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纵向磁场参数对LD10CS铝合金TIG焊
焊缝组织的影响

Refinement of LD10CS Aluminum Alloy Weldment

Yin Xianqing，Luo Jian,Li Haigang

(Xi′an Jiaotong University, Xi′an710049，China)

Abstract：Metallographic examination of LD10CS aluminum alloy weldment using He-TIG(Tungsten Inert Gas) with logitudinal intermittent alternative magnetic fields shows that the magnetic induction intensity, the frequency and magnetic ratio of the break to openness can greatly influence the weld grain fefinement. These parameters cannot be chosen independently; they need to be optimized to control grain structure refinement and magnetic property.
Keywords：magnetic stirring；weld structure;aluminum alloy；parameter optimum

LD10CS铝合金钨极氦弧焊（He-TIG）焊缝结晶组织粗大，焊缝中心易形成羽毛晶组织，致使焊缝金属热裂倾向较大，塑性、韧性较低．研究证明［1～3］，电磁搅拌是改善焊接质量的有效方法之一．
外加间歇交变纵向磁场的电磁搅拌焊接方法，可以有效地细化焊缝一次结晶组织，减小焊缝金属的偏析程度，降低焊缝结晶裂纹和气孔的敏感性，提高焊缝金属的塑性、韧性［1，2］．但当磁场参数选择不当时，电磁搅拌效果变差，甚至使焊缝成形严重恶化［2～6］．
在外加间歇交变纵向磁场LD10CS铝合金He-TIG焊接时，磁场参数的选择更具有重要意义，它直接影响LD10CS铝合金焊缝金属一次结晶组织的细化程度．由于被焊材料焊接工艺参数的不同，焊缝金属结晶组织细化的磁场参数也各不相同，并且它们的可调范围较大，一般很难一次选取最佳参数．因此，通过分析LD10CS铝合金焊缝组织，探讨磁场参数对焊缝结晶组织细化效果的影响规律，以指导电磁搅拌焊接工艺，具有重要意义．

1实验方法与设备
本文所采用的外加磁场是一种以一定频率间歇交变的纵向磁场，该磁场由安装在喷嘴上的激磁线圈产生，其激磁电流为双向脉冲电流，其断通比和幅值均可调节，产生纵向磁场或同轴磁场(磁力线方向与电弧轴线平行，并以电弧轴线为中心形成轴对称分布)．试验用材料为LD10CS铝合金板材，厚度h＝4mm．焊接采用直流正极性（DCSP）不填丝钨极氦弧焊（He-TIG)，钨极直径d＝4mm，弧长(钨极至工件距离)l＝1.0～1.5mm，焊接电流I＝110A，焊接速度V＝300mm/min，气体流量qv＝18L/min．详细内容见文献［2］．

2磁场变化频率f的影响
磁场频率是电磁搅拌焊接时的重要参数，它不仅影响焊缝金属一次结晶组织的细化效果，而且也影响焊缝成形．若激磁电流为脉冲方波，其频率可以按下式计算［7］

式中T为脉冲周期；T1为脉冲持续时间；T2为脉冲休止持续时间；Q为断通比．

为了有效细化一次结晶组织，在脉冲休止时间内，结晶前沿应该向前推进，其距离约等于两相区域的厚度，即

T2＝b／Vcb（2）

式中b为结晶线前沿两相区域的厚度；Vcb为焊接速度．

将式(1)代入式(2)，可以得到交变磁场适宜的脉冲频率

（3）

两相区域的厚度取决于结晶温度范围和相界面附近的温度梯度，结晶温度范围越宽和温度梯度越低，两相区域厚度就越大．对于铝合金的焊接情况，这一区域的特征是具有向熔池液态金属延伸的树枝晶，液态金属充满结晶线前沿树枝晶之间的间隙．对于以镍、铝、钛为基的一系列合金，在焊接熔池尾部，两相区域厚度大约为0.01～0.07cm［4］．由于LD10CS铝合金具有较大的结晶温度区间（128℃)，在铝合金中仅次于超硬铝LC4（161℃）［5］，因此它的两相区厚度接近于上限值．取两相区域的厚度为0.04cm，按照公式(3)可计算出当Q等于2.5、V分别等于150、300、500mm/min时，与此对应的磁场交变频率分别为2.2、4.5、7.4Hz．
自然电弧焊时，LD10CS铝合金焊缝金属一次结晶组织粗大，且具有明显的方向性，如图1a所示．电磁搅拌焊接时，保持磁感应强度B＝0.04T不变，磁场频率f＝2Hz时，焊缝金属的结晶组织有所细化，如图1b；f＝5Hz时，焊缝金属的结晶组织明显细化，如图1c；将f值进一步提高至15Hz时，由于熔池液态金属的机械惯性，磁搅拌力导致的熔化金属搅拌运动阻力增大，甚至不会产生节奏明显的搅拌运动，因此搅拌效果很差，一次结晶组织反而变得粗大，如图1d所示．

图1磁场交变频率对焊缝金属结晶组织细化效果的影响

图2为B＝0.04T，f＝2、5Hz时焊缝金属的显微组织．图2中箭头所示为磁场作用时形成的“波纹”，结晶线前沿枝晶的部分重熔即发生在“波纹”线及其附近．磁场休止时，因结晶线前沿枝晶重熔所造成的难熔质点开始活化，并以此为晶核，这些新形成的晶核从“波纹”线附近开始生长，直到下一条“波纹”线长大成柱状晶，此时，由于瞬时结晶速度加快，故晶粒横向尺寸减小．因此，f＝5Hz时，焊缝金属的“波纹”间距较小，细化效果显著．当磁场频率较低时，磁场休止时间较长，“波纹”线之间的间距较大，熔池金属的结晶状态接近自然电弧焊时的状态，结晶组织细化效果较差．

（a）f＝2Hz，B＝0．04T（b）f＝5Hz，B＝0．04T
图2不同磁场交变频率作用下焊缝金属的微观组织×200

图2表明，促使熔池金属间歇性强制推移的磁场参数有一个恰当范围，只有在此范围内，才能获得较佳的细化效果．一般说来，在较佳的磁场频率和磁感应强度条件下，形成的“波纹”间距相对较小，柱状晶的长度尺寸和横向尺寸也相应减小，细化效果显著，反之，则细化效果不明显．
有人认为，若晶粒的细化程度符合交变磁场频率与柱状晶生长长度的对应机理（如图2所示），那么，交变磁场使晶粒细化的最佳频率与焊接速度成正比例关系，因为2个“波纹”的间距(柱状晶在交变磁场半周期内所能生长的长度)与焊接速度成反比例．这种观点并不完全正确．自然电弧焊时，焊接速度即是影响焊缝金属结晶组织的重要因素，焊速的变化直接影响熔池的形状、质量、结晶界面的温度梯度、柱状晶的长大方式等．低速焊时，熔池结晶线前沿温度梯度较大，焊缝金属的结晶组织为柱状晶，磁场对结晶线前沿浓度过冷的影响较大；随焊速增大，结晶线前沿的温度梯度下降很多，浓度过冷加大，等轴晶得以发展，而且，高焊速所形成的狭长熔池形状使熔融金属在结晶线前沿的流动减弱．因此，在不同的焊速下，焊缝金属的结晶组织有很大差异，磁场对结晶区域的影响程度也不同．电磁搅拌焊接时，自然电弧状态下熔池金属的结晶条件及组织是影响晶粒细化程度的内在因素，而磁场这种外在因素对晶粒的细化程度则视内因而定．虽然存在磁场频率与焊速的最佳匹配，譬如高速焊时，磁场最佳频率也相应增大，但不能简单认为二者必定成正比例关系．
试验表明，对LD10CS铝合金进行电磁搅拌He-TIG焊接，当频率f＝5Hz时，对焊缝金属结晶组织的细化效果最好．而被焊材料、焊接方法和热输入不同时，这个最佳频率值也相应改变，例如，埋弧自动焊20g钢时，其最佳磁场频率f≤2Hz［6］．

3磁感应强度B的影响
磁感应强度决定了磁搅拌力的大小，它也会影响焊缝成形和焊缝金属的细化程度．磁场交变频率不变，B＝0.02T，0.04T时所焊焊缝的宏观组织如图3所示．当B＝0.02T时，焊缝金属的一次结晶组织较自然电弧焊时有所细化；B＝0.04T时，一次结晶组织的细化效果显著，与此同时，柱状晶变得杂散，方向性变弱．

（a）B＝0（b）B＝0．02T（c）B＝0．04T

图3磁感应强度对焊缝金属结晶组织细化效果的影响

因此，在一定范围内，较高的磁感应强度有助于晶粒细化，但若磁感应强度过高，熔池和电弧运动激烈，保护气流的稳定性变差，则焊缝成形也会变差，严重者还会形成起皱焊道，所以，磁感应强度应有上限值．试验发现，只要B＜0.06T，焊缝成形就不会明显变差．但磁感应强度也不能过低，否则产生的磁搅拌力较小，熔池液态金属的间歇性运动较弱，导致细化效果不明显．
磁感应强度值也应根据被焊材料的性质、焊接方法、热输入和其他磁场参数来确定，一般在0.02～0.06T范围内．TIG焊铝合金时，由于熔池尺寸小，铝合金比重小，因此，B＝0.04T时，即可获得满意的细化效果．

4磁场参数的匹配
综上所述，磁场参数，即磁感应强度B和磁场交变频率f，对电磁搅拌效果影响很大，而这2个参数不能单独选择，两者之间必须有一个恰当的配合，才能获得最佳细化效果．一般说来，当所选用的f较高时，B值应适当加大；反之，当B值较小时，f适当降低，才能达到同样的搅拌效果．另一方面，磁场参数还必须与所采用的焊接规范参数相适应，一般情况下，焊接热输入较大时，所需B值较大，因为热输入决定了熔池尺寸的大小；当焊接速度较快时，搅拌频率应适当提高，以使“波纹”间距较小．当然这些参数均有一定的调节范围，即有一定的最佳参数范围，例如，用He-TIG焊LD10CS铝合金时，当焊接速度V＝300mm/min时，在外加磁场交变频率f＝2～5Hz范围内，均可获得较满意的焊缝一次结晶组织．
另一个重要的磁场参数为断通比，即磁场休止时间与作用时间之比．研究表明，电磁搅拌焊接时，一般用较高的断通比（Q＝2～10)，它主要取决于磁感应强度和焊接熔池金属的粘度．该参数的选择原则与磁场交变频率f大体相同．当磁感应强度较大时，熔池运动激烈，Q值应大一些，以保证熔池头部金属交替向尾部移动；若液态金属粘度较大，Q值也应大一些．在本试验中，按照铝合金的焊接特点，依据文献［6］推荐的数据，取Q＝2.5．

5结论
(1)外加间歇交变纵向磁场He-TIG焊LD10CS铝合金时，焊缝金属一次结晶组织能有效得到细化．
(2)通过对外加间歇交变纵向磁场作用下LD10CS铝合金He-TIG焊焊缝组织的分析，发现磁场参数(磁感应强度B、磁场交变频率f和磁场断通比Q)与焊接规范参数必须恰当匹配，焊缝组织才能获得最佳的细化效果．
(3)本文研究了外加纵向磁场参数对焊缝一次结晶组织细化的影响规律，发现磁感应强度B和磁场交变频率f对电磁搅拌效果影响最大，两者也必须适当配合，才能获得满意的搅拌效果．
(4)LD10CS铝合金He-TIG焊接条件下最佳参数的匹配原则是：f较高时，B应适当加大；B较小时，f应适当降低；焊接热输入较大时，所需B值较大；焊接速度较快时，搅拌频率应适当提高，这样才能达到同样的搅拌效果．各参数均有一定的最佳参数范围．本研究对磁控电弧焊接技术的应用具有重要的指导意义．

作者简介：殷咸青，男，1968年6月生，机械工程学院焊接研究所，讲师．
作者单位：西安交通大学，710049，西安

参考文献：
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