压铸镁合金外磁场辅助钨极氩弧焊接熔池气泡形成机制及上浮行为研究

Magnesium alloy is a key structural material for the lightweight, and welding process is a great way to promising low-cost and efficient large complex thin-walled magnesium alloy components. However, the tendency of seriously porosity in weld has been restricted the welding technology development and application of market expansion for die-cast magnesium alloy. Basis in the vacuum die-cast magnesium alloy process and based on "Magnetic tungsten arc welding (TIG) technology" platform, this project takes the cancellation of bubble in weld pool and stable welding process quality as the goal, research the "nucleation", "growing", "coalescence" and "floating" mechanism of bubbles under the role of "magnetic fluid force", reveal the mechanism of action of the applied magnetic field on the bubble behavior, and explore the optimal types and parameters that can effectively eliminate the number of bubbles in weld pool. On the technical route, through physical experiments and simulations to build relevant mathematical models of conditions of thermodynamic and kinetic which can describe the "nucleation", "growing", "coalescence" and "floating" mechanism of bubbles controlled by "magnetic fluid forces" in the weld pool. In the development of "magnesium alloy magnetron welding technology" theory, and build up theoretical basis to the process optimization for the magnetron controlled welding (welding repair) of die-cast magnesium alloy.

镁合金是轻量化关键结构材料，焊接连接是一种极具发展前景的高效低成本镁合金大型复杂薄壁构件的工艺途径，但严重的焊缝气孔倾向一直制约着压铸镁合金熔焊连接技术发展和应用市场拓展。项目在镁合金真空压铸基础上，以消除熔焊熔池气泡、稳定焊缝工艺品质为目标，基于“磁控钨极氩弧焊接（TIG）技术”平台，对压铸镁合金进行“磁流体力”作用下的气泡“形核”、“长大”、“集聚”和“上浮”机制研究，揭示电磁外场力对压铸镁合金熔焊熔池气泡形成和上浮行为的作用机制，探寻抑制熔池新生气泡形核并促进已形成气泡上浮的途径。在技术路线上，通过物理实验和计算模拟，描述“磁流体力”作用下满足气泡“形核”“长大”“集聚”和“上浮”行为的热力学和动力学条件，建立相关数理模型，在丰富“镁合金磁控焊接技术”理论的同时，为镁合金压铸件磁控焊接（焊修）工艺的优化奠定理论基础。

项目针对压铸镁合金熔化焊接焊缝气孔问题，以消除熔焊熔池气泡、稳定焊缝工艺品质为目标，在常规TIG焊接基础上添加外置磁场，创建“磁控钨极氩弧焊接（TIG）技术”平台，通过外加磁场和熔池电流产生的“磁流体力”干预电弧行为和熔池金属流动，对压铸镁合金进行“磁流体力”作用下的气泡“形核”、“长大”、“集聚”和“上浮”机制研究，揭示电磁外场力对压铸镁合金熔焊熔池气泡形成行为的作用机制，探寻抑制熔池气泡形成和长大的途径。技术路线上，通过物理实验和相关理论推导，探索描述“磁流体力”作用下满足气泡“形核”、“长大”、“集聚”和“上浮”行为的热力学和动力学条件，建立相关数理模型，研究内容在丰富“镁合金磁控焊接技术”理论的同时，为镁合金压铸件磁控焊接工艺的优化奠定理论基础。 .通过本项目的研究，初步获得下述研究结论：.① 焊接过程产生的微观气孔主要为“氢致气孔”，气体主要遗传于固溶于母材的原子氢和少量存在于压铸缺陷的分子氢。不管有无外加磁场作用，氢气泡的形成都要经历“形核”和“长大”两个阶段。.② 外加磁场对“氢致气孔”的形貌影响不明显，“氢致气孔”的截面轮廓基本都为规则的近圆形，内壁光滑，无金属液冲涮痕迹。.③ 外加磁场对“氢致气孔”的数量和尺寸有一定的影响，在外加磁场作用下，最大气孔尺寸略有增大，并且有所增多，但直径超过2mm的气孔数量不多。对50个焊接接头金相照片分析表明，在外加磁场作用下，“氢致气孔”的数量有所减少。.④ 外加磁场对直径大于2mm的宏观气孔影响较为明显，主要体现在大直径气孔增多，气孔形状不规则程度增大，气孔内壁更加粗糙，气孔数量减少不明显。.⑤ 总的来说，外加磁场对AZ91D镁合金TIG焊接焊缝气孔的形状、大小、分布、数量产生一定程度的影响；气孔数量总体上有所减少，但尚不能得到满足工业应用标准的低气孔率焊缝。.⑥ 外加磁场添加方式对焊接熔池气泡的影响机制有待进一步深入研究，是本项目后续研究工作的重点。