隨著低碳環(huán)保、節(jié)能降耗等綠色制造理念的不斷發(fā)展，減輕裝備的整體重量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，已經(jīng)逐漸成為航空航天及交通運輸領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。鎂合金作為目前工業(yè)制造領(lǐng)域中最輕的金屬材料之一，因其能顯著降低結(jié)構(gòu)重量，而在上述領(lǐng)域不斷得到深入應(yīng)用。
焊接技術(shù)作為裝備制造領(lǐng)域的共性技術(shù)，已經(jīng)成為影響鎂合金在航空航天裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。
1、鎂合金激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接機理
鎂合金脈沖激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接具有焊接速度快、焊接缺陷少、焊接性能高等技術(shù)優(yōu)勢。焊接過程中，激光熱源在焊接熔池中產(chǎn)生焊接“匙孔”，對電弧起到了顯著的誘導(dǎo)增強效果。圖1為激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接結(jié)構(gòu)示意圖。
脈沖激光與電弧之間的耦合作用直接影響了鎂合金的焊接質(zhì)量和效率。采用高速攝像機對電弧狀態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)在激光作用前后，熱源等離子體狀態(tài)發(fā)生了明顯變化。在脈沖激光作用前：電弧形態(tài)與一般焊接過程類似，電弧等離子體比較松散，沿著鎢極尖端方向延伸（圖2（a））；在脈沖激光作用區(qū)間，激光在電弧熔池中形成焊接“匙孔”，熔池波動劇烈，電弧等離子體主要與復(fù)合焊接“匙孔”直接連通，等離子體明顯被壓縮至“匙孔”附近，形成電弧鎢極與焊接“匙孔”間的耦合放電（圖2（b）），電弧亮度及能量密度均顯著提高；當(dāng)脈沖激光作用消失后可以發(fā)現(xiàn)，“匙孔”出口在激光脈沖作用結(jié)束后并未立刻閉合（圖2（c）），而是持續(xù)存在大約7.0~10.0ms，即發(fā)生了“匙孔”的延遲閉合現(xiàn)象，這主要是由于電弧與“匙孔”產(chǎn)生耦合放電，為“匙孔”提供了足夠的高溫氣體，對“匙孔”側(cè)壁及底部產(chǎn)生壓力，維持“匙孔”打開狀態(tài)，“匙孔”延遲閉合誘導(dǎo)焊接電弧持續(xù)壓縮，增強了熱源整體作用效果。
從上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，伴隨著耦合放電發(fā)生，通過激光的脈沖作用改變電弧等離子體的放電狀態(tài)，提高電弧等離子體的能量密度，以及激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合熱源的穿透能力和制造效率。激光脈沖作用消失后，耦合放電的延遲效應(yīng)使激光對電弧等離子體的增強效果仍可持續(xù)一定時間。采用脈沖激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊及電弧焊方法進行6mm鎂合金板材焊接，焊接接頭橫截面如圖3 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接鎂合金熔深約是電弧焊的3 倍。
2、鎂合金激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接技術(shù)及裝備
采用低功率激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接方法，實現(xiàn)3mm厚AZ61鎂合金板材的高效、高性能焊接制造，激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接速度達到6m/min。鎂合金板材焊接接頭如圖4所示，可見板材未發(fā)生明顯橫向和縱向變形，焊縫正面、背面成形連續(xù)均勻，說明在此高速焊接條件下熱源也具有足夠的穿透能力。
圖5為AZ61鎂合金激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合熱源焊接接頭的微觀組織。由圖中可以看出，焊縫內(nèi)部未出現(xiàn)氣孔、夾雜以及宏觀裂紋，鎂合金母材的晶粒尺度為40~50μm；熱影響區(qū)寬度約為250μm，熱影響區(qū)晶粒相比于母材未見明顯長大；焊縫區(qū)的掃描電鏡照片顯示焊縫的晶粒尺度為5~16μm，晶界處發(fā)現(xiàn)了析出的金屬間化合物（主要為β-Mg17Al12）。對焊接接頭進行了拉伸強度測試，測試結(jié)果顯示試件在母材和焊縫區(qū)域均可發(fā)生斷裂，表明焊縫的拉伸強度與母材相當(dāng)。
T型結(jié)構(gòu)件的穿透焊接技術(shù)已在飛機制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用低功率激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接方法，實現(xiàn)了2mm 鎂合金板材的穿透焊接，接頭形貌如圖6所示（參數(shù)：激光功率300W，電弧電流100A，焊接速度1m/min，送絲速度1875mm/min）。T型結(jié)構(gòu)件壁板和筋板之間熔合良好，未見明顯缺陷。
表1給出了對接板材及T型結(jié)構(gòu)件電弧焊及激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊的制造效率及焊接能耗（計算時考慮了激光加工設(shè)備及冷卻系統(tǒng)的整體能耗）?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊方法可以在顯著提高焊接制造效率的同時降低單位長度的焊接能耗，對于發(fā)展鎂合金的綠色焊接制造技術(shù)起到了積極的促進作用。
以上述激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)出成套低能耗激光--電弧復(fù)合焊接裝備，采用該成套裝備實現(xiàn)了國內(nèi)首個鎂合金整理箱高效高性能焊接制造，如圖7所示。
3 鎂合金活性焊接/ 補焊技術(shù)
活性焊接是采用活性劑材料增強電弧的一種焊接方法。通過深入研究電弧熱源與焊接材料作用的物理機制，在傳統(tǒng)活性焊接的基礎(chǔ)上，將活性材料與焊絲有機結(jié)合，形成了一種基于活性焊絲的新型活性焊接方法，其原理如圖8所示。
研究發(fā)現(xiàn)，活性劑涂覆在焊絲表面時，活性劑中金屬元素與非金屬元素將對電弧形成“電離增強效應(yīng)”。以鎂合金為研究對象，通過揭示活性劑中低電離能金屬元素的電離以及非金屬元素對電子的吸附作用，使鎂合金活性焊接電弧能量密度提高8~10倍，從102~104W/cm2增加至103~105W/cm2，實現(xiàn)了活性焊接從“板材涂覆活性焊”向“焊絲涂覆活性焊”的轉(zhuǎn)變，與單電弧焊接相比，該技術(shù)焊接熔深可增加1~3倍（圖9），焊接效率提高3~5倍，焊接能耗為相同條件下電弧焊接的40%~50%。
鑄造鎂合金結(jié)構(gòu)件因在減輕結(jié)構(gòu)重量方面具有良好的減震效果而在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但鑄造鎂合金在成形、加工過程中極易產(chǎn)生氣孔、夾渣及裂紋等多種缺陷，所以對缺陷鑄件的補焊具有較高的經(jīng)濟價值。分別采用鎢極氬弧焊（TIG）及活性電弧焊接（A-TIG）對鑄造鎂合金進行補焊對比試驗，焊接效果如圖10所示。
通過TIG 與A-TIG 對不同孔深缺口愈合試驗發(fā)現(xiàn)，在相同的焊接參數(shù)下，A-TIG愈合缺口的深度明顯高于TIG，且焊縫氣孔缺陷較少。通過對補焊后焊縫的微觀組織和硬度觀察發(fā)現(xiàn)，利用A-TIG進行補焊不但可以實現(xiàn)較深缺口的愈合，而且可以減少焊縫氣孔缺陷，同時避免熱影響區(qū)組織的粗化。
鎂合金具有較低的熔沸點和較高的蒸汽壓，在焊接制造過程極易形成大量的金屬蒸汽和粉塵顆粒。減少鎂合金焊接材料在制造過程中的揮發(fā)和燃燒，已經(jīng)成為鎂合金綠色焊接制造的重要問題。其關(guān)鍵在于提高鎂合金焊接材料的沸點，減少鎂合金焊接過程的質(zhì)量損失。由于鎂合金具有較少的核外電子及較大的原子半徑，鎂合金的金屬鍵能相對較弱，因此具有較低的熔沸點。針對上述問題提出了基于分子團簇的高沸點鎂合金焊材設(shè)計思想，通過在鎂合金中添加稀土、Zn、Al等多種元素，并精確控制元素比例，使鎂合金與這些元素分別形成具有團簇特征的密排拓撲結(jié)構(gòu)及高熔沸點的金屬間化合物，有效地提高了鎂合金焊接材料的沸點（由1100℃提高到1422℃）。采用DSC熱差分析方法對鎂合金焊接材料進行失重率測量發(fā)現(xiàn)，在1200℃時，普通的鎂合金焊接材料失重率達到80%以上，而本文開發(fā)的高沸點鎂合金焊接材料失重率小于35%。