外加磁场作用下焊接方法的研究进展

谢岳良，史传伟，张元彬，王庭庭

（山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南250100）

0 前言

近年来我国钢铁产量位于全球首位，60%以上的钢材需要经过焊接加工制成产品。作为我国制造业的基础环节，焊接生产质量和效率的提高对于推动我国制造业发展意义重大。国家“十二五规划”和“中国制造2025”都提出了钢铁业要从追求生产规模转向追求产品质量，寻求节能减排、高效优质的新型焊接技术从而获得高质量、高性能的焊接产品已成为热门问题。电弧等离子体中带电粒子在磁场作用下受到的洛伦兹力能够改变电弧等离子体的受力状态，影响电弧行为、熔滴过渡和熔池中熔融金属的流动，进而影响焊缝成形和接头质量，目前针对外加磁场作用下的焊接方法研究已成为热点。

1 外加磁场对焊接电弧行为的作用规律

焊接电弧在自身电场、磁场和流场的耦合作用下表现出一定的形态、温度、热量以及速度分布。外加磁场的介入会对电弧原始磁场的磁感应强度和分布产生影响。K.Hartz-Behrend[1]对外加纵向磁场下螺栓电弧焊电弧等离子体中的带电粒子进行受力分析，结合动能定理、电磁场及流场理论建立数学模型进行推导，发现电弧等离子中带电粒子的运动速度与励磁电流，即磁感应强度成正比。

Biranchi.Narayan.Panda[2]研究横向磁场下对接焊的电弧行为，加载横向磁场后，电弧等离子体中带电粒子产生高速的螺旋运动，结合流体力学分析，带电粒子在高速旋转过程中带动电弧中未电离的中性粒子旋转，优化焊缝成形。ZhangXun[3]使用永久铁磁体作为磁场源研究外加纵向磁场下激光-MIG复合焊的电弧行为，结合带电粒子在磁场中的运动规律对电弧等离子体中带电粒子进行受力分析，如图1所示，随着磁感应强度的增加，激光诱导等离子体对电弧等离子体的吸引力与离心力的合力大于洛伦兹力，使弧根扩散，耦合作用得到了加强，电弧更加稳定，有利于焊缝成形。

图1 纵向磁场下激光-MAG复合焊电弧粒子受力分析

磁场的加入会对电弧温度场和压力场产生影响。肖磊[4]联立质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及麦克斯韦方程组建立有限元数学模型，研究TIG焊在纵向磁场下的电弧压力场和温度场分布，结果表明在外界纵向磁场的作用下阳极表面的压力场呈现出双峰分布，电弧温度场更为集中并在底部形成低温区，原因是电弧等离子体在纵向磁场中受到径向洛伦兹力的作用，电弧被压缩，在离心力的作用下弧根扩张，弧形变为空心钟罩型。WangJianfeng[5]对横向磁场下TIG焊电弧等离子体进行受力分析，分析电弧在磁场中发生偏转，并随感应磁场强度的增加有向上运动的趋势。江学国[6]结合磁矢量方程、麦克斯韦方程组以及流体力学方程组研究外加纵向磁场对TIG焊电弧行为的影响，得到电弧的温度分布，结果表明外加纵向磁场增大了焊接热影响范围。Luo Jian[7]分析了激光-TIG复合焊过程中电弧等离子的受力情况，发现阳极电弧压力随着感应磁场强度的增加而增加。Sun Qingjie[8]提出一种双磁极的磁弧震荡系统，比单磁极的磁通密度更高、磁场分布更加均匀，并依此分析电弧电压在焊接过程中的行为，发现磁弧震荡会引起电弧长度的变化，周期性影响电弧电压和电流。

2 外加磁场对于熔滴过渡行为的影响

外加磁场改变了电弧周围的磁场分布、电弧形状、能量密度以及焊丝的熔化速率等，必然会影响熔滴尺寸和过渡频率[9]。液桥爆断是焊接过程中熔滴过渡的一种重要形式，若爆断发生在液桥的缩颈阶段就会产生较大的飞溅。

在外加磁场的作用下，液桥会加速断裂，提高熔滴过渡频率，减少熔滴过渡期间飞溅的产生。华爱兵[10]使用一种新型内置分体式导磁铁心（兼做气体喷嘴用）的螺旋管代替传统电磁线圈（见图2a），研究纵向磁场对MAG焊熔滴过渡的影响，结合MAG焊熔滴过渡在磁场中的受力情况（见图2b），发现促进熔滴过渡的驱动力由等离子流力变为离心力和电磁收缩力的合力。

ZhangXun[11]对外加纵向磁场下的熔滴进行受力分析，发现随着磁感应强度的增加，电磁力和等离子拖拽力的合力增加，表面张力对熔滴过渡的影响减弱，熔滴过渡频率增加。在短路过渡GMAW焊中，熔滴的过渡频率对焊缝成形影响较大。Chang Yunlong[12]研究纵向高低频磁场下GMAW焊中的熔滴过渡行为，结合模拟计算分析表明在不同的磁场频率下，熔滴过渡都随着磁场感应强度的增大而增大，短路时间减小，飞溅减小。常云龙[13]对纵向间歇交变磁场作用下熔滴短路过渡进行实验，由于熔滴过渡时液桥中有电流通过，在纵向磁场的作用下受到垂直于液桥的洛伦兹力，会拖拽液桥加速断开，增加熔滴过渡频率并减小飞溅。

图2 一种新型内置分体式导磁铁心螺旋管代替传统线圈

3 外加磁场对于熔池的影响

在焊接过程中，电弧和熔滴对熔池有冲击作用，导致熔池前部凹陷，熔滴的动量不能完全被熔融金属层吸收，会冲击熔池尾部，使熔池金属向后流动，导致液态金属在熔池中向后高速流动，影响焊缝成形和焊接质量。

柏兴旺[14]结合动量能量守恒定理及Marangoni效应研究单侧高频磁场下的熔池流场，发现在外加高频磁场作用下，熔池流场由双涡流对流模式变为单涡流对流模式，流体速度增加。熔池中高速流动的熔融金属对熔池产生搅拌，冲刷正在生长的晶粒，使其破碎，起到细化晶粒的作用，同时熔池内的温度梯度降低，促使柱状晶向等轴晶转变，提高焊缝强度[15]。岳建峰[16]提出了一种新型励磁装置，如图3所示，基于此研究外加交变高频磁场下MAG焊的熔池行为，发现由涡流场与高频磁场相互作用产生的电涡流力影响熔池中熔融金属的流动。L.Wang[17]对焊接电流进入熔池后液态金属的流动行为进行研究，分析其受力情况，发现外加磁场能够减少电弧力和熔滴对熔池向后冲击的作用，促进熔池对电弧力和熔滴冲击的吸收，有效减少高速GMAW焊的驼峰缺陷。张新[18]对磁控电弧技术中影响磁场分布形态的因素进行有限元模拟计算，发现励磁电流的大小不影响磁场分布形态，工件会产生一定强度的磁场，从而影响金属熔池形态。

4 外加磁场对于焊缝组织性能的影响

磁场的加入能够有效抑制焊缝中的各类缺陷。磁场对于熔池的电磁搅拌作用能够使焊缝金属中的柱状晶转变为更为细小的球状等轴晶，提高焊缝的强度、塑韧性，降低焊缝热裂纹的产生几率。戴志勇[19]发现在纵向交变磁场与熔池中的感应电流相互作用产生的电磁感应现象使熔池内熔融金属产生剧烈对流，阻碍树枝晶生长，细化了晶粒组织。

Yamanaka Kimihiro[20]发现在焊缝金属凝固初期，晶体取向在外部磁场的作用下向着易磁化的方向对齐。Salazar.M[21]研究纵向磁场下GMAW管道焊接，通过对焊缝微观组织的观察，发现在不锈钢焊接过程中引入磁场可以增加焊缝组织中奥氏体的含量，降低σ相含量，降低氢致裂纹敏感性，提高焊缝耐蚀性。D.G.Nosov[22]研究感应磁场对接头硬度和耐磨性影响，发现随着磁场频率的增加，焊缝区的表面硬度与耐磨性会相应地增加。王生花[23]应用流体力学、电磁感应原理、磁流体中的马特曼效应、马兰戈尼效应以及Lenov-Kolin理论建立了数学模型，研究发现随着感应磁场强度的增加，焊缝中的孔隙率急剧减小。Q.J.Sun[24]在CMT焊中引入纵向辅助磁场研究Al、Ti异种金属焊接，发现在磁场的作用下焊接接头金属流动性和润湿性增强，界面共晶化合物中脆性Al-Ti二元相减少，焊缝抗拉强度提高。Rong Chen[25]通过背散射电子衍射观察激光-MIG复合焊焊缝微观组织的晶粒图，发现铁素体含量随着感应磁场强度的增加而降低，增加了焊缝在低温（-40℃）下的冲击韧性。

图3 MAG新型励磁装置示意

5 结论

外加磁场会导致电弧行为发生显著改变，从而影响熔滴过渡以及熔池形成过程，最终影响焊缝成形和接头质量。在焊接过程中引入外加磁场能够在一定程度上减少焊接缺陷，优化焊缝成形。

（1）电弧等离子体中的带电粒子在磁场中运动受到洛伦兹力作用，结合离心力和等离子流力改变电弧形状，使电弧压力场和温度场产生明显的变化。

（2）作用于液桥的洛伦兹力能够拖拽液桥促进熔滴脱离焊丝，提高熔滴过渡频率，减少飞溅。

（3）熔池中的熔融金属能够在外加磁场的作用下高速流动，阻碍树枝晶的生成，细化晶粒并减少电弧和熔滴对熔池的冲击。

（4）焊缝晶体的取向能够在外加磁场的作用下趋于一致，提高焊缝的力学性能，增加焊缝的强度和耐蚀性，并有效减少气孔等缺陷的产生。

[1]K.Hartz-Behrend，J.L.Marqués，G.Forster，etal.Stud arc welding in amagnetic field-Investigation of the influences on the arcmotion[J].Journalof Physics：Conference Series，2014（1）：550.

[2]BiranchiNarayan Panda，SArungalaiVendan，AkhilGarg.Experimental-and numerical-based studies formagnetically impelled arc buttwelding of T11 chromium alloy tubes[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017，88（9-12）：3499-3506.

[3]Zhang Xun，Zhao Zeyang，Wang Chunming，etal.The effect of external longitudinal magnetic field on laser-MIG hybrid welding[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2016，85（5-8）：1735-1743.

[4]肖磊，樊丁，黄健康，等.外加高频纵向磁场作用下的TIG焊电弧数值模拟[J].焊接学报，2017，38（2）：66-70.

[5]Wang Jianfeng，Sun Qingjie，Feng Jicai，et al.Characteristics ofwelding and arc pressure in TIGnarrow gapwelding using novelmagnetic arc oscillation[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017，90（1-4）：413-420.

[6]江国学，王小平，姜韬.基于流体动力学的外加磁场对焊接电弧运动行为的仿真分析[J].电焊机，2015，45（4）：21-25.

[7]Luo Jian，Yao Zongxiang，Xue Keliang.Anti-gravity gradient unique arc behavior in the longitudinal electricmagnetic field hybrid tungsten inert gas arc welding[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2016，84（1-4）：647-661.

[8]Sun Qingjie，Wang Jianfeng，Cai Chunwei，et al.Optimization ofmagnetic arc oscillation system by using double magnetic pole to TIG narrow gap welding[J].International Journalof Advanced Manufacturing Technology，2016，86（1-4）：761-767.

[9]Hong Wu，Yunlong Chang，Lin Lu，etal.Review onmagneticallycontrolledarcweldingprocess[J].InternationalJournalofAdvanced Manufacturing Technology，2017（2）：1-11.

[10]华爱兵，殷树言，陈树君，等.纵向磁场对MAG焊电弧及熔滴过渡的控制作用[J].机械工程学报，2010，46（14）：95-100.

[11]Zhang Xun，Zhao Zeyang，MiGaoyang，etal.Effectof external longitudinalmagnetic field on arc plasma characteristicsand droplettransferduring laser-MIG hybrid welding[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017（5）：1-11.

[12]Chang YunLong，Liu XiaoLong，Lu Lin，et al.Impacts of external longitudinalmagnetic field on arc plasma and droplet during short-circuit GMAW[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2014，70（9-12）：1543-1553.

[13]常云龙，刘明旭，路林，等.外加纵向磁场对短路电弧与熔滴过渡的作用[J].焊接技术，2015，44（5）：23-27.

[14]柏兴旺，张海鸥，周祥曼，等.外加高频磁场下电弧快速成型过程的电磁-流体耦合数值模拟[J].机械工程学报，2016，52（4）：60-66.

[15]Nikzad Siamak，AshuriHossein，Kokab AmirHossein Newly，etal.Developed Technique to Eliminate HotCrackingwith Electromagnetic Vibration for Joining of 2024 Aluminum Alloy[J].Metallography，Microstructure and Analysis，2016，5（1）：7-15.

[16]岳建锋，李亮，刘文吉，等.基于外加高频交变磁场下向MAG焊熔池成型控制[J].机械工程学报，2013，49（8）：65-70.

[17]Wang L，Wu C S，Gao JQ.Suppression of humping bead in high speed GMAW with externalmagnetic field[J].Science and Technology ofWelding and Joining，2016，21（2）：131-139.

[18]张新，王振民，李远茂，等.纵向磁场在磁控电弧技术中的应用研究[J].电焊机，2013，43（12）：38-42.

[19]戴志勇，杜春燕.电磁搅拌MAG焊接技术对细晶钢焊缝组织性能的影响[J].热加工工艺，2017，46（9）：89-92.

[20]Yamanaka Kimihiro，Nishikawa Hiroshi，TaguchiHirohisa，etal.Effectofmagnetic flux density on Sn crystallographic orientation in a solder joint system[J].Journal of Materials Science：Materials in Electronics，2016，27（4）：3710-3714.[21]SalazarM，García R，López V H，etal.ImprovementofUNS S32205 DuplexWelds by GMAW and Controlled Magnetic Field for Offshore Pipelines and Flowlines Applications[J].Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2017，139（5）：[页码不详].

[22]Nosov DG，Peremitko V V，Barashkin M H.Effectof Some OverlayWeldingRegimeWithLongitudinalMagneticFieldon Hardness，Phase Composition And Welded LayerWear By ArcMethodWith FluxMetalWire[J].IOPConferenceSeries：MaterialsScienceand Engineering，2016，142（1）：012006.

[23]王升花.电磁熔池自动控制激光束焊接工艺及仿真[J].电焊机，2015，45（11）：14-20.

[24]Sun Q J，Li JZ，Liu Y B，et al.Microstructural characterization and mechanical properties of Al/Ti jointwelded by CMTmethod—Assisted hybrid magnetic field[J].Materials and Design，2017（116）：316-324.

[25]Rong Chen，Ping Jiang，Xinyu Shao，etal.Improvementof low-temperature impact toughness for 304 weld joint producedby laser-MIGhybridweldingundermagnetic field[J].JournalofMaterialsProcessing Tech.，2017（247）：306-314.