磁场作用下高功率激光完全穿透焊接铝合金

一个焊接熔池支撑的振荡电磁场结合一个焊接样品的夹具被设计出来用来提高焊道的形成，应用于激光焊接A5083铝合金的完全穿透焊。实验结果表明适合的振荡电磁场可以有效的减少焊接熔池根部的下垂。当焊缝电磁诱导的强度的均方根在样品背面为Brms0=80mT和电磁频率为f=400Hz的时候，焊缝根部的下垂在连接铝合金板的厚度为10mm的时候几乎可以可以完全消除。

电磁频率和激光功率对焊缝根部的下垂的高度和焊缝背面的表面粗糙度具有非常大的影响,而磁场的强度对其影响则相对较弱。磁场可以造成晶粒细化和降低柱状晶的宽度,降低裂纹的敏感性和提高焊缝的机械性能.然而,咬边缺陷在没有使用填充材料进行焊接的时候是不可避免的,除非采用填充焊料进行焊接，这是因为金属的蒸发和飞溅在高功率的激光焊接过程中时不可避免的。


图1.采用振荡磁场进行激光焊缝熔池的支撑系统示意图和实验装置图

高功率激光焊接广泛的应用得益于激光焊接是目前最为有效的一种焊接手段，从而在工业中得到了广泛的应用，它具有焊接速度快,焊接热输入低，焊接变形小等优点.然而，完全穿透焊接铝合金的时候，焊接焊缝的表面也看起来比较差和粗糙,存在较深的凹陷，而其背面经常还存在一个驼峰一样的凸起，原因是深熔高功率激光焊接的时候，铝合金的表面张力比较低,从而造成铝合金非常容易下垂。然而，在高功率激光焊接的时候，采用铜合金作为背衬非常容易同焊缝底部材料连接在一起。一旦这样的事情发生,就非常耗费时间来将两者分开.与此同时,焊缝的机械性能也会受到损伤。


图2.磁场的强度，电压和频率之间的关系

一些无接触的磁场焊缝支撑系统曾经用来提高激光高功率焊接时的焊缝成形的支撑。Chen等人通过数值模拟激光焊接304不锈钢在磁场环境中的结果。他们计算出大数量的热电电流聚焦在匙孔的底部和前部。其电流密度在一个非常小的区域(匙孔的底部和前部)可以高达107A/m2，但在熔池区域非常接近0.热电电流在熔池区域非常小，以至于可以产生足够的洛伦兹力来支撑熔池的下垂。Qi和Chen应用一个向上的稳态电磁力，这一电磁力是通过一个直接的电流来产生的稳态磁场，来稳定高功率激光焊接的工艺过程。一些不可避免的现象，如熔池的下垂和液态金属的下滴可以得到有效的降低。然而，直接电流产生的磁场大约为250A，这需要非常大的电源才能产生。这一高的电流同时会带来非常严重的隐藏的安全伤害。


图3.在变化的磁场感应强度和频率的条件下得到的焊缝的顶部形貌和背面的表面,样品为0到5:(a)表面形貌,(b)场深度的形貌

事实上,振荡磁场(EM)曾经用来稳定激光焊接工艺。Bachmann构建了一个数值模拟模型来模拟激光焊接304不锈钢来研究洛伦兹力的分布对熔池的影响。这是因为振荡磁场的皮肤效应的作用，洛伦兹力作用在熔池的背部表面是非常大的,从而可以随着距离磁场的距离的增加而呈指数降低降低。Avilov使用振荡磁场(ＥＭ)焊接熔池支撑系统来焊接厚度为15mm的双相不锈钢。磁场的方向垂直于焊接的路径。一个向上的洛伦兹力就会产生来偏离熔池的流体静压力。当系统运行在振荡磁场的频率为2.4或1.18KHZ的时候，且输出的激光功率为1.6KW,焊缝熔池的下垂就可以完全得到补偿。


图4.样品0到5在交变磁场感应强度和振荡磁场的频率变化时得到的纵向方向的形貌和横截面方向的形貌图

振荡磁场同时也应用到非磁性的材料中,如铝合金的焊接和加工等。这是因为液态铝合金的表面张力系数在873K的时候只有0.85N/m，这一数值显著低于液态的不锈钢的数值(1.94N/m,1700K)，铝合金的熔池，同不锈钢相比，更难形成稳定的熔池.Avilov等人采用高功率激光进行厚度为20mm的AlMg3板材的焊接。一个无接触的电磁振荡熔池支撑系统用来消除熔池的下垂。当系统的输出功率和频率选择的数值为244W和460Hz的时候,熔池的下垂效应，在横截面进行观察的时候,发现得到有效的消除。基于Avilov和Bachmann等人的研究成果，他们研究了温度,速度和磁场分布在熔池上的数值模拟结果。振荡磁场的支撑原理和哈特曼效应(Hartmanneffect)也给予了解释。但他们并没有指出哪一个电磁场参数对熔池焊缝的形成可能会产生最大的影响,也没有对焊缝的显微组织进行表征。


图5.样品1到25的表面参数的特征:(a)焊缝熔池下垂高度d1的平均数值;(b)顶部表面凹陷的平均数值d2;(c)背面表面的粗糙度数值R2(d1),(d)顶部表面粗糙度数值R2(d2)

Yubo等人采用一个低频率的振荡磁场(EM)来进行铝合金的铸造以期望消除铸造的缺陷.晶粒尺寸和成分的分离偏析均得到了降低.Gatzen等人应用一个同轴的振荡磁场来提高激光焊接时填充材料的混合效果.电磁搅拌效应增加了Si分布的均匀性.Meng等人研究了激光添加焊料焊接奥氏体不锈钢时,在施加一个横向的振荡磁场的条件下的熔池行为和显微组织.实验结果表明电磁搅拌效应可以细化焊缝顶部的晶粒.然而,完全激光穿透焊接铝合金的时候,在施加横向的振荡磁场在焊缝的背面的时候,其相应的激光焊接所得到的结果很少有报道。


▲图6.在没有振荡磁场(EM)的条件下样品0的横截面的形貌:(a)宏观形貌;(bd)部分放大的形貌图

在本研究中，采用振荡磁场焊接熔池支撑系统,固定在样品中的运行机理，用来辅助激光高功率焊接铝合金A5083，以期望提高焊缝的成形。采用Taguchi的办法来分析焊缝形貌特征和诸如激光功率，磁场感应强度(B)和电磁频率(f)的影响.焊缝的宏观的形貌和显微组织采用金相显微镜和EBSD进行观察。电磁对显微组织的变化也进行了详细的分析。


图7.在电磁振荡支撑系统的作用下样品5的横截面形貌:(a)宏观形貌;(bd)部分放大的形貌

主要结论

在本文中，采用振荡电磁场熔池支撑系统来辅助高功率激光焊接5083铝合金.焊缝的形貌和电磁场参数的变化之间的关系进行了研究.主要结论如下：

1.适宜的振荡电磁场可以有效的防止高功率激光焊接铝合金时的熔池下垂效应.当电磁感应强度为80mT,频率为400Hz的时候,焊接10mm厚度的铝合金板材的熔池下垂效应会得到消除。

2.电磁场的频率和激光功率对熔池的下垂起到至关重要的作用,对焊缝的表面粗糙度,熔池下垂等影响巨大.而磁场强度的影响就比磁场频率和激光功率在同样的可变参数下要小得多。

3.振荡磁场对熔池具有搅拌效应.它不仅可以细化晶粒,还能够减少微观的凝固裂纹敏感性,从而有助于提高焊缝的机械性能。


▲图8.焊缝的EBSD结果：(a,c)测量的区域,(b)没有采用电磁振荡支撑系统的研究结果,(d)采用电磁振荡支撑系统得到的研究结果


▲图9.横截面的不同区域的EBSD图:(a),(c)和(e)没有磁场时的高功率激光焊接结果,(b),(d)和(f)有磁场时的高功率激光焊接结果（Meng等人的研究结果）

文章来源：Weldbeadcharacteristicsforfull-penetrationlaserweldingofaluminumalloyunderelectromagneticfieldsupport，JournalofMaterialsProcessingTechnology，Volume288,February2021,116896，

参考文献：Experimentalandnumericalassessmentofweldpoolbehaviorandfinalmicrostructureinwirefeedlaserbeamweldingwithelectromagneticstirring，JournalofManufacturingProcesses，Volume45,September2019,Pages408-418，