外加橫向磁場對304不銹鋼焊接熔池影響機理分析

  為了改善焊縫成形及提高焊接零件組織和性能，文中采用有限元法對外加磁場作用下的304不銹鋼焊接熔池進行電磁場和熱流場之間的耦合分析，得到了有無外加橫向磁場作用下熔池內液態金屬流動的速度矢量分布。結果表明，外加磁場使熔池橫截面最大流速分布由單一的熔池中心中部改為熔池中心上表面略靠下和熔池底部；熔池縱截面最大流速由首尾端漩渦交匯處改為沿兩個漩渦流動方向較均勻分布，這是由于電磁壓力抵消了部分表面張力，使表面張力的作用位置更靠近熔池中心位置。在304不銹鋼上進行堆焊試驗，焊道橫截面組織形貌證實了上述模擬結果。

  當前以電弧為熱源進行增材制造如何進一步提高精度尚少涉及。由于焊接工藝參數較多，各參數彼此相關性較大，僅通過調節焊接參數實現尺寸精度控制的方法存在較大困難。故需要提出一種新的控制策略，能夠在不影響焊接可靠性的同時實現焊接精確成形的控制，外加電磁場輔助焊接技術提供了一種有效的控制手段。浙江至德鋼業有限公司對厚度20mm的304不銹鋼大功率激光熔透焊接展開了研究，發現交變電磁場對熔池內的液態金屬產生洛倫茲力作用，進而抑制液態金屬下塌?并進行了不同頻率和外加磁場強度下的焊接試驗，給出了在當前工況下取得較好質量焊縫的工藝參數。對磁控TIG焊焊縫成形機理進行了理論分析，發現外加磁場可以改變液態金屬表面張力的差值，進而改變熔池的流動方向?目前外加磁場輔助焊接技術的研究主要集中在熔池、電弧、熔滴過渡等方面，但是外加電磁場在熔池內部作用的研究尚不夠深入，文中使用有限元軟件建立了熔池的多場耦合模型，分析了熔池內液態金屬在有無外加橫向磁場作用下的流速變化情況，提出利用電磁壓力控制熔池成形原理，在304不銹鋼上進行堆焊試驗，截取焊道橫截面組織形貌進行驗證。

  當金屬線圈通入如圖所示的高頻交變電流I時，根據法拉第電磁感應定律，金屬線圈會產生一個源磁場在平行于工件的任一截面上，磁場強度分布由線圈四周向中心逐漸增大，在線圈中心達到最大，因此在工件表面所產生的感應磁場也由線圈四周向中心逐漸增大，且方向相反，兩個磁場相互抵消，進而在工件兩側線圈中心位置磁場強度相對較小?由于存在集膚效應，同時磁場中的熔池表面會產生感應電流，因為勵磁裝置上部線圈與工件上表面處于同一水平，故上表面附近的磁場方向指向斜下方，感應電流方向為垂直紙面向外，如圖所示。為了驗證上述分析，文中在2mm厚的304不銹鋼薄板上使用微束等離子弧焊進行填絲焊接，焊絲直徑為0.8mm，焊接電流14 A，焊接速度0.6mm/s，送絲速度0.25m/min，等離子氣流量0.3L/min，保護氣流量15L/min。為減少鐵磁性材料對外加磁場的分布產生影響，文中工作臺及夾具均采用不銹鋼制作，在304不銹鋼板上開展單道多層堆焊試驗，在同一層焊道處分為施加磁場區域和未加磁場區。試驗過程中，當焊槍運行到黑色實線區域后打開高頻勵磁電源開關，向感應線圈輸入高頻正弦波形交流電。

  外加電磁場后，焊縫寬度減小，高度明顯增加；通過測量有磁區域和無磁區域堆焊層寬度和高度對比發現，施加磁場區域相對于無磁區域堆焊層寬度減少0.8mm，高度增加0.7mm，進而驗證了電磁壓力抵消了部分表面張力的作用，實現了外加電磁場對熔池的成形控制。建立了雙橢球熱源下等離子堆焊數值分析模型，對比分析了有無外加磁場作用下304不銹鋼焊接熔池中熔融金屬的流動特性。焊接過程中施加高頻電磁場改變了熔池流體的漩渦中心的位置，同時使熔池內部熔融金屬的流速更加均勻，有利于流體熱量的傳遞和擴散，但高頻電磁場未對最大流速產生顯著影響。施加高頻電磁場所產生的電磁壓力抵消了部分表面張力的作用，使得表面張力的作用位置更靠近熔池中心位置而遠離焊件邊緣，進而影響熔池成形，使焊縫寬度減小，高度明顯增加。