磁場方向在電磁場攪拌增強的激光送絲焊接中的作用

江蘇激光聯盟導讀：

應用電磁攪拌技術形成的交變磁場可以提高金屬在激光送絲焊接中的混合。然而，參數的選擇使得工藝參數的優化變得更加困難。在當前的研究中，除了常用的磁感應強度（magnetic flux density）和頻率之外，磁場方向（磁場角度）對填充金屬的影響也進行了實驗研究和數值模擬。

非原位的X射線熒光光譜儀用來對最終的焊接接頭進行了圖像化測量。一個三維的瞬時多物理場模型用來揭示其深度的物理現象，在分析時考慮了傳熱，流體流動，匙孔動力學，元素的傳輸和電磁流體動力學（magnetohydrodynamics）之間的耦合。激光能量在匙孔壁處的空間分佈採用光線跟蹤算法進行了計算。結果顯示同橫向方向呈現小角度的磁場可以提供較好的穿透能力，並且它的攪拌效應可以抵達熔池的底部。因此，小的磁場角度可以產生更好的金屬混合。一個固定的向下的流速在熔池底部形成，此時的磁場施加的角度爲10°。此時填充金屬可以抵達到根部。當磁場施加的角度達到 40°的時候，向下的流速變化變成固定的向上的流動，造成填充金屬在上部區域的集中。這一研究爲理解電磁增強的激光焊接提供了深入的理解，從而可以爲優化參數來獲得性能的均勻性或避免產生潛在的缺陷提供了指導。

圖1. 施加磁場進行激光填絲焊接時的系統：(a) 實驗裝置, (b) 磁場方向施加時的圖

激光焊接（LBW）的穿透深度比較深，在越來越多的工業領域中由於激光功率高和光束質量好，得到了更加廣泛的應用。然而，典型的自生激光焊接仍然面臨着許多限制，如由於激光光斑小而導致焊接間隙的要求非常嚴格，以及由於元素蒸發造成的主要合金元素的損失等。

圖2. 實驗測量得到的外部施加的磁場圖

這些限制目前被一個改性的激光焊接技術，稱之爲送絲激光焊接技術進行了改進，在這一技術中，送進的絲材採用激光束進行熔化然後輸送到熔池中。間隙的搭橋能力可以顯著的通過熔化的填充金屬來提高。此外，適合的合金元素可以添加到熔池中來控制冶金行爲。然而，據報道，由於熔池陡峭的形狀和高的冷卻速率造成了不充分的金屬混合。非均勻的元素分佈會損傷材料的機械性能和冶金性能，或者甚至造成缺陷，如激光焊接鋁合金時所造成的熱裂紋。

▲圖3. 焊接截面的模擬和實驗得到的結果：(a)參考案例 ；(b)磁場角度爲 10° 的時候的結果；(c) 磁場角度爲 20°的時候的結果, (d) 磁場角度爲 40° 的研究結果

在最近的幾十年裡，人們將更多的關注投放到應用電磁場來提高傳統的激光焊接技術的效果上來。在施加外部磁場的時候，會在導電的熔池中產生一個渦流。這一渦流和磁場本身會產生一個體積洛倫茲力。

▲圖4. 誘導的渦流產生的矢量場：(a)磁場角度爲 10° 的時候的結果；(b) 磁場角度爲 20°的時候的結果, (c) 磁場角度爲 40° 的研究結果

激光焊接的過程中施加外部電磁場的一個有利的效應曾經被Kern所報道，此時的熔池比較穩定，抑制了在高速焊接過程中的駝峰效應。Avilov等人和Xu等人提出了一個橫向交變的磁場施加到工件的底部來提供一個有效的支撐來應對在完全穿透焊接20mm厚度的鋼板或厚度爲10mm的Al板時的金屬靜壓力。相似的研究成果在完全穿透焊接Al合金時採用一個穩定的磁場（200mT）時給予了報道。在Fritzsche 等人的報道中，橫向交變的磁場在千赫茲範圍內進行施加時，進行部分穿透鋁合金的激光焊接。降低了超過70%的氣孔率，與此同時，可以觀察到表面的穩定性得到提高。

▲圖5. 在橫截面處Ni的分佈（wt%）：(a) XRF 測量結果；(b) 數值模擬結果

同時曾經有實驗證明，磁場可以用來提高激光焊接過程中填充金屬的混合效果。Gatzen施加一個低頻率的同軸交變磁場（低於25Hz）施加到激光焊接鋁合金的熔池中。自填充金屬中的Si會顯著的通過電磁攪拌在熔池中均勻化。在複合激光-電弧焊接中，甚至是熔化的填充金屬也可以加速進入以更加高的向下速率自氣體電弧中分離，填充金屬仍然集中在焊接的上部。Üstündağ等人發現在激光-電弧複合焊接中碳鋼的時候，金屬的混合在施加交變磁場後得到放射性的提高。在作者早先的研究中，橫向的交變磁場在焊接奧氏體不鏽鋼時施加在工件的頂部。額外的元素在洛倫茲力的向下作用下轉移到熔池的根部，混合較好的區域的深度幾乎得到加倍。

除了以上提到的宏觀的有益的效應之外，焊峰的顯微組織也可以通過施加外部磁場得到改善。在Xu和Meng等人的研究中，激光焊接鋼或鋁合金的時候，其焊縫的晶粒在經過洛倫茲力的機械攪拌後得到細化。與此同時，微觀的凝固裂紋的敏感性也得到了降低。穩態的磁場也發現對晶粒細化有幫助，這是因爲熱電磁的對流效應造成的。Yan等人發現激光焊接鋼和鋁合金時的脆性金屬間化合物的生成也會在穩定的磁場作用下得到抑制。元素的擴散得到減輕，更多的富集Fe的金屬間化合物在截面形成。

▲圖6. 熔池的溫度場和速度場：(a) 和 (b) 參考案例, (c) 和(d) for 磁場角度爲 10°, (e) 和 (f) 磁場角度爲 20° , (g) 和 (h) 施加的磁場角度爲 40°

儘管許多實驗在施加外部磁場的時候成功的用來提高了激光焊接的效果，只有少量的實驗研究是針對在磁場作用下激光焊接熔池的行爲的研究，如金屬/氣體的觀察和原位X射線的測量等。這部分是因爲對熔池的直接測量存在困難，因爲熔池是不透明的並且熔池被亮的氣體羽毛所覆蓋。此外，高度非線性和多個耦合的交互作用存在於熔池和磁場之間，使得量化分析變得更加困難。

爲了提供在施加外部磁場時激光焊接的物理現象的更加深入的理解，一些模型用來進行幫助分析模擬，其中多物理場耦合針對熱流體和磁場，稱之爲磁流體力學（ magnetohydrodynamics (MHD），開始被加以考慮。以一個3D穩態的CFD模型和固定的匙孔形狀被髮展出來進行施加磁場的自生激光焊接。穩態和交變磁場對激光焊接非磁性材料，如Al和奧氏體不鏽鋼的熔池行爲進行了研究。後來，進一步的改善材料的模型來計算鐵磁性的雙相不鏽鋼過程中的熔體的熱流體模型。Chen等人利用數值模擬來研究了穩態磁場的方向對激光焊接鋁合金的熔池動力學進行了研究。這一模型的複雜性，用來研究誘導的熱電流和熱電磁效應。然而，在這些模擬中，匙孔保留爲預設的形態，忽視了波動的匙孔的影響。最近，自相容的多物理場模型用來考慮動態的匙孔來計算在穩態的磁場作用下激光焊接的熔池的行爲和熱電流。

Gatzen 等人曾經嘗試揭示採用同軸磁場時的激光焊接對金屬混合增強的影響的數值模擬。計算結果表明週期性的EMS在熔池中可以顯著的對熔池的流動模型和決定最終的元素分佈。然而，匙孔形貌在本研究中通過固定不變的方式進行了簡化。在作者的最近的研究工作中，一個更加綜合的多物理場模型發展起來用於電磁攪拌增強激光焊接時送絲的效果。此時的傳熱，流體流動，元素的傳輸，匙孔動力學和磁流體力學等均給予自恰性考慮。熔池的行爲在有無磁場時進行了詳細的比較以獲得磁場對熔池的有利影響的直覺方面的解釋。

考慮到許多參數在這一新的技術中均被引入進來，參數的優化選擇就變得更加具有挑戰性。除了常見的磁流密度和頻率外，文章對參數中磁場方向（磁場角度）的影響對於激光焊接時填充材料的傳輸的作用採用數值模擬和基礎實驗進行了研究。電磁現象，如渦流和洛倫茲力，結合熱流體流動，匙孔動力學和元素的傳輸採用3D瞬時多物理場模型進行了計算。模型在經過實驗驗證後非常吻合，元素的測量採用X射線熒光光譜（XRF）技術進行了測量。不同的熔池動力學在不同的磁場方向下的作用均進行了比較和分析。

實驗採用304不鏽鋼和 NiCr20Mo15 合金作爲基材和填充材料。基材的尺寸爲200 mm × 60 mm × 10 mm ，填充材料的直徑爲1.2mm。基材和填充材料具有不同的Ni含量，所以測量Ni含量來表徵熔池中金屬混合的結果。

▲圖7. 在焊接速度爲0.4 m/min 和0.8 m/min的時候，施加靜止磁場激光焊接10mm厚度的AISI304不鏽鋼的結果

▲圖8. 在焊接速度爲0.4 m/min.的時候焊接厚度爲15mm的AISI304不鏽鋼的研究結果，磁場爲靜止的

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