為了改善焊縫成形及提高焊接零件組織和性能，文中采用有限元法對外加磁場(chǎng)作用下的304不銹鋼焊接熔池進(jìn)行電磁場(chǎng)和熱流場(chǎng)之間的耦合分析，得到了有無(wú)外加橫向磁場(chǎng)作用下熔池內液態(tài)金屬流動(dòng)的速度矢量分布。結果表明，外加磁場(chǎng)使熔池橫截面最大流速分布由單一的熔池中心中部改為熔池中心上表面略靠下和熔池底部；熔池縱截面最大流速由首尾端漩渦交匯處改為沿兩個(gè)漩渦流動(dòng)方向較均勻分布，這是由于電磁壓力抵消了部分表面張力，使表面張力的作用位置更靠近熔池中心位置。在304不銹鋼上進(jìn)行堆焊試驗，焊道橫截面組織形貌證實(shí)了上述模擬結果。

  當前以電弧為熱源進(jìn)行增材制造如何進(jìn)一步提高精度尚少涉及。由于焊接工藝參數較多，各參數彼此相關(guān)性較大，僅通過(guò)調節焊接參數實(shí)現尺寸精度控制的方法存在較大困難。故需要提出一種新的控制策略，能夠在不影響焊接可靠性的同時(shí)實(shí)現焊接精確成形的控制，外加電磁場(chǎng)輔助焊接技術(shù)提供了一種有效的控制手段。浙江至德鋼業(yè)有限公司對厚度20mm的304不銹鋼大功率激光熔透焊接展開(kāi)了研究，發(fā)現交變電磁場(chǎng)對熔池內的液態(tài)金屬產(chǎn)生洛倫茲力作用，進(jìn)而抑制液態(tài)金屬下塌?并進(jìn)行了不同頻率和外加磁場(chǎng)強度下的焊接試驗，給出了在當前工況下取得較好質(zhì)量焊縫的工藝參數。對磁控TIG焊焊縫成形機理進(jìn)行了理論分析，發(fā)現外加磁場(chǎng)可以改變液態(tài)金屬表面張力的差值，進(jìn)而改變熔池的流動(dòng)方向?目前外加磁場(chǎng)輔助焊接技術(shù)的研究主要集中在熔池、電弧、熔滴過(guò)渡等方面，但是外加電磁場(chǎng)在熔池內部作用的研究尚不夠深入，文中使用有限元軟件建立了熔池的多場(chǎng)耦合模型，分析了熔池內液態(tài)金屬在有無(wú)外加橫向磁場(chǎng)作用下的流速變化情況，提出利用電磁壓力控制熔池成形原理，在304不銹鋼上進(jìn)行堆焊試驗，截取焊道橫截面組織形貌進(jìn)行驗證。

  當金屬線(xiàn)圈通入如圖所示的高頻交變電流I時(shí)，根據法拉第電磁感應定律，金屬線(xiàn)圈會(huì )產(chǎn)生一個(gè)源磁場(chǎng)在平行于工件的任一截面上，磁場(chǎng)強度分布由線(xiàn)圈四周向中心逐漸增大，在線(xiàn)圈中心達到最大，因此在工件表面所產(chǎn)生的感應磁場(chǎng)也由線(xiàn)圈四周向中心逐漸增大，且方向相反，兩個(gè)磁場(chǎng)相互抵消，進(jìn)而在工件兩側線(xiàn)圈中心位置磁場(chǎng)強度相對較小?由于存在集膚效應，同時(shí)磁場(chǎng)中的熔池表面會(huì )產(chǎn)生感應電流，因為勵磁裝置上部線(xiàn)圈與工件上表面處于同一水平，故上表面附近的磁場(chǎng)方向指向斜下方，感應電流方向為垂直紙面向外，如圖所示。為了驗證上述分析，文中在2mm厚的304不銹鋼薄板上使用微束等離子弧焊進(jìn)行填絲焊接，焊絲直徑為0.8mm，焊接電流14 A，焊接速度0.6mm/s，送絲速度0.25m/min，等離子氣流量0.3L/min，保護氣流量15L/min。為減少鐵磁性材料對外加磁場(chǎng)的分布產(chǎn)生影響，文中工作臺及夾具均采用不銹鋼制作，在304不銹鋼板上開(kāi)展單道多層堆焊試驗，在同一層焊道處分為施加磁場(chǎng)區域和未加磁場(chǎng)區。試驗過(guò)程中，當焊槍運行到黑色實(shí)線(xiàn)區域后打開(kāi)高頻勵磁電源開(kāi)關(guān)，向感應線(xiàn)圈輸入高頻正弦波形交流電。

  外加電磁場(chǎng)后，焊縫寬度減小，高度明顯增加；通過(guò)測量有磁區域和無(wú)磁區域堆焊層寬度和高度對比發(fā)現，施加磁場(chǎng)區域相對于無(wú)磁區域堆焊層寬度減少0.8mm，高度增加0.7mm，進(jìn)而驗證了電磁壓力抵消了部分表面張力的作用，實(shí)現了外加電磁場(chǎng)對熔池的成形控制。建立了雙橢球熱源下等離子堆焊數值分析模型，對比分析了有無(wú)外加磁場(chǎng)作用下304不銹鋼焊接熔池中熔融金屬的流動(dòng)特性。焊接過(guò)程中施加高頻電磁場(chǎng)改變了熔池流體的漩渦中心的位置，同時(shí)使熔池內部熔融金屬的流速更加均勻，有利于流體熱量的傳遞和擴散，但高頻電磁場(chǎng)未對最大流速產(chǎn)生顯著(zhù)影響。施加高頻電磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁壓力抵消了部分表面張力的作用，使得表面張力的作用位置更靠近熔池中心位置而遠離焊件邊緣，進(jìn)而影響熔池成形，使焊縫寬度減小，高度明顯增加。