鎂合金環(huán)保高效焊接技術(shù)研究

滕瑋曄

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫交通分院，江蘇 無錫 214151）

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，當(dāng)前社會生產(chǎn)力水平得到顯著提高，而焊接技術(shù)作為在社會生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的一門技術(shù)，在社會發(fā)展中占據(jù)重要位置。在社會快速發(fā)展的時代背景下，我國各種不可再生資源呈緊張之勢，這就需要各個行業(yè)在今后發(fā)展過程中積極發(fā)展綠色高效技術(shù)，在提高生產(chǎn)加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上有效降低耗能以及消耗的材料。鎂合金作為一種具有高精度、低能耗、高效率等特點的優(yōu)質(zhì)焊接材料，有助于發(fā)展綠色環(huán)保高效焊接技術(shù)。經(jīng)科研人員的長期研究發(fā)展，通過將激光膠接焊技術(shù)與電弧復(fù)合焊接技術(shù)進行結(jié)合，可以實現(xiàn)鎂合金與鋁合金及鎂合金和鋼鐵的高性能焊接制造。文章將結(jié)合實際情況對鎂合金綠色環(huán)保高效焊接技術(shù)研究進展進行分析，以期為今后相關(guān)工作提供寶貴經(jīng)驗。

1 同種鎂合金環(huán)保高效焊接技術(shù)分析

（1）鎂合金激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接機理。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)逐漸呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢，其中鎂合金脈沖激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接具有焊接速度快、焊接缺陷少、焊接性能高等特點，成為社會生產(chǎn)中較為常用的一種焊接方式，其應(yīng)用領(lǐng)域也在日益擴大。在焊接過程中激光熱源會在焊接熔池中形成一個焊接“匙孔”，可以對焊接時使用的電弧產(chǎn)生誘導(dǎo)作用并在一定程度上有效增強電弧效果，為接下來進行的焊接工作奠定有力基礎(chǔ)。通常情況下，鎂合金焊接質(zhì)量及效率受到脈沖激光與電弧之間的耦合作用影響，因此在實際焊接過程中相關(guān)工作人員應(yīng)嚴格控制各個技術(shù)環(huán)節(jié)，以防止對鎂合金造成嚴重影響。通過利用高速攝影機對電弧狀態(tài)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，熱源等離子體狀態(tài)會在激光作用下發(fā)生較大變化。在脈沖激光作用前：電弧形態(tài)與一般焊接過程類似，電弧等離子體比較松散，沿著鎢極尖端方向延伸；在脈沖激光作用區(qū)間，激光在電弧熔池中形成焊接“匙孔”，熔池波動劇烈，電弧等離子體主要與復(fù)合焊接“匙孔”直接連通，等離子體明顯被壓縮至“匙孔”附近，形成電弧鎢極與焊接“匙孔”間的耦合放電，電弧亮度及能量密度均顯著提高；當(dāng)脈沖激光作用消失后可以發(fā)現(xiàn)，“匙孔”出口在激光脈沖作用結(jié)束后并未立刻閉合，而是持續(xù)存在大約7～10ms，即發(fā)生了“匙孔”的延遲閉合現(xiàn)象，這主要是由于電弧與“匙孔”產(chǎn)生耦合放電，為“匙孔”提供了足夠的高溫氣體，對“匙孔”側(cè)壁及底部產(chǎn)生壓力，維持“匙孔”打開狀態(tài)，“匙孔”延遲閉合誘導(dǎo)焊接電弧持續(xù)壓縮，增強了熱源整體作用效果。根據(jù)上述分析，在焊接過程中可以利用激光脈沖作用在耦合放電發(fā)生狀態(tài)下，可以有效改變電弧等離子體的放電狀態(tài)，使焊處于焊接過程中的電弧等離子體的能量密度有所提高，而激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合熱源的穿透能力和制造效率也達到有效提升，在一定程度上有效提高焊接技術(shù)的工作效率及質(zhì)量。

（2）技術(shù)與裝備。通過將鎂合金激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接技術(shù)有效應(yīng)用至生產(chǎn)制造中，可以實現(xiàn)高性能、低消耗焊接，焊接速度可達到6m/min。據(jù)相關(guān)實驗表明，鎂合金板材焊接接頭在利用鎂合金激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接技術(shù)進行焊接時，板材并未發(fā)生明顯變形，且在焊接完成后產(chǎn)生的焊縫、背面均呈現(xiàn)出連續(xù)均勻的狀態(tài)，這一現(xiàn)象說明鎂合金可以在高速焊接條件下，熱源同樣具有較強的穿透能力。通過對AZ61鎂合金激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合熱源焊接接頭的微觀組織進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)焊縫質(zhì)地較為均勻平整，且其內(nèi)部并未出現(xiàn)氣孔、夾雜等現(xiàn)象，這就說明鎂合金激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接技術(shù)，可以在高速焊接的條件下將最大限度提升焊接質(zhì)量，有效促進現(xiàn)階段我國焊接技術(shù)的不斷發(fā)展。

（3）鎂合金活性焊接技術(shù)。鎂合金活性焊接技術(shù)在焊接過程中主要是將電弧通過活性劑材料增強以達到高效焊接目的的一種焊接方法?？蒲腥藛T在長期研究過程中發(fā)現(xiàn)，若是在傳統(tǒng)活性焊接的基礎(chǔ)上，將活性材料融入其中，促使活性材料與焊絲相結(jié)合，然后進行焊接，通過這種方式可以在一定程度上增強電弧，使其效果可以達到最佳，充分保證高效、綠色焊接，盡可能降低焊接對能量的消耗。通過研究，科研人員發(fā)現(xiàn)若是將活性劑涂覆在焊絲表面，會形成“電離增強效應(yīng)”，產(chǎn)生電離增強效應(yīng)的主要原因是由于活性劑中含有低電離能的金屬元素，可以提高金屬元素的電離以及非金屬元素對電子的吸附作用，使得電弧在這一作用線形成“電離增強效應(yīng)”。這種方式會使鎂合金活性焊接電弧能量密度提高8～10倍，而活性焊接技術(shù)也得到進一步發(fā)展，從最初的“板材涂覆活性焊接”轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂附z涂覆活性焊接”，在消耗相同能量的前提下，可以將焊接效率提高40%～50%，在有效節(jié)約能耗的同時將工作效率提高，為推動我國機械制造業(yè)發(fā)展、航空航天事業(yè)發(fā)展點創(chuàng)造良好條件。

2 不同金屬與鎂合金環(huán)保高效焊接技術(shù)分析

（1）鎂合金與鋁合金激光膠接焊技術(shù)。在飛機制造領(lǐng)域，通過將鎂合金與鋁合金結(jié)合在一起進行激光膠接焊技術(shù)，可以有效提高焊接質(zhì)量，這主要是由于鎂合金與鋁合金均屬于輕合金范疇，若是將這兩種輕合金進行有機結(jié)合，可以促使鎂合金的應(yīng)用性能得到充分發(fā)揮。然而這一技術(shù)在實際應(yīng)用過程中會因鎂合金和鋁合金在焊接中容易形成金屬間化合物，對焊接順利進行造成一定影響。激光膠接焊技術(shù)是在焊接過程中將激光焊接與膠接相結(jié)合的新型連接技術(shù)，通過利用這一先進焊接技術(shù)，可以將AZ31B鎂合金與6061鋁合金這兩種異種金屬進行焊接，并且形成較為平整、均勻的接縫。膠粘劑的加入會在一定程度上對金屬間化合物的分布和形態(tài)造成影響，而在焊接接頭內(nèi)部的金屬化合物會相對減少，使得焊接接頭的焊接性能有所提高。然而事實上，膠粘劑的主要構(gòu)成為有機化合物，無法消除Mg元素與Al元素之間的相互反應(yīng)，無法將Mg、Al金屬之間的化合物完全消除。為了實現(xiàn)對Mg-Al金屬間化合物的有效抑制，將膠粘劑與合金元素有機結(jié)合，形成了基于復(fù)合中間層設(shè)計的激光膠焊方法。這一技術(shù)充分利用Mg和Fe之間不反應(yīng)也不互溶的特性，實現(xiàn)了對Mg-Al金屬間化合物的有效抑制，焊接接頭性能顯著提升。當(dāng)膠粘劑固化后，鎂、鋁異質(zhì)金屬激光膠焊性能達到2.9kN/cm，與單獨激光焊接相比提高了6倍以上，達到鎂合金母材拉伸載荷的90%。

（2）鎂合金與鋼激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)。在實際應(yīng)用過程中，鎂合金和鋼鐵既不會發(fā)生反應(yīng)且互補相溶，且鎂合金的沸點略低于鋼鐵的熔點，在焊接過程中，鋼熔化時鎂合金已經(jīng)氣化，這就導(dǎo)致焊接技術(shù)無法得到完善，為焊接工作帶來一定阻礙。為了有效解決這一問題，科研人員采用合金與鋼激光-TIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)，為鎂合金與鋼異質(zhì)金屬創(chuàng)造良好的焊接條件，這種方式可以將鎂合金、鋼進行完美焊接，且不會在焊接處出現(xiàn)明顯焊接缺陷。這主要是由于在激光—電弧復(fù)合焊接熱源中，電弧熱源的能量密度相對較低，一般為103～104W/cm2，而激光的能量密度相對較高，一般為105～107W/cm2，因此將兩者形成的復(fù)合熱源能量密度整體呈現(xiàn)逐漸增高的梯度分布，為鎂合金與鋼鐵同步熔化創(chuàng)造良好條件。在科研人員長期研究下發(fā)現(xiàn)，通過將Ni作為中間層添加至鎂合金與鋼鐵之間的融合界面，可以在一定程度上改變鎂與鋼的冶金反應(yīng)，并且在鎂合金熔池一側(cè)形成形成了Fe-Ni固溶體，使得鎂合金與鋼鐵直接可以進行更為良好的連接。通常情況下，AZ31B鎂合金與Q235搭接結(jié)構(gòu)激光－電弧復(fù)合焊接接頭的剪切強度達到160MPa，與鎂合金自身的剪切強度相當(dāng)，有效提高焊接效率及質(zhì)量。通過將焊接技術(shù)進行完善，可以有效促進我國機械制造業(yè)、航空航天業(yè)的發(fā)展，同時也為推動我國社會經(jīng)濟發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

綜上所述，我國焊接技術(shù)在時代發(fā)展過程中逐漸成熟、完善，并且朝著綠色環(huán)保高效方向發(fā)展。由于鎂合金具有高精度、低能耗、高效率特征，逐漸成為當(dāng)前綠色焊接技術(shù)的首選材料，而通過將激光膠焊技術(shù)與電弧復(fù)合焊接技術(shù)進行結(jié)合可以實現(xiàn)鎂合金、鋼鐵高性能焊接，盡可能降低焊接技術(shù)所產(chǎn)生的能耗，與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，其焊接工作效率能明顯提高，為相關(guān)領(lǐng)域提供了有力技術(shù)支撐，這一綠色環(huán)保高效焊接技術(shù)也被有效應(yīng)用于航空航天業(yè)，同時為促進我國制造業(yè)發(fā)展奠定有力基礎(chǔ)，使我國社會經(jīng)濟在國民經(jīng)濟的推動下持續(xù)增加。

［1］劉黎明，王紅陽.鎂合金綠色高效焊接技術(shù)研究進展［J］.航空制造技術(shù)，2016，（6）：16-21.

［2］劉黎明，李陳賓.激光誘導(dǎo)電弧耦合熱源的構(gòu)建及綠色焊接技術(shù)應(yīng)用［J］.電焊機，2015，45（5）：36-42.

［3］劉黎明，李陳賓.激光誘導(dǎo)電弧耦合熱源的構(gòu)建及綠色焊接技術(shù)應(yīng)用［C］.2015IFWT焊接國際論壇，2015.

［4］馮吉才，王亞榮，張忠典，等.鎂合金焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.中國有色金屬學(xué)報，2005，15（2）：165-178.

［5］王輝，湯慧萍，王建，等.Fe3Al基合金焊接技術(shù)的研究進展［J］.稀有金屬材料與工程，2012，41（12）：2243-2248.

［6］周利，李高輝，劉朝磊，等.鋁鋰合金焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.焊接，2017，（1）：7-12.

［7］馬廣義，吳東江，柴東升，等.核主泵屏蔽套近無缺陷激光焊接技術(shù)［J］.機械工程學(xué)報，2015，（15）：1-8.

［8］李磊，姬虹.攪拌摩擦焊接技術(shù)研究進展［J］.工具技術(shù)，2016，50（12）：9-13.