镁铝异种合金材料的连接方法

摘 要：镁铝异种材料的物理、化学性能上的差异比较大，这就使得在焊接过程中，比较难搞得比较好的焊接接头，这就是使得这种材料比较难以走进实用化的发展方向。现今，对于焊接的专家学者而言，已经开始对这种材料实施了大量有意义性的探讨、研究，一般方法就有扩散焊、电容放电焊以及熔化焊等。在一般性的熔化焊中，是比较难搞成高质量的焊接接头；激光与电子束的焊接，是不能够有效地克服一些界面所存在的反应问题；而钎焊的加热温度过低，就不能够将基体中的金属彻底性的熔化，这样就能够有效地减轻基体中的破坏程度，明显的减小这些热变的形状，这在实践中，将是一个非常实用性的连接方法。由于镁铝异种材料之间在物理、化学性能上所存在的差别不同，就会使得且中间层比较脆性，进而焊接的性能就比较差。

关键词：焊接技术；金属熔化；实用性；镁铝异种材料；反应问题

一、爆炸焊连接

运用相关的爆炸技术所产生巨大的冲击力，而产生的工件在短时间内发生碰撞，从而就可以完成焊接的方法。爆炸焊接时，通常把炸药直接敷在覆板表面，或在炸药与覆板之间垫以塑料、橡皮作为缓冲层。覆板与基板之间一般留有平行间隙或带角度的间隙，在基板下垫以厚砧座。炸药引爆后的冲击波压力高达几百万兆帕，使覆板撞向基板，两板接触面产生塑性流动和高速射流，结合面的氧化膜在高速射流作用下喷射出来，同时使工件连接在一起。

爆炸焊连接镁和铝的接头强度较高，实现了接头的“等强度性”，目前已应用于实际生产中。然而研究表明：界面处形成了MgO以及AL2O3等脆性相，削弱了接头的塑性，而且接头的热稳定性较差，焊接变形大，接头形式也有一定的限制。

拉剪强度测量证实了钛-不锈钢爆炸复合棒达到了钛的等强结合。类似的测量也证实，在正应力作用下，破断也发生在钛材内。这验证了金属爆炸焊接可获得的最好结合强度相当于被焊金属中弱者的强度的理论说法。

用透射电镜和能谱仪等微观分析手段对爆炸焊接结合界面的微观组织进行观测和研究，结果表明，碰撞区由超细晶粒区（0.5～4.0μm宽）和两侧的高变形区组成，并证实了在高质量的焊接接头中有一个很窄的熔化区，它是由超细等轴晶组成的。

二、高能束焊

激光焊接有两种基本模式：热导焊和深熔焊，前者所用激光功率密度较低（105～106W/cm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。后者激光动车密度高（106～107W/cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深馆焊。

深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生。

SiC颗粒在铸造领域常常与镁、铝合金结合成复合材料，可以洗化材料的微观组织并且全面的提高机械性能；其在表面熔覆的工艺中也常常得到应用。针对SiC的性质及其在镁、铝复合材料中的应用研究基础上，提出SiC作为中间层进行激光镁铝搭接焊工艺，将SiC颗粒作为中间层进行镁铝激光搭接焊，来提高镁铝焊接接头性能的目的。

对于镁铝异种材料激光焊接，其影响因素主要有：表面处理，保护气体，激光输出功率和脉冲频率，其中脉冲频率和激光输出功率一直是激光焊接质量的主要影响因素。激光输出功率过小使得接头未焊透，功率过大则焊接飞溅大，焊缝成形差，同时将会引起严重的界面反应，导致接头强度降低。激光束功率对接头强度的影响应存在一个最佳值。接头强度随脉冲频率的增加而升高，当脉冲频率超过30Hz时接头强度达到151.3 MPa，处于稳定状态其原因如下：

（1）在其它参数不变的情况下，频率的增加，使两个相邻脉冲熔池间的间距变小，相互重合的区域变大，有利于内部微裂纹的消除；

（2）随着脉冲频率的增加，在总的输出功率不变的情况下，意味着每次输出能量的减少，有利于抑制界面反应；

（3）脉冲频率的增加，有利于改善焊缝的结晶状态，细化晶粒。另外，对于激光焊接铝基复合材料，采用N气、Ar气保护均取得了较好的效果。

由此可见，激光焊因其能量密度很高，并且由于增强相对激光束的吸收率高而导致增强相过热，甚至熔化，使反应更加剧烈。而采用脉冲激光焊并附以合适的填充材料等措施后可有所改善，但仍难以完全抑制反应的产生

激光焊特点：加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接；焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化。

三、钎焊

钎焊加热温度低，不涉及基体金属的熔化，可减轻基体-增强相界面反应、降低增强体的破坏程度、显著减少热变形和易于实现异种金属的连接，因而是一种有重要应用前景的连接方法。而对于异种材料就比较复杂，钎焊连接主要问题为：一是增强相的存在严重阻碍了钎料在母材表面的润湿与铺展，使得基体-基体、基体-增强相、增强相-增强相之间的连接难以实现；二是镁合金和铝合金本身钎焊性不良；三是钎焊温度要严格控制，钎焊存在温度最佳值，低于该温度，接头剪切强度低；高于该温度，发生界面反应，损伤时效硬化基体的性能；四是钎焊过程中母材发生退火软化，焊后必须通过热处理提高力学性能。

四、电阻焊

电阻焊具有加热和冷却时间短，热量集中，焊接变形小，而且冶金过程简单，一般不需要填充材料和熔剂，不需要保护气体，工艺过程简单，易于实现机械化及自动化，以及焊接生产效率高，成本低和对增强相破坏程度小的特点。在电阻焊中，电阻率决定了焊接界面的长度或宽度，因此较适合于焊接较长、较窄的材料。脉冲电阻焊（IRW）是利用高能量电子脉冲来实现加热。当焊接较大面积的材料时，为保证能量和压力，连续电阻焊（SRW）是一个可供选择的方法。SRW允许的双搭接接头长度最长为1.2m。但是高昂的费用和焊接时间是影响其应用的主要问题。

尽管电阻焊在异种材料焊接中也有一些应用，但由于异种金属材料的电阻相差很大，在电阻焊过程中容易使产生过熔、飞溅，纤维发生粘结、破碎并产生空洞，接头强度大大受影响。此外，这种焊接方法还很受焊接尺寸形状限制。且随着温度的升高，界面受热越来越不均匀。

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作者简介：

王叶兰（1989―），男，汉族，湖北监利人，现为华中科技大学文华学院机电学部09级材料成型及控制工程专业2班学生。