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隨著人們對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題的重視程度不斷提高，節(jié)能減排逐漸成為生產(chǎn)生活的基本要求。而選用輕量化材料及結(jié)構(gòu)，作為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要舉措之一，已然成為當(dāng)下制造領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢(shì)，尤其對(duì)航天航空、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展而言，意義尤為重大。

現(xiàn)有輕量化材料中，鎂合金因其出色的性能被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。然而，鎂合金由于自身密排六方（Hexagonal Close-Packed, HCP）的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其耐腐蝕性能差、缺口敏感性強(qiáng)、室溫塑性差，一定程度上制約了它的廣泛應(yīng)用。為此，研究人員提出用鋁合金-鎂合金復(fù)合結(jié)構(gòu)替代全鎂合金結(jié)構(gòu)的方案，以同時(shí)發(fā)揮鋁合金、鎂合金各自的優(yōu)勢(shì)。

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(yīng)用。鋁和鎂的熔點(diǎn)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(diǎn)極高的氧化物MgO（2852℃）和Al2O3（2050℃），致使在熔焊過(guò)程中，易產(chǎn)生脆性間化物。

此外，鋁和鎂金屬在液態(tài)時(shí)相互溶解度較小，且會(huì)吸收溶解大量的氫，而在凝固過(guò)程中又由于氫的溶解度下降導(dǎo)致氫氣排出而留下氫氣孔。這些問(wèn)題都會(huì)極大地影響焊接接頭的力學(xué)性能。因此，為實(shí)現(xiàn)鎂合金-鋁合金復(fù)合結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，亟需尋找一種能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)作為電磁成形技術(shù)的一種，是通過(guò)電磁力作用促使待焊板件高速變形并猛烈撞擊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬冶金結(jié)合的，屬于固態(tài)非加熱焊接工藝。采用該技術(shù)進(jìn)行焊接時(shí)，即使無(wú)保護(hù)氣體也可大幅減少金屬焊接界面氧化物的產(chǎn)生，從而提升焊接接頭力學(xué)性能，故在異種金屬焊接方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，并得到了研究人員的廣泛關(guān)注。

圖1 電磁焊接過(guò)程中電磁力產(chǎn)生原理

近年來(lái)，研究人員利用電磁脈沖焊接技術(shù)開(kāi)展了各類異種金屬之間的焊接實(shí)驗(yàn)。I. V. Volobue等利用電磁脈沖焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(duì)鋁和鋼的脈沖焊接界面開(kāi)展了深入研究，并對(duì)比了不同電壓下焊接接頭界面的微觀形貌與組織結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)研究人員的共同努力，已證實(shí)多種異種金屬可采用電磁脈沖焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(guān)于鎂合金自身特殊結(jié)構(gòu)對(duì)焊接條件的影響更是鮮有報(bào)道。上述情況的出現(xiàn)，一定程度上是由于適用于板件連接的國(guó)產(chǎn)電磁脈沖焊接設(shè)備的研制滯后，以致制約了鎂合金/鋁合金焊接實(shí)驗(yàn)研究的開(kāi)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(xué)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(shè)備原型機(jī)，并在此基礎(chǔ)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(xué)特征對(duì)焊接條件的影響。

研究結(jié)果顯示：電磁脈沖焊接技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)鎂合金、鋁合金板件的可靠焊接；在一定范圍內(nèi)，放電電壓的升高能夠提高接頭的機(jī)械性能；焊接間隙的增加使接頭的機(jī)械性能先提高后降低。此外，鎂合金板件自身特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的力學(xué)各向異性也將影響接頭的機(jī)械性能，相同條件下，與軋制方向成0°時(shí)，焊接所得接頭拉伸強(qiáng)度最佳；與軋制方向成90°時(shí)，接頭拉伸強(qiáng)度最低。

圖2 電磁脈沖焊接設(shè)備原型機(jī)

圖3 不同焊接樣品拉伸結(jié)果

科研人員得出如下結(jié)論：

1）鎂/鋁合金板件焊接性能與放電電壓密切相關(guān)。在12～16kV范圍內(nèi)，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(chǎng)強(qiáng)度并提升金屬板件內(nèi)部感應(yīng)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(qū)域面積增加，以獲得質(zhì)量更好的接頭。

2）板件間距會(huì)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(guò)程提供足夠的空間，若板件間距過(guò)小，板件無(wú)法有效加速，難以達(dá)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(guān)，間距過(guò)大將導(dǎo)致撞擊角度過(guò)大而無(wú)法焊接。

3）鎂合金自身力學(xué)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(qiáng)度有關(guān)，而鎂合金板件因其自身所存在的各向力學(xué)特性差異，使得沿不同方向焊接時(shí)所需焊接條件不一致。與法線平行時(shí)的焊接所需條件最低，而與法線垂直時(shí)的焊接所需條件最高。

以上研究成果發(fā)表在2021年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“電磁脈沖板件焊接設(shè)備研制及鎂/鋁合金板焊接實(shí)驗(yàn)研究”，作者為李成祥、杜建 等。