外加磁場作用下焊接方法的研究進展

謝岳良，史傳偉，張元彬，王庭庭

（山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南250100）

0 前言

近年來我國鋼鐵產(chǎn)量位于全球首位，60%以上的鋼材需要經(jīng)過焊接加工制成產(chǎn)品。作為我國制造業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，焊接生產(chǎn)質(zhì)量和效率的提高對于推動我國制造業(yè)發(fā)展意義重大。國家“十二五規(guī)劃”和“中國制造2025”都提出了鋼鐵業(yè)要從追求生產(chǎn)規(guī)模轉(zhuǎn)向追求產(chǎn)品質(zhì)量，尋求節(jié)能減排、高效優(yōu)質(zhì)的新型焊接技術(shù)從而獲得高質(zhì)量、高性能的焊接產(chǎn)品已成為熱門問題。電弧等離子體中帶電粒子在磁場作用下受到的洛倫茲力能夠改變電弧等離子體的受力狀態(tài)，影響電弧行為、熔滴過渡和熔池中熔融金屬的流動，進而影響焊縫成形和接頭質(zhì)量，目前針對外加磁場作用下的焊接方法研究已成為熱點。

1 外加磁場對焊接電弧行為的作用規(guī)律

焊接電弧在自身電場、磁場和流場的耦合作用下表現(xiàn)出一定的形態(tài)、溫度、熱量以及速度分布。外加磁場的介入會對電弧原始磁場的磁感應(yīng)強度和分布產(chǎn)生影響。K.Hartz-Behrend[1]對外加縱向磁場下螺栓電弧焊電弧等離子體中的帶電粒子進行受力分析，結(jié)合動能定理、電磁場及流場理論建立數(shù)學(xué)模型進行推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)電弧等離子中帶電粒子的運動速度與勵磁電流，即磁感應(yīng)強度成正比。

Biranchi.Narayan.Panda[2]研究橫向磁場下對接焊的電弧行為，加載橫向磁場后，電弧等離子體中帶電粒子產(chǎn)生高速的螺旋運動，結(jié)合流體力學(xué)分析，帶電粒子在高速旋轉(zhuǎn)過程中帶動電弧中未電離的中性粒子旋轉(zhuǎn)，優(yōu)化焊縫成形。ZhangXun[3]使用永久鐵磁體作為磁場源研究外加縱向磁場下激光-MIG復(fù)合焊的電弧行為，結(jié)合帶電粒子在磁場中的運動規(guī)律對電弧等離子體中帶電粒子進行受力分析，如圖1所示，隨著磁感應(yīng)強度的增加，激光誘導(dǎo)等離子體對電弧等離子體的吸引力與離心力的合力大于洛倫茲力，使弧根擴散，耦合作用得到了加強，電弧更加穩(wěn)定，有利于焊縫成形。

圖1 縱向磁場下激光-MAG復(fù)合焊電弧粒子受力分析

磁場的加入會對電弧溫度場和壓力場產(chǎn)生影響。肖磊[4]聯(lián)立質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及麥克斯韋方程組建立有限元數(shù)學(xué)模型，研究TIG焊在縱向磁場下的電弧壓力場和溫度場分布，結(jié)果表明在外界縱向磁場的作用下陽極表面的壓力場呈現(xiàn)出雙峰分布，電弧溫度場更為集中并在底部形成低溫區(qū)，原因是電弧等離子體在縱向磁場中受到徑向洛倫茲力的作用，電弧被壓縮，在離心力的作用下弧根擴張，弧形變?yōu)榭招溺娬中?。WangJianfeng[5]對橫向磁場下TIG焊電弧等離子體進行受力分析，分析電弧在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并隨感應(yīng)磁場強度的增加有向上運動的趨勢。江學(xué)國[6]結(jié)合磁矢量方程、麥克斯韋方程組以及流體力學(xué)方程組研究外加縱向磁場對TIG焊電弧行為的影響，得到電弧的溫度分布，結(jié)果表明外加縱向磁場增大了焊接熱影響范圍。Luo Jian[7]分析了激光-TIG復(fù)合焊過程中電弧等離子的受力情況，發(fā)現(xiàn)陽極電弧壓力隨著感應(yīng)磁場強度的增加而增加。Sun Qingjie[8]提出一種雙磁極的磁弧震蕩系統(tǒng)，比單磁極的磁通密度更高、磁場分布更加均勻，并依此分析電弧電壓在焊接過程中的行為，發(fā)現(xiàn)磁弧震蕩會引起電弧長度的變化，周期性影響電弧電壓和電流。

2 外加磁場對于熔滴過渡行為的影響

外加磁場改變了電弧周圍的磁場分布、電弧形狀、能量密度以及焊絲的熔化速率等，必然會影響熔滴尺寸和過渡頻率[9]。液橋爆斷是焊接過程中熔滴過渡的一種重要形式，若爆斷發(fā)生在液橋的縮頸階段就會產(chǎn)生較大的飛濺。

在外加磁場的作用下，液橋會加速斷裂，提高熔滴過渡頻率，減少熔滴過渡期間飛濺的產(chǎn)生。華愛兵[10]使用一種新型內(nèi)置分體式導(dǎo)磁鐵心（兼做氣體噴嘴用）的螺旋管代替?zhèn)鹘y(tǒng)電磁線圈（見圖2a），研究縱向磁場對MAG焊熔滴過渡的影響，結(jié)合MAG焊熔滴過渡在磁場中的受力情況（見圖2b），發(fā)現(xiàn)促進熔滴過渡的驅(qū)動力由等離子流力變?yōu)殡x心力和電磁收縮力的合力。

ZhangXun[11]對外加縱向磁場下的熔滴進行受力分析，發(fā)現(xiàn)隨著磁感應(yīng)強度的增加，電磁力和等離子拖拽力的合力增加，表面張力對熔滴過渡的影響減弱，熔滴過渡頻率增加。在短路過渡GMAW焊中，熔滴的過渡頻率對焊縫成形影響較大。Chang Yunlong[12]研究縱向高低頻磁場下GMAW焊中的熔滴過渡行為，結(jié)合模擬計算分析表明在不同的磁場頻率下，熔滴過渡都隨著磁場感應(yīng)強度的增大而增大，短路時間減小，飛濺減小。常云龍[13]對縱向間歇交變磁場作用下熔滴短路過渡進行實驗，由于熔滴過渡時液橋中有電流通過，在縱向磁場的作用下受到垂直于液橋的洛倫茲力，會拖拽液橋加速斷開，增加熔滴過渡頻率并減小飛濺。

圖2 一種新型內(nèi)置分體式導(dǎo)磁鐵心螺旋管代替?zhèn)鹘y(tǒng)線圈

3 外加磁場對于熔池的影響

在焊接過程中，電弧和熔滴對熔池有沖擊作用，導(dǎo)致熔池前部凹陷，熔滴的動量不能完全被熔融金屬層吸收，會沖擊熔池尾部，使熔池金屬向后流動，導(dǎo)致液態(tài)金屬在熔池中向后高速流動，影響焊縫成形和焊接質(zhì)量。

柏興旺[14]結(jié)合動量能量守恒定理及Marangoni效應(yīng)研究單側(cè)高頻磁場下的熔池流場，發(fā)現(xiàn)在外加高頻磁場作用下，熔池流場由雙渦流對流模式變?yōu)閱螠u流對流模式，流體速度增加。熔池中高速流動的熔融金屬對熔池產(chǎn)生攪拌，沖刷正在生長的晶粒，使其破碎，起到細化晶粒的作用，同時熔池內(nèi)的溫度梯度降低，促使柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，提高焊縫強度[15]。岳建峰[16]提出了一種新型勵磁裝置，如圖3所示，基于此研究外加交變高頻磁場下MAG焊的熔池行為，發(fā)現(xiàn)由渦流場與高頻磁場相互作用產(chǎn)生的電渦流力影響熔池中熔融金屬的流動。L.Wang[17]對焊接電流進入熔池后液態(tài)金屬的流動行為進行研究，分析其受力情況，發(fā)現(xiàn)外加磁場能夠減少電弧力和熔滴對熔池向后沖擊的作用，促進熔池對電弧力和熔滴沖擊的吸收，有效減少高速GMAW焊的駝峰缺陷。張新[18]對磁控電弧技術(shù)中影響磁場分布形態(tài)的因素進行有限元模擬計算，發(fā)現(xiàn)勵磁電流的大小不影響磁場分布形態(tài)，工件會產(chǎn)生一定強度的磁場，從而影響金屬熔池形態(tài)。

4 外加磁場對于焊縫組織性能的影響

磁場的加入能夠有效抑制焊縫中的各類缺陷。磁場對于熔池的電磁攪拌作用能夠使焊縫金屬中的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榧毿〉那驙畹容S晶，提高焊縫的強度、塑韌性，降低焊縫熱裂紋的產(chǎn)生幾率。戴志勇[19]發(fā)現(xiàn)在縱向交變磁場與熔池中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象使熔池內(nèi)熔融金屬產(chǎn)生劇烈對流，阻礙樹枝晶生長，細化了晶粒組織。

Yamanaka Kimihiro[20]發(fā)現(xiàn)在焊縫金屬凝固初期，晶體取向在外部磁場的作用下向著易磁化的方向?qū)R。Salazar.M[21]研究縱向磁場下GMAW管道焊接，通過對焊縫微觀組織的觀察，發(fā)現(xiàn)在不銹鋼焊接過程中引入磁場可以增加焊縫組織中奧氏體的含量，降低σ相含量，降低氫致裂紋敏感性，提高焊縫耐蝕性。D.G.Nosov[22]研究感應(yīng)磁場對接頭硬度和耐磨性影響，發(fā)現(xiàn)隨著磁場頻率的增加，焊縫區(qū)的表面硬度與耐磨性會相應(yīng)地增加。王生花[23]應(yīng)用流體力學(xué)、電磁感應(yīng)原理、磁流體中的馬特曼效應(yīng)、馬蘭戈尼效應(yīng)以及Lenov-Kolin理論建立了數(shù)學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)隨著感應(yīng)磁場強度的增加，焊縫中的孔隙率急劇減小。Q.J.Sun[24]在CMT焊中引入縱向輔助磁場研究Al、Ti異種金屬焊接，發(fā)現(xiàn)在磁場的作用下焊接接頭金屬流動性和潤濕性增強，界面共晶化合物中脆性Al-Ti二元相減少，焊縫抗拉強度提高。Rong Chen[25]通過背散射電子衍射觀察激光-MIG復(fù)合焊焊縫微觀組織的晶粒圖，發(fā)現(xiàn)鐵素體含量隨著感應(yīng)磁場強度的增加而降低，增加了焊縫在低溫（-40℃）下的沖擊韌性。

圖3 MAG新型勵磁裝置示意

5 結(jié)論

外加磁場會導(dǎo)致電弧行為發(fā)生顯著改變，從而影響熔滴過渡以及熔池形成過程，最終影響焊縫成形和接頭質(zhì)量。在焊接過程中引入外加磁場能夠在一定程度上減少焊接缺陷，優(yōu)化焊縫成形。

（1）電弧等離子體中的帶電粒子在磁場中運動受到洛倫茲力作用，結(jié)合離心力和等離子流力改變電弧形狀，使電弧壓力場和溫度場產(chǎn)生明顯的變化。

（2）作用于液橋的洛倫茲力能夠拖拽液橋促進熔滴脫離焊絲，提高熔滴過渡頻率，減少飛濺。

（3）熔池中的熔融金屬能夠在外加磁場的作用下高速流動，阻礙樹枝晶的生成，細化晶粒并減少電弧和熔滴對熔池的沖擊。

（4）焊縫晶體的取向能夠在外加磁場的作用下趨于一致，提高焊縫的力學(xué)性能，增加焊縫的強度和耐蝕性，并有效減少氣孔等缺陷的產(chǎn)生。

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