 ， 磁 感 应 强 度 矢 量 与 对 称 轴
场问题， 采用无瑕点单积分法确定空间任意点的磁感应强度Ｂ
（ ρ， ｚ） ， 可通过式 （ １） 来表示：
２
! Ｂ（ ρ， ｚ） ＝ω （－ １）ｉ－ｊ［Ｆρ（ Ａｉ ，Ｚｊ） ｅρ＋Ｆｚ（ Ａｉ ，Ｚｊ） ｅｚ］（ ρ≠０） ，
（ １）
ｉ，ｊ＝１
而 线 圈 对 称 轴 上（ρ＝０）的 磁 感 应 强 度Ｂｚ（ ０， ｚ） 可 通 过 式 （ ２） 来 表 示［２５］：
（ ４） 防 止 焊 缝 结 晶 裂 纹 的 产 生 高 强 度 变 形 铝 合 金２Ａ１４ （相 近 牌 号 ： 美 国 为 ２０１４， 英 国 为 Ｌ８７） 属 于 铝 － 铜 － 镁 － 硅 系 ， 熔焊时产生热裂纹的倾向比较大。通过调整和严格控制合金基 体 中 杂 质 元 素 铁 和 钛 的 含 量 ， 并 以６Ａ０２合 金 作 添 加 材 料 ， 可 保 证 合 金 的 熔 焊 性 能 合 格［１２］。 殷 咸 青［１３］等 研 究 了 外 加 磁 场 的 频 率和磁感应强度对焊缝结晶裂纹的影响， 如图２所示。结果表 明： 在磁感应强度保持一定、磁场频率为２￣５ Ｈｚ时， 裂纹长度 明 显 减 小 ； 当 磁 场 频 率 为２ Ｈｚ、 磁 感 应 强 度 为０．０３￣０．０５ Ｔ时 ， 裂纹长度减至最小。因此在合理的磁场参数条件下， 焊缝结晶 裂纹可以完全抑制。
（ ３） 抑 制 焊 缝 中 气 孔 的 数 量 高 强 铝 合 金２Ａ１４焊 接 时 易 产生夹渣并且在焊缝中生成气孔 （ 结晶层气孔和皮下气孔） ， 严重影响焊接接头的 塑 韧 性 ， 并 增 加 裂 纹 的 敏 感 性 。 文 献［１１］ 在采用合理焊接工艺的前提下， 利用磁场频率１￣５ Ｈｚ、磁感应 强度０．０２￣０．０５ Ｔ的间歇交变纵向磁场， 较好地抑制了焊缝中的 气孔数量。
在电磁搅拌焊接过程中， 外加磁场的方式和磁感应强度的 大小、频率和分布直接影响焊缝的成形及焊缝组织和性能。因 此， 掌握外加磁场的特性并加以合理利用是获得电磁搅拌良好 效果的关键。但应用于焊接过程中的搅拌磁场比较复杂， 在焊 接生产条件下实际测量磁场分布也相当困难， 致使对外加磁场 分 布 的 研 究 和 测 量 还 比 较 薄 弱 ， 目 前 主 要 通 过 有 限 元 分 析［２３］、 无瑕点的单积分数学模型等数值分析方法对外加磁场进行研 究、设计和优化。