八、如何采用电磁搅拌技术实现AZ61镁合金的TIG焊接？

电磁搅拌焊接技术是近年来发展完善起来的一种新型焊接技术，采用外加磁场控制焊接质量，具有附加装置简单、投入成本低、效益高、耗能少等特点，应用日趋广泛。实践表明，利用外加磁场对焊接中熔滴的过渡、熔池金属的流动、熔池的结晶形核及结晶生长等过程进行有效地干预，可以使焊缝金属的一次结晶组织细化，减小化学不均匀性，提高焊缝金属的塑性和韧性，降低结晶裂纹和气孔的敏感性，从而提高焊缝金属的性能，全面改善焊接接头的质量。那么，如何采用电磁搅拌技术实现AZ61镁合金的TIG焊接呢？

某高校研究人员为了改善镁合金焊接接头的质量，采用电磁搅拌技术对AZ61镁合金的TIG焊接工艺进行了较系统研究。AZ61镁合金的化学成分见表2-18，焊接过程为半自动焊接，焊机型号为NSA-500-1，采用手动送丝，磁场线圈安装在焊枪的喷嘴上，线圈匝数为710匝，磁场电源装置为自行研制的，其磁场电流、频率和占空比可调，并能提供不同的磁场参数，产生的纵向磁场为同轴磁场，如图2-44所示。试验过程中固定磁场电流为1A和2A，然后分别改变磁场频率为5Hz、10Hz和15Hz，焊接工艺参数见表2-18。

试件采用对接形式，开X型坡口，双面焊双面成型。焊接前，先用丙酮清除材料表面的杂质和油污，再用砂轮将坡口处的氧化膜清理干净，直至坡口两侧及周围露出金属光泽。接头下面加不锈钢垫板，并在垫板中间加工出一道30mm宽、20mm深的V形凹槽，以便于试件在焊接时背面有足够的气体保护。

由于镁合金的化学性能活泼，具有高热导率、膨胀系数大、熔点和沸点低等特性，使得在镁合金焊接过程中容易出现氧化、晶粒粗大、气孔、热裂纹、烧穿和塌陷、夹渣及热应力大等焊接缺陷，其中以气孔和裂纹最为敏感。氢是镁合金熔焊时产生气孔的主要原因。有关资料表明，镁合金在焊接加热条件下大量的溶解氢，随着温度的下降，其溶解度急剧减少，焊缝中的大量氢气来不及逸出，便形成氢气孔。

在自然条件下焊接时，熔池金属结晶过程中，当固液两相并存时，由于两相溶解度的差异，氢在结晶前沿会发生聚集，特别是相邻树枝晶之间凹谷部位，随液相的减少熔池底部的浓度不断增加，当浓度不能维持过饱和状态时，大量气泡就会萌生。但焊接中填加了电磁搅拌作用后，可以通过抑制气泡萌生和促进气泡上浮来减少焊缝中气孔的产生。

研究表明，在磁场作用期间，焊接熔池的强制搅拌导致结晶区域溶质偏析程度减弱，使熔池结晶线前沿溶质浓度降低。而焊接熔池中所含气体在结晶过程的行为类似于分布系数小于1的杂质，那么在杂质浓度降低时，结晶线前沿附近液态金属中气体浓度也降低。与此相应，也就降低了液态金属中气体的饱和度，生成气泡的可能性也就减小。同时由于结晶区域温度梯度的增大，使凸入到液体金属中的枝晶被重新熔化，会使凸出体的尺寸减小，并使已经形成的气泡核因枝晶重熔而消失。这些都有利于提高结晶线前沿的稳定性，降低结晶界面向前推移速度，从而有助于减少气泡核形成几率。另外，在脉冲磁场作用下，熔池中的液态金属受洛伦兹力的作用，绕焊接电弧中心旋转做复杂的循环运动，产生附加流体动压力，从而增加了抑制气泡萌生的外部压力，使焊缝形成气孔的几率下降。在磁场作用期间，液态金属的循环流动强度增加，使气泡之间相互碰撞的几率增加，它们的相互碰撞会使小气泡聚集成大气泡，有利于其上浮。此外，电磁搅拌作用使熔池以一定周期往复对两侧熔池壁进行冲刷，熔池的这种转动现象将延长液态的停留时间，同时在交变脉冲磁场作用下焊接电弧的形态发生了变化，使焊接熔池的熔宽增大，熔深减小，为熔池中的气泡上浮提供良好条件，进而减少气泡的数量，降低气孔产生的几率。

AZ61镁合金焊后在焊缝区产生的结晶裂纹如图2-45所示。该裂纹的形成原因是先结晶的金属比较纯，后结晶的金属杂质较多，而且这些杂质在晶界处含量较高，并且这些杂质所形成的低熔共晶物的熔点较低（如Al12Mg17熔点为430℃），在镁合金焊接时焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶体被排挤在晶体交遇的中心部位，形成一种所谓的“液态薄膜”，此时由于镁合金在冷却时收缩量较大而得不到自由收缩，产生较大的拉伸应力，这时候镁合金中的液态薄膜就形成了较为薄弱的环节，在拉伸应力的作用下就可能开裂而形成结晶裂纹。

焊接过程中添加外加磁场，在磁场作用期间电磁促使焊接电弧旋转，使焊接熔池形态发生改变，液态高温金属流间歇性向熔池尾部推移，结晶方向也发生周期性改变，使结晶区域浓度过冷度减小，结晶线前沿的稳定性提高，促进了均匀扩散，使熔池结晶速度大大降低。而在磁场休止期，电弧恢复到自然状态，在结晶前沿因枝晶重熔所形成的高熔点质点开始活化，形成新的结晶核；另外，电弧旋转造成的熔融金属流动的附加运动停止，结晶线与电弧之间的距离拉大，结晶线前沿的温度及温度梯度随之降低，浓度过冷度增大，瞬时结晶速度突然加快，使方向性很强的柱状晶被消除，即出现晶粒细小的等轴晶，并使低熔点共晶物及杂质趋于弥散、细小的球状分布，使热应力分散在晶粒中，使宏观应力减小，从而有效防止结晶裂纹的产生。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，减少镁合金焊接过程中产生裂纹的倾向。

由于镁合金的热导率很大，熔池底部的一些杂质可能在温度达到固相线时还没有扩散出去，被滞留在熔池内部，这些被滞留在熔池内部的杂质在电磁搅拌的前期一直随熔池一起进行运动，这将使杂质与熔池中先结晶的晶粒以及其他杂质进行相互摩擦和挤压，使杂质的尖角被磨平、体积被压缩，最终使未浮出的杂质被球化和净化，大大减小了对基体的割裂作用，使产生裂纹的倾向减小。此外，电磁搅拌将改善电弧、熔池的传热过程，使熔深减小、熔宽增大，提高了焊缝的形状系数，对能量有一定的“稀释”作用。因此，磁控焊接对镁合金的抗裂性能也有一定的提高。

从电磁搅拌对焊缝显微组织的影响方面分析，由于镁合金导热快、线膨胀系数大，普通焊缝组织通常为粗大的柱状晶组织，容易引起焊接接头软化。尤其是在焊缝与母材的结合部位温度梯度很大，使得晶粒形核具备了足够的动力学条件，促进晶核的形成并择向生长，焊缝凝固过程中外快内慢的特点为柱状晶的生长提供了很好的条件，促进焊缝形成粗大的铸造柱状晶组织。但加入磁场后的焊缝组织却发生了很大变化。

图2-46是无磁场和磁场频率f=10Hz时，不同磁场电流作用下镁合金焊缝的金相显微组织。从图2-46中可以看到，焊缝组织由初生相α-Mg（呈亮色）及第二相β-Al12Mg17共晶体（呈黑色）组成，其中没有施加磁场时，焊缝晶粒组织粗大，共晶组织生成的数量很多且大部分在晶界聚集，呈条状或颗粒状分布，绝大部分还处于连续状态，如图2-46（a）所示。在磁场电流为1A时，镁合金的组织发生了变化，焊缝晶粒得到细化，同时原来晶界上连续的共晶组织被打碎，如图2-46（b）所示。从图2-46（c）中可以看到，当磁场电流增大到2A时，焊缝晶粒尺寸进一步变细，在晶内和晶界附近存在大量细小而弥散的近似球状的共晶化合物质点。

磁场电流IC=1.5A时不同磁场频率下镁合金焊缝显微组织如图2-47所示。从图中可以看到，在交流磁场作用下，镁合金的组织发生了显著变化。随着磁场频率的增大焊缝晶粒得到细化，当磁场频率为15Hz时，与磁场频率为10Hz的情况相比，焊缝晶粒尺寸变细，共晶组织生成的数量明显增多，呈岛状断续分布于晶界；当磁场频率为20Hz时，焊缝晶粒尺寸进一步变细，共晶组织生成数量更多，呈颗粒状均匀弥散地分布于晶界。

不同磁场参数下焊缝金属的抗拉强度如图2-48所示。从图2-48中可以看出，施加磁场的焊缝金属抗拉强度要比未施加磁场的抗拉强度高，并且在不同的磁场参数下，随着磁场电流和磁场频率的增加，焊缝金属的抗拉强度增加。这就说明，外加磁场产生的电磁搅拌作用可以有效改善焊缝的微观组织，提高焊缝的力学性能，研究者推断：随着磁场电流和磁场频率的相互匹配并逐渐增大，焊接接头的力学性能会得到很好的改善，可有效防止焊接接头的软化。

根据研究者的试验研究可知，在合理的焊接工艺参数下，采用外加间歇交变纵向磁场所产生的电磁搅拌可改变AZ61镁合金焊接接头熔池的形态，使气泡容易上浮，也可使熔池结晶前沿溶质浓度降低，同时也降低了液态金属中气体的饱和度，减小了气泡生成的可能性，有效抑制了焊接接头中气孔的产生。

焊接AZ61镁合金时采用外加间歇交变纵向磁场，间歇交变脉冲磁场所产生的电磁搅拌可以周期性地改变树枝晶的生长方向，即形成细小的等轴晶组织，同时打碎原来连续分布的低熔点共晶组织，使其球化、细化、弥散分布于晶界或晶内，防止结晶裂纹的产生。

外加磁场产生的电磁搅拌可以有效地细化焊缝金属的结晶组织，减小焊缝金属的化学不均匀性，提高了焊接接头的力学性能，有效防止了焊接接头软化。在磁场电流I=2A、频率f=10Hz时，AZ61镁合金焊缝金属的抗拉强度可以达到231MPa。