外加磁場(chǎng)和深冷處理在鋁合金焊接中的應(yīng)用現(xiàn)狀

高文國(guó)，高珊，胡建崗

(太原科技大學(xué)，太原 030000)

0 前言

近年來(lái)，鋁合金以一系列的優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)輕、強(qiáng)度高、易加工、散熱性好等，在航空航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)有著廣泛的用途。根據(jù)加入的合金元素的不同，鋁合金可分為較多的種類，并具有不同用途。據(jù)統(tǒng)計(jì)，交通運(yùn)輸業(yè)鋁合金材料使用量已經(jīng)超過(guò)25%，其中汽車行業(yè)鋁合金材料使用量超過(guò)15%，高速列車車身也使用鋁合金，民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中鋁合金使用量約76%。2016年國(guó)內(nèi)鋁合金加工材料的實(shí)際產(chǎn)量已經(jīng)超出3 200萬(wàn)噸，并且始終保持著每年6%的速度不斷增長(zhǎng)[1]。

鋁合金具有耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的焊接方法進(jìn)行焊接時(shí)，焊接工藝參數(shù)選取不當(dāng)易產(chǎn)生氣孔、夾雜、接頭軟化等缺陷，導(dǎo)致焊后接頭部位的力學(xué)性能難以與母材金屬相媲美，這使得鋁合金的應(yīng)用受到一定程度的限制。然而，在焊接時(shí)施加磁場(chǎng)，可以改變焊接電弧的形態(tài)，改善熔滴過(guò)渡方式，減少飛濺；在電場(chǎng)力的作用下，熔池中金屬的流動(dòng)發(fā)生變化，焊縫凝固后的組織與未施加磁場(chǎng)時(shí)相比得到了細(xì)化，缺陷被抑制，焊縫成形良好，綜合力學(xué)性能得到改善；對(duì)焊件進(jìn)行深冷處理則能消除或彌合焊縫的氣孔和疏松等缺陷，優(yōu)化焊縫的顯微組織，有效地提高了鋁合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、硬度、耐磨性，改善塑性。

1 鋁合金焊接

傳統(tǒng)的焊接方法包括鎢極氬弧焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)。鎢極氬弧焊熱量集中、電弧燃燒穩(wěn)定、焊縫金屬致密、接頭強(qiáng)度和塑性也高，應(yīng)用越來(lái)越廣泛；熔化極氣體保護(hù)焊，電弧功率大、熱量集中、熱影響區(qū)小、生產(chǎn)效率也較高。隨著焊接電源的發(fā)展，攪拌摩擦焊、等離子弧焊、真空電子束焊接和激光焊等開(kāi)始應(yīng)用于鋁合金焊接，并且已經(jīng)獲得質(zhì)量較高的焊接產(chǎn)品[2]。新型焊接方法采用的焊接設(shè)備較為復(fù)雜，投入高，對(duì)環(huán)境要求高，真空電子束焊對(duì)焊件的尺寸還有一定的要求，使得這些焊接方法不能大范圍的應(yīng)用。

2 磁場(chǎng)對(duì)鋁合金焊接的影響

將不同強(qiáng)度、方向的磁場(chǎng)引入到鋁合金焊接中，并根據(jù)需要設(shè)計(jì)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，這種磁場(chǎng)的存在可以改變焊接電弧的形態(tài)、熔滴的過(guò)渡方式、熔池中金屬的流動(dòng)，減少焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺，進(jìn)而提高焊件表面成形質(zhì)量，細(xì)化焊縫晶粒，改善焊縫組織中存在的氣孔等缺陷[3-4]。

2.1 磁場(chǎng)對(duì)焊接電弧的影響

焊接電弧是在一定的電壓、電流參數(shù)和環(huán)境條件下、在具有適當(dāng)距離的兩電極之間產(chǎn)生的強(qiáng)烈持久的氣體放電現(xiàn)象[5]。電弧的形態(tài)在不同的工藝參數(shù)下，有著不同的變化。焊接電弧在外加直流橫向磁場(chǎng)作用下，其縱向截面形態(tài)呈現(xiàn)偏吹型；在外加交流橫向磁場(chǎng)作用下，縱向截面呈扇形；交流磁場(chǎng)由橫向變?yōu)榭v向的時(shí)候，電弧縱向截面呈鐘罩型，下部擴(kuò)張、上部收縮。

王林等人[6-7]在研究外加磁場(chǎng)GMAW焊時(shí)，觀察了磁場(chǎng)對(duì)電弧的影響，施加磁場(chǎng)后電弧向前偏轉(zhuǎn)。Zhang等人[8-9]對(duì)激光-MIG復(fù)合焊施加縱向磁場(chǎng)，在適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)作用下焊接電弧逐漸變?yōu)槿切?，開(kāi)始發(fā)生旋轉(zhuǎn)和膨脹，根部縮小，底部增大，其穩(wěn)定性提高。在TIG窄間隙焊接中，Wang等人[10]觀察到，未施加磁場(chǎng)焊接電弧比較穩(wěn)定，輪廓呈鐘形，磁場(chǎng)作用時(shí)，焊接電弧在洛倫茲力和電磁夾緊力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向垂直于焊接方向。

2.2 磁場(chǎng)對(duì)焊縫成形的影響

焊縫主要尺寸參數(shù)是熔深、熔寬和余高，不同的焊接參數(shù)與焊接方法對(duì)焊縫成形的影響不同，焊接方向與角度也會(huì)對(duì)焊縫成形有影響。鋁合金MIG焊時(shí)，焊縫成形差，如5A05鋁合金在無(wú)磁場(chǎng)作用下采用自然電弧焊，焊后焊縫呈魚(yú)鱗紋，根部較窄，熔深呈指狀，易產(chǎn)生裂紋和未熔合等缺陷，這些缺陷最終會(huì)影響接頭處的綜合力學(xué)性能；施加不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)之后，焊縫成形得到一定改善，磁場(chǎng)參數(shù)為5 Hz，0.3 A的時(shí)候，焊縫仍呈魚(yú)鱗紋，與未施加磁場(chǎng)時(shí)相比，其間距較小，熔深呈橢圓形并減小，熔寬增大，焊縫的成形變好[11]。朱勝等人[12]研究了磁場(chǎng)對(duì)6061鋁合金板材MIG焊焊道尺寸形貌及成形質(zhì)量的影響，試驗(yàn)中，焊道的余高并未因?yàn)榇艌?chǎng)的引入發(fā)生顯著變化，但當(dāng)勵(lì)磁電流增大時(shí)，熔寬隨之增大，熔深減小，得到的焊道尺寸均勻，焊縫表面質(zhì)量良好。樊丁等人[13-15]在MAG焊、GMAW焊熔滴過(guò)渡行為研究中，施加的低頻交變磁場(chǎng)改善了熔滴旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡及電弧形態(tài)的穩(wěn)定性，減少了焊接飛濺，改善焊縫成形。上海交通大學(xué)黃武東等人[16]在外加縱向磁場(chǎng)條件下觀察P-GMAW焊接電弧、熔滴過(guò)渡和熔池流動(dòng)的變化時(shí)，電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡的對(duì)稱性沒(méi)有發(fā)生改變，熔池輪廓向一側(cè)偏移，焊縫偏移且焊縫成形不如未施加磁場(chǎng)。

上述試驗(yàn)中，除了適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)參數(shù)對(duì)焊縫成形有影響外，焊接速度和送絲速度對(duì)焊縫的成形也有影響。磁場(chǎng)的影響主要在于改變電弧和熔滴過(guò)渡的方式。

2.3 磁場(chǎng)對(duì)焊縫組織和性能的影響

熔池的凝固相當(dāng)于一個(gè)短暫而復(fù)雜的冶金反應(yīng)，在凝固過(guò)程中容易產(chǎn)生許多缺陷，如氣孔、偏析和結(jié)晶裂紋等，同時(shí)焊接過(guò)程處于非平衡的熱力學(xué)條件下，熔池凝固又易產(chǎn)生晶體缺陷。白金[17]對(duì)5083板材焊接時(shí)，首先在未施加磁場(chǎng)下觀察焊后顯微組織形貌，發(fā)現(xiàn)焊縫組織為粗大的柱狀晶組織，并具有一定的方向性，往焊縫中心的方向上，粗大的柱狀晶組織開(kāi)始轉(zhuǎn)化為細(xì)小結(jié)晶組織，焊縫中心處為晶粒細(xì)小無(wú)明顯方向性的等軸晶；施加頻率一定的外部縱向磁場(chǎng)后，在勵(lì)磁電流增大的過(guò)程中，焊縫晶粒組織先是變得細(xì)小到一個(gè)最佳值，隨著勵(lì)磁電流繼續(xù)增大，顯微組織反而粗化。在沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)常云龍等人[18-19]的焊接試驗(yàn)中，也得到了相同的結(jié)論。Reyna-Montoya等人[20]研究了電磁交互作用下7075鋁合金電弧焊的組織和耐蝕性變化，他們認(rèn)為低強(qiáng)度電弧磁場(chǎng)的作用使得焊接接頭組織更好，力學(xué)性能和耐腐蝕性得到提高。當(dāng)勵(lì)磁頻率一定時(shí)，磁場(chǎng)電流的變化對(duì)組織的影響是不同的，并且存在一個(gè)最佳值，磁場(chǎng)電流達(dá)到最佳值的過(guò)程中，對(duì)焊縫晶粒組織有明顯的細(xì)化作用，但是超過(guò)這個(gè)最佳值，晶粒又會(huì)發(fā)生粗化，甚至比未加磁場(chǎng)粗化嚴(yán)重。

外加磁場(chǎng)的引入對(duì)焊縫組織和成形的改變，使得其在凝固后具有了一定的綜合性能。李軍等人[21]將恒定直流縱向磁場(chǎng)施加在TIG焊中，對(duì)LF21鋁合金進(jìn)行焊接，焊后對(duì)顯微組織進(jìn)行硬度分析，在測(cè)得的數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度在達(dá)到一定時(shí)，焊接接頭的硬度逐漸增大到最大值，接近于母材硬度值；繼續(xù)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，硬度反而減小，但是與未施加磁場(chǎng)相比，硬度均有所增大。施加磁場(chǎng)后，焊縫的組織變得更加細(xì)化，凝固后焊縫中夾雜和氣孔的存在，粗大的柱狀晶也轉(zhuǎn)化為細(xì)小的結(jié)晶組織，電弧的改變也使熔滴過(guò)渡方式發(fā)生了變化，減少了飛濺，焊后性能得到了改善。

3 深冷處理對(duì)鋁合金接頭組織和力學(xué)性能的影響

深冷處理是一種特殊的熱處理方式，主要是采用液氮作為制冷劑，在-196～-130 ℃的溫度對(duì)工件進(jìn)行處理，改善其組織和性能，操作簡(jiǎn)單，成本低[22-23]。經(jīng)過(guò)深冷處理后的鋁合金焊接接頭綜合性能、力學(xué)性能得到了提高，其硬度和表面耐磨性也比未經(jīng)處理的鋁合金好得多，焊縫區(qū)第二相在基體中的析出量增多，隨著深冷處理保溫時(shí)間延長(zhǎng)而分布均勻、致密，接頭的強(qiáng)韌性提高，同時(shí)消除殘余應(yīng)力[24]。

靳鵬飛等人[25]對(duì)5A06鋁合金TIG焊進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)焊后經(jīng)過(guò)深冷處理的焊接接頭比未經(jīng)處理的焊接接頭布氏硬度最低提升幅度10.8%，最高的提升幅度達(dá)到了37.84%，最低布氏硬度值有偏離焊縫中心的趨勢(shì)；在一定的試驗(yàn)條件下，抗拉強(qiáng)度可以提高6.63%，力學(xué)性能得到較好改善。中國(guó)科學(xué)院的劉軒之等人[26]，對(duì)7050鋁合金進(jìn)行試驗(yàn)得出最佳深冷處理工藝，在此工藝下，殘余應(yīng)力提前消除，微觀組織析出相增多，材料的尺寸穩(wěn)定性和斷裂韌性得到了提高。在葛鵬等人[27]的研究中，對(duì)深冷處理和未經(jīng)深冷處理的兩組試樣進(jìn)行對(duì)比，在對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，深冷處理過(guò)后試樣的強(qiáng)度、塑性明顯得到改善，在內(nèi)部壓應(yīng)力的作用下焊接過(guò)程中產(chǎn)生的顯微氣孔、疏松等缺陷，得到消除和彌合。6061鋁合金冷金屬過(guò)渡焊接同樣可采用深冷處理，并且處理后焊縫區(qū)有大量第二相析出，各方面性能均有提高[28]。

季凱等人[29]對(duì)6005A鋁合金焊接接頭區(qū)域采用三次循環(huán)深冷處理，處理后優(yōu)化了接頭區(qū)域的晶粒大小、強(qiáng)化相分布，斷口形貌為更細(xì)小、平坦的韌窩群，第二相粒子分布均勻，并且在焊接區(qū)域形成了許多的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)的存在可以降低內(nèi)應(yīng)力，優(yōu)化焊縫區(qū)域的組織與性能。高珊等人[30-31]將深冷處理方法應(yīng)用于鋁合金MIG焊以改善接頭組織和力學(xué)性能，通過(guò)對(duì)顯微組織的觀察研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理后接頭組織中形成了亞晶結(jié)構(gòu)，第二相顆粒析出，且數(shù)量明顯增加，接頭的晶粒組織得到細(xì)化，從而發(fā)生強(qiáng)化；并且某些晶粒的晶面發(fā)生了變化，產(chǎn)生晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)。在5A06鋁合金TIG焊中，同樣出現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化，晶粒擇優(yōu)取向，提高鋁合金焊接接頭的性能。

4 磁場(chǎng)和深冷處理在鋁合金焊接中的機(jī)理研究

4.1 磁場(chǎng)在鋁合金焊接中的機(jī)理研究

將磁場(chǎng)引入到焊接的過(guò)程中，通過(guò)磁場(chǎng)改變電弧的形態(tài)、熔滴過(guò)渡方式、熔池流動(dòng)等，改善焊接接頭的組織，提高力學(xué)性能，是一種裝置簡(jiǎn)單、投入成本低、效益高的焊接技術(shù)，在MIG焊、MAG焊和CO2激光焊等焊接中都有應(yīng)用。在鋁合金焊接中的應(yīng)用，提高了焊接的質(zhì)量，焊接接頭的力學(xué)性能。

磁場(chǎng)在鋁合金焊接中的機(jī)理主要有：①在一定的磁場(chǎng)參數(shù)內(nèi)，焊接電弧變得相對(duì)穩(wěn)定，電弧形狀呈現(xiàn)下部擴(kuò)張，上部收縮，焊縫熔寬變大，熔深變小；改變?nèi)鄣芜^(guò)渡方式，減少飛濺，得到質(zhì)量良好的表面;②熔池中的熔融金屬原來(lái)在電弧力的作用下發(fā)生流動(dòng)，加入磁場(chǎng)后，熔池中產(chǎn)生了洛倫茲力，熔融金屬的流動(dòng)變得更加劇烈。一方面，熔池中劇烈的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了固—液界面的溫度梯度降低，促進(jìn)粗大的晶粒細(xì)化，同時(shí)劇烈的運(yùn)動(dòng)使先結(jié)晶的樹(shù)狀晶、柱狀晶在洛倫茲力作用下割裂進(jìn)入熔池，發(fā)生重熔或成為晶核，最終使得焊縫組織細(xì)化，綜合性能得到提升；另一方面，熔池劇烈的運(yùn)動(dòng)，使得合金元素能夠充分?jǐn)U散，抑制偏析的出現(xiàn)，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊渣和金屬氧化物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，能夠分布在表面，改善夾雜；在凝固過(guò)程中，氣體(如H2)有足夠的時(shí)間逸出，降低氣孔的產(chǎn)生，缺陷的改善也使得焊接接頭的性能變得更加優(yōu)良。

4.2 鋁合金深冷處理的機(jī)理研究

深冷處理是熱處理工藝在冷卻過(guò)程中的延續(xù)，應(yīng)用極為廣泛。不同的工藝參數(shù)，可以產(chǎn)生不同的效果，在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)下，經(jīng)深冷處理的工件強(qiáng)度、硬度都有提高，并且可以提高耐磨性，在一定程度上還可以改善組織中的缺陷[32]。

陳鼎等人[33]認(rèn)為，鋁合金材料在深冷處理過(guò)程中有體積收縮、晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)等效應(yīng)。其中體積收縮效應(yīng)主要是由于熱脹冷縮，在此過(guò)程中材料內(nèi)部分缺陷得到彌合；體積的收縮引起晶格收縮，原子間距減小，此時(shí)位錯(cuò)的滑移阻力增大，材料內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，還可以促進(jìn)沉積相的析出；若材料內(nèi)空位的濃度高，在深冷處理過(guò)程中，這些空位就會(huì)匯集，轉(zhuǎn)變?yōu)槔庵诲e(cuò)，阻礙位錯(cuò)滑移。深冷處理并不能提高所有鋁合金的性能，科研工作者提出了晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)理論，在回復(fù)過(guò)程中，鋁合金內(nèi)部發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，擇優(yōu)取向形成了再結(jié)晶織構(gòu)，取向有利于阻礙位錯(cuò)滑移時(shí)，材料的性能得到提高。

在湯光平等人[34]的研究下，他認(rèn)為深冷處理循環(huán)處理過(guò)程中產(chǎn)生大量的蜷線位錯(cuò)、位錯(cuò)環(huán)甚至位錯(cuò)胞，同時(shí)原有的晶粒分成許多亞晶，它們相互作用、相互纏結(jié)，并且位錯(cuò)與晶界、亞晶界及強(qiáng)化相之間的相互作用下，位錯(cuò)的移動(dòng)需要克服較高的能壘，增強(qiáng)了組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。亞晶的出現(xiàn)使得晶粒尺寸減小，組織細(xì)化，提高了材料的強(qiáng)度和塑性。

太原科技大學(xué)的吳志生等人[35]在其研究中認(rèn)為強(qiáng)化機(jī)理是：焊縫組織中產(chǎn)生亞晶，接頭產(chǎn)生體積收縮，第二相的數(shù)量和析出速度都得到提高，并且均勻地彌散分布于α固溶體上，對(duì)晶粒起到碎化作用和彌散作用；接頭合金組織中產(chǎn)生晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，并且這種轉(zhuǎn)動(dòng)能夠阻礙位錯(cuò)的滑移；認(rèn)為深冷處理的強(qiáng)化模型為奧羅萬(wàn)(Orowan)機(jī)制，接頭合金組織中位錯(cuò)轉(zhuǎn)化為位錯(cuò)環(huán)，位錯(cuò)纏繞，從而使得焊接接頭得到了強(qiáng)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外對(duì)于磁場(chǎng)和深冷處理的應(yīng)用和機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)：外加磁場(chǎng)的引入，改變了焊接電弧的形態(tài)、熔滴過(guò)渡的方式、熔池中熔融金屬的流動(dòng)等，在合適的磁場(chǎng)工藝參數(shù)下，可以得到良好的焊縫組織和形態(tài)；深冷處理后鋁合金的晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并且細(xì)化，最終可使深冷處理部位的性能更加優(yōu)異。

目前磁控焊接在鋁合金的焊接方面并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，主要在于磁場(chǎng)參數(shù)、焊接參數(shù)的變化，都會(huì)對(duì)接頭性能產(chǎn)生一定的影響，需要通過(guò)試驗(yàn)得到最佳的磁場(chǎng)參數(shù)和焊接參數(shù)應(yīng)用于鋁合金焊接，制定相應(yīng)的焊接規(guī)范；設(shè)計(jì)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，使裝置適用于多種焊接方法和工況，能夠在大量生產(chǎn)中投入使用；深冷處理也沒(méi)有最佳的工藝，影響了其應(yīng)用。關(guān)于磁場(chǎng)和深冷處理對(duì)鋁合金焊接的影響試驗(yàn)，目前很多試驗(yàn)都是采用單一方式進(jìn)行，分析引入的磁場(chǎng)或是深冷處理后焊件的組織性能等，如果在磁場(chǎng)引入焊接過(guò)程的同時(shí)，對(duì)焊接部位迅速進(jìn)行液氮的深冷處理，是否能達(dá)到與兩者分別單獨(dú)作用時(shí)的效果或者更優(yōu)異的效果，將是后期試驗(yàn)需要做的研究工作。