- 頭條重慶大學科研人員發表電磁脈沖板件焊接的研究新成果2022-01-10 作者：李成祥 杜建 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語鎂合金、鋁合金作為輕質材料，因具有優異性能可替代傳統鋼材而廣泛應用于輕量化設備制造中。然而，由于鎂合金與鋁合金物理、化學性能存在差異，使得傳統工藝難以實現兩者之間的良好焊接。電磁脈沖焊接（EMPW）借助電磁力實現金屬材料的冶金結合，有望解決鎂合金、鋁合金的焊接難題。輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、國網重慶市電力公司永川供電分公司的研究人員李成祥、杜建、周言、沈婷、姚陳果，在2021年第10期《電工技術學報》上撰文，從電磁脈沖焊接原理入手，研制出一套適用于板件焊接的電磁脈沖焊接設備原型機，并以此開展鎂/鋁合金板電磁脈沖焊接實驗，探討放電電壓、板件間距以及因鎂合金自身特殊結構而導致的力學各向異性特征對鎂/鋁合金板焊接接頭力學性能的影響規律。研究成果可為電磁脈沖焊接鎂合金-鋁合金板件提供技術支撐和理論參考。
隨著人們對環境污染問題的重視程度不斷提高，節能減排逐漸成為生產生活的基本要求。而選用輕量化材料及結構，作為實現節能減排的重要舉措之一，已然成為當下制造領域的一大發展趨勢，尤其對航天航空、汽車工業等領域的發展而言，意義尤為重大。
現有輕量化材料中，鎂合金因其出色的性能被廣泛應用在工業生產中。然而，鎂合金由于自身密排六方（Hexagonal Close-Packed, HCP）的結構，導致其耐腐蝕性能差、缺口敏感性強、室溫塑性差，一定程度上制約了它的廣泛應用。為此，研究人員提出用鋁合金-鎂合金復合結構替代全鎂合金結構的方案，以同時發揮鋁合金、鎂合金各自的優勢。
遺憾的是，鎂合金與鋁合金之間的連接難題又阻礙了這一方案的推廣應用。鋁和鎂的熔點相近，分別為660℃和649℃，本屬于熔焊加工的適用范圍，但由于二者表面均極易生成熔點極高的氧化物MgO（2852℃）和Al2O3（2050℃），致使在熔焊過程中，易產生脆性間化物。
此外，鋁和鎂金屬在液態時相互溶解度較小，且會吸收溶解大量的氫，而在凝固過程中又由于氫的溶解度下降導致氫氣排出而留下氫氣孔。這些問題都會極大地影響焊接接頭的力學性能。因此，為實現鎂合金-鋁合金復合結構的廣泛應用，亟需尋找一種能夠實現鎂、鋁異種金屬有效焊接的新方法。
電磁脈沖焊接（Electromagnetic Pulse Welding, EMPW）技術作為電磁成形技術的一種，是通過電磁力作用促使待焊板件高速變形并猛烈撞擊進而實現金屬冶金結合的，屬于固態非加熱焊接工藝。采用該技術進行焊接時，即使無保護氣體也可大幅減少金屬焊接界面氧化物的產生，從而提升焊接接頭力學性能，故在異種金屬焊接方面展現出廣闊的應用前景，并得到了研究人員的廣泛關注。
圖1 電磁焊接過程中電磁力產生原理
近年來，研究人員利用電磁脈沖焊接技術開展了各類異種金屬之間的焊接實驗。I. V. Volobue等利用電磁脈沖焊接技術實現了鋁管與鋼管的連接，S. D. Kore等、M. Marya等、S. Patra等則分別研究了電磁脈沖焊接鋁-不銹鋼、鋁-銅、銅-鐵等。于海平、徐志丹和尹成凱等對鋁和鋼的脈沖焊接界面開展了深入研究，并對比了不同電壓下焊接接頭界面的微觀形貌與組織結構。
經過研究人員的共同努力，已證實多種異種金屬可采用電磁脈沖焊接技術實現有效連接。然而，相較于其他金屬，鎂合金與鋁合金板件電磁脈沖焊接的研究并不多，尤其是關于鎂合金自身特殊結構對焊接條件的影響更是鮮有報道。上述情況的出現，一定程度上是由于適用于板件連接的國產電磁脈沖焊接設備的研制滯后，以致制約了鎂合金/鋁合金焊接實驗研究的開展。
為探究電磁脈沖焊接鎂合金-鋁合金的可行性及影響因素，重慶大學的科研人員從電磁脈沖焊接原理著手，研制出一套28kJ的電磁脈沖焊接設備原型機，并在此基礎上研究鎂合金板（基板）、鋁合金板（飛板）電磁脈沖焊接所需外部條件（放電電壓和焊接間隙）以及鎂合金自身力學特征對焊接條件的影響。
研究結果顯示：電磁脈沖焊接技術能夠實現鎂合金、鋁合金板件的可靠焊接；在一定范圍內，放電電壓的升高能夠提高接頭的機械性能；焊接間隙的增加使接頭的機械性能先提高后降低。此外，鎂合金板件自身特殊結構導致的力學各向異性也將影響接頭的機械性能，相同條件下，與軋制方向成0°時，焊接所得接頭拉伸強度最佳；與軋制方向成90°時，接頭拉伸強度最低。
圖2 電磁脈沖焊接設備原型機
圖3 不同焊接樣品拉伸結果
科研人員得出如下結論：
1）鎂/鋁合金板件焊接性能與放電電壓密切相關。在12～16kV范圍內，放電電壓越高，焊接性能越好。放電電壓的提升將增大回路放電電流，增大線圈周圍磁場強度并提升金屬板件內部感應電流幅值，使其所受電磁力增加。因此，在板件間距相同的情況下，提升放電電壓將增大飛板加速度，加快板件撞擊速度，使得焊接區域面積增加，以獲得質量更好的接頭。
2）板件間距會影響鎂/鋁合金板焊接接頭的性能。隨著板件間距增大，焊接效果先提高再降低。飛板與基板的間距將為飛板的加速過程提供足夠的空間，若板件間距過小，板件無法有效加速，難以達到焊接所需撞擊速度。除此之外，板件間距還與撞擊角度相關，間距過大將導致撞擊角度過大而無法焊接。
3）鎂合金自身力學特性也將影響鎂鋁合金板件的焊接效果。電磁脈沖焊接所需撞擊速度與基板自身抗拉強度有關，而鎂合金板件因其自身所存在的各向力學特性差異，使得沿不同方向焊接時所需焊接條件不一致。與法線平行時的焊接所需條件最低，而與法線垂直時的焊接所需條件最高。
以上研究成果發表在2021年第10期《電工技術學報》，論文標題為“電磁脈沖板件焊接設備研制及鎂/鋁合金板焊接實驗研究”，作者為李成祥、杜建 等。
