外加磁场对电弧增材成型精度的影响试验研究(2)
1.2 国内外对外加磁场的研究 外加磁场形式多种多样，通常通过外加磁场对电弧进行控制，所施加的磁场方式主要有：外加横向磁场、外加纵向磁场、外加尖角磁场、外加旋转磁场。 纵向磁场促使电弧旋转，改变弧柱等离子流和电流密度的径向分布，影响母材的加热熔化和焊缝成形。 在外加纵向磁场作用下，改变焊接电弧特性，影响焊缝成形。焊接电弧形态改变，表现在电弧中带电粒子绕电弧轴线作螺旋式运动，致使电弧旋转且扩张，能量分布呈“双峰状”，。电弧中心能量密度处于降低趋势，这是的焊缝的宽高比增大， ，焊接过程中，对有些过程产生有效的干预，这些过程包括：熔滴过渡，熔池结晶和形核，熔池金属的流动性以及结晶生长过程、焊缝金属的结晶条件的改变使得焊缝中晶粒细化，这样也就间接的减少化学成分的不均匀性。金属的塑性和韧性得到很大的改善，裂纹和气孔敏感性也显著降低。这样焊缝的力学性能就能得到有效提高，也能全面改善焊缝的质量。本文中的实际焊接结果也表明外加间歇交变纵向磁场电弧焊接技术发辫了熔池金属的结晶情况，焊缝金属的晶粒被有效细化。 在如今高效焊接领域中，通过外加磁场来改善熔滴过渡和焊接电弧的运动方式，来提高送丝速度是一种比较先进的控制方法，这种方法可以获得廉价高效的焊接工艺。[1-7] 利用外加磁场对电弧的控制主要有以下一些研究。北京工业大学[12]研究利用纵向磁场对电弧进行压缩作用，并在大电流高熔敷率的旋转射流过渡的 MAG 焊接工艺中，获得了实际应用的技术参数，取得了很好的效果。太原工业大学学者[8]对双尖角磁场对等离子弧的二次压缩作用进行了深入的实验研究，利用磁场对电弧的作用将电弧压缩成椭圆形，在穿孔等离子焊接中得到较为广泛的应用。江淑园等人[9]利用外加磁场控制CO2 焊飞溅，也对磁场对焊接电弧的影响做了论述。外加磁场的类型直接影响电弧的形态。 西安交通大学学者[10-11]就关于纵向间歇磁场对 TIG 焊接熔池的晶粒细化进行初步的研究。汤光平等人[12]对外加磁场对异种金属焊接质量的影响做出研究。江淑园等人[13-14]也对外加磁场下焊缝成型质量做出深入研究；这些研究主要研究针对晶粒大小、合金元素含量、焊缝质量等问题。综上，外加磁场使组织晶粒细化，成分均匀，宏观表现为机械性能良好，通过选取合适的工艺参数，可以显著提高焊缝质量。 而关于磁场对焊缝组织的影响，前苏联专家[15]对外加磁场对焊接的影响进行了大量的研究。他们认为，外加磁场在减小氧化物的长度和数量的同时，也可以减少硫、氢、硅等合金元素沿树枝晶晶界的偏析，使焊缝金属的化学成分更加均匀，从而控制结晶组织，减少裂纹出现几率，提高焊接质量。
1.3 本实验制造的产品 实验中，我们利用电弧增材制造技术，制作仿生珍珠母结构与仿生蜂窝结构。在制作这两种产品的同时，在仿生珍珠母结构中加入磁场，在仿生蜂巢结构中则不加入磁场。应用相同的焊接工艺，研究外加磁场对电弧增材制造产品精度的影响。 贝壳拥有一种独特结构和优异性能的壳体，这种壳体通过结构的复杂化在不改变组成材料的前提下将其某些性能提高到了惊人的程度，这些性能是相同成分的传统人工材料无法相提并论的。 贝壳中层结构整体上是由许多层状单元堆叠累加而成，而每一个层状结构又是由许多纤文状文石晶体同向规则排列组成，相邻的不同层面之间，纤文状文石晶体的铺展方向是有一定角度差异的，可想而知，这种多级显微结构对于材料性能必然会有较大的影响。Kessler H和 Kamat S 用一系列的实验得出结论，这种多级的显微结构在发生裂纹时，会引起裂纹分叉和纤文连格使壳体的断裂韧度提高了两到三个数量级。如果新型的复合材料在制备过程中能够较为完整的复制这种结构，那么可能将会制作出新一代拥有高韧度的功能性材料。 在前人的研究中可以查到，典型的贝壳是由三层较为宏观的结构组成，其中内层与外层拥有相似的组成结构，均由纤文状文石晶体构成，中间层则是由纵横交错的多级纹片结构的文石晶体堆叠而成。 另一种仿生结构为蜂巢，蜂巢的形状为标准的吹冰边形柱体，基本材料是蜜蜂分泌出的蜂蜡，材料本身的硬度非常低，但是蜂巢机构具有良好的力学性能来保护蜜蜂幼虫。蜂巢与贝壳同样是利用低强度材料制造高强度结构的典型案例，因此被采用。