磁场对焊接的作用.docx

第1章绪论

1.1外加磁场的概述

近年来，伴随着材料科学与工程技术的发展，现代结构材料对焊接质量的要求越来越高，相应的各种新焊接工艺不断涌现，以满足现代结构材料的焊接要求，在电弧焊接过程中引入磁场控制就是满足这种需要的正在发展的先进焊接技术。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，之所以能够采取外加磁场的方法，是因为电弧等离子具有良好的导电性，可以通过外加磁场的方法来改变电弧的形状和位置或者是控制电弧的运动。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。

通常外加磁场可以分为三类，即：外加横向磁场、外加纵向磁场、外加尖角磁场。本课题所采用的是外加纵向磁场，即外加磁场方向与电极方向同轴或与电极方向平行。

近年来，电磁作用电弧焊技术得到了极大的发展，应用日益广泛。在CO2焊时，利用外加纵向磁场可以促使焊接电弧旋转并改变焊接电弧等离子流力和电流密度的径向分布，使焊缝金属的一次结晶组织得到细化，减小化学不均匀性，降低飞溅，提高焊缝金属的塑性和韧性，降低结晶裂纹和气孔的敏感性，从而提高焊缝金属的性能，全面改善焊接接头的质量。在航空、航天、冶金、机械等部门具有广阔的应用前景和巨大的实用价值⑴。

我们知道晶粒形态及尺寸受形核率和过冷度的影响，在外加纵向磁场的作用下，焊缝金属的一次结晶组织之所以能够得到细化，是因为在有外加纵向磁场的作用下，电磁搅拌通过三个方面增加了形核率：（1）熔池尾部的枝晶碎片；（2）熔池边沿半熔化晶粒的分离；（3）异质形核粒子。形成晶核后，在长大过程中，电磁搅拌作用改变了熔池形状，熔池液态金属随着电弧作螺旋运动，使得焊接熔池的温度变得相对均衡；同时，随着熔池金属搅拌速度的增加，改变了传热方向，扩散过程加快。这样，枝晶晶粒沿着最大散热方向生长的时间很短，从而减少了晶粒尺寸。因此，在一定范围内的磁场强度的作用下有助于晶粒细化，但当磁场强度高于其临界值时，则在熔体内产生热阻尼现象，电磁阻尼将会抑制熔体的自然对流，从而抑制热量的对流传导，使温度起伏减少，晶粒变得粗大，起不到细化晶粒的效果⑵。

在外加纵向磁场的作用下焊接质量之所以能够得到全面的提高是因为在外加纵向磁场的作用下电弧形状发生了改变，从而影响焊接电弧对工件的能量输入，导致熔池形状产生直接的影响。在纵向磁场的作用下，电弧中的带电粒子在等离子流力、洛仑兹力、热扩张力等力的联合作用下，产生螺旋式高速旋转，同时弧柱中气体粒子之间的粘滞力，使得带电粒子的高速旋转必将带动中性粒子旋转，外加磁场的电弧形状成为高速旋转的钟罩形，这时电弧扩张，电流密度在整个电弧径向呈双峰状分布，于是熔宽增大，电弧中心能量密度降低，熔深减小，堆高增加［3］。

但是外加纵向磁场的磁场强度也必须在一个适当的范围内，近年来通过许多研究人员的研究表明，选择适当的磁场强度，通过电磁搅拌的作用可以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，减少偏析，提高焊缝的力学性能，但当磁场强度过大时，电磁搅拌效果变差，降低焊缝质量，因此外加磁场必须在一个适当的范围内。

1.2国内外研究概况及发展趋势

长期以来，焊接工作者针对磁场对电弧的作用进行了不懈的研究。1962年Brown等人最先在不锈钢、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⑷；1971年Tseng和Savage第一个深入研究了在TIG焊焊时电磁搅拌对微观组织和性能的影响⑸；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。

在20世纪七八十年代，国外的学者对磁场与电弧的相互作用进行了比较多的研究，如前苏联的基辅大学研究了纵向磁场作用下的薄板脉冲TIG焊焊接的熔池流动和细化晶粒规律，通过电场和磁场的相互作用控制熔池的凝固和结晶过程⑹；巴顿焊接研究所研究了低压等离子体在磁场中的收缩特性；英国利物浦大学的研究结果表明在磁场作用下电弧的旋转速度可以大大增加；德国汉诺威大学研究了磁场作用的焊接电弧行为与焊丝熔滴过渡的形成过程，指出各种形式的纵向磁场（直流、交流、脉冲）对MAG焊焊接工艺的不同影响［矶

在1980年以前，国内研究者很少进行电弧焊过程外加纵向磁场作用机理的研究工作，20世纪八九十年代后，国内的学者对磁场在焊接过