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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444)

1 前 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料對(duì)焊接質(zhì)量的要求越來越高。自2002年以來，我國(guó)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(guó)家的“十三五”規(guī)劃和“中國(guó)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(shí)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(duì)推動(dòng)我國(guó)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(chǎng)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(zhǎng)、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(dòng)電子流等各種目的[4-6]。在焊接的過程中施加磁場(chǎng)，用磁場(chǎng)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(jìn)而可以顯著增強(qiáng)焊接接頭的綜合性能。磁場(chǎng)具有能量輸入響應(yīng)快、無接觸無污染、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在焊接過程中引入磁場(chǎng)，有望獲得低成本、高效率的焊接工藝，引起了國(guó)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(chǎng)時(shí)，由磁場(chǎng)引起的電磁攪拌效應(yīng)可以對(duì)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(shí)電磁攪拌效應(yīng)對(duì)焊區(qū)微觀組織和性能的影響。在電弧焊過程中外加磁場(chǎng)，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(yù)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(chǎng)，通過磁場(chǎng)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(jìn)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(chǎng)對(duì)焊接過程的影響

2.1 焊接過程中的作用機(jī)理

2.1.1 Lorentz力的作用

當(dāng)一個(gè)帶電粒子q在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中以速度ν運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)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(qiáng)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(chǎng)后，由于運(yùn)動(dòng)的離子與磁場(chǎng)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(chǎng)作用，熔池中金屬元素分布不均勻，熔融金屬會(huì)產(chǎn)生對(duì)流。金屬流體在磁場(chǎng)中以速度ν運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(chǎng)會(huì)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(duì)流方向相反時(shí)，就可以抑制熔體內(nèi)部的自然對(duì)流，即電磁制動(dòng)效應(yīng)。Chen等[12]研究了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)后，初晶硅形態(tài)從板條狀逐漸轉(zhuǎn)變成塊狀，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)的77.87 μm降低到磁場(chǎng)強(qiáng)度為29 T時(shí)的15.4 μm。這主要是由于施加強(qiáng)磁場(chǎng)使熔融態(tài)Al-20%Si合金產(chǎn)生了抑制初晶硅自由移動(dòng)對(duì)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(jìn)熔體對(duì)流的作用。El-Daly等[13]采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)Sn-20Bi和Sn-20Bi-0.4Cu合金釬料的凝固過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下Lorentz力促進(jìn)了熔體的的流動(dòng)，誘導(dǎo)了初生相枝晶β-Sn從柱狀到等軸轉(zhuǎn)變，同時(shí)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(qiáng)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(gè)沿著固/液界面的溫度梯度分量時(shí)，由于Seebeck效應(yīng)，在凝固界面會(huì)形成一個(gè)熱電流[14]。當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，由于熱電流和磁場(chǎng)的相互作用，會(huì)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(chǎng)，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(huì)誘發(fā)金屬液體的流動(dòng)，在一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)熱電勢(shì)能及液體的導(dǎo)電率。在較低強(qiáng)度磁場(chǎng)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(qiáng)的磁場(chǎng)下，由于Hartmann效應(yīng)，熱電磁流速與磁場(chǎng)的關(guān)系可表示為式(5)：

(5)

由式(5)可知，如果磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠強(qiáng)，熱電磁流動(dòng)將被抑制。Shuai等[15]研究了在5 T強(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)相互作用引起的熱電磁對(duì)流，在金屬熔體凝固過程中，強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)在宏觀尺度上對(duì)液相流動(dòng)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(zhǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)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(diǎn)，因此焊縫區(qū)溫度梯度非常大，會(huì)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(chǎng)，(b)5 T磁場(chǎng)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(chǎng)下，材料在焊接過程中會(huì)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(chǎng)強(qiáng)度，B表示磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)，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(chǎng)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(qiáng)靜磁場(chǎng)，研究了其對(duì)晶體取向和磁性能的影響。發(fā)現(xiàn)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)磁場(chǎng)下的Al-In合金凝固實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(qiáng)度(A/m)，χv為物質(zhì)的體積磁化率，B為磁場(chǎng)強(qiáng)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(huì)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(duì)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(chǎng)的介入會(huì)影響電弧原始磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)一般為磁場(chǎng)方向垂直于電弧電流方向，也稱為垂直磁場(chǎng)。由左手定則可知，橫向穩(wěn)恒磁場(chǎng)會(huì)使焊接電弧偏向一側(cè)，如圖3a所示。若外加磁場(chǎng)為交變橫向磁場(chǎng)時(shí)，電弧會(huì)隨磁場(chǎng)方向的周期性變化而產(chǎn)生擺動(dòng)，這種電弧的擺動(dòng)可以增大加熱區(qū)的寬度，減小熔深。若施加磁場(chǎng)為縱向磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向與電弧方向平行)，即平行磁場(chǎng)時(shí)，電弧中帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)[23]，如圖3b所示。若外加磁場(chǎng)為交變橫向磁場(chǎng)時(shí)，電弧會(huì)隨磁場(chǎng)方向的周期性變化而產(chǎn)生擺動(dòng)，這種電弧的擺動(dòng)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(qiáng)度為10 T的軸向磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)時(shí)三維GTA焊接模型，模擬和測(cè)試結(jié)果均表明焊接熔池在磁場(chǎng)作用下具有邊緣較深、中心淺的特征。

圖3 磁場(chǎng)對(duì)電弧形態(tài)的影響[23]：(a)外加垂直磁場(chǎng)(橫向磁場(chǎng))對(duì)電弧的影響，(b)電子在外加平行磁場(chǎng)(縱向磁場(chǎng))的運(yùn)動(dòng)，(c)交變磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)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(chǎng)與控制目標(biāo)間的定量關(guān)系。今后對(duì)電弧焊的研究應(yīng)結(jié)合數(shù)值模擬方法，采用電場(chǎng)-磁場(chǎng)-熱場(chǎng)多物理場(chǎng)耦合關(guān)系，實(shí)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(duì)焊接熔池形狀的影響

在電磁場(chǎng)作用下，焊接過程中金屬熔體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和電弧形態(tài)將會(huì)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(chǎng)還是在縱向磁場(chǎng)作用下，如果磁場(chǎng)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(chǎng)控制CO2激光焊時(shí)發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)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(chǎng)參數(shù)下焊接熔深增加了約13%。Li等[27]研究了電磁攪拌對(duì)Al/Ti電阻點(diǎn)焊組織和力學(xué)性能的影響。與傳統(tǒng)Al/Ti電阻點(diǎn)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(qiáng)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(chǎng)下激光重熔對(duì)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(dòng)速度，有效抑制了表面波動(dòng)，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(chǎng)控制熔池內(nèi)流體的流動(dòng)和傳熱行為，研究表明，在外加磁場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)對(duì)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(chǎng)方向垂直于焊接速度方向時(shí)，焊縫截面形貌由無磁場(chǎng)下的酒杯狀向V形轉(zhuǎn)變。

圖4 在無磁場(chǎng)(a，c)和24 mT磁場(chǎng)(b，d)作用下Al/Ti異種金屬點(diǎn)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(chǎng)下焊接樣品的表面形貌照片，左側(cè)為無磁場(chǎng)區(qū)，右側(cè)為施加磁場(chǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)條件下一般為胞狀晶或胞狀樹枝晶。施加磁場(chǎng)后，在電磁攪拌作用下，熔池中液態(tài)金屬流體快速流動(dòng)，對(duì)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(shí)，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(dòng)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(shì)，進(jìn)一步增加形核率，從而顯著降低晶粒尺寸。同時(shí)，在晶核長(zhǎng)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(duì)焊接缺陷的影響

2.5.1 對(duì)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(shí)，就會(huì)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(zhǎng)大兩個(gè)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(shí)，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(chǎng)后，將會(huì)誘導(dǎo)液態(tài)金屬的流動(dòng)，從而產(chǎn)生附加的流體動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度顯著增加，增加了流體動(dòng)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(jìn)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(dòng)得到加強(qiáng)，微小氣泡相互之間碰撞聚集，逐漸長(zhǎng)大后上浮，最后逸出液體表面。此外，一般來說，磁場(chǎng)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(chǎng)下對(duì)DC51D+AZ鍍鋅鋼和6061鋁合金進(jìn)行異種金屬激光焊接，發(fā)現(xiàn)施加磁場(chǎng)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(zhǎng)，有效提高了焊縫抗拉強(qiáng)度。

2.5.2 對(duì)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(zhǎng)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(shí)，就會(huì)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(shí)，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(chǎng)均勻化分布，改變了晶粒生長(zhǎng)方向，增加了熱裂紋擴(kuò)展的阻力。羅鍵等[37]發(fā)現(xiàn)外加脈沖交變縱向磁場(chǎng)TIG焊接AZ31B鎂合金時(shí)，焊縫熱裂紋明顯減少。Yan等[38]研究縱向磁場(chǎng)作用下激光焊接焊鋼/鋁合金時(shí)，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(qiáng)度顯著提高。

2.5.3 對(duì)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。縮孔的產(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(chǎng)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(chǎng)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(jìn)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(chǎng)作用時(shí)，熔核金屬主要以樹枝晶形式長(zhǎng)大。當(dāng)結(jié)晶過程快結(jié)束、熔合區(qū)液態(tài)金屬很少時(shí)，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(huì)被形成的枝晶分散，使得液態(tài)金屬補(bǔ)充到枝晶縫隙去的驅(qū)動(dòng)力顯著降低。此外，隨著溫度的降低，液態(tài)金屬流動(dòng)的阻力增大，因此焊縫區(qū)形成疏松的可能性進(jìn)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(chǎng)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(diǎn)焊過程中施加磁場(chǎng)，熔融金屬在電磁攪拌力的驅(qū)動(dòng)下，使焊縫中晶粒顯著細(xì)化，同時(shí)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(duì)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(chǎng)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(guó)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(jìn)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(chǎng)輔助激光-MIG復(fù)合焊接的SUS316L不銹鋼的焊縫裂紋擴(kuò)展速率(CGR)降低33%(在3.5%的NaCl溶液中)16 mT磁場(chǎng)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(zhǎng)的焊接時(shí)間可以使磁場(chǎng)影響的效果更有效，但隨著焊接電流的增加，磁場(chǎng)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(chǎng)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(jìn)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(zhǎng)，從而顯著提高了高周疲勞和超高周疲勞試樣的疲勞強(qiáng)度。

3 電磁作用下焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，關(guān)于電磁作用下焊接工藝的研究，使用的電磁場(chǎng)頻率較低、強(qiáng)度較弱，施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度一般為低于0.1 T的穩(wěn)恒磁場(chǎng)，且大多局限在電弧焊領(lǐng)域。隨著對(duì)電磁理論的進(jìn)一步理解，國(guó)內(nèi)外研究人員嘗試將電磁場(chǎng)引入到其他各種焊接工藝中，如電阻焊、激光焊及擴(kuò)散焊等。但是目前對(duì)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(gè)方面展開研究。

3.1 強(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)用于材料加工過程的研究，已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視[45]。強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)細(xì)化晶粒、促進(jìn)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(shí)，施加高頻強(qiáng)磁場(chǎng)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(kuò)散，提高焊縫區(qū)的力學(xué)性能[48]。因此，研究強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)焊接過程的影響具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，關(guān)于磁控焊接過程的研究主要是在較低強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場(chǎng)下進(jìn)行的，對(duì)梯度磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、交流磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計(jì)將顯著影響焊接微觀組織及織構(gòu)。因此，應(yīng)加強(qiáng)較高強(qiáng)度下強(qiáng)磁場(chǎng)、梯度磁場(chǎng)、交流磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)下復(fù)合焊接技術(shù)

磁場(chǎng)下復(fù)合熱源焊接技術(shù)是將物理性質(zhì)和能量傳輸機(jī)制不同的兩種及以上的熱源組合在一起，在磁控條件下進(jìn)行焊接，既可以充分發(fā)揮各自熱源的優(yōu)勢(shì)，又可以彌補(bǔ)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(chǎng)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(chǎng)作用下，熔池的攪拌效應(yīng)可以顯著促進(jìn)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(shí)，磁場(chǎng)對(duì)不銹鋼焊接區(qū)耐點(diǎn)蝕性能有顯著的改善作用，外加磁場(chǎng)焊接通過弱化δ-鐵素體織構(gòu)強(qiáng)度和促進(jìn)均勻骨架形貌的生長(zhǎng)，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(kuò)散比較均勻，顯著提高了焊縫區(qū)點(diǎn)蝕抗力，降低了鈍化電流密度，提高了點(diǎn)蝕電位，從而顯著改善了奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)的點(diǎn)蝕性能[50]。

因此，采用復(fù)合熱源對(duì)材料進(jìn)行焊接時(shí)，結(jié)合不同焊接熱源的優(yōu)勢(shì)，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(duì)磁場(chǎng)下焊接技術(shù)的研究比較單一，對(duì)磁場(chǎng)下復(fù)合焊接技術(shù)的研究比較少，不同磁場(chǎng)下熱源相互作用機(jī)理也有待深入研究。

3.3 磁場(chǎng)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(duì)焊接接頭進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r(shí)效熱處理可以釋放焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，促進(jìn)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)，從而影響焊接接頭的力學(xué)性能。綦秀玲等[55]對(duì)5 mm厚的AZ91鎂板進(jìn)行外加縱向交流磁場(chǎng)鎢極氬弧焊，并在焊后在磁場(chǎng)下對(duì)其進(jìn)行熱處理，結(jié)果表明，磁場(chǎng)作用下的AZ91鎂合金焊接接頭比未施加磁場(chǎng)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(chǎng)獲得的焊接接頭比未加磁場(chǎng)的焊接接頭熱處理后硬度更高。

目前，磁場(chǎng)下熱處理技術(shù)主要針對(duì)的凝固連鑄件的研究，而對(duì)磁場(chǎng)下焊接接頭熱處理工藝及機(jī)理的研究非常少。磁控焊后熱處理具有操作簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，同時(shí)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(qiáng)磁控焊接和磁控?zé)崽幚韺?duì)焊接接頭的微觀組織及綜合性能影響機(jī)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(chǎng)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(jìn)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(jìn)行分析，而對(duì)熱電磁效應(yīng)、磁場(chǎng)能、磁化力對(duì)焊接凝固過程以及磁場(chǎng)下焊后熱處理的影響機(jī)理的研究還不夠深入。加強(qiáng)研究梯度磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、交變磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)及強(qiáng)磁場(chǎng)特別是10 T以上超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)(應(yīng)變場(chǎng))多物理場(chǎng)耦合關(guān)系影響焊接過程的機(jī)制，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低成本、高效、高附加值的磁控焊接技術(shù)，對(duì)我國(guó)工業(yè)強(qiáng)國(guó)特別是國(guó)防軍事工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義和戰(zhàn)略意義。