磁场方向在电磁场搅拌增强的激光送丝焊接中的作用

江苏激光联盟导读：

应用电磁搅拌技术形成的交变磁场可以提高金属在激光送丝焊接中的混合。然而，参数的选择使得工艺参数的优化变得更加困难。在当前的研究中，除了常用的磁感应强度（magnetic flux density）和频率之外，磁场方向（磁场角度）对填充金属的影响也进行了实验研究和数值模拟。

非原位的X射线荧光光谱仪用来对最终的焊接接头进行了图像化测量。一个三维的瞬时多物理场模型用来揭示其深度的物理现象，在分析时考虑了传热，流体流动，匙孔动力学，元素的传输和电磁流体动力学（magnetohydrodynamics）之间的耦合。激光能量在匙孔壁处的空间分布采用光线跟踪算法进行了计算。结果显示同横向方向呈现小角度的磁场可以提供较好的穿透能力，并且它的搅拌效应可以抵达熔池的底部。因此，小的磁场角度可以产生更好的金属混合。一个固定的向下的流速在熔池底部形成，此时的磁场施加的角度为10°。此时填充金属可以抵达到根部。当磁场施加的角度达到 40°的时候，向下的流速变化变成固定的向上的流动，造成填充金属在上部区域的集中。这一研究为理解电磁增强的激光焊接提供了深入的理解，从而可以为优化参数来获得性能的均匀性或避免产生潜在的缺陷提供了指导。

图1. 施加磁场进行激光填丝焊接时的系统：(a) 实验装置, (b) 磁场方向施加时的图

激光焊接（LBW）的穿透深度比较深，在越来越多的工业领域中由于激光功率高和光束质量好，得到了更加广泛的应用。然而，典型的自生激光焊接仍然面临着许多限制，如由于激光光斑小而导致焊接间隙的要求非常严格，以及由于元素蒸发造成的主要合金元素的损失等。

图2. 实验测量得到的外部施加的磁场图

这些限制目前被一个改性的激光焊接技术，称之为送丝激光焊接技术进行了改进，在这一技术中，送进的丝材采用激光束进行熔化然后输送到熔池中。间隙的搭桥能力可以显著的通过熔化的填充金属来提高。此外，适合的合金元素可以添加到熔池中来控制冶金行为。然而，据报道，由于熔池陡峭的形状和高的冷却速率造成了不充分的金属混合。非均匀的元素分布会损伤材料的机械性能和冶金性能，或者甚至造成缺陷，如激光焊接铝合金时所造成的热裂纹。

▲图3. 焊接截面的模拟和实验得到的结果：(a)参考案例 ；(b)磁场角度为 10° 的时候的结果；(c) 磁场角度为 20°的时候的结果, (d) 磁场角度为 40° 的研究结果

在最近的几十年里，人们将更多的关注投放到应用电磁场来提高传统的激光焊接技术的效果上来。在施加外部磁场的时候，会在导电的熔池中产生一个涡流。这一涡流和磁场本身会产生一个体积洛伦兹力。

▲图4. 诱导的涡流产生的矢量场：(a)磁场角度为 10° 的时候的结果；(b) 磁场角度为 20°的时候的结果, (c) 磁场角度为 40° 的研究结果

激光焊接的过程中施加外部电磁场的一个有利的效应曾经被Kern所报道，此时的熔池比较稳定，抑制了在高速焊接过程中的驼峰效应。Avilov等人和Xu等人提出了一个横向交变的磁场施加到工件的底部来提供一个有效的支撑来应对在完全穿透焊接20mm厚度的钢板或厚度为10mm的Al板时的金属静压力。相似的研究成果在完全穿透焊接Al合金时采用一个稳定的磁场（200mT）时给予了报道。在Fritzsche 等人的报道中，横向交变的磁场在千赫兹范围内进行施加时，进行部分穿透铝合金的激光焊接。降低了超过70%的气孔率，与此同时，可以观察到表面的稳定性得到提高。

▲图5. 在横截面处Ni的分布（wt%）：(a) XRF 测量结果；(b) 数值模拟结果

同时曾经有实验证明，磁场可以用来提高激光焊接过程中填充金属的混合效果。Gatzen施加一个低频率的同轴交变磁场（低于25Hz）施加到激光焊接铝合金的熔池中。自填充金属中的Si会显著的通过电磁搅拌在熔池中均匀化。在复合激光-电弧焊接中，甚至是熔化的填充金属也可以加速进入以更加高的向下速率自气体电弧中分离，填充金属仍然集中在焊接的上部。Üstündağ等人发现在激光-电弧复合焊接中碳钢的时候，金属的混合在施加交变磁场后得到放射性的提高。在作者早先的研究中，横向的交变磁场在焊接奥氏体不锈钢时施加在工件的顶部。额外的元素在洛伦兹力的向下作用下转移到熔池的根部，混合较好的区域的深度几乎得到加倍。

除了以上提到的宏观的有益的效应之外，焊峰的显微组织也可以通过施加外部磁场得到改善。在Xu和Meng等人的研究中，激光焊接钢或铝合金的时候，其焊缝的晶粒在经过洛伦兹力的机械搅拌后得到细化。与此同时，微观的凝固裂纹的敏感性也得到了降低。稳态的磁场也发现对晶粒细化有帮助，这是因为热电磁的对流效应造成的。Yan等人发现激光焊接钢和铝合金时的脆性金属间化合物的生成也会在稳定的磁场作用下得到抑制。元素的扩散得到减轻，更多的富集Fe的金属间化合物在截面形成。

▲图6. 熔池的温度场和速度场：(a) 和 (b) 参考案例, (c) 和(d) for 磁场角度为 10°, (e) 和 (f) 磁场角度为 20° , (g) 和 (h) 施加的磁场角度为 40°

尽管许多实验在施加外部磁场的时候成功的用来提高了激光焊接的效果，只有少量的实验研究是针对在磁场作用下激光焊接熔池的行为的研究，如金属/气体的观察和原位X射线的测量等。这部分是因为对熔池的直接测量存在困难，因为熔池是不透明的并且熔池被亮的气体羽毛所覆盖。此外，高度非线性和多个耦合的交互作用存在于熔池和磁场之间，使得量化分析变得更加困难。

为了提供在施加外部磁场时激光焊接的物理现象的更加深入的理解，一些模型用来进行帮助分析模拟，其中多物理场耦合针对热流体和磁场，称之为磁流体力学（ magnetohydrodynamics (MHD），开始被加以考虑。以一个3D稳态的CFD模型和固定的匙孔形状被发展出来进行施加磁场的自生激光焊接。稳态和交变磁场对激光焊接非磁性材料，如Al和奥氏体不锈钢的熔池行为进行了研究。后来，进一步的改善材料的模型来计算铁磁性的双相不锈钢过程中的熔体的热流体模型。Chen等人利用数值模拟来研究了稳态磁场的方向对激光焊接铝合金的熔池动力学进行了研究。这一模型的复杂性，用来研究诱导的热电流和热电磁效应。然而，在这些模拟中，匙孔保留为预设的形态，忽视了波动的匙孔的影响。最近，自相容的多物理场模型用来考虑动态的匙孔来计算在稳态的磁场作用下激光焊接的熔池的行为和热电流。

Gatzen 等人曾经尝试揭示采用同轴磁场时的激光焊接对金属混合增强的影响的数值模拟。计算结果表明周期性的EMS在熔池中可以显著的对熔池的流动模型和决定最终的元素分布。然而，匙孔形貌在本研究中通过固定不变的方式进行了简化。在作者的最近的研究工作中，一个更加综合的多物理场模型发展起来用于电磁搅拌增强激光焊接时送丝的效果。此时的传热，流体流动，元素的传输，匙孔动力学和磁流体力学等均给予自恰性考虑。熔池的行为在有无磁场时进行了详细的比较以获得磁场对熔池的有利影响的直觉方面的解释。

考虑到许多参数在这一新的技术中均被引入进来，参数的优化选择就变得更加具有挑战性。除了常见的磁流密度和频率外，文章对参数中磁场方向（磁场角度）的影响对于激光焊接时填充材料的传输的作用采用数值模拟和基础实验进行了研究。电磁现象，如涡流和洛伦兹力，结合热流体流动，匙孔动力学和元素的传输采用3D瞬时多物理场模型进行了计算。模型在经过实验验证后非常吻合，元素的测量采用X射线荧光光谱（XRF）技术进行了测量。不同的熔池动力学在不同的磁场方向下的作用均进行了比较和分析。

实验采用304不锈钢和 NiCr20Mo15 合金作为基材和填充材料。基材的尺寸为200 mm × 60 mm × 10 mm ，填充材料的直径为1.2mm。基材和填充材料具有不同的Ni含量，所以测量Ni含量来表征熔池中金属混合的结果。

▲图7. 在焊接速度为0.4 m/min 和0.8 m/min的时候，施加静止磁场激光焊接10mm厚度的AISI304不锈钢的结果

▲图8. 在焊接速度为0.4 m/min.的时候焊接厚度为15mm的AISI304不锈钢的研究结果，磁场为静止的

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