七、如何通过磁控焊接提高AZ31镁合金焊接接头的力学性能，降低其热裂敏感性？
镁合金作为一种新型高性能结构材料倍受关注，但镁合金由于自身具有的物理和化学特殊性能，给焊接带来了很大的难度。镁合金焊接性较差，焊接时容易产生气孔、晶粒粗大、热应力及焊接接头软化等问题。镁还易与一些合金元素（如Ni、Cu、Al等）形成低熔点的共晶体，所以脆性温度区间较宽，易形成热裂纹。因此，如何防止焊接缺陷，提高镁合金焊接接头的力学性能，降低AZ31镁合金焊接接头热裂纹敏感性进而抑制热裂纹产生成为焊接工作者研究的热点问题之一。磁控焊接技术是近年来发展完善起来的一种新型焊接技术，在低碳钢和铝合金焊接中应用较多，但将其引入镁合金的焊接过程中，还处于研究阶段。尤其是当磁场参数不匹配时，电磁搅拌效果变差，甚至还可能降低焊接接头的质量。
电磁搅拌原理就是在外加磁场作用下，使带电粒子在磁场力的作用下发生漂移旋转，表现为焊接电弧的旋转，带动熔池金属做复杂的循环运动从而改变了焊缝金属的结晶条件，细化了焊缝组织的晶粒，进而改善金属性能。
通常条件下，熔池金属连续冷却，结晶速度取决于焊接速度、焊接热输入等。如图2-38所示，在平衡温度TL和实际温度分布Ta之间有一定的间隔，间隔越大，过冷度越大。其他条件一定时，焊缝金属结晶组织的横向尺寸主要取决于结晶线前的温度梯度、结晶速度和浓度密集的厚度，即与过冷度有关。在电磁搅拌作用下，电磁力促使熔池金属做复杂的循环运动，熔池前部高温液态金属被推向尾部，打断了先长大的枝晶，重新溶入熔池的枝晶成为异质形核源，进而增加了形核率；同时电磁搅拌作用改变了结晶前沿的温度及温度梯度，从而创造了细化结晶组织的条件。
图2-38 金属结晶示意图
To—纯金属的熔点；TL—平衡状态相温度线；Ta—实际温度线
例如，某高校研究者采用外加脉冲纵向磁场，该磁场由安装在喷嘴上的激磁线圈产生，磁场的电流强度可以调节，产生纵向磁场为同轴磁场（磁力线方向与电弧轴线平行，并以电弧轴线为中心形成轴对称分布），如图2-39所示，采用非熔化极钨极氩弧焊对对5mm厚的AZ31镁板进行了焊接。焊机型号为NSA-500-1，焊接过程为半自动焊接，采用手动送丝，所用的焊丝是从母材上经过机械加工处理得到的，即焊丝与母材同一材质，焊丝规格为300mm×5mm×2mm。合金成分见表2-16。两种材料的供货状态均为挤压成型。焊枪由小车携带自动行走，速度可调。焊接工艺参数见表2-17。
图2-39 焊接装置示意图
表2-16 AZ31镁合金的化学成分（二）
表2-17 焊接工艺参数（二）
焊接完成后，研究者重点研究了磁场强度对焊接接头力学性能的影响。通过观察研究者的试验（如图2-40、图2-41和图2-42所示）可见，外加磁场试样的抗拉强度要比没有施加磁场试样的抗拉强度大，而且随着磁场强度的增大试样的抗拉强度逐渐变大；伸长率的变化规律基本与抗拉强度一致（如图2-41所示），随着磁场电流的增大抗拉强度升高；硬度随磁场强度的变化规律与抗拉强度的变化规律相似（如图2-42所示），施加磁场时焊件的硬度也比没有施加磁场时的硬度要大。随着磁场强度的不断增大，硬度在逐渐的变大。同时，从图2-42中还可以发现，母材的硬度最低，焊缝的硬度最高，热影响区的硬度居中。由研究者的试验可见，磁场的加入对试样的力学性能有明显的改善，这一变化范围尤其在磁场电流为0.5～1A时最为明显，当磁场电流达到1A时，焊缝的断后伸长率已经超过母材的断后伸长率，达到10.3％。
图2-40 抗拉强度随磁场电流的变化规律
图2-41 断后伸长率随磁场电流的变化规律
图2-42 硬度随磁场电流的变化规律
相关研究表明，磁控焊接使镁合金焊接接头力学性能提高的原因是由于在电磁力的作用下，氩弧中带电粒子的运动变成平行于磁力线方向的螺旋运动，促使电弧旋转。一定的磁场强度范围内，随着磁场电流的增加，磁场强度增强，做用于熔池的电磁力也随之增大；熔池中的液态金属受洛仑兹力的作用，绕焊接电弧中心轴旋转，做复杂的循环运动，磁场对熔池的搅拌作用也随之增强。由于离心力的作用，熔池前部高温液态金属被推向尾部，使刚形成的枝晶不能继续生长，被折断并重新溶入液体的熔池之中。这些重新溶入的枝晶成为异质形核的形核源，提高了形核率。与此同时，电弧的搅拌作用也改变了结晶前沿的温度及温度梯度，加速了液体的流动，使得结晶前沿存在着较强的液相流动；而且高温金属流对结晶前沿的冲刷作用，提高了熔池中熔融金属的平衡结晶温度，使结晶区域浓度过冷程度减少，从而使得结晶线前沿的稳定性提高，促进了均匀扩散、细化凝固组织的作用效果。另外，在外加磁场作用下焊接过程的热膨胀与金属的磁致收缩有相互抵消的倾向，还有可能减弱焊接过程中热膨胀引起的内应力，减少了镁合金焊接过程中产生热裂纹的倾向，提高性能。磁场的电磁搅拌作用提高了熔池的形核率，使熔池的晶粒得到了细化，为侵入型和反应型气泡的上浮提供条件，而母材由于处于固态，不能得到电磁搅拌作用，所以母材、热影响区、焊缝的性能呈现一定的变化规律，热影响区的硬度介于母材和焊缝之间。
由金属学理论可知，金属力学性能的变化是由微观组织的改变引起的。观察镁合金焊缝在不同磁场作用的金相组织可以看出（如图2-43所示），在电磁作用下焊缝组织的晶粒比没有施加磁场时要细化，当磁场电流I=1A时，其焊缝组织晶粒最细。根据凝固理论，晶粒组织形态及尺寸受形核率和过冷度的影响。根据研究者的分析，当有磁场作用时，电磁搅拌细化晶粒主要是通过三个途径增加形核率：一是熔池尾部的枝晶碎片；二是熔池边缘半熔化晶粒的分离；三是异质形核粒子。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做旋转运动，使焊接熔池中温度变的相对均衡；同时随着熔池金属搅拌速度的增加，改变了传热方向，使扩散过程加快。这样，枝晶晶粒沿最大散热反方向生长的时间很短，从而减小晶粒尺寸。另外，在电磁力的作用下，由于电弧形态的改变使其温度分布趋向均匀，液态金属的流动增加，做复杂的循环运动，高温金属流不断的对熔池产生冲刷作用，使得焊缝中的Mg和第二相Al12Mg17共晶组织更加细化，从而增加了晶界和亚晶界的比表面积，使位错数量增多。这就是磁场电流为1A时焊缝的抗拉强度、硬度和断后伸长率达到最佳的原因。
图2-43 不同磁场电流作用下的金相组织
镁合金在磁场作用下凝固产生的上述现象与合金元素在Mg中溶解度的变化有关。由于在低频磁场作用下，AZ31镁合金中Al、Zn元素在镁基体中的溶解度显著增加，使得在凝固过程中大量的合金元素残留在岛状的析出物中，同时在凝固末期遗留下的共晶体组织数量明显减少，不能连续的分布于晶界，晶界厚度也显著减薄。另一方面，在凝固过程中，由于合金元素在Mg中溶解度的增加，使得残留液中合金元素的含量降低，这有利于后形核的晶粒有机会进一步长大，从而抑止初生晶粒的长大空间，同时也使得原来被厚厚的共晶组织包围的小晶粒得以长大，共晶组织的厚度也因小晶粒的长大而变薄。由于电磁作用使凝固过程中析出的低熔点共晶物宽度变窄、厚度变薄，呈不连续状态，这对防止热裂纹的产生有很大的作用。研究者在试验过程中发现，在外加磁场的作用下，即使焊接电流超过140A，焊后也很少有热裂纹的产生，这说明外加磁场对防止热裂纹的产生有很大的作用。
因此，将纵向变频脉冲磁场引入镁合金焊接，电磁搅拌可以有效地改善焊缝金属的结晶形态，细化晶粒，净化杂质，促使焊缝组织分布均匀化，减少焊接缺陷，防止焊接接头软化，抑制热裂纹的出现，可以有效地改善镁合金的焊接性，提高镁合金焊接接头的力学性能。