外加磁场和深冷处理在铝合金焊接中的应用现状

高文国，高珊，胡建岗

(太原科技大学，太原 030000)

0 前言

近年来，铝合金以一系列的优点，如质轻、强度高、易加工、散热性好等，在航空航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业有着广泛的用途。根据加入的合金元素的不同，铝合金可分为较多的种类，并具有不同用途。据统计，交通运输业铝合金材料使用量已经超过25%，其中汽车行业铝合金材料使用量超过15%，高速列车车身也使用铝合金，民用飞机结构中铝合金使用量约76%。2016年国内铝合金加工材料的实际产量已经超出3 200万吨，并且始终保持着每年6%的速度不断增长[1]。

铝合金具有耐锈蚀、热稳定性好、线膨胀系数大等特点，采用传统的焊接方法进行焊接时，焊接工艺参数选取不当易产生气孔、夹杂、接头软化等缺陷，导致焊后接头部位的力学性能难以与母材金属相媲美，这使得铝合金的应用受到一定程度的限制。然而，在焊接时施加磁场，可以改变焊接电弧的形态，改善熔滴过渡方式，减少飞溅；在电场力的作用下，熔池中金属的流动发生变化，焊缝凝固后的组织与未施加磁场时相比得到了细化，缺陷被抑制，焊缝成形良好，综合力学性能得到改善；对焊件进行深冷处理则能消除或弥合焊缝的气孔和疏松等缺陷，优化焊缝的显微组织，有效地提高了铝合金焊接接头的抗拉强度、硬度、耐磨性，改善塑性。

1 铝合金焊接

传统的焊接方法包括钨极氩弧焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)。钨极氩弧焊热量集中、电弧燃烧稳定、焊缝金属致密、接头强度和塑性也高，应用越来越广泛；熔化极气体保护焊，电弧功率大、热量集中、热影响区小、生产效率也较高。随着焊接电源的发展，搅拌摩擦焊、等离子弧焊、真空电子束焊接和激光焊等开始应用于铝合金焊接，并且已经获得质量较高的焊接产品[2]。新型焊接方法采用的焊接设备较为复杂，投入高，对环境要求高，真空电子束焊对焊件的尺寸还有一定的要求，使得这些焊接方法不能大范围的应用。

2 磁场对铝合金焊接的影响

将不同强度、方向的磁场引入到铝合金焊接中，并根据需要设计磁场产生装置，这种磁场的存在可以改变焊接电弧的形态、熔滴的过渡方式、熔池中金属的流动，减少焊接过程中产生的飞溅，进而提高焊件表面成形质量，细化焊缝晶粒，改善焊缝组织中存在的气孔等缺陷[3-4]。

2.1 磁场对焊接电弧的影响

焊接电弧是在一定的电压、电流参数和环境条件下、在具有适当距离的两电极之间产生的强烈持久的气体放电现象[5]。电弧的形态在不同的工艺参数下，有着不同的变化。焊接电弧在外加直流横向磁场作用下，其纵向截面形态呈现偏吹型；在外加交流横向磁场作用下，纵向截面呈扇形；交流磁场由横向变为纵向的时候，电弧纵向截面呈钟罩型，下部扩张、上部收缩。

王林等人[6-7]在研究外加磁场GMAW焊时，观察了磁场对电弧的影响，施加磁场后电弧向前偏转。Zhang等人[8-9]对激光-MIG复合焊施加纵向磁场，在适当的磁场作用下焊接电弧逐渐变为三角形，开始发生旋转和膨胀，根部缩小，底部增大，其稳定性提高。在TIG窄间隙焊接中，Wang等人[10]观察到，未施加磁场焊接电弧比较稳定，轮廓呈钟形，磁场作用时，焊接电弧在洛伦兹力和电磁夹紧力的作用下发生偏转，偏转方向垂直于焊接方向。

2.2 磁场对焊缝成形的影响

焊缝主要尺寸参数是熔深、熔宽和余高，不同的焊接参数与焊接方法对焊缝成形的影响不同，焊接方向与角度也会对焊缝成形有影响。铝合金MIG焊时，焊缝成形差，如5A05铝合金在无磁场作用下采用自然电弧焊，焊后焊缝呈鱼鳞纹，根部较窄，熔深呈指状，易产生裂纹和未熔合等缺陷，这些缺陷最终会影响接头处的综合力学性能；施加不同强度的磁场之后，焊缝成形得到一定改善，磁场参数为5 Hz，0.3 A的时候，焊缝仍呈鱼鳞纹，与未施加磁场时相比，其间距较小，熔深呈椭圆形并减小，熔宽增大，焊缝的成形变好[11]。朱胜等人[12]研究了磁场对6061铝合金板材MIG焊焊道尺寸形貌及成形质量的影响，试验中，焊道的余高并未因为磁场的引入发生显著变化，但当励磁电流增大时，熔宽随之增大，熔深减小，得到的焊道尺寸均匀，焊缝表面质量良好。樊丁等人[13-15]在MAG焊、GMAW焊熔滴过渡行为研究中，施加的低频交变磁场改善了熔滴旋转射流过渡及电弧形态的稳定性，减少了焊接飞溅，改善焊缝成形。上海交通大学黄武东等人[16]在外加纵向磁场条件下观察P-GMAW焊接电弧、熔滴过渡和熔池流动的变化时，电弧形态和熔滴过渡的对称性没有发生改变，熔池轮廓向一侧偏移，焊缝偏移且焊缝成形不如未施加磁场。

上述试验中，除了适当的磁场参数对焊缝成形有影响外，焊接速度和送丝速度对焊缝的成形也有影响。磁场的影响主要在于改变电弧和熔滴过渡的方式。

2.3 磁场对焊缝组织和性能的影响

熔池的凝固相当于一个短暂而复杂的冶金反应，在凝固过程中容易产生许多缺陷，如气孔、偏析和结晶裂纹等，同时焊接过程处于非平衡的热力学条件下，熔池凝固又易产生晶体缺陷。白金[17]对5083板材焊接时，首先在未施加磁场下观察焊后显微组织形貌，发现焊缝组织为粗大的柱状晶组织，并具有一定的方向性，往焊缝中心的方向上，粗大的柱状晶组织开始转化为细小结晶组织，焊缝中心处为晶粒细小无明显方向性的等轴晶；施加频率一定的外部纵向磁场后，在励磁电流增大的过程中，焊缝晶粒组织先是变得细小到一个最佳值，随着励磁电流继续增大，显微组织反而粗化。在沈阳工业大学常云龙等人[18-19]的焊接试验中，也得到了相同的结论。Reyna-Montoya等人[20]研究了电磁交互作用下7075铝合金电弧焊的组织和耐蚀性变化，他们认为低强度电弧磁场的作用使得焊接接头组织更好，力学性能和耐腐蚀性得到提高。当励磁频率一定时，磁场电流的变化对组织的影响是不同的，并且存在一个最佳值，磁场电流达到最佳值的过程中，对焊缝晶粒组织有明显的细化作用，但是超过这个最佳值，晶粒又会发生粗化，甚至比未加磁场粗化严重。

外加磁场的引入对焊缝组织和成形的改变，使得其在凝固后具有了一定的综合性能。李军等人[21]将恒定直流纵向磁场施加在TIG焊中，对LF21铝合金进行焊接，焊后对显微组织进行硬度分析，在测得的数据中，发现磁场强度在达到一定时，焊接接头的硬度逐渐增大到最大值，接近于母材硬度值；继续增大磁场强度，硬度反而减小，但是与未施加磁场相比，硬度均有所增大。施加磁场后，焊缝的组织变得更加细化，凝固后焊缝中夹杂和气孔的存在，粗大的柱状晶也转化为细小的结晶组织，电弧的改变也使熔滴过渡方式发生了变化，减少了飞溅，焊后性能得到了改善。

3 深冷处理对铝合金接头组织和力学性能的影响

深冷处理是一种特殊的热处理方式，主要是采用液氮作为制冷剂，在-196～-130 ℃的温度对工件进行处理，改善其组织和性能，操作简单，成本低[22-23]。经过深冷处理后的铝合金焊接接头综合性能、力学性能得到了提高，其硬度和表面耐磨性也比未经处理的铝合金好得多，焊缝区第二相在基体中的析出量增多，随着深冷处理保温时间延长而分布均匀、致密，接头的强韧性提高，同时消除残余应力[24]。

靳鹏飞等人[25]对5A06铝合金TIG焊进行研究，发现焊后经过深冷处理的焊接接头比未经处理的焊接接头布氏硬度最低提升幅度10.8%，最高的提升幅度达到了37.84%，最低布氏硬度值有偏离焊缝中心的趋势；在一定的试验条件下，抗拉强度可以提高6.63%，力学性能得到较好改善。中国科学院的刘轩之等人[26]，对7050铝合金进行试验得出最佳深冷处理工艺，在此工艺下，残余应力提前消除，微观组织析出相增多，材料的尺寸稳定性和断裂韧性得到了提高。在葛鹏等人[27]的研究中，对深冷处理和未经深冷处理的两组试样进行对比，在对比中发现，深冷处理过后试样的强度、塑性明显得到改善，在内部压应力的作用下焊接过程中产生的显微气孔、疏松等缺陷，得到消除和弥合。6061铝合金冷金属过渡焊接同样可采用深冷处理，并且处理后焊缝区有大量第二相析出，各方面性能均有提高[28]。

季凯等人[29]对6005A铝合金焊接接头区域采用三次循环深冷处理，处理后优化了接头区域的晶粒大小、强化相分布，断口形貌为更细小、平坦的韧窝群，第二相粒子分布均匀，并且在焊接区域形成了许多的位错，这些位错的存在可以降低内应力，优化焊缝区域的组织与性能。高珊等人[30-31]将深冷处理方法应用于铝合金MIG焊以改善接头组织和力学性能，通过对显微组织的观察研究发现，深冷处理后接头组织中形成了亚晶结构，第二相颗粒析出，且数量明显增加，接头的晶粒组织得到细化，从而发生强化；并且某些晶粒的晶面发生了变化，产生晶粒转动。在5A06铝合金TIG焊中，同样出现细晶强化、弥散强化，晶粒择优取向，提高铝合金焊接接头的性能。

4 磁场和深冷处理在铝合金焊接中的机理研究

4.1 磁场在铝合金焊接中的机理研究

将磁场引入到焊接的过程中，通过磁场改变电弧的形态、熔滴过渡方式、熔池流动等，改善焊接接头的组织，提高力学性能，是一种装置简单、投入成本低、效益高的焊接技术，在MIG焊、MAG焊和CO2激光焊等焊接中都有应用。在铝合金焊接中的应用，提高了焊接的质量，焊接接头的力学性能。

磁场在铝合金焊接中的机理主要有：①在一定的磁场参数内，焊接电弧变得相对稳定，电弧形状呈现下部扩张，上部收缩，焊缝熔宽变大，熔深变小；改变熔滴过渡方式，减少飞溅，得到质量良好的表面;②熔池中的熔融金属原来在电弧力的作用下发生流动，加入磁场后，熔池中产生了洛伦兹力，熔融金属的流动变得更加剧烈。一方面，熔池中剧烈的运动导致了固—液界面的温度梯度降低，促进粗大的晶粒细化，同时剧烈的运动使先结晶的树状晶、柱状晶在洛伦兹力作用下割裂进入熔池，发生重熔或成为晶核，最终使得焊缝组织细化，综合性能得到提升；另一方面，熔池剧烈的运动，使得合金元素能够充分扩散，抑制偏析的出现，焊接过程中产生的焊渣和金属氧化物在运动过程中，能够分布在表面，改善夹杂；在凝固过程中，气体(如H2)有足够的时间逸出，降低气孔的产生，缺陷的改善也使得焊接接头的性能变得更加优良。

4.2 铝合金深冷处理的机理研究

深冷处理是热处理工艺在冷却过程中的延续，应用极为广泛。不同的工艺参数，可以产生不同的效果，在适当的工艺参数下，经深冷处理的工件强度、硬度都有提高，并且可以提高耐磨性，在一定程度上还可以改善组织中的缺陷[32]。

陈鼎等人[33]认为，铝合金材料在深冷处理过程中有体积收缩、晶粒转动等效应。其中体积收缩效应主要是由于热胀冷缩，在此过程中材料内部分缺陷得到弥合；体积的收缩引起晶格收缩，原子间距减小，此时位错的滑移阻力增大，材料内部也会产生内应力，产生大量的位错，还可以促进沉积相的析出；若材料内空位的浓度高，在深冷处理过程中，这些空位就会汇集，转变为棱柱位错，阻碍位错滑移。深冷处理并不能提高所有铝合金的性能，科研工作者提出了晶粒转动理论，在回复过程中，铝合金内部发生了回复再结晶，晶粒发生转动，择优取向形成了再结晶织构，取向有利于阻碍位错滑移时，材料的性能得到提高。

在汤光平等人[34]的研究下，他认为深冷处理循环处理过程中产生大量的蜷线位错、位错环甚至位错胞，同时原有的晶粒分成许多亚晶，它们相互作用、相互缠结，并且位错与晶界、亚晶界及强化相之间的相互作用下，位错的移动需要克服较高的能垒，增强了组织结构的稳定性。亚晶的出现使得晶粒尺寸减小，组织细化，提高了材料的强度和塑性。

太原科技大学的吴志生等人[35]在其研究中认为强化机理是：焊缝组织中产生亚晶，接头产生体积收缩，第二相的数量和析出速度都得到提高，并且均匀地弥散分布于α固溶体上，对晶粒起到碎化作用和弥散作用；接头合金组织中产生晶粒转动，并且这种转动能够阻碍位错的滑移；认为深冷处理的强化模型为奥罗万(Orowan)机制，接头合金组织中位错转化为位错环，位错缠绕，从而使得焊接接头得到了强化。

5 结束语

通过总结国内外对于磁场和深冷处理的应用和机理研究发现：外加磁场的引入，改变了焊接电弧的形态、熔滴过渡的方式、熔池中熔融金属的流动等，在合适的磁场工艺参数下，可以得到良好的焊缝组织和形态；深冷处理后铝合金的晶粒发生转动，并且细化，最终可使深冷处理部位的性能更加优异。

目前磁控焊接在铝合金的焊接方面并没有得到广泛的应用，主要在于磁场参数、焊接参数的变化，都会对接头性能产生一定的影响，需要通过试验得到最佳的磁场参数和焊接参数应用于铝合金焊接，制定相应的焊接规范；设计磁场产生装置，使装置适用于多种焊接方法和工况，能够在大量生产中投入使用；深冷处理也没有最佳的工艺，影响了其应用。关于磁场和深冷处理对铝合金焊接的影响试验，目前很多试验都是采用单一方式进行，分析引入的磁场或是深冷处理后焊件的组织性能等，如果在磁场引入焊接过程的同时，对焊接部位迅速进行液氮的深冷处理，是否能达到与两者分别单独作用时的效果或者更优异的效果，将是后期试验需要做的研究工作。