劉黎明，王紅陽

（1.大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116024；2.遼寧省先進連接技術(shù)重點試驗室，大連 116024）

隨著低碳環(huán)保、節(jié)能降耗等綠色制造理念的不斷發(fā)展，減輕裝備的整體重量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，已經(jīng)逐漸成為航空航天及交通運輸領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。鎂合金作為目前工業(yè)制造領(lǐng)域中最輕的金屬材料之一，因其能顯著降低結(jié)構(gòu)重量，而在上述領(lǐng)域不斷得到深入應(yīng)用[1]。

由于鎂及鎂合金具有高比強度、高比剛度、好的減震效果、優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性及電磁屏蔽性等特征[2]，使它在航空航天業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，適用于飛機、航天器的輕質(zhì)外殼、蒙皮、座椅、減震系統(tǒng)元件及其他構(gòu)件。近年來，隨著先進鎂合金制品生產(chǎn)能力和技術(shù)水平的提高，其在航空航天制造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也不斷擴展，并逐漸發(fā)展形成了鎂合金制造技術(shù)、材料及裝備體系。

焊接技術(shù)作為裝備制造領(lǐng)域的共性技術(shù)，已經(jīng)成為影響鎂合金在航空航天裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。圍繞鎂合金焊接制造技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者展開了廣泛而深入的研究，采用電弧焊接、激光焊接、攪拌摩擦焊接及激光-電弧復(fù)合焊接[3-9]等諸多方法均能夠?qū)崿F(xiàn)鎂合金的良好連接。隨著航空航天及軌道交通等領(lǐng)域裝備零件體積的增大、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、服役需求的不斷提升，提高鎂合金的焊接制造效率、降低焊接能耗、減少焊接污染，促進鎂合金與鋁合金、鋼鐵等異種材料的連接，實現(xiàn)鎂合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的高性能綠色焊接制造已經(jīng)成為鎂合金焊接制造發(fā)展的重要方向和迫切需求。

本文圍繞鎂合金綠色焊接制造技術(shù)展開系列研究，采用脈沖激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接技術(shù)實現(xiàn)了鎂合金板材及T型結(jié)構(gòu)件的優(yōu)質(zhì)高效焊接，使鎂合金焊接制造效率較電弧焊提高5～8倍，焊接能耗僅為電弧焊的30%；采用鎂合金活性焊技術(shù)成功實現(xiàn)了復(fù)雜鑄造鎂合金結(jié)構(gòu)件的良好修復(fù)。針對鎂合金與異種金屬連接問題，通過采用激光膠焊技術(shù)及激光-電弧復(fù)合焊接實現(xiàn)了鎂合金與鋁合金、鎂合金與鋼鐵之間異種金屬的良好連接。上述研究成果為鎂合金在航空航天等輕量化制造領(lǐng)域的深入應(yīng)用起到了積極的促進作用。

同質(zhì)鎂合金綠色高效焊接技術(shù)

1 鎂合金激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接機理

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、焊接性能高等技術(shù)優(yōu)勢。焊接過程中，激光熱源在焊接熔池中產(chǎn)生焊接“匙孔”，對電弧起到了顯著的誘導(dǎo)增強效果。圖1為激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of laser-induced arc hybrid welding Mg alloy joints

脈沖激光與電弧之間的耦合作用直接影響了鎂合金的焊接質(zhì)量和效率。采用高速攝像機對電弧狀態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)在激光作用前后，熱源等離子體狀態(tài)發(fā)生了明顯變化。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（圖2（a））；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（圖2（b）），電弧亮度及能量密度均顯著提高；當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（圖 2（c）），而是持續(xù)存在大約7.0～10.0ms，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。

圖2 激光與電弧間耦合放電等離子狀態(tài)Fig.2 Plasma shape in laser and arc discharge coupling process

從上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，伴隨著耦合放電發(fā)生，通過激光的脈沖作用改變電弧等離子體的放電狀態(tài)，提高電弧等離子體的能量密度，以及激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合熱源的穿透能力和制造效率。激光脈沖作用消失后，耦合放電的延遲效應(yīng)使激光對電弧等離子體的增強效果仍可持續(xù)一定時間。采用脈沖激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊及電弧焊方法進行6mm鎂合金板材焊接，焊接接頭橫截面如圖3所示。焊接參數(shù)為：焊接速度v=1m/min，激光能量P=500W，電弧電流I=120A(交流)，激光作用點與電弧鎢極間距Dla=2.0mm，用于對比試驗的單電弧焊接速度為0.6m/min。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接鎂合金熔深約是電弧焊的3倍。

2 鎂合金激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接技術(shù)及裝備

采用低功率激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接方法，實現(xiàn)3mm厚AZ61鎂合金板材的高效、高性能焊接制造，激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接速度達到6m/min。鎂合金板材焊接接頭如圖4所示，可見板材未發(fā)生明顯橫向和縱向變形，焊縫正面、背面成形連續(xù)均勻，說明在此高速焊接條件下熱源也具有足夠的穿透能力。

圖5[10]為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。由圖中可以看出，焊縫內(nèi)部未出現(xiàn)氣孔、夾雜以及宏觀裂紋，鎂合金母材的晶粒尺度為40～50μm；熱影響區(qū)寬度約為250μm，熱影響區(qū)晶粒相比于母材未見明顯長大；焊縫區(qū)的掃描電鏡照片顯示焊縫的晶粒尺度為5～16μm，晶界處發(fā)現(xiàn)了析出的金屬間化合物（主要為β-Mg17Al12）。對焊接接頭進行了拉伸強度測試，測試結(jié)果顯示試件在母材和焊縫區(qū)域均可發(fā)生斷裂，表明焊縫的拉伸強度與母材相當。

圖3 鎂合金電弧焊接及激光-電弧復(fù)合焊接熔深對比Fig.3 Penetration comparison of arc welding and laser-arc hybrid welding Mg alloy joints

圖4 鎂合金高速焊接的接頭表面形貌Fig.4 Welding appearance of high speed welding Mg alloy

圖5 高速焊接鎂合金接頭微觀組織Fig.5 Microstructure of high speed welding Mg alloy joint

圖6 激光-電弧復(fù)合冷填絲焊接鎂合金T型接頭形貌Fig.6 Appearance of T shape joint of laser-arc hybrid welding Mg alloy

T型結(jié)構(gòu)件的穿透焊接技術(shù)已在飛機制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用低功率激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接方法，實現(xiàn)了2mm鎂合金板材的穿透焊接，接頭形貌如圖6所示（參數(shù)：激光功率300W，電弧電流100A，焊接速度1m/min，送絲速度1875mm/min）。T型結(jié)構(gòu)件壁板和筋板之間熔合良好，未見明顯缺陷。

表1給出了對接板材及T型結(jié)構(gòu)件電弧焊及激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊的制造效率及焊接能耗（計算時考慮了激光加工設(shè)備及冷卻系統(tǒng)的整體能耗）?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊方法可以在顯著提高焊接制造效率的同時降低單位長度的焊接能耗，對于發(fā)展鎂合金的綠色焊接制造技術(shù)起到了積極的促進作用。

以上述激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)出成套低能耗激光-電弧復(fù)合焊接裝備，采用該成套裝備實現(xiàn)了國內(nèi)首個鎂合金整理箱高效高性能焊接制造，如圖7所示。

3 鎂合金活性焊接/補焊技術(shù)

活性焊接是采用活性劑材料增強電弧的一種焊接方法。通過深入研究電弧熱源與焊接材料作用的物理機制，在傳統(tǒng)活性焊接的基礎(chǔ)上，將活性材料與焊絲有機結(jié)合，形成了一種基于活性焊絲的新型活性焊接方法，其原理如圖8所示。

表1 激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接與電弧焊接效率及能耗比較

研究發(fā)現(xiàn)，活性劑涂覆在焊絲表面時，活性劑中金屬元素與非金屬元素將對電弧形成“電離增強效應(yīng)”[11]。以鎂合金為研究對象，通過揭示活性劑中低電離能金屬元素的電離以及非金屬元素對電子的吸附作用，使鎂合金活性焊接電弧能量密度提高 8～10 倍，從 102～104W/cm2增加至 103～105W/cm2，實現(xiàn)了活性焊接從“板材涂覆活性焊”向“焊絲涂覆活性焊”的轉(zhuǎn)變，與單電弧焊接相比，該技術(shù)焊接熔深可增加1～3倍（圖 9），焊接效率提高 3～5倍，焊接能耗為相同條件下電弧焊接的40%～50%。

圖7 激光-電弧復(fù)合焊接鎂合金空運整理箱Fig.7 Laser-arc hybrid welding Mg alloy air storage box

圖8 鎂合金活性焊絲焊接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of Mg alloy active welding process

鑄造鎂合金結(jié)構(gòu)件因在減輕結(jié)構(gòu)重量方面具有良好的減震效果而在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但鑄造鎂合金在成形、加工過程中極易產(chǎn)生氣孔、夾渣及裂紋等多種缺陷，所以對缺陷鑄件的補焊具有較高的經(jīng)濟價值。分別采用鎢極氬弧焊（TIG）及活性電弧焊接（A-TIG）對鑄造鎂合金進行補焊對比試驗，焊接效果如圖10所示。

通過TIG與A-TIG對不同孔深缺口愈合試驗發(fā)現(xiàn)，在相同的焊接參數(shù)下，A-TIG愈合缺口的深度明顯高于TIG，且焊縫氣孔缺陷較少。通過對補焊后焊縫的微觀組織和硬度觀察發(fā)現(xiàn)，利用A-TIG進行補焊不但可以實現(xiàn)較深缺口的愈合，而且可以減少焊縫氣孔缺陷，同時避免熱影響區(qū)組織的粗化。

鎂合金具有較低的熔沸點和較高的蒸汽壓，在焊接制造過程極易形成大量的金屬蒸汽和粉塵顆粒。減少鎂合金焊接材料在制造過程中的揮發(fā)和燃燒，已經(jīng)成為鎂合金綠色焊接制造的重要問題。其關(guān)鍵在于提高鎂合金焊接材料的沸點，減少鎂合金焊接過程的質(zhì)量損失。由于鎂合金具有較少的核外電子及較大的原子半徑，鎂合金的金屬鍵能相對較弱，因此具有較低的熔沸點。針對上述問題提出了基于分子團簇的高沸點鎂合金焊材設(shè)計思想，通過在鎂合金中添加稀土、Zn、Al等多種元素，并精確控制元素比例，使鎂合金與這些元素分別形成具有團簇特征的密排拓撲結(jié)構(gòu)及高熔沸點的金屬間化合物，有效地提高了鎂合金焊接材料的沸點（由1100℃提高到1422℃）。采用DSC熱差分析方法對鎂合金焊接材料進行失重率測量發(fā)現(xiàn)，在1200℃時，普通的鎂合金焊接材料失重率達到80%以上，而本文開發(fā)的高沸點鎂合金焊接材料失重率小于35%。

鎂合金與異種金屬高性能焊接技術(shù)

1 鎂合金與鋁合金的激光膠接焊技術(shù)

鎂合金與鋁合金是目前在飛機制造領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的兩種輕合金材料，因而實現(xiàn)兩種材料的優(yōu)質(zhì)高效焊接，對于充分發(fā)揮鎂合金的應(yīng)用性能具有十分重要的意義。然而鎂合金和鋁合金在焊接中容易形成金屬間化合物，對焊接性能產(chǎn)生了顯著不良影響。激光膠接焊技術(shù)是一種將激光焊接與膠接有機結(jié)合得到的新型連接技術(shù)，采用該技術(shù)成功實現(xiàn)了AZ31B鎂合金與6061鋁合金異種金屬之間的良好連接，焊接接頭橫截面及焊縫表面成形如圖11所示。研究發(fā)現(xiàn)，膠粘劑的加入能夠影響金屬間化合物的分布和形態(tài)，減少了焊接接頭內(nèi)部的金屬化合物，在一定程度上提高了焊接接頭的連接性能。但是膠粘劑的主體是有機化合物，并不能完全抑制Mg元素和Al元素之間的反應(yīng)，無法消除鎂鋁金屬間化合物。

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。圖12為采用鐵箔和膠粘劑作為中間層的鎂/鋁異質(zhì)金屬激光膠焊結(jié)構(gòu)示意圖。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)

圖9 鎂合金活性電弧焊接與單一電弧焊接熔深對比Fig.9 Penetration comparison between active welding and simple TIG welding Mg alloy joints

圖10 TIG與A-TIG補焊缺口完全愈合圖Fig.10 Repair welding joints of TIG and A-TIG Mg alloy

圖11 鎂/鋁異種金屬激光膠接焊橫截面及焊接試件Fig.11 Cross section and specimen of laser weld boning Mg alloy to Al alloy joint

圖12 采用復(fù)合中間層的鎂/鋁異種金屬激光膠焊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Laser weld bonding Mg alloy to Al alloy joint with hybrid interlayer

鎂合金和鋼鐵既不反應(yīng)也不互溶，鎂合金的沸點低于鋼鐵的熔點，鋼熔化時鎂合金已經(jīng)氣化，對鎂/鋼異種金屬的熔化焊接帶來顯著困難。

針對上述問題，采用激光-TIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)實現(xiàn)了鎂/鋼異質(zhì)金屬搭接結(jié)構(gòu)的良好焊接，焊接接頭橫截面結(jié)構(gòu)及表面形貌如圖13所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，鎂合金和鋼鐵熔合良好，未在異種金屬連接界面處發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷。

圖13 鎂/鋼異種金屬搭接結(jié)構(gòu)激光-電弧復(fù)合焊接橫截面及表面形貌Fig.13 Cross section and appearance of laser-arc hybrid welding Mg alloy to steel lap joint

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，可以實現(xiàn)鎂合金和鋼鐵的同時熔化。為了實現(xiàn)Mg和Fe的冶金反應(yīng)，通過添加Ni中間層改善鎂鋼界面的結(jié)合狀態(tài)，在鎂合金熔池一側(cè)形成了Mg-Mg2Ni亞共晶組織，在鋼熔池一側(cè)形成了Fe-Ni固溶體，實現(xiàn)了鎂合金和鋼鐵的良好連接。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。

在實現(xiàn)鎂合金和鋼搭接結(jié)構(gòu)良好焊接的基礎(chǔ)上，針對鎂/鋼對接結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)展開研究。采用激光在前、TIG電弧在后的復(fù)合熱源作用方式，進行鎂/鋼異種金屬的雙面焊接。結(jié)合激光-TIG復(fù)合熱源焊接技術(shù)的梯度熱源焊接特性，焊接過程中設(shè)定復(fù)合焊接熱源一定的偏移量，即激光和電弧略向鋼一側(cè)偏移，充分利用復(fù)合熱源的高能量區(qū)域熔化鋼鐵，低能量區(qū)域熔化鎂合金（圖14），鎂合金和鋼在焊接過程中同時熔化，實現(xiàn)了AZ31/Q235鎂/鋼異種金屬薄板對接結(jié)構(gòu)的冶金焊接連接[12]。

圖15給出了鎂/鋼異種金屬激光-電弧復(fù)合焊接對接接頭宏觀形貌。根據(jù)焊接接頭結(jié)構(gòu)將它分為4個區(qū)域。其中Ⅰ區(qū)是鎂合金母材，Ⅱ區(qū)是鎂合金熔化區(qū)，Ⅲ區(qū)是鋼的熔化區(qū)，Ⅳ區(qū)是鋼鐵的熔化區(qū)。

圖14 鎂/鋼異種金屬激光-TIG電弧對接焊示意圖Fig.14 Schematic of laser-arc hybrid welding Mg alloy to steel butt joint

圖15 鎂/鋼對接結(jié)構(gòu)激光-電弧復(fù)合焊接接頭橫截面Fig.15 Cross section of laser-arc hybrid welding Mg alloy to steel butt joint

其中Ⅲ區(qū)是影響焊接接頭性能的主要部分。采用EDS能譜對圖中Ⅲ區(qū)成分進行分析，結(jié)果顯示：過渡區(qū)中主要由Fe和Ni兩種元素組成，并含有少量的Al元素，這說明在復(fù)合熱源的作用下鋼與鎳熔化后形成了該過渡區(qū)。從圖中可以進一步看出，焊縫與鋼側(cè)界面結(jié)合較好，未見微裂紋、微氣孔、未焊合等缺陷。采用萬能拉伸試驗機測量焊接接頭的平均拉伸強度可達232MPa，約為鎂合金母材的90%，接頭斷裂位置位于鋼側(cè)界面附近。

結(jié)論

（1）通過脈沖激光對電弧的誘導(dǎo)增強，使電弧能量密度顯著提升。采用激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)實現(xiàn)了鎂合金板材及T型結(jié)構(gòu)件的優(yōu)質(zhì)高效焊接。與傳統(tǒng)電弧焊接相比，激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接制造效率提高5～8倍，焊接制造能耗降低50%以上，鎂合金結(jié)構(gòu)件的焊接接頭性能達到母材的95%以上。

（2）研制出鎂合金活性焊絲焊接技術(shù)，開發(fā)出低污染鎂合金焊接材料，使鎂合金活性焊接與填絲焊接有機結(jié)合；研制出鑄造鎂合金的高性能活性補焊技術(shù)，該技術(shù)顯著提高了鑄造鎂合金的活性補焊效率和質(zhì)量。

（3）采用激光膠焊技術(shù)成功實現(xiàn)了鎂/鋁異種金屬的優(yōu)質(zhì)高效焊接，通過膠粘劑及中間合金的復(fù)合作用有效抑制了鎂鋁金屬間化合物，焊接接頭性能達到鎂合金母材的90%；通過設(shè)計激光-電弧復(fù)合熱源能量的分布狀態(tài)，實現(xiàn)了鎂合金與鋼鐵的搭接及對接結(jié)構(gòu)的優(yōu)質(zhì)焊接，焊接接頭性能達到鎂合金母材的90%以上。

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