應(yīng)用電磁攪拌技術(shù)形成的交變磁場(chǎng)可以提高金屬在激光送絲焊接中的混合。然而，參數(shù)的選擇使得工藝參數(shù)的優(yōu)化變得更加困難。在當(dāng)前的研究中，除了常用的磁感應(yīng)強(qiáng)度（magnetic flux density）和頻率之外，磁場(chǎng)方向（磁場(chǎng)角度）對(duì)填充金屬的影響也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。

非原位的X射線熒光光譜儀用來(lái)對(duì)最終的焊接接頭進(jìn)行了圖像化測(cè)量。一個(gè)三維的瞬時(shí)多物理場(chǎng)模型用來(lái)揭示其深度的物理現(xiàn)象，在分析時(shí)考慮了傳熱，流體流動(dòng)，匙孔動(dòng)力學(xué)，元素的傳輸和電磁流體動(dòng)力學(xué)（magnetohydrodynamics）之間的耦合。激光能量在匙孔壁處的空間分布采用光線跟蹤算法進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果顯示同橫向方向呈現(xiàn)小角度的磁場(chǎng)可以提供較好的穿透能力，并且它的攪拌效應(yīng)可以抵達(dá)熔池的底部。因此，小的磁場(chǎng)角度可以產(chǎn)生更好的金屬混合。一個(gè)固定的向下的流速在熔池底部形成，此時(shí)的磁場(chǎng)施加的角度為10°。此時(shí)填充金屬可以抵達(dá)到根部。當(dāng)磁場(chǎng)施加的角度達(dá)到 40°的時(shí)候，向下的流速變化變成固定的向上的流動(dòng)，造成填充金屬在上部區(qū)域的集中。這一研究為理解電磁增強(qiáng)的激光焊接提供了深入的理解，從而可以為優(yōu)化參數(shù)來(lái)獲得性能的均勻性或避免產(chǎn)生潛在的缺陷提供了指導(dǎo)。

圖1. 施加磁場(chǎng)進(jìn)行激光填絲焊接時(shí)的系統(tǒng)：(a) 實(shí)驗(yàn)裝置， (b) 磁場(chǎng)方向施加時(shí)的圖

激光焊接（LBW）的穿透深度比較深，在越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域中由于激光功率高和光束質(zhì)量好，得到了更加廣泛的應(yīng)用。然而，典型的自生激光焊接仍然面臨著許多限制，如由于激光光斑小而導(dǎo)致焊接間隙的要求非常嚴(yán)格，以及由于元素蒸發(fā)造成的主要合金元素的損失等。

圖2. 實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的外部施加的磁場(chǎng)圖

這些限制目前被一個(gè)改性的激光焊接技術(shù)，稱之為送絲激光焊接技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，在這一技術(shù)中，送進(jìn)的絲材采用激光束進(jìn)行熔化然后輸送到熔池中。間隙的搭橋能力可以顯著地通過(guò)熔化的填充金屬來(lái)提高。此外，適合的合金元素可以添加到熔池中來(lái)控制冶金行為。然而，據(jù)報(bào)道，由于熔池陡峭的形狀和高的冷卻速率造成了不充分的金屬混合。非均勻的元素分布會(huì)損傷材料的機(jī)械性能和冶金性能，或者甚至造成缺陷，如激光焊接鋁合金時(shí)所造成的熱裂紋。

▲圖3. 焊接截面的模擬和實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果：(a)參考案例 ；(b)磁場(chǎng)角度為 10° 的時(shí)候的結(jié)果；(c) 磁場(chǎng)角度為 20°的時(shí)候的結(jié)果， (d) 磁場(chǎng)角度為 40° 的研究結(jié)果

在最近的幾十年里，人們將更多的關(guān)注投放到應(yīng)用電磁場(chǎng)來(lái)提高傳統(tǒng)的激光焊接技術(shù)的效果上來(lái)。在施加外部磁場(chǎng)的時(shí)候，會(huì)在導(dǎo)電的熔池中產(chǎn)生一個(gè)渦流。這一渦流和磁場(chǎng)本身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)體積洛倫茲力。

▲圖4. 誘導(dǎo)的渦流產(chǎn)生的矢量場(chǎng)：(a)磁場(chǎng)角度為 10° 的時(shí)候的結(jié)果；(b) 磁場(chǎng)角度為 20°的時(shí)候的結(jié)果， (c) 磁場(chǎng)角度為 40° 的研究結(jié)果

激光焊接的過(guò)程中施加外部電磁場(chǎng)的一個(gè)有利的效應(yīng)曾經(jīng)被Kern所報(bào)道，此時(shí)的熔池比較穩(wěn)定，抑制了在高速焊接過(guò)程中的駝峰效應(yīng)。Avilov等人和Xu等人提出了一個(gè)橫向交變的磁場(chǎng)施加到工件的底部來(lái)提供一個(gè)有效的支撐來(lái)應(yīng)對(duì)在完全穿透焊接20mm厚度的鋼板或厚度為10mm的Al板時(shí)的金屬靜壓力。相似的研究成果在完全穿透焊接Al合金時(shí)采用一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)（200mT）時(shí)給予了報(bào)道。在Fritzsche 等人的報(bào)道中，橫向交變的磁場(chǎng)在千赫茲范圍內(nèi)進(jìn)行施加時(shí)，進(jìn)行部分穿透鋁合金的激光焊接。降低了超過(guò)70%的氣孔率，與此同時(shí)，可以觀察到表面的穩(wěn)定性得到提高。

▲圖5. 在橫截面處Ni的分布（wt%）：(a) XRF 測(cè)量結(jié)果；(b) 數(shù)值模擬結(jié)果

同時(shí)曾經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證明，磁場(chǎng)可以用來(lái)提高激光焊接過(guò)程中填充金屬的混合效果。Gatzen施加一個(gè)低頻率的同軸交變磁場(chǎng)（低于25Hz）施加到激光焊接鋁合金的熔池中。自填充金屬中的Si會(huì)顯著地通過(guò)電磁攪拌在熔池中均勻化。在復(fù)合激光-電弧焊接中，甚至是熔化的填充金屬也可以加速進(jìn)入以更加高的向下速率自氣體電弧中分離，填充金屬仍然集中在焊接的上部。stünda等人發(fā)現(xiàn)在激光-電弧復(fù)合焊接中碳鋼的時(shí)候，金屬的混合在施加交變磁場(chǎng)后得到放射性的提高。在作者早先的研究中，橫向的交變磁場(chǎng)在焊接奧氏體不銹鋼時(shí)施加在工件的頂部。額外的元素在洛倫茲力的向下作用下轉(zhuǎn)移到熔池的根部，混合較好的區(qū)域的深度幾乎得到加倍。

除了以上提到的宏觀的有益的效應(yīng)之外，焊峰的顯微組織也可以通過(guò)施加外部磁場(chǎng)得到改善。在Xu和Meng等人的研究中，激光焊接鋼或鋁合金的時(shí)候，其焊縫的晶粒在經(jīng)過(guò)洛倫茲力的機(jī)械攪拌后得到細(xì)化。與此同時(shí)，微觀的凝固裂紋的敏感性也得到了降低。穩(wěn)態(tài)的磁場(chǎng)也發(fā)現(xiàn)對(duì)晶粒細(xì)化有幫助，這是因?yàn)闊犭姶诺膶?duì)流效應(yīng)造成的。Yan等人發(fā)現(xiàn)激光焊接鋼和鋁合金時(shí)的脆性金屬間化合物的生成也會(huì)在穩(wěn)定的磁場(chǎng)作用下得到抑制。元素的擴(kuò)散得到減輕，更多的富集Fe的金屬間化合物在截面形成。

▲圖6. 熔池的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)：(a) 和 (b) 參考案例， (c) 和(d) for 磁場(chǎng)角度為 10°, (e) 和 (f) 磁場(chǎng)角度為 20° ， (g) 和 (h) 施加的磁場(chǎng)角度為 40°

盡管許多實(shí)驗(yàn)在施加外部磁場(chǎng)的時(shí)候成功的用來(lái)提高了激光焊接的效果，只有少量的實(shí)驗(yàn)研究是針對(duì)在磁場(chǎng)作用下激光焊接熔池的行為的研究，如金屬/氣體的觀察和原位X射線的測(cè)量等。這部分是因?yàn)閷?duì)熔池的直接測(cè)量存在困難，因?yàn)槿鄢厥遣煌该鞯牟⑶胰鄢乇涣恋臍怏w羽毛所覆蓋。此外，高度非線性和多個(gè)耦合的交互作用存在于熔池和磁場(chǎng)之間，使得量化分析變得更加困難。

為了提供在施加外部磁場(chǎng)時(shí)激光焊接的物理現(xiàn)象的更加深入的理解，一些模型用來(lái)進(jìn)行幫助分析模擬，其中多物理場(chǎng)耦合針對(duì)熱流體和磁場(chǎng)，稱之為磁流體力學(xué)（ magnetohydrodynamics (MHD），開(kāi)始被加以考慮。以一個(gè)3D穩(wěn)態(tài)的CFD模型和固定的匙孔形狀被發(fā)展出來(lái)進(jìn)行施加磁場(chǎng)的自生激光焊接。穩(wěn)態(tài)和交變磁場(chǎng)對(duì)激光焊接非磁性材料，如Al和奧氏體不銹鋼的熔池行為進(jìn)行了研究。后來(lái)，進(jìn)一步的改善材料的模型來(lái)計(jì)算鐵磁性的雙相不銹鋼過(guò)程中的熔體的熱流體模型。Chen等人利用數(shù)值模擬來(lái)研究了穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的方向?qū)す夂附愉X合金的熔池動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。這一模型的復(fù)雜性，用來(lái)研究誘導(dǎo)的熱電流和熱電磁效應(yīng)。然而，在這些模擬中，匙孔保留為預(yù)設(shè)的形態(tài)，忽視了波動(dòng)的匙孔的影響。最近，自相容的多物理場(chǎng)模型用來(lái)考慮動(dòng)態(tài)的匙孔來(lái)計(jì)算在穩(wěn)態(tài)的磁場(chǎng)作用下激光焊接的熔池的行為和熱電流。

Gatzen 等人曾經(jīng)嘗試揭示采用同軸磁場(chǎng)時(shí)的激光焊接對(duì)金屬混合增強(qiáng)的影響的數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明周期性的EMS在熔池中可以顯著的對(duì)熔池的流動(dòng)模型和決定最終的元素分布。然而，匙孔形貌在本研究中通過(guò)固定不變的方式進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在作者的最近的研究工作中，一個(gè)更加綜合的多物理場(chǎng)模型發(fā)展起來(lái)用于電磁攪拌增強(qiáng)激光焊接時(shí)送絲的效果。此時(shí)的傳熱，流體流動(dòng)，元素的傳輸，匙孔動(dòng)力學(xué)和磁流體力學(xué)等均給予自洽性考慮。熔池的行為在有無(wú)磁場(chǎng)時(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的比較以獲得磁場(chǎng)對(duì)熔池的有利影響的直覺(jué)方面的解釋。

考慮到許多參數(shù)在這一新的技術(shù)中均被引入進(jìn)來(lái)，參數(shù)的優(yōu)化選擇就變得更加具有挑戰(zhàn)性。除了常見(jiàn)的磁流密度和頻率外，文章對(duì)參數(shù)中磁場(chǎng)方向（磁場(chǎng)角度）的影響對(duì)于激光焊接時(shí)填充材料的傳輸?shù)淖饔貌捎脭?shù)值模擬和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。電磁現(xiàn)象，如渦流和洛倫茲力，結(jié)合熱流體流動(dòng)，匙孔動(dòng)力學(xué)和元素的傳輸采用3D瞬時(shí)多物理場(chǎng)模型進(jìn)行了計(jì)算。模型在經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后非常吻合，元素的測(cè)量采用X射線熒光光譜（XRF）技術(shù)進(jìn)行了測(cè)量。不同的熔池動(dòng)力學(xué)在不同的磁場(chǎng)方向下的作用均進(jìn)行了比較和分析。

實(shí)驗(yàn)采用304不銹鋼和 NiCr20Mo15 合金作為基材和填充材料?；牡某叽鐬?00mm×60mm×10mm ，填充材料的直徑為1.2mm?；暮吞畛洳牧暇哂胁煌腘i含量，所以測(cè)量Ni含量來(lái)表征熔池中金屬混合的結(jié)果。

▲圖7. 在焊接速度為0.4 m/min 和0.8 m/min的時(shí)候，施加靜止磁場(chǎng)激光焊接10mm厚度的AISI304不銹鋼的結(jié)果

▲圖8. 在焊接速度為0.4 m/min.的時(shí)候焊接厚度為15mm的AISI304不銹鋼的研究結(jié)果，磁場(chǎng)為靜止的

文章來(lái)源：The influence of magnetic field orientation on metal mixing in electromagnetic stirring enhanced wire feed laser beam welding,Journal of Materials Processing Technology,Volume 294, August 2021, 117135

參考文獻(xiàn)：Experimental and numerical investigation of an electromagnetic weld pool support system for high power laser beam welding of austenitic stainless steel，Journal of Materials Processing Technology，Volume 214, Issue 3, March 2014, Pages 578-59，