镁铝异种材料激光焊接过程问题探讨

张守伟 牛德良 陈彦宏

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150066

摘要：在本篇文章中，主要论述了激光焊接处于镁铝异种合金焊接中存在的优势，分析了镁铝异种合金激光焊接的焊接性能，探究了存在的问题，详细探讨了激光焊接的金属间化合物焊接稳定性等方面。
关键词：镁铝异种材料；激光焊接；研究现状；发展情况

通过相关探究表明，汽车方面每使用1kg的镁合金，将减少30kg尾气排放。从中来看，未来发展潜力良好，镁合金和铝合金均属于轻质类型的金属材料，结构材料本身具备密度较低的特征，强度非常高，便于铸造以及回收利用，在航空和汽车等工业领域内应用效果良好，因为异种金属之间物理和化学方面存在着差别，因此镁铝异种金属的连接限制了异种负荷结构件的有效应用，焊接过程中存在着一系列问题，比如母材本身容易氧化、热膨胀系数增大，容易发生裂纹和气孔等缺陷。现阶段，镁铝合金的焊接方式有以下几种，其分别是融化焊、压力焊和钎焊，激光焊接因为有着能量密度高、热度集中、便于控制热输入、焊接进度快、影响程度小、能够实现自动化目标等一系列优势而得到了良好应用，但由于镁铝两种金属自身特点的原因，导致两者无法达到满意的焊接接头，所以研究的关键在于镁铝异种合金激光焊。
1、镁铝异种金属激光焊接特征分析
当焊接镁铝异种材料的过程中，虽然激光焊接技术有着明显的优势，可是从镁铝异种合金激光焊接实际开展现状来看，依旧有着诸多的难点存在。

镁铝两种金属之间的相互溶解都是非常小的，产生该种现象的具体因素是因为镁铝的晶体结构不一样，镁是密排六万晶体结构，铝是面心立方结构，两者之间相互溶解程度是非常小的，难以有效形成焊缝融合区，从而导致焊接接头的力学性能降低。基于异种金属物理化学性能之间的差别存在，增加了异种金属焊接的难度，该项难度远远超过了同种金属焊接的难度。
镁铝两项金属的线膨胀系数非常大，包含了非常低的熔点，这就增加了镁铝焊接过程中元素蒸发烧损现象出现概率，较大的线膨胀系数使焊接过程中焊接接头位置发生变形现象。与此同时，镁铝两项金属都有着非常低的熔点，在激光焊接过程中，伴随着金属气化和等离子体的形成，过量的金属蒸汽和等离子体将远远削弱母材吸收的能量、汽化减弱，金属气化和等离子体形成了减弱现象。相反的情况下也提升了材料表面对于激光的吸收，金属蒸汽和等离子体得到一定程度的增加，如此循环操作，导致焊接环节不具备稳定性。

表一 镁铝的物理性质

金属名称	镁	铝
密度	1.74	2.7
熔点	651	660
比热容	1087	935
热导率	145	207
线膨胀系数	25.8	23.8
结晶过程的体积收缩率	3.97~4.2	6.5~6.6
原子半径	1.364	1.43
品格类型	密排六万	面心立方
晶格常数	A＝3.2094，b＝5.2105	A＝4.406

因为镁和铝都属于活泼类型的金属，容易和氧化反应形成氧化膜。但是从实际情况来看，焊接区域出现裂纹的概率是非常高的，不利于提升焊接接头的力学性能。与此同时，镁和铝在高温情况下可以溶解相应量的气体，固态过程中溶解度是非常低的，这就导致镁铝异种金属焊接过程中熔合区伴随着焊缝温度的降低逐渐凝固的情况下，溶解在焊缝内的气体无法溢出，形成了气孔，降低了焊接接头的力学性能，可以将以上环节归纳层，铝镁合金焊接过程中受热融化材料自身的物理性能差别，热物性伴随着温度的变化而发生不同之处，焊接期间不具备稳定性，凝固过程中焊接区域金属间化合物的形成和生长以及焊接接头缺陷的出现都不利于提升焊接接头的力学性能。
2、镁铝激光焊接问题的探究情况
因为镁铝异种金属激光焊接页面容易形成脆性的金属间化合物，增加了焊接接头的脆性，完全降低了接头力学性能。基于此，加强焊接接头金属间化合物的探究力度是目前镁铝激光焊接中探究的一项要点。在这其中，通过有效改进和创新镁铝搭接激光焊的搭接形式，能够将金属间化合物层厚度控制在合理范围中，把焊接接头的力学性能发挥到最大化。第一，相关人员使用激光热源展开了镁合金和铝合金板异种金属的焊接实验操作，比较了中心搭接和边缘搭接两项情况下对于焊接性产生的一系列影响。经过相关探究表明，当使用中心搭接方式进行搭接的过程中，基于激光的剧烈搅拌而引起的不均匀融合，导致镁和铝异种合金焊缝组织呈现出了不均匀分布特征，经过实验发现在铝板内的焊接近缝区和铝界面的焊缝部位普遍出现凝固裂纹。硬度测试表明焊缝中金属间化合物的分布不具备均匀性，在应用边缘搭接焊的过程中，焊缝组织的不均匀程度和中心搭接相比较来看得到了一定程度的改善，多种金属间化合物在焊缝内呈现出了分布状态，焊接接头也没有发生焊接裂缝，镁合金一侧的柱状晶区，焊缝中心方向呈现出了从高到低的浓度梯度变化状态，而且形成的金属间化合物类型也是不一样的，不过因为焊缝内存在金属间化合物，导致焊缝依旧呈现出了脆化现象，容易产生断裂。第二，使用激光热源焊接镁合金板和铝合金板展开异种金属的焊接试验作业，综合性比较了中心搭接和边缘搭接两种情况下板熔融金属对于下板浸入深度对于焊接接头性能产生的影响，利用有限元模拟分析获取与之相符的焊接方式，进入深度和金属间化合物层厚度以及焊接速度之间有着密切的联系性。在应用中心搭接焊的过程中，基于熔融状态的镁产生的作用良好，镁板在下时产生了较多的氧化物，而且在边缘搭接焊过程中，因为镁蒸汽容易从边缘溢出来，所以以上两种类型的形式都可以获取焊接接头。第三，通过开展有限元模拟分析和实验验证了解到使用边缘搭接焊过程中能够获取较浅的熔融金属向下板块的浸入深度，而且较浅的浸入深度有利于减少金属间化合物层的厚度，改善焊接接头的力学性能。除此之外，通过研究表明，在边缘搭接过程中，基于焊接速度的加快，熔融金属向下板的浸入深度下降，金属间化合物层的厚度也随之减少，所以全面提高了焊接接头的力学性能和效果。第四，除了有效改善镁铝搭接激光焊的搭接方式之外，还可以通过将中间层添加到镁铝中的方式控制金属间化合物的形成，相关人员将Ce当成夹层材料加以探究，论述了铝合金在激光复合热源焊接下的焊接接头微观结构情况，经过实验研究表明，加入了Ce夹层以后能够保持街头焊缝组织的均匀性，而且没有出现未使用ce做夹层时的凝固裂纹，经过实验没有确定Ce到底适合镁铝哪一种金属化合物形成了新的反应，但是需要认识到的是，Ce造成的影响是非常大的。添加Ce元素均匀分布在镁铝界面位置，能够改善锻炼完断裂区的微观组织。

3、结语：

现阶段中，无论是国内学者还是国外学者纷纷加大了镁铝异种金属激光焊接问题的重视程度，为了进一步提升焊接接头的力学性能，主要从界面处的金属间化合物焊接过程稳定性的多方面入手，加大了相关问题的探究力度。在本篇文章中，主要探究了镁铝合金激光焊接过程中的个别问题及研究进展。

参考文献：
[1]李雷,于治水,张培磊.镁铝异种材料激光焊接的研究现状及发展[J].热加工工艺,2017,46(17):19-24.
[2]帅朋,吴志生,赵菲,贾登峰.镁/铝异种材料焊接研究现状[J].焊接技术,2017,46(02):1-4.