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(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，當(dāng)前社會(huì)生產(chǎn)力水平得到顯著提高，而焊接技術(shù)作為在社會(huì)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的一門技術(shù)，在社會(huì)發(fā)展中占據(jù)重要位置。在社會(huì)快速發(fā)展的時(shí)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(gè)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(diǎn)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(jìn)行結(jié)合，可以實(shí)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(shí)際情況對鎂合金綠色環(huán)保高效焊接技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行分析，以期為今后相關(guān)工作提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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(jī)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(diǎn)，成為社會(huì)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(kuò)大。在焊接過程中激光熱源會(huì)在焊接熔池中形成一個(gè)焊接“匙孔”，可以對焊接時(shí)使用的電弧產(chǎn)生誘導(dǎo)作用并在一定程度上有效增強(qiáng)電弧效果，為接下來進(jìn)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(shí)際焊接過程中相關(guān)工作人員應(yīng)嚴(yán)格控制各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，以防止對鎂合金造成嚴(yán)重影響。通過利用高速攝影機(jī)對電弧狀態(tài)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，熱源等離子體狀態(tài)會(huì)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(dòng)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(qiáng)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(dá)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(shí)現(xiàn)高性能、低消耗焊接，焊接速度可達(dá)到6m/min。據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行焊接時(shí)，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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)以達(dá)到高效焊接目的的一種焊接方法。科研人員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(jìn)行焊接，通過這種方式可以在一定程度上增強(qiáng)電弧，使其效果可以達(dá)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(huì)形成“電離增強(qiáng)效應(yīng)”，產(chǎn)生電離增強(qiáng)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(qiáng)效應(yīng)”。這種方式會(huì)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(jìn)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(shí)將工作效率提高，為推動(dòng)我國機(jī)械制造業(yè)發(fā)展、航空航天事業(yè)發(fā)展點(diǎn)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(jī)制造領(lǐng)域，通過將鎂合金與鋁合金結(jié)合在一起進(jìn)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(jìn)行有機(jī)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(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行焊接，并且形成較為平整、均勻的接縫。膠粘劑的加入會(huì)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(huì)相對減少，使得焊接接頭的焊接性能有所提高。然而事實(shí)上，膠粘劑的主要構(gòu)成為有機(jī)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(shí)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(jī)結(jié)合，形成了基于復(fù)合中間層設(shè)計(jì)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(shí)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(dá)到2.9kN/cm，與單獨(dú)激光焊接相比提高了6倍以上，達(dá)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(shí)際應(yīng)用過程中，鎂合金和鋼鐵既不會(huì)發(fā)生反應(yīng)且互補(bǔ)相溶，且鎂合金的沸點(diǎn)略低于鋼鐵的熔點(diǎn)，在焊接過程中，鋼熔化時(shí)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(jìn)行完美焊接，且不會(huì)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(jìn)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(qiáng)度達(dá)到160MPa，與鎂合金自身的剪切強(qiáng)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(jìn)行完善，可以有效促進(jìn)我國機(jī)械制造業(yè)、航空航天業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也為推動(dòng)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)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(jìn)行結(jié)合可以實(shí)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(shí)為促進(jìn)我國制造業(yè)發(fā)展奠定有力基礎(chǔ)，使我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)在國民經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)下持續(xù)增加。

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