技术 | 镁合金绿色高效焊接技术研究进展

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、焊接性能高等技术优势。焊接过程中，激光热源在焊接熔池中产生焊接“匙孔”，对电弧起到了显著的诱导增强效果。图1为激光诱导电弧复合焊接结构示意图。

脉冲激光与电弧之间的耦合作用直接影响了镁合金的焊接质量和效率。采用高速摄像机对电弧状态进行分析，发现在激光作用前后，热源等离子体状态发生了明显变化。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（图2a）；

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”间的祸合放电(图2b)，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(图2c)，而是持续存在大约7.0一10.0ms，即发生了“匙孔”的延迟闭合现象。

这主要是由于电弧与“匙孔”产生祸合放电，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。

从上述结果可以发现，伴随着耦合放电发生，通过激光的脉冲作用改变电弧等离子体的放电状态，提高电弧等离子体的能量密度，以及激光诱导电弧复合热源的穿透能力和制造效率。激光脉冲作用消失后，耦合放电的延迟效应使激光对电弧等离子体的增强效果仍可持续一定时间。

采用脉冲激光诱导电弧复合焊及电弧焊方法进行6mm镁合金板材焊接，焊接接头横截而如图3所示。焊接参数为:焊接速度v=1m/min，激光能量P=500W，电弧电流 I =120A(交流)，激光作用点与电弧钨极间距D1a=2.0mm，用于对比试验的单电弧焊接速度为0.6m/min。从图中可以发现，激光诱导电弧复合焊接镁合金熔深约是电弧焊的3倍。

2  镁合金激光诱导电弧复合焊接技术及装备

采用低功率激光诱导电弧复合焊接方法，实现3mm厚AZ61镁合金板材的高效、高性能焊接制造，激光诱导电弧复合焊接速度达到6m/min镁合金板材焊接接头如图4所示，可见板材未发生明显横向和纵向变形，焊缝正而、背而成形连续均匀，说明在此高速焊接条件下热源也具有足够的穿透能力。

图5为AZ61镁合金激光诱导电弧复合热源焊接接头的微观组织。由图中可以看出，焊缝内部未出现气孔、夹杂以及宏观裂纹，镁合金母材的晶粒尺度为40-50微米；热影响区宽度约为250微米，热影响区晶粒相比于母材未见明显长大；

焊缝区的扫描电镜照片显示焊缝的晶粒尺度为5一16微米，晶界处发现了析出的金属间化合物对焊接接头进行了拉伸强度测试，测试结果显示试件在母材和焊缝区域均可发生断裂，表明焊缝的拉伸强度与母材相当。

T型结构件的穿透焊接技术已在飞机制造领域得到广泛应用。采用低功率激光诱导电弧复合焊接方法，实现了2mm镁合金板材的穿透焊接，接头形貌如图6所示(参数:激光功率300W，电弧电流100A，焊接速度1m/min，送丝速度1875mm/min)。

T型结构件壁板和筋板之间熔合良好，未见明显缺陷。表1给出了对接板材及T型结构件电弧焊及激光诱导电弧复合焊的制造效率及焊接能耗(计算时考虑了激光加工设备及冷却系统的整体能耗)。

可以发现，采用激光诱导电弧复合焊方法可以在显著提高焊接制造效率的同时降低单位长度的焊接能耗，对于发展镁合金的绿色焊接制造技术起到了积极的促进作用。

以上述激光诱导电弧复合焊接技术为基础开发出成套低能耗激光一电弧复合焊接装备，采用该成套装备实现了国内首个镁合金整理箱高效高性能焊接制造，如图7所示。

3  镁合金活性焊接/补焊技术

活性焊接是采用活性剂材料增强电弧的一种焊接方法。通过深入研究电弧热源与焊接材料作用的物理机制，在传统活性焊接的基础上，将活性材料与焊丝有机结合，形成了一种基于活性焊丝的新型活性焊接方法，其原理如图8所示。

研究发现，活性剂涂覆在焊丝表而时，活性剂中金属元素与非金属元素将对电弧形成“电离增强效应;以镁合金为研究对象，通过揭示活性剂中低电离能金属元素的电离以及非金属元素对电子的吸附作用，使镁合金活性焊接电弧能量密度提高8一10倍，实现了活性焊接从“板材涂覆活性焊”向“焊丝涂覆活性焊”的转变，与单电弧焊接相比，该技术焊接熔深可增加1-3倍(图9)，焊接效率提高3-5倍，焊接能耗为相同条件下电弧焊接的40%-50%。

3  结论

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