为进一步满足现代工业对高端制造业的需求,研究学者通过依靠科学技术,研究并开发出细晶粒钢作为新一代钢铁材料。细晶粒钢因具有高强度和高韧性而被广泛应用于压力容器、汽车、桥梁和船舶等重要结构件。由于细晶粒钢具有超细晶粒组织,在施焊后出现焊缝区和热影响区晶粒急剧长大和粗化的现象,导致其力学性能恶化。针对以上问题,由于电弧等离子体具有良好的导电性,这就为其提供了外加磁场的可能性。外加纵向磁场同时作用于电弧、熔滴和熔池,有效促进熔滴过渡、改变电弧形态和搅拌熔池,达到改善焊缝成形、抑制焊缝缺陷、细化晶粒以及改变枝晶生长方向等效果。因此研究不同磁场参数下外加纵向磁场对细晶粒钢焊缝组织力学性能的影响具有重要意义。通过高速摄像采集系统观察发现,外加纵向直流磁场使CMT电弧定向转动,电弧顶部收缩,底部扩张,电弧形态由“锥形”变为“钟状形”,随着励磁电流的增大电弧半径有所增大。外加纵向交变磁场使CMT电弧沿轴线做往复旋转运动。相比无磁场时,电弧明显被压缩,电弧作用半径增大。外加纵向直流磁场使CMT熔滴过渡频率随着励磁电流的增大呈现先增大后减小的趋势。当施加纵向交变磁场时,磁场频率为100Hz,改变励磁电流大小,熔滴过渡频率随着励磁电流的上升而逐渐增大。当改变磁场频率时,熔滴过渡频率随磁场频率的上升而逐渐减小。在焊接过程中,电流电压的波动情况与熔滴过渡频率基本一致。外加纵向磁场可以有效控制MIG焊短路过渡的频率:当施加直流磁场,励磁电流为4A时较无磁场时短路过渡频率上升52.9%;外加交变磁场,励磁电流为9A,磁场频率为100Hz时,较无磁场时短路过渡频率上升73.5%。外加纵向磁场的作用下,在颈缩处分为上下两部分,分别形成两个环向电磁力,方向相反,使液桥在颈缩处被拧断,所以外加纵向磁场可以有效促进熔滴短路时期在颈缩处断开,从而提高熔滴过渡频率。外加纵向磁场MAG焊和CMT焊接技术过程中,随着励磁电流和磁场频率的增大,焊缝组织中粗大的先共析铁素体和侧板条铁素体的数量和尺寸减少,针状铁素体的数量和尺寸增多,且出现了尺寸细小的粒状贝氏体。晶粒细化后,晶粒尺寸变小,数量增多,晶界所占比例增大阻碍位错运动,同时提高焊缝强度和韧性。随着磁场参数的继续增大,焊缝接头组织出现粗化。研究不同磁场参数对MAG焊接头力学性能的影响规律中,当励磁电流为4A时,焊缝冲击值达到较大值50.6J,相比无磁场时提高了14.2%。当施加纵向交变磁场,磁场参数为100Hz、9A时,焊接接头的冲击值为49.9J,相比无磁场时提高了12.6%。随着励磁电流和磁场频率的增大,焊缝接头组织力学性能下降。磁控CMT焊接技术中,外加纵向直流磁场励磁电流为3A时,焊缝抗拉强度达到较大值543.5MPa,焊缝冲击值为44.8J。外加纵向交变磁场励磁电流为7A,磁场频率为100Hz时,焊缝抗拉强度达到较大值550MPa,焊缝冲击值为46.1J。随着励磁电流和磁场频率的继续增大,焊缝接头的力学性能逐渐下降。外加纵向交变磁场可以有效细化晶粒,打乱枝晶生长方向,使晶粒取向分布类型增多。无磁场时,晶粒尺寸大小主要分布在0μm到3μm左右,有少量超过6μm的较大晶粒,平均有效晶粒直径为1.69μm。当施加纵向交变磁场100Hz、7A时,晶粒尺寸小于1μm的晶粒明显增多,且晶粒尺寸大于6μm的大尺寸晶粒基本消失,平均有效晶粒直径为1.37μm。相比无磁场时,平均有效晶粒直径降低18.9%。综上所述,本文针对细晶粒钢施焊后焊缝组织粗化导致其性能恶化的问题,提出了磁控MAG焊和磁控CMT焊接技术。系统地研究不同磁场参数下外加纵向磁场对焊接过程中熔滴过渡、电弧形态和焊接接头组织及力学性能的影响规律。