技术 | 截止到 2018 焊接机器人技术研究与应用现状

0 引言

镁合金作为一种新型高性能结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼性能良好、减震性强、电磁屏蔽和抗辐射能力突出，易加工回收等诸多特点。

对于镁合金铸件、挤压件的补焊以及对镁合金结构件的连接的需求日愈强烈。但由于镁合金自身特性 (熔点低、易氧化）决定了其较差的焊接性能，难以实现稳定连接。

为了解决这一技术难题，近年来提出了钨极惰性气体保护焊（TIG）,激光焊（LBW）搅拌摩擦焊（FSW）和电阻点焊（RSW）等镁合金焊接技术。各种焊接方法都有自身的焊接特点和使用范围，它们的工艺规范是影响焊接质量的一个重要因素。

2 镁合金焊接热裂纹研究现状

2.1 钨极惰性气体保护焊 （TIG）

钨极惰性气体保护焊作为当前镁合金最常见的焊接方法，它的工作原理是：在惰性气体保护下，运用钨作为非熔化电极与工件间产生的电弧热熔化母材从而达到填充金属。其工作原理示意图如图1所示，该方法广泛用于镁合金部件的焊接成型和镁合金铸件铸造缺陷的焊补以及修复.

钨极气体保护焊操作简单，灵活性强，成本低，焊接接头变形量小，在惰性气体保护下，焊后焊接接头组织具有较小的热影响区，高的力学性能；电弧长度恒定易于观察，焊接过程稳定。

镁合金TIG焊缝区域包括母材区、热影响区和焊缝区。王欣等采用TIG焊对ZM6镁合金铸件缺陷进行补焊，实验设计了5组焊接参数不同的补焊件，采用的焊接工艺为普通交流电流、氩气保护，并进行了焊前预热，焊接方法为双层焊。实验结果证明，当焊接电流为250A、焊件无预热时，焊缝上表而出现了结晶裂纹，原因是在焊后急冷条件下，已凝固的固态金属对低熔点共晶液态薄膜产生了收缩拉应力，超过了液态薄膜所能承受的极限，产生微裂纹，完全冷却后，随着应力的增加，微裂纹将会扩展成裂纹。

2.2 激光焊(LBW）

激光焊是以高能量激光脉冲为热源对微小区域进行局部加热的一种高效精密焊接方法，具有能量密度高、焊接速度快、焊接变形小、穿透性强、效率高、精度高等优点。其工作原理如图2所示，激光焊通过激光辐射能量在材料内部形成熔池，凝固后焊接形成。

目前常用的激光器有CO2和Nd：YAG激光器。激光焊焊接速度过高或者过低都会降低焊缝的深宽比并导致热裂纹的产生。

俞照辉等利用CO2激光焊焊接ZK60高强镁合金挤压板材，实验发现，激光焦点设定在板材上表面时，焊缝可以获得最大的熔深和深宽比；焊接速度的大小对焊缝的熔深有影响，随着焊接速度的增大，熔深有先变大后变小的趋势；随着焊接速度的增加，产生裂纹的倾向性也增加，结晶的萌生位置和扩散机制将会发生改变，由横向扩展裂纹变为纵向扩展裂纹机制。如图3所示，最佳的焊接速度范围是2-4m/min，采用优化的焊接速度可以得到成型良好、无裂纹的焊缝。

2.3 搅拌摩擦焊（FSW）

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所发明的新型固态连接技术。搅拌摩擦焊的工作原理是利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，在前进过程中搅拌头与工件之间摩擦产生热量，使得该部位金属受热达到热塑性状态，并在搅拌头的压力下由前端向后端发生塑性流动，使得待焊件压焊为一个整体，其原理如图4所示。焊接过程中不需填充材料，不需焊前准备工作，有利于镁合金的焊接。

由于焊接时连续温度低，塑化后的接头组织很难发生变形，表而光滑，无裂纹气孔等缺陷；焊接温度不高，晶粒没有发生再长大，因此得到的焊缝组织细小。

2.4 电阻点焊（RSW）

电阻点焊是一种高速、经济的连接方法，点焊通常分为双面点焊和单面点焊两大类，它适于制造可以采用搭接、接头不要求气密、厚度小于3mm的冲压轧制的薄板构件。点焊具有功效高、节约劳动力、成品整体性好、节约材料、降低成本等特点，其工作原理如图5所示。常见的电阻点焊有低碳钢的点焊、淬火钢的点焊和铝合金的点焊等。

3 焊接裂纹影响因素以及防治措施

裂纹是评价焊接性能的重要指标，其中，冶金因素和工艺因素是导致镁合金焊接裂纹产生的重要原因。

3.1 冶金因素

冶金因素对基体的化学成分有重要影响，基体的化学成分是焊接裂纹产生的主要原因，合金元素的富集或者偏析会对焊接接头的裂纹敏感性产生影响，焊缝中合金元素的含量会影响脆性温度区间，脆性温度区间越大，焊缝收缩所产生的拉应力越大，作用时间也越长，裂纹产生的可能性也就越大。

3.2 工艺因素

焊接裂纹的产生与焊接参数有关，合理调整焊接参数可以有效减少裂纹的产生。焊接参数包括焊接电流、焊接保护气体种类、保护气体流量和焊接速度；焊接电流的大小与直交流频率决定了焊接过程中的热输入，是焊接过程中非常重要的参数；保护气体种类定义了隔绝空气的能力；保护气体流量主要可以提供更加可靠的保护作用，使被焊件不受到空气干扰；焊接速度决定了热输入是否均匀以及焊后组织的形貌。

4 结语

随着镁合金在汽车、航空航天等领域的广泛应用，实现镁合金零部件可靠有效的补焊和连接成为世界各国研究的热点课题。尽管不断有新的焊接技术提出，并能获得良好、可靠的焊接接头，但每种焊接方法对镁合金的适用性还有待于继续研究和分析。

焊接过程中焊接热裂纹的形成机制和控制途径等问题是各国学者一直努力探索解决的方向，虽然日前已经在许多方而对合金热裂纹的形成有了一定的认识，为防止热裂纹的产生提供了必不可少的理论基础和试验依据。

但由于镁合金焊接热裂纹的形成受到合金成分、铸件结构、焊补工艺以及焊丝质量等许多因素的影响，所以在解决焊接热裂纹形成方而需要考虑各影响因素及其相关作用才能实现。因此，全而深入地阐述热裂纹的形成规律，以及彻底解决热裂纹的产生，科研工作者仍需做出巨大的努力。

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