八、如何采用電磁攪拌技術實現AZ61鎂合金的TIG焊接？

電磁攪拌焊接技術是近年來發展完善起來的一種新型焊接技術，采用外加磁場控制焊接質量，具有附加裝置簡單、投入成本低、效益高、耗能少等特點，應用日趨廣泛。實踐表明，利用外加磁場對焊接中熔滴的過渡、熔池金屬的流動、熔池的結晶形核及結晶生長等過程進行有效地干預，可以使焊縫金屬的一次結晶組織細化，減小化學不均勻性，提高焊縫金屬的塑性和韌性，降低結晶裂紋和氣孔的敏感性，從而提高焊縫金屬的性能，全面改善焊接接頭的質量。那么，如何采用電磁攪拌技術實現AZ61鎂合金的TIG焊接呢？

某高校研究人員為了改善鎂合金焊接接頭的質量，采用電磁攪拌技術對AZ61鎂合金的TIG焊接工藝進行了較系統研究。AZ61鎂合金的化學成分見表2-18，焊接過程為半自動焊接，焊機型號為NSA-500-1，采用手動送絲，磁場線圈安裝在焊槍的噴嘴上，線圈匝數為710匝，磁場電源裝置為自行研制的，其磁場電流、頻率和占空比可調，并能提供不同的磁場參數，產生的縱向磁場為同軸磁場，如圖2-44所示。試驗過程中固定磁場電流為1A和2A，然后分別改變磁場頻率為5Hz、10Hz和15Hz，焊接工藝參數見表2-18。

試件采用對接形式，開X型坡口，雙面焊雙面成型。焊接前，先用丙酮清除材料表面的雜質和油污，再用砂輪將坡口處的氧化膜清理干凈，直至坡口兩側及周圍露出金屬光澤。接頭下面加不銹鋼墊板，并在墊板中間加工出一道30mm寬、20mm深的V形凹槽，以便于試件在焊接時背面有足夠的氣體保護。

由于鎂合金的化學性能活潑，具有高熱導率、膨脹系數大、熔點和沸點低等特性，使得在鎂合金焊接過程中容易出現氧化、晶粒粗大、氣孔、熱裂紋、燒穿和塌陷、夾渣及熱應力大等焊接缺陷，其中以氣孔和裂紋最為敏感。氫是鎂合金熔焊時產生氣孔的主要原因。有關資料表明，鎂合金在焊接加熱條件下大量的溶解氫，隨著溫度的下降，其溶解度急劇減少，焊縫中的大量氫氣來不及逸出，便形成氫氣孔。

在自然條件下焊接時，熔池金屬結晶過程中，當固液兩相并存時，由于兩相溶解度的差異，氫在結晶前沿會發生聚集，特別是相鄰樹枝晶之間凹谷部位，隨液相的減少熔池底部的濃度不斷增加，當濃度不能維持過飽和狀態時，大量氣泡就會萌生。但焊接中填加了電磁攪拌作用后，可以通過抑制氣泡萌生和促進氣泡上浮來減少焊縫中氣孔的產生。

研究表明，在磁場作用期間，焊接熔池的強制攪拌導致結晶區域溶質偏析程度減弱，使熔池結晶線前沿溶質濃度降低。而焊接熔池中所含氣體在結晶過程的行為類似于分布系數小于1的雜質，那么在雜質濃度降低時，結晶線前沿附近液態金屬中氣體濃度也降低。與此相應，也就降低了液態金屬中氣體的飽和度，生成氣泡的可能性也就減小。同時由于結晶區域溫度梯度的增大，使凸入到液體金屬中的枝晶被重新熔化，會使凸出體的尺寸減小，并使已經形成的氣泡核因枝晶重熔而消失。這些都有利于提高結晶線前沿的穩定性，降低結晶界面向前推移速度，從而有助于減少氣泡核形成幾率。另外，在脈沖磁場作用下，熔池中的液態金屬受洛倫茲力的作用，繞焊接電弧中心旋轉做復雜的循環運動，產生附加流體動壓力，從而增加了抑制氣泡萌生的外部壓力，使焊縫形成氣孔的幾率下降。在磁場作用期間，液態金屬的循環流動強度增加，使氣泡之間相互碰撞的幾率增加，它們的相互碰撞會使小氣泡聚集成大氣泡，有利于其上浮。此外，電磁攪拌作用使熔池以一定周期往復對兩側熔池壁進行沖刷，熔池的這種轉動現象將延長液態的停留時間，同時在交變脈沖磁場作用下焊接電弧的形態發生了變化，使焊接熔池的熔寬增大，熔深減小，為熔池中的氣泡上浮提供良好條件，進而減少氣泡的數量，降低氣孔產生的幾率。

AZ61鎂合金焊后在焊縫區產生的結晶裂紋如圖2-45所示。該裂紋的形成原因是先結晶的金屬比較純，后結晶的金屬雜質較多，而且這些雜質在晶界處含量較高，并且這些雜質所形成的低熔共晶物的熔點較低（如Al12Mg17熔點為430℃），在鎂合金焊接時焊縫金屬凝固結晶的后期，低熔點共晶體被排擠在晶體交遇的中心部位，形成一種所謂的“液態薄膜”，此時由于鎂合金在冷卻時收縮量較大而得不到自由收縮，產生較大的拉伸應力，這時候鎂合金中的液態薄膜就形成了較為薄弱的環節，在拉伸應力的作用下就可能開裂而形成結晶裂紋。

焊接過程中添加外加磁場，在磁場作用期間電磁促使焊接電弧旋轉，使焊接熔池形態發生改變，液態高溫金屬流間歇性向熔池尾部推移，結晶方向也發生周期性改變，使結晶區域濃度過冷度減小，結晶線前沿的穩定性提高，促進了均勻擴散，使熔池結晶速度大大降低。而在磁場休止期，電弧恢復到自然狀態，在結晶前沿因枝晶重熔所形成的高熔點質點開始活化，形成新的結晶核；另外，電弧旋轉造成的熔融金屬流動的附加運動停止，結晶線與電弧之間的距離拉大，結晶線前沿的溫度及溫度梯度隨之降低，濃度過冷度增大，瞬時結晶速度突然加快，使方向性很強的柱狀晶被消除，即出現晶粒細小的等軸晶，并使低熔點共晶物及雜質趨于彌散、細小的球狀分布，使熱應力分散在晶粒中，使宏觀應力減小，從而有效防止結晶裂紋的產生。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，減少鎂合金焊接過程中產生裂紋的傾向。

由于鎂合金的熱導率很大，熔池底部的一些雜質可能在溫度達到固相線時還沒有擴散出去，被滯留在熔池內部，這些被滯留在熔池內部的雜質在電磁攪拌的前期一直隨熔池一起進行運動，這將使雜質與熔池中先結晶的晶粒以及其他雜質進行相互摩擦和擠壓，使雜質的尖角被磨平、體積被壓縮，最終使未浮出的雜質被球化和凈化，大大減小了對基體的割裂作用，使產生裂紋的傾向減小。此外，電磁攪拌將改善電弧、熔池的傳熱過程，使熔深減小、熔寬增大，提高了焊縫的形狀系數，對能量有一定的“稀釋”作用。因此，磁控焊接對鎂合金的抗裂性能也有一定的提高。

從電磁攪拌對焊縫顯微組織的影響方面分析，由于鎂合金導熱快、線膨脹系數大，普通焊縫組織通常為粗大的柱狀晶組織，容易引起焊接接頭軟化。尤其是在焊縫與母材的結合部位溫度梯度很大，使得晶粒形核具備了足夠的動力學條件，促進晶核的形成并擇向生長，焊縫凝固過程中外快內慢的特點為柱狀晶的生長提供了很好的條件，促進焊縫形成粗大的鑄造柱狀晶組織。但加入磁場后的焊縫組織卻發生了很大變化。

圖2-46是無磁場和磁場頻率f=10Hz時，不同磁場電流作用下鎂合金焊縫的金相顯微組織。從圖2-46中可以看到，焊縫組織由初生相α-Mg（呈亮色）及第二相β-Al12Mg17共晶體（呈黑色）組成，其中沒有施加磁場時，焊縫晶粒組織粗大，共晶組織生成的數量很多且大部分在晶界聚集，呈條狀或顆粒狀分布，絕大部分還處于連續狀態，如圖2-46（a）所示。在磁場電流為1A時，鎂合金的組織發生了變化，焊縫晶粒得到細化，同時原來晶界上連續的共晶組織被打碎，如圖2-46（b）所示。從圖2-46（c）中可以看到，當磁場電流增大到2A時，焊縫晶粒尺寸進一步變細，在晶內和晶界附近存在大量細小而彌散的近似球狀的共晶化合物質點。

磁場電流IC=1.5A時不同磁場頻率下鎂合金焊縫顯微組織如圖2-47所示。從圖中可以看到，在交流磁場作用下，鎂合金的組織發生了顯著變化。隨著磁場頻率的增大焊縫晶粒得到細化，當磁場頻率為15Hz時，與磁場頻率為10Hz的情況相比，焊縫晶粒尺寸變細，共晶組織生成的數量明顯增多，呈島狀斷續分布于晶界；當磁場頻率為20Hz時，焊縫晶粒尺寸進一步變細，共晶組織生成數量更多，呈顆粒狀均勻彌散地分布于晶界。

不同磁場參數下焊縫金屬的抗拉強度如圖2-48所示。從圖2-48中可以看出，施加磁場的焊縫金屬抗拉強度要比未施加磁場的抗拉強度高，并且在不同的磁場參數下，隨著磁場電流和磁場頻率的增加，焊縫金屬的抗拉強度增加。這就說明，外加磁場產生的電磁攪拌作用可以有效改善焊縫的微觀組織，提高焊縫的力學性能，研究者推斷：隨著磁場電流和磁場頻率的相互匹配并逐漸增大，焊接接頭的力學性能會得到很好的改善，可有效防止焊接接頭的軟化。

根據研究者的試驗研究可知，在合理的焊接工藝參數下，采用外加間歇交變縱向磁場所產生的電磁攪拌可改變AZ61鎂合金焊接接頭熔池的形態，使氣泡容易上浮，也可使熔池結晶前沿溶質濃度降低，同時也降低了液態金屬中氣體的飽和度，減小了氣泡生成的可能性，有效抑制了焊接接頭中氣孔的產生。

焊接AZ61鎂合金時采用外加間歇交變縱向磁場，間歇交變脈沖磁場所產生的電磁攪拌可以周期性地改變樹枝晶的生長方向，即形成細小的等軸晶組織，同時打碎原來連續分布的低熔點共晶組織，使其球化、細化、彌散分布于晶界或晶內，防止結晶裂紋的產生。

外加磁場產生的電磁攪拌可以有效地細化焊縫金屬的結晶組織，減小焊縫金屬的化學不均勻性，提高了焊接接頭的力學性能，有效防止了焊接接頭軟化。在磁場電流I=2A、頻率f=10Hz時，AZ61鎂合金焊縫金屬的抗拉強度可以達到231MPa。