外加磁場和深冷處理在鋁合金焊接中的應用現狀

高文國，高珊，胡建崗

(太原科技大學，太原 030000)

0 前言

近年來，鋁合金以一系列的優(yōu)點，如質輕、強度高、易加工、散熱性好等，在航空航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業(yè)有著廣泛的用途。根據加入的合金元素的不同，鋁合金可分為較多的種類，并具有不同用途。據統計，交通運輸業(yè)鋁合金材料使用量已經超過25%，其中汽車行業(yè)鋁合金材料使用量超過15%，高速列車車身也使用鋁合金，民用飛機結構中鋁合金使用量約76%。2016年國內鋁合金加工材料的實際產量已經超出3 200萬噸，并且始終保持著每年6%的速度不斷增長[1]。

鋁合金具有耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、線膨脹系數大等特點，采用傳統的焊接方法進行焊接時，焊接工藝參數選取不當易產生氣孔、夾雜、接頭軟化等缺陷，導致焊后接頭部位的力學性能難以與母材金屬相媲美，這使得鋁合金的應用受到一定程度的限制。然而，在焊接時施加磁場，可以改變焊接電弧的形態(tài)，改善熔滴過渡方式，減少飛濺；在電場力的作用下，熔池中金屬的流動發(fā)生變化，焊縫凝固后的組織與未施加磁場時相比得到了細化，缺陷被抑制，焊縫成形良好，綜合力學性能得到改善；對焊件進行深冷處理則能消除或彌合焊縫的氣孔和疏松等缺陷，優(yōu)化焊縫的顯微組織，有效地提高了鋁合金焊接接頭的抗拉強度、硬度、耐磨性，改善塑性。

1 鋁合金焊接

傳統的焊接方法包括鎢極氬弧焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)。鎢極氬弧焊熱量集中、電弧燃燒穩(wěn)定、焊縫金屬致密、接頭強度和塑性也高，應用越來越廣泛；熔化極氣體保護焊，電弧功率大、熱量集中、熱影響區(qū)小、生產效率也較高。隨著焊接電源的發(fā)展，攪拌摩擦焊、等離子弧焊、真空電子束焊接和激光焊等開始應用于鋁合金焊接，并且已經獲得質量較高的焊接產品[2]。新型焊接方法采用的焊接設備較為復雜，投入高，對環(huán)境要求高，真空電子束焊對焊件的尺寸還有一定的要求，使得這些焊接方法不能大范圍的應用。

2 磁場對鋁合金焊接的影響

將不同強度、方向的磁場引入到鋁合金焊接中，并根據需要設計磁場產生裝置，這種磁場的存在可以改變焊接電弧的形態(tài)、熔滴的過渡方式、熔池中金屬的流動，減少焊接過程中產生的飛濺，進而提高焊件表面成形質量，細化焊縫晶粒，改善焊縫組織中存在的氣孔等缺陷[3-4]。

2.1 磁場對焊接電弧的影響

焊接電弧是在一定的電壓、電流參數和環(huán)境條件下、在具有適當距離的兩電極之間產生的強烈持久的氣體放電現象[5]。電弧的形態(tài)在不同的工藝參數下，有著不同的變化。焊接電弧在外加直流橫向磁場作用下，其縱向截面形態(tài)呈現偏吹型；在外加交流橫向磁場作用下，縱向截面呈扇形；交流磁場由橫向變?yōu)榭v向的時候，電弧縱向截面呈鐘罩型，下部擴張、上部收縮。

王林等人[6-7]在研究外加磁場GMAW焊時，觀察了磁場對電弧的影響，施加磁場后電弧向前偏轉。Zhang等人[8-9]對激光-MIG復合焊施加縱向磁場，在適當的磁場作用下焊接電弧逐漸變?yōu)槿切危_始發(fā)生旋轉和膨脹，根部縮小，底部增大，其穩(wěn)定性提高。在TIG窄間隙焊接中，Wang等人[10]觀察到，未施加磁場焊接電弧比較穩(wěn)定，輪廓呈鐘形，磁場作用時，焊接電弧在洛倫茲力和電磁夾緊力的作用下發(fā)生偏轉，偏轉方向垂直于焊接方向。

2.2 磁場對焊縫成形的影響

焊縫主要尺寸參數是熔深、熔寬和余高，不同的焊接參數與焊接方法對焊縫成形的影響不同，焊接方向與角度也會對焊縫成形有影響。鋁合金MIG焊時，焊縫成形差，如5A05鋁合金在無磁場作用下采用自然電弧焊，焊后焊縫呈魚鱗紋，根部較窄，熔深呈指狀，易產生裂紋和未熔合等缺陷，這些缺陷最終會影響接頭處的綜合力學性能；施加不同強度的磁場之后，焊縫成形得到一定改善，磁場參數為5 Hz，0.3 A的時候，焊縫仍呈魚鱗紋，與未施加磁場時相比，其間距較小，熔深呈橢圓形并減小，熔寬增大，焊縫的成形變好[11]。朱勝等人[12]研究了磁場對6061鋁合金板材MIG焊焊道尺寸形貌及成形質量的影響，試驗中，焊道的余高并未因為磁場的引入發(fā)生顯著變化，但當勵磁電流增大時，熔寬隨之增大，熔深減小，得到的焊道尺寸均勻，焊縫表面質量良好。樊丁等人[13-15]在MAG焊、GMAW焊熔滴過渡行為研究中，施加的低頻交變磁場改善了熔滴旋轉射流過渡及電弧形態(tài)的穩(wěn)定性，減少了焊接飛濺，改善焊縫成形。上海交通大學黃武東等人[16]在外加縱向磁場條件下觀察P-GMAW焊接電弧、熔滴過渡和熔池流動的變化時，電弧形態(tài)和熔滴過渡的對稱性沒有發(fā)生改變，熔池輪廓向一側偏移，焊縫偏移且焊縫成形不如未施加磁場。

上述試驗中，除了適當的磁場參數對焊縫成形有影響外，焊接速度和送絲速度對焊縫的成形也有影響。磁場的影響主要在于改變電弧和熔滴過渡的方式。

2.3 磁場對焊縫組織和性能的影響

熔池的凝固相當于一個短暫而復雜的冶金反應，在凝固過程中容易產生許多缺陷，如氣孔、偏析和結晶裂紋等，同時焊接過程處于非平衡的熱力學條件下，熔池凝固又易產生晶體缺陷。白金[17]對5083板材焊接時，首先在未施加磁場下觀察焊后顯微組織形貌，發(fā)現焊縫組織為粗大的柱狀晶組織，并具有一定的方向性，往焊縫中心的方向上，粗大的柱狀晶組織開始轉化為細小結晶組織，焊縫中心處為晶粒細小無明顯方向性的等軸晶；施加頻率一定的外部縱向磁場后，在勵磁電流增大的過程中，焊縫晶粒組織先是變得細小到一個最佳值，隨著勵磁電流繼續(xù)增大，顯微組織反而粗化。在沈陽工業(yè)大學常云龍等人[18-19]的焊接試驗中，也得到了相同的結論。Reyna-Montoya等人[20]研究了電磁交互作用下7075鋁合金電弧焊的組織和耐蝕性變化，他們認為低強度電弧磁場的作用使得焊接接頭組織更好，力學性能和耐腐蝕性得到提高。當勵磁頻率一定時，磁場電流的變化對組織的影響是不同的，并且存在一個最佳值，磁場電流達到最佳值的過程中，對焊縫晶粒組織有明顯的細化作用，但是超過這個最佳值，晶粒又會發(fā)生粗化，甚至比未加磁場粗化嚴重。

外加磁場的引入對焊縫組織和成形的改變，使得其在凝固后具有了一定的綜合性能。李軍等人[21]將恒定直流縱向磁場施加在TIG焊中，對LF21鋁合金進行焊接，焊后對顯微組織進行硬度分析，在測得的數據中，發(fā)現磁場強度在達到一定時，焊接接頭的硬度逐漸增大到最大值，接近于母材硬度值；繼續(xù)增大磁場強度，硬度反而減小，但是與未施加磁場相比，硬度均有所增大。施加磁場后，焊縫的組織變得更加細化，凝固后焊縫中夾雜和氣孔的存在，粗大的柱狀晶也轉化為細小的結晶組織，電弧的改變也使熔滴過渡方式發(fā)生了變化，減少了飛濺，焊后性能得到了改善。

3 深冷處理對鋁合金接頭組織和力學性能的影響

深冷處理是一種特殊的熱處理方式，主要是采用液氮作為制冷劑，在-196～-130 ℃的溫度對工件進行處理，改善其組織和性能，操作簡單，成本低[22-23]。經過深冷處理后的鋁合金焊接接頭綜合性能、力學性能得到了提高，其硬度和表面耐磨性也比未經處理的鋁合金好得多，焊縫區(qū)第二相在基體中的析出量增多，隨著深冷處理保溫時間延長而分布均勻、致密，接頭的強韌性提高，同時消除殘余應力[24]。

靳鵬飛等人[25]對5A06鋁合金TIG焊進行研究，發(fā)現焊后經過深冷處理的焊接接頭比未經處理的焊接接頭布氏硬度最低提升幅度10.8%，最高的提升幅度達到了37.84%，最低布氏硬度值有偏離焊縫中心的趨勢；在一定的試驗條件下，抗拉強度可以提高6.63%，力學性能得到較好改善。中國科學院的劉軒之等人[26]，對7050鋁合金進行試驗得出最佳深冷處理工藝，在此工藝下，殘余應力提前消除，微觀組織析出相增多，材料的尺寸穩(wěn)定性和斷裂韌性得到了提高。在葛鵬等人[27]的研究中，對深冷處理和未經深冷處理的兩組試樣進行對比，在對比中發(fā)現，深冷處理過后試樣的強度、塑性明顯得到改善，在內部壓應力的作用下焊接過程中產生的顯微氣孔、疏松等缺陷，得到消除和彌合。6061鋁合金冷金屬過渡焊接同樣可采用深冷處理，并且處理后焊縫區(qū)有大量第二相析出，各方面性能均有提高[28]。

季凱等人[29]對6005A鋁合金焊接接頭區(qū)域采用三次循環(huán)深冷處理，處理后優(yōu)化了接頭區(qū)域的晶粒大小、強化相分布，斷口形貌為更細小、平坦的韌窩群，第二相粒子分布均勻，并且在焊接區(qū)域形成了許多的位錯，這些位錯的存在可以降低內應力，優(yōu)化焊縫區(qū)域的組織與性能。高珊等人[30-31]將深冷處理方法應用于鋁合金MIG焊以改善接頭組織和力學性能，通過對顯微組織的觀察研究發(fā)現，深冷處理后接頭組織中形成了亞晶結構，第二相顆粒析出，且數量明顯增加，接頭的晶粒組織得到細化，從而發(fā)生強化；并且某些晶粒的晶面發(fā)生了變化，產生晶粒轉動。在5A06鋁合金TIG焊中，同樣出現細晶強化、彌散強化，晶粒擇優(yōu)取向，提高鋁合金焊接接頭的性能。

4 磁場和深冷處理在鋁合金焊接中的機理研究

4.1 磁場在鋁合金焊接中的機理研究

將磁場引入到焊接的過程中，通過磁場改變電弧的形態(tài)、熔滴過渡方式、熔池流動等，改善焊接接頭的組織，提高力學性能，是一種裝置簡單、投入成本低、效益高的焊接技術，在MIG焊、MAG焊和CO2激光焊等焊接中都有應用。在鋁合金焊接中的應用，提高了焊接的質量，焊接接頭的力學性能。

磁場在鋁合金焊接中的機理主要有：①在一定的磁場參數內，焊接電弧變得相對穩(wěn)定，電弧形狀呈現下部擴張，上部收縮，焊縫熔寬變大，熔深變小；改變熔滴過渡方式，減少飛濺，得到質量良好的表面;②熔池中的熔融金屬原來在電弧力的作用下發(fā)生流動，加入磁場后，熔池中產生了洛倫茲力，熔融金屬的流動變得更加劇烈。一方面，熔池中劇烈的運動導致了固—液界面的溫度梯度降低，促進粗大的晶粒細化，同時劇烈的運動使先結晶的樹狀晶、柱狀晶在洛倫茲力作用下割裂進入熔池，發(fā)生重熔或成為晶核，最終使得焊縫組織細化，綜合性能得到提升；另一方面，熔池劇烈的運動，使得合金元素能夠充分擴散，抑制偏析的出現，焊接過程中產生的焊渣和金屬氧化物在運動過程中，能夠分布在表面，改善夾雜；在凝固過程中，氣體(如H2)有足夠的時間逸出，降低氣孔的產生，缺陷的改善也使得焊接接頭的性能變得更加優(yōu)良。

4.2 鋁合金深冷處理的機理研究

深冷處理是熱處理工藝在冷卻過程中的延續(xù)，應用極為廣泛。不同的工藝參數，可以產生不同的效果，在適當的工藝參數下，經深冷處理的工件強度、硬度都有提高，并且可以提高耐磨性，在一定程度上還可以改善組織中的缺陷[32]。

陳鼎等人[33]認為，鋁合金材料在深冷處理過程中有體積收縮、晶粒轉動等效應。其中體積收縮效應主要是由于熱脹冷縮，在此過程中材料內部分缺陷得到彌合；體積的收縮引起晶格收縮，原子間距減小，此時位錯的滑移阻力增大，材料內部也會產生內應力，產生大量的位錯，還可以促進沉積相的析出；若材料內空位的濃度高，在深冷處理過程中，這些空位就會匯集，轉變?yōu)槔庵诲e，阻礙位錯滑移。深冷處理并不能提高所有鋁合金的性能，科研工作者提出了晶粒轉動理論，在回復過程中，鋁合金內部發(fā)生了回復再結晶，晶粒發(fā)生轉動，擇優(yōu)取向形成了再結晶織構，取向有利于阻礙位錯滑移時，材料的性能得到提高。

在湯光平等人[34]的研究下，他認為深冷處理循環(huán)處理過程中產生大量的蜷線位錯、位錯環(huán)甚至位錯胞，同時原有的晶粒分成許多亞晶，它們相互作用、相互纏結，并且位錯與晶界、亞晶界及強化相之間的相互作用下，位錯的移動需要克服較高的能壘，增強了組織結構的穩(wěn)定性。亞晶的出現使得晶粒尺寸減小，組織細化，提高了材料的強度和塑性。

太原科技大學的吳志生等人[35]在其研究中認為強化機理是：焊縫組織中產生亞晶，接頭產生體積收縮，第二相的數量和析出速度都得到提高，并且均勻地彌散分布于α固溶體上，對晶粒起到碎化作用和彌散作用；接頭合金組織中產生晶粒轉動，并且這種轉動能夠阻礙位錯的滑移；認為深冷處理的強化模型為奧羅萬(Orowan)機制，接頭合金組織中位錯轉化為位錯環(huán)，位錯纏繞，從而使得焊接接頭得到了強化。

5 結束語

通過總結國內外對于磁場和深冷處理的應用和機理研究發(fā)現：外加磁場的引入，改變了焊接電弧的形態(tài)、熔滴過渡的方式、熔池中熔融金屬的流動等，在合適的磁場工藝參數下，可以得到良好的焊縫組織和形態(tài)；深冷處理后鋁合金的晶粒發(fā)生轉動，并且細化，最終可使深冷處理部位的性能更加優(yōu)異。

目前磁控焊接在鋁合金的焊接方面并沒有得到廣泛的應用，主要在于磁場參數、焊接參數的變化，都會對接頭性能產生一定的影響，需要通過試驗得到最佳的磁場參數和焊接參數應用于鋁合金焊接，制定相應的焊接規(guī)范；設計磁場產生裝置，使裝置適用于多種焊接方法和工況，能夠在大量生產中投入使用；深冷處理也沒有最佳的工藝，影響了其應用。關于磁場和深冷處理對鋁合金焊接的影響試驗，目前很多試驗都是采用單一方式進行，分析引入的磁場或是深冷處理后焊件的組織性能等，如果在磁場引入焊接過程的同時，對焊接部位迅速進行液氮的深冷處理，是否能達到與兩者分別單獨作用時的效果或者更優(yōu)異的效果，將是后期試驗需要做的研究工作。