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电磁脉冲板件焊接设备研制及镁/铝合金板焊接实验研究
发布日期:2021-09-14  来源:电工技术学报  作者:李成祥、杜建  浏览次数:6634
核心提示:镁合金、铝合金作为轻质材料,因具有优异性能可替代传统钢材而广泛应用于轻量化设备制造中。然而,由于镁合金与铝合金物理、化
      镁合金、铝合金作为轻质材料,因具有优异性能可替代传统钢材而广泛应用于轻量化设备制造中。然而,由于镁合金与铝合金物理、化学性能存在差异,使得传统工艺难以实现两者之间的良好焊接。电磁脉冲焊接(EMPW)借助电磁力实现金属材料的冶金结合,有望解决镁合金、铝合金的焊接难题。 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)、国网重庆市电力公司永川供电分公司的研究人员李成祥、杜建、周言、沈婷、姚陈果,在2021年第10期《电工技术学报》上撰文,从电磁脉冲焊接原理入手,研制出一套适用于板件焊接的电磁脉冲焊接设备原型机,并以此开展镁/铝合金板电磁脉冲焊接实验,探讨放电电压、板件间距以及因镁合金自身特殊结构而导致的力学各向异性特征对镁/铝合金板焊接接头力学性能的影响规律。研究成果可为电磁脉冲焊接镁合金-铝合金板件提供技术支撑和理论参考。

随着人们对环境污染问题的重视程度不断提高,节能减排逐渐成为生产生活的基本要求。而选用轻量化材料及结构,作为实现节能减排的重要举措之一,已然成为当下制造领域的一大发展趋势,尤其对航天航空、汽车工业等领域的发展而言,意义尤为重大。

现有轻量化材料中,镁合金因其出色的性能被广泛应用在工业生产中。然而,镁合金由于自身密排六方(Hexagonal Close-Packed, HCP)的结构,导致其耐腐蚀性能差、缺口敏感性强、室温塑性差,一定程度上制约了它的广泛应用。为此,研究人员提出用铝合金-镁合金复合结构替代全镁合金结构的方案,以同时发挥铝合金、镁合金各自的优势。

遗憾的是,镁合金与铝合金之间的连接难题又阻碍了这一方案的推广应用。铝和镁的熔点相近,分别为660℃和649℃,本属于熔焊加工的适用范围,但由于二者表面均极易生成熔点极高的氧化物MgO(2852℃)和Al2O3(2050℃),致使在熔焊过程中,易产生脆性间化物。

此外,铝和镁金属在液态时相互溶解度较小,且会吸收溶解大量的氢,而在凝固过程中又由于氢的溶解度下降导致氢气排出而留下氢气孔。这些问题都会极大地影响焊接接头的力学性能。因此,为实现镁合金-铝合金复合结构的广泛应用,亟需寻找一种能够实现镁、铝异种金属有效焊接的新方法。

电磁脉冲焊接(Electromagnetic Pulse Welding, EMPW)技术作为电磁成形技术的一种,是通过电磁力作用促使待焊板件高速变形并猛烈撞击进而实现金属冶金结合的,属于固态非加热焊接工艺。采用该技术进行焊接时,即使无保护气体也可大幅减少金属焊接界面氧化物的产生,从而提升焊接接头力学性能,故在异种金属焊接方面展现出广阔的应用前景,并得到了研究人员的广泛关注。

图1 电磁脉冲焊接过程中电磁力产生原理

近年来,研究人员利用电磁脉冲焊接技术开展了各类异种金属之间的焊接实验。I. V. Volobue等利用电磁脉冲焊接技术实现了铝管与钢管的连接,S. D. Kore等、M. Marya等、S. Patra等则分别研究了电磁脉冲焊接铝-不锈钢、铝-铜、铜-铁等。于海平、徐志丹和尹成凯等对铝和钢的脉冲焊接界面开展了深入研究,并对比了不同电压下焊接接头界面的微观形貌与组织结构。

经过研究人员的共同努力,已证实多种异种金属可采用电磁脉冲焊接技术实现有效连接。然而,相较于其他金属,镁合金与铝合金板件电磁脉冲焊接的研究并不多,尤其是关于镁合金自身特殊结构对焊接条件的影响更是鲜有报道。上述情况的出现,一定程度上是由于适用于板件连接的国产电磁脉冲焊接设备的研制滞后,以致制约了镁合金/铝合金焊接实验研究的开展。

为探究电磁脉冲焊接镁合金-铝合金的可行性及影响因素,重庆大学的科研人员从电磁脉冲焊接原理着手,研制出一套28kJ的电磁脉冲焊接设备原型机,并在此基础上研究镁合金板(基板)、铝合金板(飞板)电磁脉冲焊接所需外部条件(放电电压和焊接间隙)以及镁合金自身力学特征对焊接条件的影响。

图2 电磁脉冲焊接设备原型机

研究结果显示:电磁脉冲焊接技术能够实现镁合金、铝合金板件的可靠焊接;在一定范围内,放电电压的升高能够提高接头的机械性能;焊接间隙的增加使接头的机械性能先提高后降低。此外,镁合金板件自身特殊结构导致的力学各向异性也将影响接头的机械性能,相同条件下,与轧制方向成0°时,焊接所得接头拉伸强度最佳;与轧制方向成90°时,接头拉伸强度最低。

图3 不同焊接样品拉伸结果

科研人员得出如下结论:

1)镁/铝合金板件焊接性能与放电电压密切相关。在12~16kV范围内,放电电压越高,焊接性能越好。放电电压的提升将增大回路放电电流,增大线圈周围磁场强度并提升金属板件内部感应电流幅值,使其所受电磁力增加。因此,在板件间距相同的情况下,提升放电电压将增大飞板加速度,加快板件撞击速度,使得焊接区域面积增加,以获得质量更好的接头。

2)板件间距会影响镁/铝合金板焊接接头的性能。随着板件间距增大,焊接效果先提高再降低。飞板与基板的间距将为飞板的加速过程提供足够的空间,若板件间距过小,板件无法有效加速,难以达到焊接所需撞击速度。除此之外,板件间距还与撞击角度相关,间距过大将导致撞击角度过大而无法焊接。

3)镁合金自身力学特性也将影响镁铝合金板件的焊接效果。电磁脉冲焊接所需撞击速度与基板自身抗拉强度有关,而镁合金板件因其自身所存在的各向力学特性差异,使得沿不同方向焊接时所需焊接条件不一致。与法线平行时的焊接所需条件最低,而与法线垂直时的焊接所需条件最高。

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