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为什么等离子体受磁场影响?
等离子体又叫做电浆,是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质.所以等离子体是一些带电微粒,当在磁场中运动时,移动的带电粒子在磁场中自然会受到洛伦兹力的作用.所以等离子体会受到磁场影响.
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电、磁场辅助激光焊接的研究现状
添加：不详
0 前言&&& 激光焊接具有焊接速度快、焊缝成形好、热影响区小、焊后变形较小且易于实现自动化等优点，已广泛应用于汽车、航空航天、船舶及电子等工业领域。但是激光焊接也存在着一定的缺点：高功率激光设备昂贵，能量利用率低，装配条件要求严格，高反射金属焊接困难，易产生气孔、裂纹和咬边等缺陷，从而限制了其更广泛的应用。&&& 为了有效弥补激光焊接的不足，充分发挥其优势，近年来，研究人员提出了外加电、磁场辅助激光焊接的新思路。一方面通过外加电、磁场控制激光焊接等离子体，提高激光利用率，增加焊接熔深；另一方面通过外加电、磁场改变熔池金属的传质和传热过程，改善焊缝成形，提高焊接质量。电、磁场辅助激光焊接技术操作简单，具有广阔的应用前景，所以开展这方面的研究是非常具有现实意义的。1 电、磁场控制激光焊接等离子体1.1 电、磁场控制激光等离子体机理&&& 高功率激光焊接过程中，工件上方的高温等离子体通过吸收、散射和折射作用对激光产生屏蔽效应，不仅会降低激光的利用率，而且还会影响焊缝成形，严重时，等离子体的屏蔽会使焊接过程无法进行。因此，如何控制激光焊接时的等离子体十分关键，由于等离子体对激光的屏蔽效应主要取决于等离子体中带电粒子密度和等离子体的形态，因此控制等离子体需降低激光传输通道上带电粒子的密度和分布。&&& 当外加电、磁场辅助激光焊接时，等离子体中的带电粒子在电场力或洛仑兹力的作用下发生运动，其密度和分布以及等离子体的形状、位置都会发生改变。选择合适的工艺参数，降低激光传输通道上带电粒子的密度，可以有效降低等离子体的屏蔽效应，提高激光的利用率。图1为外加磁场控制激光焊接等离子体的示意图。
图1 外加磁场控制激光焊接等离子体 1.2 外加电场控制等离子体研究&&& 在喷嘴和工件之间施加一电场辅助CO2激光焊接不锈钢，如图2所示，喷嘴接负极，工作接正极。 图2 外加电场控制激光焊接等离子体 &&& 试验结果发现.激光功率较高时，外加较小电场即可增加熔深，但当外加电场过大时，熔深反而降低。这主要是由于外加电场使等离子体中的电子向工件方向移动，降低了屏蔽效应，但电场过大会使等离子体中带电粒子的运动速率增加，粒子之间的碰撞几率增大，加速了粒子电离化，使电子的密度反而增加，从而增强了等离子体的屏蔽效应。而激光功率较低时，等离子体中电子密度较低，即使外加较大电场，熔探仍增加。当外加反向电场(工件接负极，喷嘴接正极)时，等离子中电子密度和运动速率均增加，不利于控制等离子体的屏蔽效应。同时作者也提出需要进一步研究外加电场对焊接熔池中匙孔的影响。1.3 外加磁场控制等离子体研究&&& Harilal等在研究激光等离子体物理特性时发现，外加磁场可改变等离子体的形状及等离子体中带电粒子的密度和温度。随后，磁场控制等离子体的方法引起了焊接工作者的兴趣，Tse等通过外加平行于工件且与焊接方向垂直的磁场来控制激光焊接等离子体，如图1所示。试验发现选择合适参数，外加磁场可使熔深增加7%.但此时熔宽变化不大。研究结果表明，与He气相比，Ar气保护条件下激光焊接时，外加磁场对等离子体的控制作用更突出。因为He的电离能高，激光焊接过程中产生的等离子体较小，且等离子体中带电粒子的密度较低。&&& 杨德才等认为外加磁场辅助激光焊接时，熔深的增加存在一个最佳值。通过分析发现，外加磁场对熔深的影响取决于等离子体中电子在磁场中的漂移半径和漂移速度。当外加磁场使等离子体中激光通道上及其附近的电子密度有利于激光通透时，可以有效控制等离子休，增加焊接熔深;反之，熔深减小。1.4 外加电、磁场控制等离子体研究&&& 基于上述分别外加电场和磁场控制等离子休的成功实施，可同时外加电场和磁场，电场加速带电粒子的运动，进而增加磁场作用下等离子体中带电粒子的洛伦兹力，有利于更好地控制等离子体。张旭东等研究发现，同时外加电场和磁场能更有效地控制激光焊接等离子体，明显提高激光利用率。试验结果表明，当其它条件不变时，加在喷嘴与工件之间的电压存在一个最佳值，随着焊接参数的变化，最佳电压值也会相应变化;其它试验参数不变，当外加磁场使等离子体向已焊完的焊缝方向漂移，且等离子体相对喷嘴的漂移速度较大时，喷嘴下方的等离子体密度较小，从而使得激光与工件的藕合效率大大提高。&&& 但是在已有的电、磁场控制激光焊接等离子体的研究中，还未发现有等离子体变化的拍摄图像报道。而且要使此技术迈上实用化还需进行深入的理论研究和设计出电、磁场控制等离子体的专门设备。2 电、磁场对激光焊接熔池的影响2.1 电、磁场影响激光焊接熔池的机理&&& Kern等研究发现，由于塞贝克效应，在激光焊接过程中，熔池中存在幅度为几安培的热电流，熔池中间的电流由熔池前端流向熔池尾部，而熔池边缘的电流与之方向相反，大小相等，因此在焊接区施加一定的外磁场可以影响熔池的流动状态。而且根据磁流体动力学原理，当导电流体在磁场中运动时，在流体内部产生电流，感应电流与磁场相互作用产生电磁力，电磁力将驱动流体流动，对熔池产生电磁搅拌作用，如图3所示。电磁搅拌作用将加强熔池内液体金属的传热和对流，使熔池内的温度场和溶质均匀化。 图3 外加磁场对激光焊熔池的影响 &&& 电场辅助激光焊接主要是通过辅助设备向溶池中通人附加电流来强化激光焊接.当电流在导电流体中流过时，电流可以被看作是由许多平行的电流线组成，根据电磁学原理，电流线间将产生相互电磁吸引力使流体的截面收缩并在流体内产生压力。由于单位体积内的电磁力与电流密度的平方成正比，如果流体内的电流密度分布不均匀，将在流体内产生压力差，驱使流体由高电流密度区向低电流密度区流动。如图4所示，向激光焊接熔池中通人外加电流时，由于熔池内电流密度分布极不均匀，熔池内会产生电磁吸引力，加速了液态金属的流动，同时也会增加熔池的抗干扰能力，有效抑制熔池振荡，稳定焊接过程。[NextPage]2. 2 外加电场影响熔池的研究&&& 肖荣诗等在CO2激光焊接纯铝时，通过置于熔池前方的钨极向熔池提供电流，如图4所示。试验结果表明，电流大小和电极位置对焊缝有明显影响，而电极极性的改变对焊缝形状的影响不大。优化焊接工艺参数，焊缝熔深最大增加32%面积增加20%,焊缝上部宽度减小约28%，图5为焊缝横截面形状的变化。 图4 外加电流辅助激光悍接 图5 铝合金焊缝截面对比 &&& 随后，肖荣诗等在激光焊接铝合金时通过填充焊丝向焊接熔池注人外加电流。随着外加电流的增加，焊缝熔深和面积均增加，焊缝上部宽度变窄，焊缝表面成形更加均匀。理论研究表明，外加电流的焦耳热对焊接过程的影响极小，而且外加电流使焊丝加热也不是改变焊缝形状的主导因素，焊缝形状的改变主要归因于熔池中的磁流体力对焊接熔池流动状态的影响。但当外加电流过大时，焊丝加热软化严重，影响了焊丝的指向稳定性，使焊接过程的稳定性变差。2.3 外加磁场影响熔池的研究&&& 迄今为止，焊接学者对外加磁场对焊接熔池的影响进行了大量研究，但大多局限于弧焊。德国的Kem等首先通过外加平行磁场，利用磁流体力来改变激光焊接熔池的流动状态，稳定焊接过程，改变焊缝成形。图6为不同方向外加磁场条件下的激光焊接焊缝形状。而且在试验中发现，外加磁场时，熔池中的磁流体力可使激光焊接熔池由紊流向层流转变，改变熔池中流体的速度分布，抑制驼峰现象，提高焊接速度。&&& Lindenau等系统研究了外加磁场辅助C02和YAG激光焊接铝合金。结果发现，在CO2激光堆焊和填丝焊接铝合金时，外加磁场均可以改变焊缝截面形状，而且焊缝形状的改变与磁场方向有关，当磁场与焊接方向顺时针成90°时，可更好地改变焊缝熔池流动状态，熔搜率的提高接近50%。但外加磁场对YAG激光焊接铝合金的焊缝形状的影响并不显著。&&& Vollertsen等采用交变同轴电磁场辅助 CO2激光焊接铝合金，研究了磁场对熔池电磁搅拌作用的机理。结果表明，磁场强度大小对磁搅拌作用的影响明显，随磁场强度的增加，电磁搅拌作用增强，但磁场频率的影响并不明显。同时发现外加交变同轴磁场对焊缝形貌和焊接过程的飞溅没有负面影响。作者最后提出需改进设备，增大磁场强度和频率，做深入的研究，并预计将此技术应用于高敏感热裂纹铝合金焊接会取得良好的焊接效果。 图6 外加不同磁场条件下的焊缝形状 &&& 余圣甫将旋转磁场置于工件背面，在熔池中产生的电磁力使掖态金属随旋转磁场进行旋转运动，加强熔池与母材及周围环境的热交换，降低凝固前沿的温度梯度，使凝固前沿的成分过冷度增大，抑制柱状晶的形成。同时，旋转磁场对熔他的搅拌作用使结晶前沿的柱状晶胞折断、运动和增质，增加了熔池中的非自发形核质点。旋转磁场造成的成分过冷和增加非自发形核质点2方面共同作用，使焊缝的组织细化。此外由于旋转磁场的搅拌作用，消除了焊缝金属的柱状晶，有利于气体、夹渣的上浮，使气体、夹渣与液态金属有效分离，有效地减少了焊缝中缺陷的形成。2. 4 外加电、磁场影响熔池的研究&&& 外加电、磁场辅助激光焊接时，熔池中产生的磁流体力有效地改变了液态金属的流动状态及热传输条件，同时必然会对激光焊接过程中熔池中的匙孔和工件上方的等离子体产生影响，但是对此方面研究的相关报道还很少。而且现阶段的研究中，试验材料主要以铝合金为主，对于其它材料及异种材料的连接还需进行更多深人的研究。3 展望&&& 外加电、磁场辅助激光焊接可有效控制等离子体对激光的屏蔽效应，提高激光的利用率，增大熔深;同时可稳定焊接过程，提高焊接速度，改善焊缝成形。基于磁流体动力学原理，外加电、磁场能改变熔他流动，对液态金属产生磁搅拌作用，改变焊缝截面形态，细化晶粒，改善焊缝组织，而且还可显著消除焊缝中的裂纹、气孔及杂渣等缺陷，提高接头的力学性能。&&& 电、磁辅助激光捍接技术大大拓宽了激光焊接的应用范围，使激光复合焊接技术不再局限于2种热源的复合，是继激光与其它热源复合焊接技术之后又一新的研究热点，其作用机理非常值得进一步深人研究。随着激光数值模拟技术的日渐成熟，定量分析电、磁场对激光焊接过程的影响规律，特别是外加电、磁场辅助激光焊接时，焊缝熔池的温度场、流场及接头的应力场特征应受到更多的重视。[NextPage]2. 2 外加电场影响熔池的研究&&& 肖荣诗等在CO2激光焊接纯铝时，通过置于熔池前方的钨极向熔池提供电流，如图4所示。试验结果表明，电流大小和电极位置对焊缝有明显影响，而电极极性的改变对焊缝形状的影响不大。优化焊接工艺参数，焊缝熔深最大增加32%面积增加20%,焊缝上部宽度减小约28%，图5为焊缝横截面形状的变化。 图4 外加电流辅助激光悍接 图5 铝合金焊缝截面对比 &&& 随后，肖荣诗等在激光焊接铝合金时通过填充焊丝向焊接熔池注人外加电流。随着外加电流的增加，焊缝熔深和面积均增加，焊缝上部宽度变窄，焊缝表面成形更加均匀。理论研究表明，外加电流的焦耳热对焊接过程的影响极小，而且外加电流使焊丝加热也不是改变焊缝形状的主导因素，焊缝形状的改变主要归因于熔池中的磁流体力对焊接熔池流动状态的影响。但当外加电流过大时，焊丝加热软化严重，影响了焊丝的指向稳定性，使焊接过程的稳定性变差。2.3 外加磁场影响熔池的研究&&& 迄今为止，焊接学者对外加磁场对焊接熔池的影响进行了大量研究，但大多局限于弧焊。德国的Kem等首先通过外加平行磁场，利用磁流体力来改变激光焊接熔池的流动状态，稳定焊接过程，改变焊缝成形。图6为不同方向外加磁场条件下的激光焊接焊缝形状。而且在试验中发现，外加磁场时，熔池中的磁流体力可使激光焊接熔池由紊流向层流转变，改变熔池中流体的速度分布，抑制驼峰现象，提高焊接速度。&&& Lindenau等系统研究了外加磁场辅助C02和YAG激光焊接铝合金。结果发现，在CO2激光堆焊和填丝焊接铝合金时，外加磁场均可以改变焊缝截面形状，而且焊缝形状的改变与磁场方向有关，当磁场与焊接方向顺时针成90°时，可更好地改变焊缝熔池流动状态，熔搜率的提高接近50%。但外加磁场对YAG激光焊接铝合金的焊缝形状的影响并不显著。&&& Vollertsen等采用交变同轴电磁场辅助 CO2激光焊接铝合金，研究了磁场对熔池电磁搅拌作用的机理。结果表明，磁场强度大小对磁搅拌作用的影响明显，随磁场强度的增加，电磁搅拌作用增强，但磁场频率的影响并不明显。同时发现外加交变同轴磁场对焊缝形貌和焊接过程的飞溅没有负面影响。作者最后提出需改进设备，增大磁场强度和频率，做深入的研究，并预计将此技术应用于高敏感热裂纹铝合金焊接会取得良好的焊接效果。 图6 外加不同磁场条件下的焊缝形状 &&& 余圣甫将旋转磁场置于工件背面，在熔池中产生的电磁力使掖态金属随旋转磁场进行旋转运动，加强熔池与母材及周围环境的热交换，降低凝固前沿的温度梯度，使凝固前沿的成分过冷度增大，抑制柱状晶的形成。同时，旋转磁场对熔他的搅拌作用使结晶前沿的柱状晶胞折断、运动和增质，增加了熔池中的非自发形核质点。旋转磁场造成的成分过冷和增加非自发形核质点2方面共同作用，使焊缝的组织细化。此外由于旋转磁场的搅拌作用，消除了焊缝金属的柱状晶，有利于气体、夹渣的上浮，使气体、夹渣与液态金属有效分离，有效地减少了焊缝中缺陷的形成。2. 4 外加电、磁场影响熔池的研究&&& 外加电、磁场辅助激光焊接时，熔池中产生的磁流体力有效地改变了液态金属的流动状态及热传输条件，同时必然会对激光焊接过程中熔池中的匙孔和工件上方的等离子体产生影响，但是对此方面研究的相关报道还很少。而且现阶段的研究中，试验材料主要以铝合金为主，对于其它材料及异种材料的连接还需进行更多深人的研究。3 展望&&& 外加电、磁场辅助激光焊接可有效控制等离子体对激光的屏蔽效应，提高激光的利用率，增大熔深;同时可稳定焊接过程，提高焊接速度，改善焊缝成形。基于磁流体动力学原理，外加电、磁场能改变熔他流动，对液态金属产生磁搅拌作用，改变焊缝截面形态，细化晶粒，改善焊缝组织，而且还可显著消除焊缝中的裂纹、气孔及杂渣等缺陷，提高接头的力学性能。&&& 电、磁辅助激光捍接技术大大拓宽了激光焊接的应用范围，使激光复合焊接技术不再局限于2种热源的复合，是继激光与其它热源复合焊接技术之后又一新的研究热点，其作用机理非常值得进一步深人研究。随着激光数值模拟技术的日渐成熟，定量分析电、磁场对激光焊接过程的影响规律，特别是外加电、磁场辅助激光焊接时，焊缝熔池的温度场、流场及接头的应力场特征应受到更多的重视。
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