外加横向磁场对304不锈钢焊接熔池影响机理分析

  为了改善焊缝成形及提高焊接零件组织和性能，文中采用有限元法对外加磁场作用下的304不锈钢焊接熔池进行电磁场和热流场之间的耦合分析，得到了有无外加横向磁场作用下熔池内液态金属流动的速度矢量分布。结果表明，外加磁场使熔池横截面最大流速分布由单一的熔池中心中部改为熔池中心上表面略靠下和熔池底部；熔池纵截面最大流速由首尾端漩涡交汇处改为沿两个漩涡流动方向较均匀分布，这是由于电磁压力抵消了部分表面张力，使表面张力的作用位置更靠近熔池中心位置。在304不锈钢上进行堆焊试验，焊道横截面组织形貌证实了上述模拟结果。

  当前以电弧为热源进行增材制造如何进一步提高精度尚少涉及。由于焊接工艺参数较多，各参数彼此相关性较大，仅通过调节焊接参数实现尺寸精度控制的方法存在较大困难。故需要提出一种新的控制策略，能够在不影响焊接可靠性的同时实现焊接精确成形的控制，外加电磁场辅助焊接技术提供了一种有效的控制手段。浙江至德钢业有限公司对厚度20mm的304不锈钢大功率激光熔透焊接展开了研究，发现交变电磁场对熔池内的液态金属产生洛伦兹力作用，进而抑制液态金属下塌܅并进行了不同频率和外加磁场强度下的焊接试验，给出了在当前工况下取得较好质量焊缝的工艺参数。对磁控TIG焊焊缝成形机理进行了理论分析，发现外加磁场可以改变液态金属表面张力的差值，进而改变熔池的流动方向Փ目前外加磁场辅助焊接技术的研究主要集中在熔池、电弧、熔滴过渡等方面，但是外加电磁场在熔池内部作用的研究尚不够深入，文中使用有限元软件建立了熔池的多场耦合模型，分析了熔池内液态金属在有无外加横向磁场作用下的流速变化情况，提出利用电磁压力控制熔池成形原理，在304不锈钢上进行堆焊试验，截取焊道横截面组织形貌进行验证。

  当金属线圈通入如图所示的高频交变电流I时，根据法拉第电磁感应定律，金属线圈会产生一个源磁场在平行于工件的任一截面上，磁场强度分布由线圈四周向中心逐渐增大，在线圈中心达到最大，因此在工件表面所产生的感应磁场也由线圈四周向中心逐渐增大，且方向相反，两个磁场相互抵消，进而在工件两侧线圈中心位置磁场强度相对较小࠴由于存在集肤效应，同时磁场中的熔池表面会产生感应电流，因为励磁装置上部线圈与工件上表面处于同一水平，故上表面附近的磁场方向指向斜下方，感应电流方向为垂直纸面向外，如图所示。为了验证上述分析，文中在2mm厚的304不锈钢薄板上使用微束等离子弧焊进行填丝焊接，焊丝直径为0.8mm，焊接电流14 A，焊接速度0.6mm/s，送丝速度0.25m/min，等离子气流量0.3L/min，保护气流量15L/min。为减少铁磁性材料对外加磁场的分布产生影响，文中工作台及夹具均采用不锈钢制作，在304不锈钢板上开展单道多层堆焊试验，在同一层焊道处分为施加磁场区域和未加磁场区。试验过程中，当焊枪运行到黑色实线区域后打开高频励磁电源开关，向感应线圈输入高频正弦波形交流电。

  外加电磁场后，焊缝宽度减小，高度明显增加；通过测量有磁区域和无磁区域堆焊层宽度和高度对比发现，施加磁场区域相对于无磁区域堆焊层宽度减少0.8mm，高度增加0.7mm，进而验证了电磁压力抵消了部分表面张力的作用，实现了外加电磁场对熔池的成形控制。建立了双椭球热源下等离子堆焊数值分析模型，对比分析了有无外加磁场作用下304不锈钢焊接熔池中熔融金属的流动特性。焊接过程中施加高频电磁场改变了熔池流体的漩涡中心的位置，同时使熔池内部熔融金属的流速更加均匀，有利于流体热量的传递和扩散，但高频电磁场未对最大流速产生显著影响。施加高频电磁场所产生的电磁压力抵消了部分表面张力的作用，使得表面张力的作用位置更靠近熔池中心位置而远离焊件边缘，进而影响熔池成形，使焊缝宽度减小，高度明显增加。