镁合金环保高效焊接技术研究

滕玮晔

（江苏联合职业技术学院 无锡交通分院，江苏 无锡 214151）

随着我国社会经济的不断发展，当前社会生产力水平得到显著提高，而焊接技术作为在社会生产中应用较为广泛的一门技术，在社会发展中占据重要位置。在社会快速发展的时代背景下，我国各种不可再生资源呈紧张之势，这就需要各个行业在今后发展过程中积极发展绿色高效技术，在提高生产加工质量的基础上有效降低耗能以及消耗的材料。镁合金作为一种具有高精度、低能耗、高效率等特点的优质焊接材料，有助于发展绿色环保高效焊接技术。经科研人员的长期研究发展，通过将激光胶接焊技术与电弧复合焊接技术进行结合，可以实现镁合金与铝合金及镁合金和钢铁的高性能焊接制造。文章将结合实际情况对镁合金绿色环保高效焊接技术研究进展进行分析，以期为今后相关工作提供宝贵经验。

1 同种镁合金环保高效焊接技术分析

（1）镁合金激光诱导电弧复合焊接机理。随着我国科学技术的不断发展，焊接技术逐渐呈现出多元化发展趋势，其中镁合金脉冲激光诱导电弧复合焊接具有焊接速度快、焊接缺陷少、焊接性能高等特点，成为社会生产中较为常用的一种焊接方式，其应用领域也在日益扩大。在焊接过程中激光热源会在焊接熔池中形成一个焊接“匙孔”，可以对焊接时使用的电弧产生诱导作用并在一定程度上有效增强电弧效果，为接下来进行的焊接工作奠定有力基础。通常情况下，镁合金焊接质量及效率受到脉冲激光与电弧之间的耦合作用影响，因此在实际焊接过程中相关工作人员应严格控制各个技术环节，以防止对镁合金造成严重影响。通过利用高速摄影机对电弧状态进行分析，可以发现，热源等离子体状态会在激光作用下发生较大变化。在脉冲激光作用前：电弧形态与一般焊接过程类似，电弧等离子体比较松散，沿着钨极尖端方向延伸；在脉冲激光作用区间，激光在电弧熔池中形成焊接“匙孔”，熔池波动剧烈，电弧等离子体主要与复合焊接“匙孔”直接连通，等离子体明显被压缩至“匙孔”附近，形成电弧钨极与焊接“匙孔”间的耦合放电，电弧亮度及能量密度均显著提高；当脉冲激光作用消失后可以发现，“匙孔”出口在激光脉冲作用结束后并未立刻闭合，而是持续存在大约7～10ms，即发生了“匙孔”的延迟闭合现象，这主要是由于电弧与“匙孔”产生耦合放电，为“匙孔”提供了足够的高温气体，对“匙孔”侧壁及底部产生压力，维持“匙孔”打开状态，“匙孔”延迟闭合诱导焊接电弧持续压缩，增强了热源整体作用效果。根据上述分析，在焊接过程中可以利用激光脉冲作用在耦合放电发生状态下，可以有效改变电弧等离子体的放电状态，使焊处于焊接过程中的电弧等离子体的能量密度有所提高，而激光诱导电弧复合热源的穿透能力和制造效率也达到有效提升，在一定程度上有效提高焊接技术的工作效率及质量。

（2）技术与装备。通过将镁合金激光诱导电弧复合焊接技术有效应用至生产制造中，可以实现高性能、低消耗焊接，焊接速度可达到6m/min。据相关实验表明，镁合金板材焊接接头在利用镁合金激光诱导电弧复合焊接技术进行焊接时，板材并未发生明显变形，且在焊接完成后产生的焊缝、背面均呈现出连续均匀的状态，这一现象说明镁合金可以在高速焊接条件下，热源同样具有较强的穿透能力。通过对AZ61镁合金激光诱导电弧复合热源焊接接头的微观组织进行观察，可以发现焊缝质地较为均匀平整，且其内部并未出现气孔、夹杂等现象，这就说明镁合金激光诱导电弧复合焊接技术，可以在高速焊接的条件下将最大限度提升焊接质量，有效促进现阶段我国焊接技术的不断发展。

（3）镁合金活性焊接技术。镁合金活性焊接技术在焊接过程中主要是将电弧通过活性剂材料增强以达到高效焊接目的的一种焊接方法。科研人员在长期研究过程中发现，若是在传统活性焊接的基础上，将活性材料融入其中，促使活性材料与焊丝相结合，然后进行焊接，通过这种方式可以在一定程度上增强电弧，使其效果可以达到最佳，充分保证高效、绿色焊接，尽可能降低焊接对能量的消耗。通过研究，科研人员发现若是将活性剂涂覆在焊丝表面，会形成“电离增强效应”，产生电离增强效应的主要原因是由于活性剂中含有低电离能的金属元素，可以提高金属元素的电离以及非金属元素对电子的吸附作用，使得电弧在这一作用线形成“电离增强效应”。这种方式会使镁合金活性焊接电弧能量密度提高8～10倍，而活性焊接技术也得到进一步发展，从最初的“板材涂覆活性焊接”转变为“焊丝涂覆活性焊接”，在消耗相同能量的前提下，可以将焊接效率提高40%～50%，在有效节约能耗的同时将工作效率提高，为推动我国机械制造业发展、航空航天事业发展点创造良好条件。

2 不同金属与镁合金环保高效焊接技术分析

（1）镁合金与铝合金激光胶接焊技术。在飞机制造领域，通过将镁合金与铝合金结合在一起进行激光胶接焊技术，可以有效提高焊接质量，这主要是由于镁合金与铝合金均属于轻合金范畴，若是将这两种轻合金进行有机结合，可以促使镁合金的应用性能得到充分发挥。然而这一技术在实际应用过程中会因镁合金和铝合金在焊接中容易形成金属间化合物，对焊接顺利进行造成一定影响。激光胶接焊技术是在焊接过程中将激光焊接与胶接相结合的新型连接技术，通过利用这一先进焊接技术，可以将AZ31B镁合金与6061铝合金这两种异种金属进行焊接，并且形成较为平整、均匀的接缝。胶粘剂的加入会在一定程度上对金属间化合物的分布和形态造成影响，而在焊接接头内部的金属化合物会相对减少，使得焊接接头的焊接性能有所提高。然而事实上，胶粘剂的主要构成为有机化合物，无法消除Mg元素与Al元素之间的相互反应，无法将Mg、Al金属之间的化合物完全消除。为了实现对Mg-Al金属间化合物的有效抑制，将胶粘剂与合金元素有机结合，形成了基于复合中间层设计的激光胶焊方法。这一技术充分利用Mg和Fe之间不反应也不互溶的特性，实现了对Mg-Al金属间化合物的有效抑制，焊接接头性能显著提升。当胶粘剂固化后，镁、铝异质金属激光胶焊性能达到2.9kN/cm，与单独激光焊接相比提高了6倍以上，达到镁合金母材拉伸载荷的90%。

（2）镁合金与钢激光-电弧复合焊接技术。在实际应用过程中，镁合金和钢铁既不会发生反应且互补相溶，且镁合金的沸点略低于钢铁的熔点，在焊接过程中，钢熔化时镁合金已经气化，这就导致焊接技术无法得到完善，为焊接工作带来一定阻碍。为了有效解决这一问题，科研人员采用合金与钢激光-TIG电弧复合焊接技术，为镁合金与钢异质金属创造良好的焊接条件，这种方式可以将镁合金、钢进行完美焊接，且不会在焊接处出现明显焊接缺陷。这主要是由于在激光—电弧复合焊接热源中，电弧热源的能量密度相对较低，一般为103～104W/cm2，而激光的能量密度相对较高，一般为105～107W/cm2，因此将两者形成的复合热源能量密度整体呈现逐渐增高的梯度分布，为镁合金与钢铁同步熔化创造良好条件。在科研人员长期研究下发现，通过将Ni作为中间层添加至镁合金与钢铁之间的融合界面，可以在一定程度上改变镁与钢的冶金反应，并且在镁合金熔池一侧形成形成了Fe-Ni固溶体，使得镁合金与钢铁直接可以进行更为良好的连接。通常情况下，AZ31B镁合金与Q235搭接结构激光－电弧复合焊接接头的剪切强度达到160MPa，与镁合金自身的剪切强度相当，有效提高焊接效率及质量。通过将焊接技术进行完善，可以有效促进我国机械制造业、航空航天业的发展，同时也为推动我国社会经济发展奠定良好基础。

3 结语

综上所述，我国焊接技术在时代发展过程中逐渐成熟、完善，并且朝着绿色环保高效方向发展。由于镁合金具有高精度、低能耗、高效率特征，逐渐成为当前绿色焊接技术的首选材料，而通过将激光胶焊技术与电弧复合焊接技术进行结合可以实现镁合金、钢铁高性能焊接，尽可能降低焊接技术所产生的能耗，与传统焊接技术相比，其焊接工作效率能明显提高，为相关领域提供了有力技术支撑，这一绿色环保高效焊接技术也被有效应用于航空航天业，同时为促进我国制造业发展奠定有力基础，使我国社会经济在国民经济的推动下持续增加。

［1］刘黎明，王红阳.镁合金绿色高效焊接技术研究进展［J］.航空制造技术，2016，（6）：16-21.

［2］刘黎明，李陈宾.激光诱导电弧耦合热源的构建及绿色焊接技术应用［J］.电焊机，2015，45（5）：36-42.

［3］刘黎明，李陈宾.激光诱导电弧耦合热源的构建及绿色焊接技术应用［C］.2015IFWT焊接国际论坛，2015.

［4］冯吉才，王亚荣，张忠典，等.镁合金焊接技术的研究现状及应用［J］.中国有色金属学报，2005，15（2）：165-178.

［5］王辉，汤慧萍，王建，等.Fe3Al基合金焊接技术的研究进展［J］.稀有金属材料与工程，2012，41（12）：2243-2248.

［6］周利，李高辉，刘朝磊，等.铝锂合金焊接技术的研究现状［J］.焊接，2017，（1）：7-12.

［7］马广义，吴东江，柴东升，等.核主泵屏蔽套近无缺陷激光焊接技术［J］.机械工程学报，2015，（15）：1-8.

［8］李磊，姬虹.搅拌摩擦焊接技术研究进展［J］.工具技术，2016，50（12）：9-13.