让航空制造更绿色：同质镁合金焊接技术真的那么环保吗？

     镁合金焊接随着低碳环保、节能降耗等绿色制造理念的不断发展，减轻装备的整体重量，实现结构轻量化，已经逐渐成为航空航天及交通运输领域的重要发展方向。镁合金作为目前工业制造领域中最轻的金属材料之一，因其能显著降低结构重量，而在上述领域不断得到深入应用。

    焊接技术作为装备制造领域的共性技术，已经成为影响镁合金在航空航天装备制造领域应用的关键技术之一。

    1 镁合金激光诱导电弧复合焊接机理

    镁合金脉冲激光诱导电弧复合焊接具有焊接速度快、焊接缺陷少、焊接性能高等技术优势。焊接过程中，激光热源在焊接熔池中产生焊接“匙孔”，对电弧起到了显著的诱导增强效果。。

    脉冲激光与电弧之间的耦合作用直接影响了镁合金的焊接质量和效率。采用高速摄像机对电弧状态进行分析，发现在激光作用前后，热源等离子体状态发生了明显变化。在脉冲激光作用前：电弧形态与一般焊接过程类似，电弧等离子体比较松散，沿着钨极尖端方向延伸,在脉冲激光作用区间，激光在电弧熔池中形成焊接“匙孔”，熔池波动剧烈，电弧等离子体主要与复合焊接“匙孔”直接连通，等离子体明显被压缩至“匙孔”附近，形成电弧钨极与焊接“匙孔”间的耦合放电,电弧亮度及能量密度均显著提高；当脉冲激光作用消失后可以发现，“匙孔”出口在激光脉冲作用结束后并未立刻闭合,而是持续存在大约7.0~10.0ms，即发生了“匙孔”的延迟闭合现象，这主要是由于电弧与“匙孔”产生耦合放电，为“匙孔”提供了足够的高温气体，对“匙孔”侧壁及底部产生压力，维持“匙孔”打开状态，“匙孔”延迟闭合诱导焊接电弧持续压缩，增强了热源整体作用效果。

    从上述结果可以发现，伴随着耦合放电发生，通过激光的脉冲作用改变电弧等离子体的放电状态，提高电弧等离子体的能量密度，以及激光诱导电弧复合热源的穿透能力和制造效率。激光脉冲作用消失后，耦合放电的延迟效应使激光对电弧等离子体的增强效果仍可持续一定时间。采用脉冲激光诱导电弧复合焊及电弧焊方法进行6mm 镁合金板材焊接，焊接接头横截面如图3 所示。从图中可以发现，激光诱导电弧复合焊接镁合金熔深约是电弧焊的3 倍。

    2 镁合金激光诱导电弧复合焊接技术及装备

    采用低功率激光诱导电弧复合焊接方法，实现3mm 厚AZ61 镁合金板材的高效、高性能焊接制造，激光诱导电弧复合焊接速度达到6m/min。镁合金板材焊接接头如图4 所示，可见板材未发生明显横向和纵向变形，焊缝正面、背面成形连续均匀，说明在此高速焊接条件下热源也具有足够的穿透能力。

    焊缝内部未出现气孔、夹杂以及宏观裂纹，镁合金母材的晶粒尺度为40~50μm ；热影响区宽度约为250μm，热影响区晶粒相比于母材未见明显长大；焊缝区的扫描电镜照片显示焊缝的晶粒尺度为5~16μm，晶界处发现了析出的金属间化合物（主要为β-Mg17Al12）。对焊接接头进行了拉伸强度测试，测试结果显示试件在母材和焊缝区域均可发生断裂，表明焊缝的拉伸强度与母材相当。

    T 型结构件的穿透焊接技术已在飞机制造领域得到广泛应用。采用低功率激光诱导电弧复合焊接方法，实现了2mm 镁合金板材的穿透焊接.

    给出了对接板材及T 型结构件电弧焊及激光诱导电弧复合焊的制造效率及焊接能耗（计算时考虑了激光加工设备及冷却系统的整体能耗）。可以发现，采用激光诱导电弧复合焊方法可以在显著提高焊接制造效率的同时降低单位长度的焊接能耗，对于发展镁合金的绿色焊接制造技术起到了积极的促进作用。

    以上述激光诱导电弧复合焊接技术为基础开发出成套低能耗激光- 电弧复合焊接装备，采用该成套装备实现了国内首个镁合金整理箱高效高性能焊接制造。

    活性焊接是采用活性剂材料增强电弧的一种焊接方法。通过深入研究电弧热源与焊接材料作用的物理机制，在传统活性焊接的基础上，将活性材料与焊丝有机结合，形成了一种基于活性焊丝的新型活性焊接方法。

    研究发现，活性剂涂覆在焊丝表面时，活性剂中金属元素与非金属元素将对电弧形成“电离增强效应”。以镁合金为研究对象，通过揭示活性剂中低电离能金属元素的电离以及非金属元素对电子的吸附作用，使镁合金活性焊接电弧能量密度提高8~10 倍，从102~104W/cm2 增加至103~105W/cm2，实现了活性焊接从“板材涂覆活性焊”向“焊丝涂覆活性焊”的转变，与单电弧焊接相比，该技术焊接熔深可增加1~3倍，焊接效率提高3~5 倍，焊接能耗为相同条件下电弧焊接的40%~50%。

    铸造镁合金结构件因在减轻结构重量方面具有良好的减震效果而在航空航天领域得到广泛的应用。但铸造镁合金在成形、加工过程中极易产生气孔、夹渣及裂纹等多种缺陷，所以对缺陷铸件的补焊具有较高的经济价值。分别采用钨极氩弧焊（TIG）及活性电弧焊接（A-TIG）对铸造镁合金进行补焊对比试验。

    通过TIG 与A-TIG 对不同孔深缺口愈合试验发现，在相同的焊接参数下，A-TIG 愈合缺口的深度明显高于TIG，且焊缝气孔缺陷较少。通过对补焊后焊缝的微观组织和硬度观察发现，利用A-TIG 进行补焊不但可以实现较深缺口的愈合，而且可以减少焊缝气孔缺陷，同时避免热影响区组织的粗化。

    镁合金具有较低的熔沸点和较高的蒸汽压，在焊接制造过程极易形成大量的金属蒸汽和粉尘颗粒。减少镁合金焊接材料在制造过程中的挥发和燃烧，已经成为镁合金绿色焊接制造的重要问题。其关键在于提高镁合金焊接材料的沸点，减少镁合金焊接过程的质量损失。由于镁合金具有较少的核外电子及较大的原子半径，镁合金的金属键能相对较弱，因此具有较低的熔沸点。针对上述问题提出了基于分子团簇的高沸点镁合金焊材设计思想，通过在镁合金中添加稀土、Zn、Al 等多种元素，并精确控制元素比例，使镁合金与这些元素分别形成具有团簇特征的密排拓扑结构及高熔沸点的金属间化合物，有效地提高了镁合金焊接材料的沸点（由1100℃提高到1422℃）。采用DSC 热差分析方法对镁合金焊接材料进行失重率测量发现，在1200℃时，普通的镁合金焊接材料失重率达到80% 以上，而本文开发的高沸点镁合金焊接材料失重率小于35%。