交变磁场对铝合金双面保护气体全熔透激光焊接的影响研究
作者及机构
本研究由西南交通大学材料科学与工程学院先进材料技术教育部重点实验室的Xu Lidong（第一作者）与上海交通大学材料科学与工程学院材料激光加工与改性上海市重点实验室的Tang Xinhua（共同通讯作者）团队合作完成。研究成果发表于《Optics and Laser Technology》期刊2025年第192卷，论文标题为”Effect of alternating magnetic field on full-penetration laser welding with double-sided shielding gas of aluminum alloy”。
学术背景
本研究属于材料加工工程领域的先进连接技术方向，聚焦厚板铝合金全熔透激光焊接（Full-Penetration Laser Welding, FPLW）中的焊缝塌陷和根部成形不良问题。铝合金作为高速列车、船舶等重型装备轻量化制造的关键材料，其厚板焊接质量直接影响结构安全性。与传统电弧焊相比，高功率激光焊接虽具有能量密度高、深宽比大等优势，但在全熔透焊接过程中，熔池因缺乏支撑易出现上表面凹陷和下表面焊根下垂（root sagging）缺陷，这种现象在熔点低、导热系数高的铝合金中尤为显著。
先前研究表明，采用背面保护气体虽能改善焊根下垂形态，但效果有限；而直流电磁场虽可通过稳态洛伦兹力（Lorentz force）支撑熔池，但需要520A大电流，存在成本高和安全隐患。因此，本研究创新性地提出在双面保护气体条件下施加横向交变电磁场（Alternating Electromagnetic Field, AEMF），系统研究磁感应强度（Brms0）和磁场频率（f）对焊缝成形的影响机制，并通过建立多相流瞬态模型揭示电磁场-熔池-气泡的交互作用规律。
研究方法与流程
实验设计
材料与设备
采用尺寸为200×100×10 mm的A5083铝合金试板，焊接前经机械抛光和丙酮清洗去除氧化膜。实验系统核心包括：
1. IPG YLS-10000光纤激光器（波长1.07 μm，最大功率10 kW）
2. 电磁发生系统（磁感应强度0-100 mT，频率50-400 Hz）
3. 半封闭式气体通道（非磁性碳纤维薄片构成）
参数设置
- 激光功率6.9 kW，焊接速度1 m/min，离焦量0 mm
- 正反面保护气体流量均为20 L/min（正面45°倾斜喷射）
- 设计4×4全因子实验：Brms0（20/40/60/80 mT）与f（100/200/300/400 Hz）共16组参数
数值模拟
采用Ansys Maxwell和Fluent软件分别进行电磁场与流体流动的耦合仿真，模型建立基于以下简化假设：
1. 液态金属和金属蒸气视为牛顿不可压缩湍流
2. 忽略材料非均匀性，物性参数仅与温度相关
3. 不考虑固/液界面塞贝克效应（Seebeck effect）产生的热电流
4. 金属蒸气弱电离，视为电中性介质
电磁环境建模
将电磁线圈简化为500匝电感元件（Lwinding），驱动电路采用正弦三角函数（Vsin）电源波形。网格划分基于趋肤深度（skin depth）原则，在趋肤深度区域内采用加密网格。
流场建模
整合激光热源、蒸发冷凝模型、边界条件和材料物性参数，重点考虑：
- 重力与交变洛伦兹力的动态平衡
- 金属蒸气射流对熔池流动的影响
- 气泡生成-迁移-捕获全过程
分析方法
- 形貌表征：通过二值化处理提取焊缝上下表面轮廓，定量分析凹陷深度（dc）和下垂高度（dh）
- 孔隙统计：区分氢孔（hydrogen pore）和匙孔诱导孔（keyhole induced pore），分析其分布规律
- 数据拟合：建立Brms0和f与dc/dh的二元非线性曲面拟合方程：
math d = dt0 + aBrms0 + bf + cBrms0^2 + df^2 ## 主要研究结果 ### 焊缝成形规律 1. 尺寸特征：所有参数下焊缝横截面呈”高脚杯”形，上部熔宽（平均7.54 mm）约为中下部（平均3.83 mm）的2倍。磁参数变化对熔宽比例影响不显著（方差≤0.12）。
2. 表面质量：当Brms0≥60 mT且f=400 Hz时，下表面鱼鳞纹细化，粗糙度降低。上表面凹陷最大改善达1.88 mm（20 mT/100 Hz时）至完全消除（80 mT/300 Hz时）。
3. 支撑阈值：维持熔池稳定所需临界洛伦兹力密度为5.0×10⁵ N/m³。磁感应强度对熔池支撑作用（拟合系数a=0.023）显著强于频率（b=0.002），但频率通过趋肤效应（δ=(πμ0σf)^(-1⁄2)）可增强下表面电流密度。 ### 孔隙形成机制 1. 类型鉴别：
- 匙孔诱导孔：不规则形状，内壁存在镁元素富集（4.63% vs 基体4.22%）
- 氢孔：球形，主要分布于距表面2.6 mm范围内（占比57.6%）
2. 分布特征：78.6%的匙孔诱导孔集中分布于”杯肚”与”杯柄”过渡区下方1.8-3.1 mm处，形成链状分布。
3. 动力学过程：交变洛伦兹力导致熔池下部形成平均流速<0.2 m/s的低速区，大幅增加气泡被凝固前沿捕获的概率。 ### 电磁-熔池相互作用 1. **涡流特性**：交变磁场在铝合金板内产生方向相反的成对涡流，电流密度呈半椭圆分布，峰值出现在t=0.04±3/8f s时刻。 2. **洛伦兹力演化**： - 每周期内发生两次方向反转，向上力幅值（最大2.5×10⁶ N/m³）显著大于向下力 - 纵向分布离散度高于横向，有效作用厚度约1.08 mm 3. **熔池振荡**：匙孔呈现"开放-熔积-闭合-收缩-再开放"的20 ms周期，其中全熔透状态持续时间占比40%（无AEMF时为17%）。 ## 研究结论与价值 ### 科学价值 1. 首次量化了交变电磁场参数（Brms0=60-80 mT, f=400 Hz）对铝合金全熔透激光焊接熔池动态行为的调控规律，建立洛伦兹力密度阈值（5.0×10⁵ N/m³）与焊缝成形质量的定量关系。 2. 揭示电磁场频率通过趋肤效应改变电流分布，而磁感应强度通过平方关系（Fl∝Brms0²）主导熔池支撑作用的竞争机制。 3. 阐明低速区形成与气泡捕获的因果关系，为孔隙缺陷控制提供新思路：通过优化磁场分布缩小低速区体积可有效减小气孔尺寸。 ### 应用价值 1. 开发出低功耗（<400 Hz）、非接触式的熔池稳定技术，相比直流电磁方案降低90%以上能耗。 2. 为厚板铝合金激光焊接在轨道交通、船舶制造等领域的工程应用提供工艺窗口：在6.9 kW激光功率下实现10 mm厚板无塌陷单道焊。 3. 建立的多物理场耦合模型可推广至其他导电材料的电磁辅助焊接过程优化。 ## 研究亮点 1. **方法创新**：首次将横向AEMF与双面保护气体联用，通过电磁悬浮效应（electromagnetic levitation）同步解决焊根下垂和氧化问题。 2. **发现原创性**： - 识别出熔池下部低速区是匙孔诱导孔链状分布的关键诱因 - 发现镁元素在匙孔诱导孔壁的选择性沉积现象 3. **技术突破**：开发基于趋肤深度自适应的网格划分算法，实现0.1 mm尺度下电磁-流体耦合场的精确求解。 ## 其他重要发现 1. 金属蒸气射流方向转变（向下→向上）是熔池振荡周期延长的关键因素 2. 当洛伦兹力密度>2.5×10⁶ N/m³时，可抵消蒸气拖拽力使熔体流速反转，但该状态仅占周期的10%
3. 气泡合并现象（表面来源气泡与匙孔尖端气泡）是形成大尺寸气孔的重要原因