外加磁场对焊接过程的影响

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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 Dongqing
Yin Xiaohui, Zheng Ailong
Jilin institute of technology　Zhao Hongyun
China 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，　frequency　
　
0　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>вн 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］。而且国旭明等人在电磁作用下埋弧焊焊接管线钢时发现其熔敷金属低温韧性明显提高。前苏联科学家发现在电阻点焊高强钢时，冲击韧性提高1.2~1.4倍，疲劳寿命增加了30%左右?［１２］在电阻对焊钢件、钢+钨、钢+镍时，其强度和延伸率提高10%~20%，akv值达到母材的冲击韧性。　
　　一般认为，焊接接头力学性能的变化是由微观组织的改变引起的。在电磁作用下接头的晶粒细化，改变晶粒结晶方向，等轴晶的出现，减小偏析及第二相化合物的细小弥散分布，组织缺陷的减少都有助于提高接头的力学性能。
　　还有人认为，晶体强度与晶格畸变有关，见图1。由图1可以看出，与晶格畸变增加相比，显然晶格畸变减小时晶体的强度增长更快。所以，前苏联的研究人员认为磁场作用下焊接接头强度的增加是由晶格畸变减少而引起的，因为在强度增加的同时，韧性、塑性指标也增加了。

　　　　　　　　　　　　　　　
6　电磁作用降低残余应力　　
　　焊接过程中的残余应力对焊件的质量和使用寿命危害很大。唐非、鹿安理等人应用脉冲磁处理法降低残余应力，取得良好效果。实验表明，在强脉冲磁场处理后，焊接试件横向与纵向残余应力分布曲线呈一定程度的整体下移，同一截面中不同位置应力降低的幅值不同，最大下降率达40%以上。虽然磁处理降低残余应力得到证实，但其机理还有待进一步研究。焊接接头内部的残余应力除存在整个构件中自相平衡的宏观应力外，还存在晶粒、亚晶粒与滑移面所包围的体积内的作用力及更小范围内的微观应力。在脉冲强磁场中，伴随着磁化，铁磁材料中发生磁致伸缩现象，还有磁畴畴壁的移动和磁矩的转动，使得材料内部微区应力状态随之发生变化，从而导致金属内部微区塑性变形而产生应力松弛。此外，铁在弱磁场中表现为正磁致伸缩，在强磁场中表现为负磁致伸缩，磁致伸缩值随磁场强度的增加而增加，最后达到饱和。在交替变化的强脉冲磁场中，构件中受到磁处理的区域内部会发生正负磁致伸缩，进而产生磁振动现象。
　　总之，可能是在磁处理过程中发生的动态磁致伸缩引起的应力松弛。而且是试样整体内部弥散分布的微塑性变形造成的，而不是试样中发生了宏观变形造成的。所以其应力下降的特点是应力分布曲线的整体下移，而不是应力峰值的降低。
7　电磁作用下焊接技术的发展趋势
　　目前，对电磁作用下的焊接技术的研究，大多局限在电弧焊领域，而且使用的电磁场的频率较低，强度较弱。随着对电磁场理论的进一步了解，人们尝试把电磁场应用在其他焊接方法中，并且取得了一些成绩。如电磁场作用的电阻焊、CO2激光焊。但是人们在这一领域的研究有待进一步地深入。　
　　随着超导磁体的发展，高强磁场的获得越来越容易，而且正逐渐应用于科学研究领域，一种称为"强磁场学"（Science Relating with a High Magnetic Field）的学术研究正在兴起。强磁场应用于材料加工过程，在国外已经进行研究和应用［１５］。国内进行了利用高频磁场分离铝熔体中非金属夹杂的研究。但是，把高频强磁场应用在焊接过程的研究还没有报导。利用频率小于20K Hz的电磁场，主要是利用它的电磁搅拌作用来改变传质和传热过程，从而细化晶粒、提高接头性能。当磁场频率大于20 KHz时，高频磁场产生超声作用，能进一步细化晶粒，改善力学性能。而且，在高频磁场作用下，焊接熔池中的液态金属产生涡流，由涡流产生的热量可以融化母材金属，减小焊接电流；此外，涡流加快了熔核中的液态金属的旋转，进一步地改变熔核金属结晶过程中的传质和传热过程，细化晶粒；在凝固过程中涡流产生的热量可以对淬硬性的材质进行回火、缓冷，改善接头性能。文献［１５］说明强磁场对细化晶粒、消除杂质和表面缺陷、石墨化及固态相变都有显著影响。因此，研究高频强磁场对焊接过程的影响具有重要的理论意义和实际应用价值。
8　结　　论　　
　　实验表明，无论对铁磁性金属，还是非铁磁性金属，电磁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、裂纹等缺陷的敏感性；而且利用电磁场还能有效地降低焊接残余应力。目前，尚无发现外加磁场的极性对焊接过程有明显的影响，电磁场对这些过程的影响机理有待进一步地研究。随着对磁场特别是强磁场的进一步了解，磁场特别是强磁场作用下的焊接过程的研究将不断深入，将焊接质量控制的研究推向一个新的高潮。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　参　考　文　献　
　　
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