外加磁場下焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀

龍 瓊，鐘云波，余正平，龍紹檑，李 娟，伍玉嬌

(1. 貴州理工學(xué)院 貴州省輕金屬材料制備技術(shù)重點實驗室，貴州 貴陽 550003)(2. 上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444)

1 前 言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料對焊接質(zhì)量的要求越來越高。自2002年以來，我國鋼鐵產(chǎn)量一直位居世界首位，而40%～60%的鋼材產(chǎn)品需要經(jīng)過焊接加工過程。根據(jù)國家的“十三五”規(guī)劃和“中國制造2025”精神，鋼鐵產(chǎn)業(yè)要繼續(xù)保持向產(chǎn)品質(zhì)量提升方向轉(zhuǎn)變。焊接技術(shù)是制造業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、低成本、高效的新型焊接技術(shù)，提高焊接生產(chǎn)質(zhì)量和效率，對推動我國制造業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。研究表明，形成等軸晶、晶粒組織細(xì)化、成分均勻化分布的焊接組織，以及減少焊縫區(qū)氣孔及熱裂紋，可以顯著提高焊接接頭的力學(xué)性能[1-3]。

磁場在工業(yè)生產(chǎn)生中已經(jīng)有許多應(yīng)用，如連鑄、晶體生長、電解等，還可用于晶粒細(xì)化、液體表面穩(wěn)定性的調(diào)控、加速或制動電子流等各種目的[4-6]。在焊接的過程中施加磁場，用磁場影響焊接過程中熔池金屬的傳質(zhì)以及傳熱行為，調(diào)控焊縫區(qū)金屬微觀組織及成分分布，進而可以顯著增強焊接接頭的綜合性能。磁場具有能量輸入響應(yīng)快、無接觸無污染、操作簡單等優(yōu)勢，在焊接過程中引入磁場，有望獲得低成本、高效率的焊接工藝，引起了國內(nèi)外焊接研究人員的重視[7, 8]。1962年，Brown發(fā)現(xiàn)[9]，在不銹鋼、鈦合金、鋁合金的焊接過程中施加磁場時，由磁場引起的電磁攪拌效應(yīng)可以對焊接組織起到明顯的晶粒細(xì)化作用。1971年，Tseng等[10]較為深入地研究了在TIG焊時電磁攪拌效應(yīng)對焊區(qū)微觀組織和性能的影響。在電弧焊過程中外加磁場，不僅能改變電弧形態(tài)、影響母材熔化以及焊縫成形，還可以通過電磁攪拌作用細(xì)化晶粒組織，減小成分偏析，降低熔合區(qū)氣孔、熱裂紋等焊接缺陷，顯著提高焊縫的力學(xué)性能，被譽為“無缺陷焊接技術(shù)”。

傳統(tǒng)的焊接技術(shù)往往面臨焊縫成形性能差、結(jié)晶組織粗大、成分偏析嚴(yán)重等問題，從而造成焊縫區(qū)性能差。在焊接的過程中施加磁場，通過磁場控制金屬材料的凝固過程，可以有效改善材料的微觀組織，進而提高材料的綜合性能，為開發(fā)新型焊接工藝提供了新的思路。

2 外加磁場對焊接過程的影響

2.1 焊接過程中的作用機理

2.1.1 Lorentz力的作用

當(dāng)一個帶電粒子q在磁感應(yīng)強度為B的磁場中以速度ν運動時，會受到洛倫茲力fL(Lorentz力)的作用，其大小可以用式(1)表示：

fL=qνB

(1)

式中：q是離子電荷,B是磁感應(yīng)強度。電弧焊接中，焊接電弧是一種持續(xù)的氣體放電現(xiàn)象，是等離子體。施加磁場后，由于運動的離子與磁場的交互作用產(chǎn)生Lorentz力，影響電弧形態(tài)，從而影響焊接接頭質(zhì)量。在焊接熔池凝固過程中，熔化區(qū)域附近溫度梯度較大，且由于受到重力場作用，熔池中金屬元素分布不均勻，熔融金屬會產(chǎn)生對流。金屬流體在磁場中以速度ν運動時，受到的Lorentz力可以用式(2)表示[11]：

f=σ(ν×B)×B

(2)

式中：σ為金屬流體的導(dǎo)電率。在焊接凝固過程中，外加磁場會使熔池金屬流體產(chǎn)生Lorentz力。當(dāng)Lorentz力的方向與熔池流體對流方向相反時，就可以抑制熔體內(nèi)部的自然對流，即電磁制動效應(yīng)。Chen等[12]研究了強磁場對Al-20%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)合金凝固過程的影響，發(fā)現(xiàn)施加磁場后，初晶硅形態(tài)從板條狀逐漸轉(zhuǎn)變成塊狀，隨著磁場強度的增加，初晶硅晶粒尺寸顯著減小并均勻化分布，從無磁場的77.87 μm降低到磁場強度為29 T時的15.4 μm。這主要是由于施加強磁場使熔融態(tài)Al-20%Si合金產(chǎn)生了抑制初晶硅自由移動對流的作用，從而使Al-20%Si合金過共晶凝固過程中析出的初晶硅分布更加均勻。Lorentz力也有促進熔體對流的作用。El-Daly等[13]采用旋轉(zhuǎn)磁場對Sn-20Bi和Sn-20Bi-0.4Cu合金釬料的凝固過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場下Lorentz力促進了熔體的的流動，誘導(dǎo)了初生相枝晶β-Sn從柱狀到等軸轉(zhuǎn)變，同時導(dǎo)致枝晶碎裂，引起明顯的晶粒細(xì)化和金屬間化合物細(xì)化效應(yīng)，降低晶格畸變，顯著改善Sn-20Bi-0.4Cu合金的拉伸強度及塑性。

2.1.2 熱電磁力的作用

當(dāng)金屬在凝固過程中存在一個沿著固/液界面的溫度梯度分量時，由于Seebeck效應(yīng)，在凝固界面會形成一個熱電流[14]。當(dāng)施加磁場時，由于熱電流和磁場的相互作用，會在凝固界面形成Lorentz力(即熱電磁力)。圖1為金屬凝固過程中施加軸向磁場，凸起凝固界面和枝晶界面形成的熱電流和熱電磁力的示意圖。熱電磁力會誘發(fā)金屬液體的流動，在一定強度的磁場下，熱電磁力F的大小可以用式(3)表示：

圖1 在焊接凝固過程中施加軸向磁場形成的熱電流和熱電磁力的示意圖[14]：(a)凸起凝固界面，(b)枝晶界面Fig.1 Schematic diagram of thermal current and thermoelectric magnetic force formed by applying axial magnetic field during welding solidification[14]: (a) protruding liquid-solid interface, (b) dendrite interface

F∝σSGB

(3)

式中G，S，σ分別表示溫度梯度、絕對熱電勢能及液體的導(dǎo)電率。在較低強度磁場下，熱電磁流速的上限U1可以通過熱電磁力和慣量平衡獲得，可表示為式(4)：

(4)

其中，λ,ρ分別表示系統(tǒng)典型尺度及液體密度。在較強的磁場下，由于Hartmann效應(yīng)，熱電磁流速與磁場的關(guān)系可表示為式(5)：

(5)

由式(5)可知，如果磁場強度足夠強，熱電磁流動將被抑制。Shuai等[15]研究了在5 T強磁場下Al-10%Zn合金(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的凝固過程。由于熱電效應(yīng)和強磁場相互作用引起的熱電磁對流，在金屬熔體凝固過程中，強磁場會在宏觀尺度上對液相流動產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，使定向凝固過程的固/液界面失穩(wěn)，導(dǎo)致枝晶生長方向偏離熱梯度方向，晶粒由胞狀向枝晶轉(zhuǎn)變，從而使Al-10%Zn合金在強磁場下凝固過程中晶粒分布更加均勻(圖2)。由于在激光焊、電阻焊等焊接凝固過程中，金屬材料的升溫和降溫具有快熱快冷的特點，因此焊縫區(qū)溫度梯度非常大，會產(chǎn)生很大的熱電流，從而產(chǎn)生顯著的熱電磁力，該熱電磁力將顯著影響金屬熔體的凝固。

圖2 Al-10%Zn合金中枝晶形態(tài)的正交投影[15]：(a)無磁場，(b)5 T磁場Fig.2 The orthogonal projection of dendritic morphology in Al-10%Zn alloy[15]: (a) without magnetic field, (b) 5 T magnetic field

2.1.3 磁化力的作用

在外加磁場下，材料在焊接過程中會受到磁化力FM的作用，其表達(dá)式為式(6)[16]：

(6)

其中，μ0表示真空磁導(dǎo)率，M表示磁矩，H表示磁場強度，B表示磁感應(yīng)強度，χ=M/H表示磁化率，反映材料被磁化的難易程度。金屬材料在焊接過程中發(fā)生相變時，若母相和再生相的磁化率不同，則受到的磁化力也不同[17]，從而影響材料的相變過程。此外，由于晶體的磁各向異性，磁化力還能影響晶體織構(gòu)取向，晶體在磁場中傾向于向易磁化軸方向發(fā)生織構(gòu)取向。Liu等[18]在Fe-4.5%Si合金凝固過程中引入強靜磁場，研究了其對晶體取向和磁性能的影響。發(fā)現(xiàn)隨著磁場強度的增加，由于合金的磁晶各向異性，F(xiàn)e-4.5%Si合金的晶體取向變?yōu)橐状呕S方向〈100〉。Yasuda等[19]在強磁場下的Al-In合金凝固實驗中，觀察到Al-In合金中由于磁化力的作用而產(chǎn)生大量規(guī)則排列的纖維狀組織。

2.1.4 磁Gibbs自由能的作用

在金屬材料的焊接過程中，施加磁場可以改變合金體系的Gibbs自由能，即磁Gibbs自由能。單位體積的磁Gibbs自由能GM可以由式(7)～式(9)表示[20, 21]：

dGM=-MdB

(7)

(8)

(9)

其中M為磁化強度(A/m)，χv為物質(zhì)的體積磁化率，B為磁場強度(T)，μ0為真空磁導(dǎo)率(m/H)。材料相變過程中，新相與母相的磁Gibbs自由能會發(fā)生變化，為保持體系內(nèi)部能量的平衡，相變趨向于磁Gibbs自由能降低的方向，此即磁熱力學(xué)效應(yīng)。

2.2 對電弧形態(tài)的影響

在焊接過程中，焊接電弧一般呈圓錐狀。外加磁場的介入會影響電弧原始磁場的磁感應(yīng)強度和分布。焊接電弧與焊接質(zhì)量密切相關(guān)，由于電弧加熱范圍的限制，各種焊縫成形缺陷極易產(chǎn)生[22]。橫向磁場一般為磁場方向垂直于電弧電流方向，也稱為垂直磁場。由左手定則可知，橫向穩(wěn)恒磁場會使焊接電弧偏向一側(cè)，如圖3a所示。若外加磁場為交變橫向磁場時，電弧會隨磁場方向的周期性變化而產(chǎn)生擺動，這種電弧的擺動可以增大加熱區(qū)的寬度，減小熔深。若施加磁場為縱向磁場(磁場方向與電弧方向平行)，即平行磁場時，電弧中帶電質(zhì)點的運動方向與磁感線方向并非理論上完全平行，而是呈一定夾角，即在Lorentz力的作用下沿平行于電弧軸的方向呈螺旋運動[23]，如圖3b所示。若外加磁場為交變橫向磁場時，電弧會隨磁場方向的周期性變化而產(chǎn)生擺動，這種電弧的擺動可以增加加熱區(qū)的寬度，減小熔深，如圖3c所示。Dar等[24]發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強度為10 T的軸向磁場對焊接電弧有較大影響，導(dǎo)致了熔池熔深減小而熔寬增加。Yin等[25]研究了外加軸向磁場時三維GTA焊接模型，模擬和測試結(jié)果均表明焊接熔池在磁場作用下具有邊緣較深、中心淺的特征。

圖3 磁場對電弧形態(tài)的影響[23]：(a)外加垂直磁場(橫向磁場)對電弧的影響，(b)電子在外加平行磁場(縱向磁場)的運動，(c)交變磁場對電弧的影響Fig.3 Influence of magnetic field on arc shape[23]: (a) influence of external vertical(transverse) magnetic field, (b) the movement of electrons in the external parallel(longitudinal) magnetic field , (c) the influence of alternating magnetic field

由于外加磁場可以改變電弧形態(tài)及熱流密度分布，目前應(yīng)用磁控電弧焊接的研究主要集中于細(xì)化晶粒、抑制咬邊、改善焊縫成形、提升焊接接頭力學(xué)性能等方面，但還未能建立外加磁場與控制目標(biāo)間的定量關(guān)系。今后對電弧焊的研究應(yīng)結(jié)合數(shù)值模擬方法，采用電場-磁場-熱場多物理場耦合關(guān)系，實現(xiàn)電弧、熔滴、熔池與焊縫質(zhì)量之間關(guān)系的定量描述。

2.3 對焊接熔池形狀的影響

在電磁場作用下，焊接過程中金屬熔體的運動狀態(tài)和電弧形態(tài)將會受到影響，從而改變焊接熔池的形狀。一般來說，無論是在橫向磁場還是在縱向磁場作用下，如果磁場參數(shù)選擇合適，焊縫表面可以變得光滑、平整。Tse等[26]利用電磁場控制CO2激光焊時發(fā)現(xiàn)，磁場的引入提高了焊縫區(qū)激光能量吸收率，增加了焊縫熔深，在最佳磁場參數(shù)下焊接熔深增加了約13%。Li等[27]研究了電磁攪拌對Al/Ti電阻點焊組織和力學(xué)性能的影響。與傳統(tǒng)Al/Ti電阻點焊工藝相比，電磁攪拌作用下焊縫形成的結(jié)合直徑較大，獲得的接頭具有較高的拉伸剪切強度，形成的等軸晶結(jié)構(gòu)更加細(xì)小(圖4)。Wang等[28]探討了穩(wěn)定磁場下激光重熔對ASTMA529鋼接頭焊縫處表面起伏的影響規(guī)律。結(jié)果表明，電磁作用顯著降低了熔體流動速度，有效抑制了表面波動，使得焊縫區(qū)表面變得更加平滑(圖5)。Wang等[29]利用外加磁場控制熔池內(nèi)流體的流動和傳熱行為，研究表明，在外加磁場作用下，熔池內(nèi)的溫度分布更加均勻，金屬液的填充和流動得到改善，金屬液倒流的縱向速度降低，駝峰焊道的形成得到了有效抑制。此外，Bachmann等[30]研究了500 mT恒定磁場對16 kW單激光焊接鋁合金熔池的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場方向垂直于焊接速度方向時，焊縫截面形貌由無磁場下的酒杯狀向V形轉(zhuǎn)變。

圖4 在無磁場(a，c)和24 mT磁場(b，d)作用下Al/Ti異種金屬點焊接頭光學(xué)宏觀腐蝕形貌及SEM顯微形貌照片[27]Fig.4 Images of the weld morphology of Al/Ti dissimilar metal obtained by spot welding without magnetic field (a, c) and with 24 mT magnetic field (b, d)[27]

圖5 0.4 T穩(wěn)恒磁場下焊接樣品的表面形貌照片，左側(cè)為無磁場區(qū)，右側(cè)為施加磁場區(qū)[28]：(a)樣品的宏觀表面形貌，(b)采用數(shù)字顯微鏡獲得表面起伏的著色高度掃描結(jié)果Fig.5 Experimental investigations of surface morphology obtained without magnetic field (left) and with 0.4 T static magnetic field (right)[28]: (a) macro-surface morphology of the specimen, (b) coloring height scanning result of the surface undulation

2.4 對焊縫組織的影響

根據(jù)凝固理論，凝固組織中晶粒組織形態(tài)及尺寸受形核率和過冷度的影響。對于一定成分的合金，其成分過冷過程由固/液相附近溫度梯度和冷卻速度決定。焊接接頭組織在無外加電磁場條件下一般為胞狀晶或胞狀樹枝晶。施加磁場后，在電磁攪拌作用下，熔池中液態(tài)金屬流體快速流動，對熔池邊緣半熔化晶粒造成一定的沖刷作用，部分折斷后的晶粒被帶入熔池后成為新的形核中心。同時，受到熔池中液態(tài)金屬的沖擊，熔池固/液界面及糊狀區(qū)柱狀樹枝晶斷裂、重熔，形成新的形核中心[31-33]。此外，由于電磁攪拌作用使熔池溫度分布趨向均勻，增加液態(tài)金屬的流動性，降低熔池金屬流體的溫度梯度，減小溶質(zhì)富集層厚度，降低了成分過冷。如果合金中含有異質(zhì)形核粒子，在電磁攪拌作用下將呈均勻分布趨勢，進一步增加形核率，從而顯著降低晶粒尺寸。同時，在晶核長大過程中，熔池形狀在電磁作用下發(fā)生變化，顯著改善了熔池溫度均勻性，降低了溫度梯度，傾向于形成等軸晶，因而有利于提高焊接接頭的綜合性能。

2.5 對焊接缺陷的影響

2.5.1 對焊接氣孔的影響

在焊接凝固過程中，由于氣體的溶解度在固/液兩相不同，導(dǎo)致了焊接氣孔的產(chǎn)生。隨著熔池溫度的降低，氣體在金屬熔體中的溶解度降低，在熔池中氣體原子逐漸聚集形成氣泡。當(dāng)氣泡停留在熔體中不能逸出液體表面時，就會在焊縫區(qū)域凝固組織中形成氣孔缺陷。氣孔的形成分為氣泡萌生和氣泡長大兩個過程。如果氣體的逸出壓力(P0)大于外部壓力(PA)，焊接熔池中萌生出氣泡。此時，阻止氣泡萌生的外部壓力PA可以用式(10)表示[34]：

PA=Pδ+hγ+2σ/r

(10)

式中，Pδ是熔化金屬熔池上方的氣體壓力，h是熔池液體的高度，γ是金屬的比密度，σ是在氣體界面上液態(tài)金屬的表面張力，r是氣泡半徑。施加外磁場后，將會誘導(dǎo)液態(tài)金屬的流動，從而產(chǎn)生附加的流體動壓力(PC)，阻止氣泡萌生的外部壓力PA將變?yōu)椋?/p>

PA=Pδ+hγ+2σ/r+PC

(11)

因此，在電磁作用下，液態(tài)金屬流動強度顯著增加，增加了流體動壓力PC，由公式(11)可知，PA隨即顯著增加，從而使得焊縫氣孔率下降。此外，電磁攪拌降低了液態(tài)金屬中氣體的飽和度[35]，進一步降低了生成氣泡的可能性。熔池中生成微小氣泡后，隨著液態(tài)金屬的流動得到加強，微小氣泡相互之間碰撞聚集，逐漸長大后上浮，最后逸出液體表面。此外，一般來說，磁場作用下焊接過程中的熔深減小、熔寬增大，有利于氣泡的逸出。丁浩等[36]在磁場下對DC51D+AZ鍍鋅鋼和6061鋁合金進行異種金屬激光焊接，發(fā)現(xiàn)施加磁場后產(chǎn)生的電磁攪拌效應(yīng)顯著減少了焊縫中氣孔的數(shù)量，細(xì)化了針狀FeAl3相，抑制了脆性Fe/Al化合物的生長，有效提高了焊縫抗拉強度。

2.5.2 對焊接裂紋的影響

脆性溫度區(qū)間、材料在該溫度區(qū)間內(nèi)的塑性以及變形增長速度是影響金屬材料抗熱裂紋能力的主要因素。焊接熔池凝固過程中，在高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受所發(fā)生的塑性變形量時，就會產(chǎn)生熱裂紋，顯著降低接頭的力學(xué)性能。電磁作用下焊縫熔合區(qū)更易出現(xiàn)等軸晶晶粒，晶粒得到細(xì)化，細(xì)化第二相顆粒且彌散分布。同時，由于電磁攪拌作用顯著降低了合金凝固過程中溶質(zhì)元素的偏析，減小了脆性溫度區(qū)間，從而降低了生成熱裂紋的敏感性。此外，電磁作用使熔深減小、熔寬增大，改變了熔池形狀，提高了焊縫的形狀系數(shù)。電磁攪拌作用顯著改善了熔池傳熱方向，有利于熱場均勻化分布，改變了晶粒生長方向，增加了熱裂紋擴展的阻力。羅鍵等[37]發(fā)現(xiàn)外加脈沖交變縱向磁場TIG焊接AZ31B鎂合金時，焊縫熱裂紋明顯減少。Yan等[38]研究縱向磁場作用下激光焊接焊鋼/鋁合金時，也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，熱裂紋的減少使接頭的抗剪強度顯著提高。

2.5.3 對縮松、縮孔的影響

在焊接凝固過程中，焊縫區(qū)縮松、縮孔是常見的焊接缺陷?？s孔的產(chǎn)生減少了結(jié)合面上的承力面積，常伴隨有裂紋的產(chǎn)生。施加電磁場能顯著影響焊接區(qū)縮松、縮孔的產(chǎn)生。由于電磁攪拌作用提高了熔體內(nèi)溶質(zhì)原子的傳輸能力，使合金成分分布更加均勻，與無磁場相比，磁控條件下獲得的焊縫“疏松區(qū)”明顯減少。熔體流速加劇還將顯著改變凝固前沿的溶質(zhì)分布及溶質(zhì)原子的再分配，減小成分偏析，進而在熔核結(jié)晶過程中減少在拉應(yīng)力作用下形成的晶界裂紋[39]。無磁場作用時，熔核金屬主要以樹枝晶形式長大。當(dāng)結(jié)晶過程快結(jié)束、熔合區(qū)液態(tài)金屬很少時，外部金屬的凝固收縮使熔合區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生壓力，絕大部分壓力會被形成的枝晶分散，使得液態(tài)金屬補充到枝晶縫隙去的驅(qū)動力顯著降低。此外，隨著溫度的降低，液態(tài)金屬流動的阻力增大，因此焊縫區(qū)形成疏松的可能性進一步增加。電磁攪拌改變結(jié)晶方向，增加了結(jié)晶過程的形核率，在合理參數(shù)下形成了等軸晶。此外，電磁攪拌引起的傳質(zhì)行為增加了溫度場的均勻性，降低了溫度梯度，從而降低了金屬液的粘度，能夠更好更快地填充因結(jié)晶過程體積收縮所造成的空隙，從而顯著改善焊接凝固過程產(chǎn)生的縮松、縮孔現(xiàn)象。Li等[40]在不銹鋼點焊過程中施加磁場，熔融金屬在電磁攪拌力的驅(qū)動下，使焊縫中晶粒顯著細(xì)化，同時焊縫區(qū)凝固過程產(chǎn)生的縮孔得到抑制，材料內(nèi)部的組織及成分、硬度分布也更加均勻，接頭的力學(xué)性能顯著提高。

2.6 對焊縫金屬力學(xué)性能的影響

一般認(rèn)為，焊接接頭力學(xué)性能的變化是由微觀組織的改變引起的。在焊接凝固過程中，施加磁場可以顯著細(xì)化晶粒、減少成分偏析，并促使第二相化合物細(xì)小彌散分布，減少組織缺陷，降低組織的殘余應(yīng)力。國旭明等[41]研究了電磁作用下埋弧焊焊接管線鋼，研究發(fā)現(xiàn)電磁攪拌使焊縫非金屬夾雜物的總數(shù)和體積分?jǐn)?shù)顯著減少，促進奧氏體晶粒內(nèi)針狀鐵素體的生成和細(xì)化，顯著提高了鋼樣的低溫韌性。Chen等[42]采用24 mT磁場輔助激光-MIG復(fù)合焊接的SUS316L不銹鋼的焊縫裂紋擴展速率(CGR)降低33%(在3.5%的NaCl溶液中)16 mT磁場輔助焊接的CGR降低了20%。Li等[43]研究發(fā)現(xiàn)，在電磁攪拌作用下，鋁合金熔合區(qū)直徑、拉伸剪切力和顯微硬度均有不同程度的提高，較低的焊接電流和較長的焊接時間可以使磁場影響的效果更有效，但隨著焊接電流的增加，磁場的影響逐漸減小。Rosado-Carrasco等[44]發(fā)現(xiàn)，在2205雙相不銹鋼氣保焊焊接過程中施加3 mT磁場后，鐵素體晶粒明顯細(xì)化，熱影響區(qū)再生奧氏體體積分?jǐn)?shù)顯著提高，焊縫區(qū)柱狀晶粒變小，并促進了γ相的生成，阻礙了微觀結(jié)構(gòu)短疲勞裂紋的形核和生長，從而顯著提高了高周疲勞和超高周疲勞試樣的疲勞強度。

3 電磁作用下焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前，關(guān)于電磁作用下焊接工藝的研究，使用的電磁場頻率較低、強度較弱，施加的磁場強度一般為低于0.1 T的穩(wěn)恒磁場，且大多局限在電弧焊領(lǐng)域。隨著對電磁理論的進一步理解，國內(nèi)外研究人員嘗試將電磁場引入到其他各種焊接工藝中，如電阻焊、激光焊及擴散焊等。但是目前對這一系列焊接領(lǐng)域還有待深入研究，今后可嘗試從以下幾個方面展開研究。

3.1 強磁場下的焊接技術(shù)

近年來，隨著超導(dǎo)磁體技術(shù)的發(fā)展，將強磁場應(yīng)用于材料加工過程的研究，已受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視[45]。強磁場對細(xì)化晶粒、促進固態(tài)相變、消除雜質(zhì)以及表面和內(nèi)部的缺陷都有顯著影響[46, 47]。同時，施加高頻強磁場可以促使熔池內(nèi)部熔融金屬的流速更加均勻，有利于流體熱量的傳遞和擴散，提高焊縫區(qū)的力學(xué)性能[48]。因此，研究強磁場對焊接過程的影響具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。

目前，關(guān)于磁控焊接過程的研究主要是在較低強度的穩(wěn)恒磁場下進行的，對梯度磁場、旋轉(zhuǎn)磁場、交流磁場、脈沖磁場、強磁場下的研究非常少，特別是高于100 mT的磁控焊接技術(shù)。目前大口徑4 T的超導(dǎo)體強磁場已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計將顯著影響焊接微觀組織及織構(gòu)。因此，應(yīng)加強較高強度下強磁場、梯度磁場、交流磁場、脈沖磁場對焊接過程尤其是焊接理論方面的研究，為制備性能優(yōu)異的焊接接頭提供理論基礎(chǔ)。

3.2 磁場下復(fù)合焊接技術(shù)

磁場下復(fù)合熱源焊接技術(shù)是將物理性質(zhì)和能量傳輸機制不同的兩種及以上的熱源組合在一起，在磁控條件下進行焊接，既可以充分發(fā)揮各自熱源的優(yōu)勢，又可以彌補單種熱源的不足，從而集成一種全新高效的焊接熱源，達(dá)到調(diào)控焊接組織、改善材料綜合性能的目的。Chen等[49]采用穩(wěn)恒磁場輔助激光-MIG復(fù)合焊接SUS304鋼，通過電子背散射衍射技術(shù)研究了焊接過程中的晶粒細(xì)化和鐵素體變化，發(fā)現(xiàn)在外加磁場作用下，熔池的攪拌效應(yīng)可以顯著促進晶粒細(xì)化以及鐵素體還原，從而使焊縫金屬的低溫(40 ℃)沖擊韌性提高約36%。同時，磁場對不銹鋼焊接區(qū)耐點蝕性能有顯著的改善作用，外加磁場焊接通過弱化δ-鐵素體織構(gòu)強度和促進均勻骨架形貌的生長，使δ-鐵素體在奧氏體基體中的分布更加均勻，且使得鉻元素的擴散比較均勻，顯著提高了焊縫區(qū)點蝕抗力，降低了鈍化電流密度，提高了點蝕電位，從而顯著改善了奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)的點蝕性能[50]。

因此，采用復(fù)合熱源對材料進行焊接時，結(jié)合不同焊接熱源的優(yōu)勢，可以顯著提高熱源利用率，改善表面成形，抑制氣孔及飛濺等焊接缺陷的產(chǎn)生，提高接頭裝配精度，調(diào)節(jié)焊縫成分組織，改善焊接接頭力學(xué)性能，從而獲得性能更加優(yōu)異的焊接接頭。目前，對磁場下焊接技術(shù)的研究比較單一，對磁場下復(fù)合焊接技術(shù)的研究比較少，不同磁場下熱源相互作用機理也有待深入研究。

3.3 磁場下焊接接頭熱處理技術(shù)

焊后熱處理可以最大限度地減少或消除焊件內(nèi)部組織和力學(xué)性能的不均勻，對焊接接頭進行適當(dāng)?shù)臅r效熱處理可以釋放焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，促進二次析出相的均勻化分布，從而顯著改善焊接接頭的力學(xué)性能[51, 52]。

20世紀(jì)90年代以來，利用磁場下熱處理技術(shù)調(diào)控合金微觀組織及結(jié)構(gòu)，從而提高材料的綜合性能獲得了廣泛關(guān)注[53, 54]。由于晶粒的磁晶各向異性，磁場可以利用晶粒間產(chǎn)生的磁化率差異，驅(qū)使晶粒沿著一定方向擇優(yōu)生長，從而影響焊接接頭的力學(xué)性能。綦秀玲等[55]對5 mm厚的AZ91鎂板進行外加縱向交流磁場鎢極氬弧焊，并在焊后在磁場下對其進行熱處理，結(jié)果表明，磁場作用下的AZ91鎂合金焊接接頭比未施加磁場的焊接接頭經(jīng)固溶處理后晶粒更加細(xì)小，β-Mg17Al12相在α-Mg上析出并呈彌散分布，且施加磁場獲得的焊接接頭比未加磁場的焊接接頭熱處理后硬度更高。

目前，磁場下熱處理技術(shù)主要針對的凝固連鑄件的研究，而對磁場下焊接接頭熱處理工藝及機理的研究非常少。磁控焊后熱處理具有操作簡單、成本低等特點，同時可以有效降低焊接過程中內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，顯著提升接頭的力學(xué)性能。因此，今后可以加強磁控焊接和磁控?zé)崽幚韺附咏宇^的微觀組織及綜合性能影響機制的研究。

4 結(jié) 語

焊接中采用的材料無論是鐵磁性還是非鐵磁性的，施加磁場均能顯著影響電弧形態(tài)、熔池形狀以及焊縫成形。電磁攪拌作用可以調(diào)控焊接熔池液態(tài)金屬結(jié)晶過程的傳質(zhì)及傳熱行為，細(xì)化焊縫區(qū)微觀組織，減小成分偏析，促使析出相均勻化分布，降低接頭組織氣孔、熱裂紋等焊接缺陷的敏感性，進而顯著提高焊縫的綜合性能。目前，有關(guān)磁控焊接技術(shù)的研究大多只是從電磁攪拌的角度進行分析，而對熱電磁效應(yīng)、磁場能、磁化力對焊接凝固過程以及磁場下焊后熱處理的影響機理的研究還不夠深入。加強研究梯度磁場、旋轉(zhuǎn)磁場、交變磁場、脈沖磁場及強磁場特別是10 T以上超導(dǎo)強磁場下的焊接技術(shù)，并結(jié)合有限元數(shù)值模擬研究焊接過程中存在的電場、磁場、熱場、應(yīng)力場(應(yīng)變場)多物理場耦合關(guān)系影響焊接過程的機制，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低成本、高效、高附加值的磁控焊接技術(shù)，對我國工業(yè)強國特別是國防軍事工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義。