镁合金绿色高效焊接技术研究进展.pdf

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1、镁合金绿色高效焊接技术研究进展米刘黎明1’2，王红阳坦(1．大连理工大学材料科学与工程学院，大连116024；2．辽宁省先进连接技术重点试验室，大连116024)【摘要】镁合金是航空航天领域应用最为广泛的轻合金之一。随着镁合金应用的不断深入，对具有高精度、低能耗、高效率特征的绿色焊接技术提出了迫切需求，并成为镁合金焊接制造发展的重要方向。针对上述需求，围绕镁合金激光诱导电弧复合焊接技术，镁合金活性高效焊接技术以及镁合金与异种金属的连接技术展开系统研究。采用激光诱导电弧复合焊接技术成功实现了镁合金

2、低能耗高效焊接制造，与传统电弧焊接相比显著提高了焊接制造效率，降低了焊接制造能耗。采用激光胶焊技术及激光一电弧复合焊接技术实现了镁合金与铝合金及镁合金和钢铁的高性能焊接制造。上述绿色焊接制造技术研究成果为实现航空镁合金轻量化结构件的设计和制造提供了有力支撑。关键词：镁舍金焊接；绿色焊接；高效；低能耗DOI：10．16080／j．issnl671．833x．2016．06．016刘黎明教授、博导．长江学者特聘教授．国家杰出青年科学基金获得者。“基于绿色制造的焊接工艺与装备”教育部科研创新团队带头人

3、．现任辽宁省先进连接技术重点实验室主任。主要从事轻合金先进焊接与连接技术．激光一电弧复合焊接技术与装备等研究。}基金项目：国家自然科学基金(11375038)。16航空制造技术·2016年第6期随着低碳环保、节能降耗等绿色制造理念的不断发展，减轻装备的整体重量，实现结构轻量化，已经逐渐成为航空航天及交通运输领域的重要发展方向。镁合金作为目前工业制造领域中最轻的金属材料之一，因其能显著降低结构重量，而在上述领域不断得到深入应用【lJ。由于镁及镁合金具有高比强度、高比刚度、好的减震效果、优良的导热性

4、和导电性及电磁屏蔽性等特征【2】，使它在航空航天业中具有广阔的应用前景，适用于飞机、航天器的轻质外壳、蒙皮、座椅、减震系统元件及其他构件。近年来，随着先进镁合金制品生产能力和技术水平的提高，其在航空航天制造领域的应用范围也不断扩展，并逐渐发展形成了镁合金制造技术、材料及装备体系。焊接技术作为装备制造领域的共性技术，已经成为影响镁合金在航空航天装备制造领域应用的关键技术之一。围绕镁合金焊接制造技术，国内外学者展开了广泛而深入的研究，采用电弧焊接、激光焊接、搅拌摩擦焊接及激光一电弧复合焊接[3-91

5、等诸多方法均能够实现镁合金的良好连接。随着航空航天及轨道交通等领域装备零件体积的增大、结构更加复杂、服役需求的不断提升，提高镁合金的焊接制造效率、降低焊接能耗、减少焊接污染，促进镁合金与铝合金、钢铁等异种材料的连接，实现镁合金关键结构的高性能绿色焊接制造已经成为镁合金焊接制造发展的重要方向和迫切需求。本文围绕镁合金绿色焊接制造技术展开系列研究，采用脉冲激光诱导电弧复合焊接技术实现了镁合金板材及T型结构件的优质高效焊接，使镁合金焊接制造效率较电弧焊提高5～8倍，焊接能耗仅为电弧焊的30％；采用镁合

6、金活性焊技术成功实现了复杂铸造镁合金结构件的良好修复。针对镁合金与异种金属连接问题，通过采用激光胶焊技术及激光一电弧复合焊接实现了镁合金与铝合金、镁合金与钢铁之间异种金属的良好连接。上述研究成果为镁合金在航空航天等轻量化制造领域的深入应用起到了积极的促进作用。同质镁合金绿色高效焊接技术1镁合金激光诱导电弧复合焊接机理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

7、合焊接结构示意图。激)L熔体图1激光诱导电弧复合焊接结构示意图Fig．1Schematicoflaser-inducedarchybridweldingMgalloyjoints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2(a))；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

8、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“匙孑L”附近，形成电弧钨极与焊接“匙孔”间的耦合放电(图LaJ叛丸ntJ{jjm{h』0故咒f1j}j【卜fo)澈jlL{1：jlj』五图2激光与电弧间耦合放电等离子状态Fig．2Plasmashapeinlaserandarcdischargecouplingprocess2(b))，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13在激光脉冲作用结束后并未立刻闭合(图2(c))，而是持续存在大约7．0—1