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镁铝合金最新焊接技术浅析

作者: 发布时间:2020-02-03 15:05:00 阅读: 32 次

摘要:镁铝合金在航空航天、汽车、电子等领域具有广阔的应用前景,焊接技术已经成为制约其应用的技术关键。分析了镁铝合金焊接的主要特点,综述了镁铝合金激光焊、激光—电弧复合焊、双光束激光焊和摩擦搅拌焊。

关键词:镁铝合金;焊接;气体保护焊

 

镁铝合金因其具有低密度、高比强度、高比刚度和可再回收利用等特点而广泛应用于现代高新技术材料领域。近几年,镁铝合金在现代制造业、大型船舶、国防建设、航空航天、电子信息和娱乐器材业等制造领域已广泛应用。由于镁铝合金的焊接特性不好,不容易实现可靠焊接,已成为制约镁铝合金应用的技术难关和急待解决的关键难题。

1 造成镁铝合金焊接困难的原因

通过金属镁和铝在化学周期表中的位置可知,镁铝合金化学活泼性很强,易氧化,熔点低,热膨胀系数大,热导率大,且氧化物的熔点很高,因此使镁铝合金在焊接过程中会产生一系列的困难。主要问题如下:

1)晶粒粗大问题。由于镁铝合金散热快、氧化膜熔点高,故焊接镁铝合金时要用相对于其它金属更多的能量输入;快速焊接易造成焊缝和母材区金属过热和晶粒长大,这是焊接镁铝合金时的主要特点之一。

2)氧化和蒸发。由于镁和铝的氧化性极强,在焊接过程中易形成氧化(MgOAlO)AlO熔点高(2300),密度大(32 gcm3),易在焊缝中形成夹杂,降低了焊缝强度。在高温下,合金中的镁还容易和空气中的氮化合生成镁的氮化物,使接头性能变坏。合金中镁的沸点不高,只有1100℃,在高温电弧的作用下很容易蒸发,使镁铝合金中的镁成分烧损。

3)热应力。由于镁铝合金中镁的热膨胀系数较大,约为铝的1.2倍,因此在焊接过程中易产生较大的焊接变形,产生较大的热应力。

4)焊缝塌陷。因为镁铝合金的表面张力小,因此在焊接时很容易产生焊缝塌陷。

5)气孔。由于氢在镁铝合金中的溶解度随温度的降低而减小,而且镁铝合金的密度小,气体不易逸出,因此在焊缝凝固过程中会形成气孔。

6)热裂纹。镁铝合金中的金属镁和金属铝易与其它金属形成低熔共晶体,在焊接过程中易形成收缩裂纹。

2  镁铝合金焊接的先进技术

目前,生产中常用“熔化极惰性气体保护焊”、“非熔化极极惰性气体保护电弧焊”等方法来焊接镁铝合金等轻金属易氧化材料。近年来出现了如高能脉冲激光焊、多光束激光焊、激光—电弧复合焊及高速摩擦搅拌焊等新的焊接方法,下面将对这4种焊接方法的特点进行简单介绍 。

21 镁铝合金的高能、高速脉冲激光焊接

随着大功率、高性能、转换灵活的高能、高速脉冲激光焊接设备的不断开发,使用激光作为热源的焊接技术已成为镁铝合金等轻质易氧化金属焊接的主要发展方向。与传统的惰性气体保护焊焊接方法相比,使用高能、高速脉冲激光焊接镁铝合金具有以下优点:

(1)在单位面积内能量集中,因此施焊相同条件下的焊缝所需要的能量更少,从而导致工件焊接变形小,并且能够得到熔池窄而熔深深的焊缝。

(2)焊缝冷却速度快,熔池形成后瞬间被母材冷却,能得到组织晶粒细小的焊缝,并获得一定的淬火组织,改善了焊缝处熔铸状态的性能,提高了焊接接口的强度;

(3)焊接精度高、速度快、环境适应性强、功能多、焊接环境好、不需要真空环境且可靠性高,所以在焊接效率、精准度、程序化等方面具有不可替代的优势。

目前受成本制约,所采用的激光发生器功率一般都不会很大,对镁铝合金厚板的焊接还存在一定困难

22 镁铝合金的电弧—激光混合焊

虽然使用高能激光焊接镁铝合金具有许多优点,但受其它条件的制约,仍有一定的局限性,为了降低成本,更加高效地焊接镁铝合金,科学家开发了电弧—激光混合焊接技术。

使用用电弧—激光混合焊接方法来焊接镁铝合金时,利用激光与电弧各自优势的相互作用,一种效应是激光所产生的单位面积高能量等够提高焊接的速度;另一种效应是两种焊接热源同时作用在相同的焊接区域所产生的累加效应。随着我国工业产业升级的不断提升,这种焊接工艺必定会在我国现代工业领域大范围推广和应用。

23 镁铝合金的双枪高能激光焊

双枪高能激光焊,通过与单独使用高能激光焊对比,发现双枪高能激光焊接镁铝合金时会产生相对较宽的熔合宽度和较低的熔池深度,大大提高了焊接结束后产生蚀孔的稳定性,显著的降低了焊缝中蜂窝状气孔的形成。其产生的机理是使用双枪高能激光焊接时,两把焊枪依次通过同一焊缝,束高能激光照射到焊缝时将对焊缝进行熔化,在此过程中焊缝周边的母材也被进行了预热,累积的能量使第二束高能激光照射焊缝时,可以熔化更多的母材,从而增加焊缝的宽度。

24 镁铝合金的高速摩擦搅拌焊

针对镁铝合金熔焊时产生的缺陷,科学家们开发出了利用专门的摩擦金属头高速摩擦镁铝合金焊缝使焊缝软化同时并搅拌焊接这种工艺。镁铝合摩擦搅拌焊主要有以下特点:

1)焊缝接口强度高。高速摩擦搅拌焊属于固相焊,镁铝合金没有完全熔化,故焊缝不易产生熔焊时冷却过程中易出现的缺陷如裂纹、咬边、气孔等;高速摩擦搅拌产生的温度低于镁铝合金的熔点,因此焊缝的组织没有发生相变,所以焊缝的强度与母材强度接近,并且焊接工件的热变形小;焊后焊缝颜色与母材差距不大。

2)费用低廉。高速摩擦搅拌焊不需要焊丝、焊剂等焊接耗材,不需要对焊缝进行惰性气体保护;对工件夹装精度要求低,焊前准备程序简单;焊接厚板时不用打坡口;焊机构简单,耗材价格低廉,易于操作;耗电量少。

3)焊接方法简单易学,不产生光辐射和有害的烟气,可直接目视,改善了劳动场所的工作环境,焊接过程容易控制,不需要专门的焊接技师。

高速搅拌摩擦焊是一种半固态连续焊接工艺,有效地避免了熔焊镁铝合金时所产生的各种缺陷,并且焊缝力学性能好,对于焊接性不好的镁铝合金等轻质金属和异质合金之间的焊接可以有效地进行

4 结语

镁铝合金焊接技术作为轻金属在现代工业领域中大面积推广应用的关键技术,正在越来越受到广大科研工作者的重视。以上4种焊接方法是近年来出现的焊接镁铝合金新工艺,但是无论那种焊接方式在特定的焊接条件下都会受到限制,如何充分挖掘各种焊接方式的潜力,以及取长补短是今后科研人员应该着重考虑的问题。