七、如何通過磁控焊接提高AZ31鎂合金焊接接頭的力學性能，降低其熱裂敏感性？

鎂合金作為一種新型高性能結構材料倍受關注，但鎂合金由于自身具有的物理和化學特殊性能，給焊接帶來了很大的難度。鎂合金焊接性較差，焊接時容易產生氣孔、晶粒粗大、熱應力及焊接接頭軟化等問題。鎂還易與一些合金元素（如Ni、Cu、Al等）形成低熔點的共晶體，所以脆性溫度區間較寬，易形成熱裂紋。因此，如何防止焊接缺陷，提高鎂合金焊接接頭的力學性能，降低AZ31鎂合金焊接接頭熱裂紋敏感性進而抑制熱裂紋產生成為焊接工作者研究的熱點問題之一。磁控焊接技術是近年來發展完善起來的一種新型焊接技術，在低碳鋼和鋁合金焊接中應用較多，但將其引入鎂合金的焊接過程中，還處于研究階段。尤其是當磁場參數不匹配時，電磁攪拌效果變差，甚至還可能降低焊接接頭的質量。

電磁攪拌原理就是在外加磁場作用下，使帶電粒子在磁場力的作用下發生漂移旋轉，表現為焊接電弧的旋轉，帶動熔池金屬做復雜的循環運動從而改變了焊縫金屬的結晶條件，細化了焊縫組織的晶粒，進而改善金屬性能。

通常條件下，熔池金屬連續冷卻，結晶速度取決于焊接速度、焊接熱輸入等。如圖2-38所示，在平衡溫度TL和實際溫度分布Ta之間有一定的間隔，間隔越大，過冷度越大。其他條件一定時，焊縫金屬結晶組織的橫向尺寸主要取決于結晶線前的溫度梯度、結晶速度和濃度密集的厚度，即與過冷度有關。在電磁攪拌作用下，電磁力促使熔池金屬做復雜的循環運動，熔池前部高溫液態金屬被推向尾部，打斷了先長大的枝晶，重新溶入熔池的枝晶成為異質形核源，進而增加了形核率；同時電磁攪拌作用改變了結晶前沿的溫度及溫度梯度，從而創造了細化結晶組織的條件。

例如，某高校研究者采用外加脈沖縱向磁場，該磁場由安裝在噴嘴上的激磁線圈產生，磁場的電流強度可以調節，產生縱向磁場為同軸磁場（磁力線方向與電弧軸線平行，并以電弧軸線為中心形成軸對稱分布），如圖2-39所示，采用非熔化極鎢極氬弧焊對對5mm厚的AZ31鎂板進行了焊接。焊機型號為NSA-500-1，焊接過程為半自動焊接，采用手動送絲，所用的焊絲是從母材上經過機械加工處理得到的，即焊絲與母材同一材質，焊絲規格為300mm×5mm×2mm。合金成分見表2-16。兩種材料的供貨狀態均為擠壓成型。焊槍由小車攜帶自動行走，速度可調。焊接工藝參數見表2-17。

焊接完成后，研究者重點研究了磁場強度對焊接接頭力學性能的影響。通過觀察研究者的試驗（如圖2-40、圖2-41和圖2-42所示）可見，外加磁場試樣的抗拉強度要比沒有施加磁場試樣的抗拉強度大，而且隨著磁場強度的增大試樣的抗拉強度逐漸變大；伸長率的變化規律基本與抗拉強度一致（如圖2-41所示），隨著磁場電流的增大抗拉強度升高；硬度隨磁場強度的變化規律與抗拉強度的變化規律相似（如圖2-42所示），施加磁場時焊件的硬度也比沒有施加磁場時的硬度要大。隨著磁場強度的不斷增大，硬度在逐漸的變大。同時，從圖2-42中還可以發現，母材的硬度最低，焊縫的硬度最高，熱影響區的硬度居中。由研究者的試驗可見，磁場的加入對試樣的力學性能有明顯的改善，這一變化范圍尤其在磁場電流為0.5～1A時最為明顯，當磁場電流達到1A時，焊縫的斷后伸長率已經超過母材的斷后伸長率，達到10.3％。

相關研究表明，磁控焊接使鎂合金焊接接頭力學性能提高的原因是由于在電磁力的作用下，氬弧中帶電粒子的運動變成平行于磁力線方向的螺旋運動，促使電弧旋轉。一定的磁場強度范圍內，隨著磁場電流的增加，磁場強度增強，做用于熔池的電磁力也隨之增大；熔池中的液態金屬受洛侖茲力的作用，繞焊接電弧中心軸旋轉，做復雜的循環運動，磁場對熔池的攪拌作用也隨之增強。由于離心力的作用，熔池前部高溫液態金屬被推向尾部，使剛形成的枝晶不能繼續生長，被折斷并重新溶入液體的熔池之中。這些重新溶入的枝晶成為異質形核的形核源，提高了形核率。與此同時，電弧的攪拌作用也改變了結晶前沿的溫度及溫度梯度，加速了液體的流動，使得結晶前沿存在著較強的液相流動；而且高溫金屬流對結晶前沿的沖刷作用，提高了熔池中熔融金屬的平衡結晶溫度，使結晶區域濃度過冷程度減少，從而使得結晶線前沿的穩定性提高，促進了均勻擴散、細化凝固組織的作用效果。另外，在外加磁場作用下焊接過程的熱膨脹與金屬的磁致收縮有相互抵消的傾向，還有可能減弱焊接過程中熱膨脹引起的內應力，減少了鎂合金焊接過程中產生熱裂紋的傾向，提高性能。磁場的電磁攪拌作用提高了熔池的形核率，使熔池的晶粒得到了細化，為侵入型和反應型氣泡的上浮提供條件，而母材由于處于固態，不能得到電磁攪拌作用，所以母材、熱影響區、焊縫的性能呈現一定的變化規律，熱影響區的硬度介于母材和焊縫之間。

由金屬學理論可知，金屬力學性能的變化是由微觀組織的改變引起的。觀察鎂合金焊縫在不同磁場作用的金相組織可以看出（如圖2-43所示），在電磁作用下焊縫組織的晶粒比沒有施加磁場時要細化，當磁場電流I=1A時，其焊縫組織晶粒最細。根據凝固理論，晶粒組織形態及尺寸受形核率和過冷度的影響。根據研究者的分析，當有磁場作用時，電磁攪拌細化晶粒主要是通過三個途徑增加形核率：一是熔池尾部的枝晶碎片；二是熔池邊緣半熔化晶粒的分離；三是異質形核粒子。形成晶核后在長大過程中，電磁攪拌作用改變了熔池形狀，熔池液態金屬隨著電弧做旋轉運動，使焊接熔池中溫度變的相對均衡；同時隨著熔池金屬攪拌速度的增加，改變了傳熱方向，使擴散過程加快。這樣，枝晶晶粒沿最大散熱反方向生長的時間很短，從而減小晶粒尺寸。另外，在電磁力的作用下，由于電弧形態的改變使其溫度分布趨向均勻，液態金屬的流動增加，做復雜的循環運動，高溫金屬流不斷的對熔池產生沖刷作用，使得焊縫中的Mg和第二相Al12Mg17共晶組織更加細化，從而增加了晶界和亞晶界的比表面積，使位錯數量增多。這就是磁場電流為1A時焊縫的抗拉強度、硬度和斷后伸長率達到最佳的原因。

鎂合金在磁場作用下凝固產生的上述現象與合金元素在Mg中溶解度的變化有關。由于在低頻磁場作用下，AZ31鎂合金中Al、Zn元素在鎂基體中的溶解度顯著增加，使得在凝固過程中大量的合金元素殘留在島狀的析出物中，同時在凝固末期遺留下的共晶體組織數量明顯減少，不能連續的分布于晶界，晶界厚度也顯著減薄。另一方面，在凝固過程中，由于合金元素在Mg中溶解度的增加，使得殘留液中合金元素的含量降低，這有利于后形核的晶粒有機會進一步長大，從而抑止初生晶粒的長大空間，同時也使得原來被厚厚的共晶組織包圍的小晶粒得以長大，共晶組織的厚度也因小晶粒的長大而變薄。由于電磁作用使凝固過程中析出的低熔點共晶物寬度變窄、厚度變薄，呈不連續狀態，這對防止熱裂紋的產生有很大的作用。研究者在試驗過程中發現，在外加磁場的作用下，即使焊接電流超過140A，焊后也很少有熱裂紋的產生，這說明外加磁場對防止熱裂紋的產生有很大的作用。

因此，將縱向變頻脈沖磁場引入鎂合金焊接，電磁攪拌可以有效地改善焊縫金屬的結晶形態，細化晶粒，凈化雜質，促使焊縫組織分布均勻化，減少焊接缺陷，防止焊接接頭軟化，抑制熱裂紋的出現，可以有效地改善鎂合金的焊接性，提高鎂合金焊接接頭的力學性能。