鋁/鎂異種合金焊接研究現(xiàn)狀*

朱政強(qiáng)，陳 昊，朱云明，郭玉坤，孫 亮

（南昌大學(xué)，南昌 330031）

隨著人們對(duì)航空出行需求的日漸增加，環(huán)境保護(hù)和飛行安全越來(lái)越重要，飛行器的節(jié)能減排和結(jié)構(gòu)功能一體化成為航空業(yè)的新要求。鋁合金有輕質(zhì)、耐腐蝕和加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，是許多制造行業(yè)使用的工程材料；鎂合金有優(yōu)秀的延展性和耐腐蝕性能，其密度僅為鋁的2/3，具有比強(qiáng)度高、密度低、可回收等優(yōu)點(diǎn)[1]。鋁合金和鎂合金被廣泛應(yīng)用于飛行器和汽車零部件的減重設(shè)計(jì)中，鋁/鎂的復(fù)合應(yīng)用存在巨大潛能。焊接是利用加熱或加壓的方式使同種或異種材料產(chǎn)生原子間結(jié)合，實(shí)現(xiàn)材料加工和連接的方法，焊接技術(shù)是航空航天精密器件制造中不可或缺的一部分。為了保證航空航天的焊接質(zhì)量，必須采用合適和先進(jìn)的焊接方法。在航空工業(yè)中結(jié)合使用鋁、鎂及其合金能提高設(shè)計(jì)的靈活性，鋁/鎂的復(fù)雜結(jié)構(gòu)將最大程度發(fā)揮材料各自的性能，充分利用這兩個(gè)材料的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)前熱門研究主題[2]。研究實(shí)現(xiàn)鋁/鎂異種金屬良好連接，將使鋁、鎂輕金屬更廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造。

1 鋁/鎂焊接性分析

鋁與鎂的焊接屬于異種金屬焊接，其效果除了會(huì)受到材料本身理化性能的影響外，還會(huì)受兩種母材理化性能差異的影響。鋁、鎂兩種金屬都有較低的熔點(diǎn)，導(dǎo)致鋁/鎂在焊接時(shí)容易出現(xiàn)元素的蒸發(fā)燒損現(xiàn)象，且由于較大的線膨脹系數(shù)使得焊接時(shí)容易在焊接接頭處發(fā)生變形[3]，如表1 所示。由圖1 典型的Mg–Al 二元平衡相圖可知，鎂和鋁在液態(tài)時(shí)可以無(wú)限互溶。在438 ℃和450 ℃時(shí)分別發(fā)生L→Mg+Mg17Al12和L→Al+Mg2Al3共晶反應(yīng)[4]。焊接過(guò)程中較大的冷卻速度使得Mg–Al 脆性金屬間化合的形成區(qū)間較平衡狀態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，焊接過(guò)程中極易形成Mg17Al12和Mg2Al3等脆硬金屬間化合物，導(dǎo)致焊縫組織不均勻及局部裂紋和應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響鋁/鎂焊接接頭的力學(xué)性能。

圖1 Al/Mg 二元相圖[4]Fig.1 Al/Mg binary phase diagram[4]

表1 Al、Mg 基本物理性質(zhì)Table 1 Al, Mg basic physical properties

2 研究現(xiàn)狀

2.1 激光焊接

激光焊接具有熱影響區(qū)小、質(zhì)量穩(wěn)定、焊接變形小、自動(dòng)化程度高及可實(shí)現(xiàn)異種材料的焊接等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效且精密的焊接方法[5]。激光焊接在航空工業(yè)中主要應(yīng)用于飛機(jī)大蒙皮拼接及機(jī)身附件裝配。

為了研究鋁/鎂激光焊接熔池中的反應(yīng)，Ren 等[6]進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并使用Ansys Fluent 仿真發(fā)現(xiàn)熔體中高于共晶溫度710 K 后，溫度升高會(huì)導(dǎo)致金屬間化合物（Intermetallic compounds，IMCs）大量生成，成功預(yù)測(cè)了IMCs 的厚度，并建議在Al–Mg 界面處插入第3 種材料，預(yù)期IMCs可最小化或完全消除。麻丁龍[7]和張書(shū)邁[8]等分別用Zn 和Ni 作用鋁/鎂激光焊接的中間層，發(fā)現(xiàn)第3種材料的插入能很好地抑制Al–Mg系IMCs 生成，Ni 能以一種橋梁的形式雙向連接鋁/鎂基體，Zn 生成的Mg–Zn 系化合物能明顯減少M(fèi)g–Al系化合物生成，并隨著Zn 夾層厚度增加，界面連續(xù)分布得到改善，斷裂方式也由解離向混合斷裂過(guò)渡。在插入Ni 作為中間層的基礎(chǔ)上，Shah等[9]在Mg/Al 異種金屬激光焊接中使用了擺動(dòng)的激光束，發(fā)現(xiàn)對(duì)比線性的激光束，激光束擺動(dòng)后獲得了性能更好的焊接接頭并有效減緩了Ni 的燒穿。

在激光焊接基礎(chǔ)上，發(fā)展了激光–MIG 復(fù)合焊接，不僅能改善常規(guī)激光焊接中的元素?zé)龘p，還能有效減少焊接氣孔和裂紋[10]。在激光–MIG 復(fù)合焊接工藝的研究中，王志敏[11]發(fā)現(xiàn)焊縫熔深和激光功率密切相關(guān)，而焊接電流對(duì)焊縫熔寬有很大影響。Leo 等[12]發(fā)現(xiàn)在激光– MIG復(fù)合焊接中，激光和電弧不同比例的能量輸入對(duì)焊縫界面處的組織和缺陷有很大影響，激光能量占主導(dǎo)地位時(shí)能細(xì)化焊縫的晶粒，但加劇了鎂元素的燒損；電弧能量占主導(dǎo)地位時(shí)能促進(jìn)母材金屬的熔化，提高母材對(duì)激光的吸收率，而不穩(wěn)定的電弧會(huì)增加焊縫寬度，因此合適的能量比例可以減少焊縫中的幾何缺陷，并且能夠細(xì)化焊縫中晶粒的尺寸。

在進(jìn)一步的激光–MIG 復(fù)合焊接研究中，Meng 等[13]使用純Ti 作為中間層，使用擺動(dòng)的激光束，發(fā)現(xiàn)在Ti/Al 界面處Ti 原子優(yōu)先與Al 原子反應(yīng)，形成了厚的Al–Ti 化合物層，而在Ti/Mg 界面處Ti 與Mg 不發(fā)生冶金反應(yīng)，消耗掉了大部分的Al 熔體，有效阻礙了液態(tài)Mg 與Al 的直接接觸，最終在界面處形成薄Al–Mg 和厚Al–Ti 兩層界面。激光擺動(dòng)頻率在60～120 Hz 時(shí)，激光能量分布得到改善，界面處形成的Al–Mg 系IMCs 也減少，如圖2 所示，當(dāng)擺動(dòng)頻率為90 Hz 時(shí)，焊接剪切力達(dá)到了3.3 kN。

圖2 擺動(dòng)頻率對(duì)Al/Mg 異種材料搭接焊縫剪切力的影響[13]Fig.2 Effect of oscillating frequency on shear force of Al/Mg dissimilar lap-weld[13]

綜上所述，使用合適的激光焊接工藝參數(shù)能優(yōu)化焊接質(zhì)量，提高接頭強(qiáng)度，但仍然不能阻止鋁/鎂金屬間化合物的形成，使用能固溶于或與Al、Mg 發(fā)生反應(yīng)的金屬或合金作為中間層能有效減少鋁/鎂金屬間化合物的生成，而對(duì)激光焊接方法的創(chuàng)新和復(fù)合將充分發(fā)揮各熱源的優(yōu)勢(shì)，改善焊縫質(zhì)量，提高焊接強(qiáng)度。

2.2 TIG 焊

TIG 焊有惰性氣體的保護(hù)，焊接過(guò)程有效隔絕環(huán)境中的氧、氮、氫等元素進(jìn)入焊縫，電弧熱量相對(duì)集中，焊縫具有雜質(zhì)少，變形小等優(yōu)點(diǎn)[14]。劉政軍等[15]對(duì)填充鋁焊絲與填充鋅焊絲的Mg/Al 的TIG 焊進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)填鋁焊絲時(shí)Mg 側(cè)過(guò)渡層形成了大量Mg17Al12和Mg2Al3，焊接接頭容易斷裂，填鋅焊絲時(shí)靠近Al 側(cè)形成了5 μm 固溶體層，焊接性能得到改善。說(shuō)明Zn 的添加能有效阻止Al–Mg 金屬間化合物的形成。而關(guān)于Zn 的合適添加量的研究較少，Gao 等[16]在6061 鋁合金與AZ31B鎂合金TIG 焊中使用0.1～0.5 mm 的純Zn 箔作為中間層，發(fā)現(xiàn)Zn 中間層厚度對(duì)Al/Mg 焊接接頭性能有顯著影響，不同的Zn 添加量焊縫區(qū)中IMCs 的類型和分布并不相同，Zn 中間層超過(guò)一定的厚度會(huì)導(dǎo)致焊接力學(xué)性能降低。

對(duì)于TIG 焊工藝進(jìn)一步運(yùn)用，Lü 等[17]使用Zn–xAl 釬料改變Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)AZ31/6061 進(jìn)行激光–TIG 復(fù)合焊接研究，發(fā)現(xiàn)添加適量的Al 元素能強(qiáng)化熔合區(qū)并抑制脆性相生成，而添加過(guò)多的Al 元素對(duì)接頭力學(xué)性能有害。與此同時(shí)，Lü 等[18]用Zn 作為填充金屬使用不同激光–電弧距離（Distance between the laserplane and arc-plane，DLAP）（圖3）的激光輔助TIG 復(fù)合焊接方法進(jìn)行Mg/Al 焊接，通過(guò)改變激光與電弧之間的橫向距離，提高了填充金屬的潤(rùn)濕性，很好地控制了金屬間化合物的數(shù)量。隨著橫向偏移距離從0 增加到2 mm，如圖4 所示，填充金屬的潤(rùn)濕寬度從2.13 mm 增加到3.49 mm，反應(yīng)深度從0.91 mm 減小到0.66 mm，過(guò)高的TIG 焊接頭深寬比會(huì)導(dǎo)致接頭結(jié)合面積不足，界面金屬間化合物更脆，從而導(dǎo)致接頭性能降低，如圖5 所示[18]，在深寬比為0.19 時(shí)接頭強(qiáng)度最高。

圖4 不同DLAP 焊接接頭的熔深、潤(rùn)濕寬度和比值[18]Fig.4 Reaction depth (D), spread width (W) and depth-to-width rate of dissimilar joints made with different DLAP[18]

圖5 不同DLAP 焊接接頭力學(xué)性能[18]Fig.5 Mechanical properties of dissimilar joints made with different DLAP[18]

TIG 焊是當(dāng)今主要焊接方法之一，焊接氣密性好且能很好地控制熱輸入。實(shí)踐證明，用交流TIG 焊焊接鋁/鎂異種合金能獲得滿意的焊接質(zhì)量。TIG 焊接有焊縫熔深淺、熔敷率小、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)，復(fù)合焊接工藝的發(fā)展能使TIG 焊接獲得更廣泛的運(yùn)用。

2.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊的焊接殘余應(yīng)力和變形小，且不受母材物理化學(xué)性質(zhì)的限制，對(duì)克服異種材料焊接問(wèn)題顯示出巨大優(yōu)勢(shì)，特別適用于焊接鋁/鎂異種低熔點(diǎn)合金[19–20]。在航空制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮、翼助、地板和結(jié)構(gòu)件的裝配。

在攪拌摩擦焊接時(shí)，焊接速度和攪拌頭轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵工藝參數(shù)，控制焊接熱輸入，焊接速度的提高可以細(xì)化晶粒促進(jìn)強(qiáng)化相的形成，攪拌頭轉(zhuǎn)速在熱產(chǎn)生、材料混合和IMCs 形成中起著重要的作用[21–22]。Gan 等[23]研究使用Zn 和不使用Zn 中間層攪拌摩擦搭接焊的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Zn 夾層的引入改變了IMCs 的類型，接頭內(nèi)的Al–Mg 系IMCs 被Mg–Zn 系IMCs和Al–Mg–Zn 三元共晶組織所取代，接頭抗拉剪切強(qiáng)度提高，Mg–Zn 共晶組織雖然硬脆，但Mg–Zn 第二相粒子彌散分布的特點(diǎn)可以限制裂紋的形成和擴(kuò)展。同理，Zheng 等[24]研究Sn 夾層對(duì)鋁鎂攪拌摩擦焊接頭的影響，發(fā)現(xiàn)接頭中形成的Mg2Sn抑制了Al/Mg 間金屬化合物的生成。除了引入第3 種金屬元素，還可以考慮設(shè)計(jì)新的對(duì)接方式，Xu 等[25]使用鋸齒聯(lián)鎖對(duì)接接頭，發(fā)現(xiàn)在新型對(duì)接接頭中，Mg 側(cè)界面呈現(xiàn)彎曲互鎖特征，金屬間化合物可降至10 μm 以下，創(chuàng)新對(duì)接接頭的接頭強(qiáng)度是常規(guī)對(duì)接接頭的3 倍以上。

而在較高的焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度下仍然很難實(shí)現(xiàn)異種Al/Mg 合金的焊接，因?yàn)椴牧狭鲃?dòng)性差，導(dǎo)致材料填充不良且在焊接接頭底部產(chǎn)生大量微孔缺陷。Jiang 等[26]使用脈沖電流輔助攪拌摩擦焊（FSW）（圖6），脈沖電流的引入加劇攪拌區(qū)中Al、Mg、IMCs 的混合，脈沖電流產(chǎn)生的高熱能和高應(yīng)變能提高了原子的擴(kuò)散速率，消除了常規(guī)Al/Mg 攪拌摩擦焊產(chǎn)生的裂紋和氣孔等缺陷，有效抑制了帶狀組織區(qū)和Al–Mg 界面金屬間化合物的聚集和形成，在脈沖電流為500 A 時(shí)，與無(wú)脈沖電流對(duì)比，斷口由脆性斷裂變?yōu)榇嘈院晚g性的復(fù)合斷裂模式。如圖7 所示[26]，在900 r/min時(shí)，隨著脈沖電流的增加，拉伸強(qiáng)度增加到215.7 MPa，而常規(guī)攪拌摩擦焊接接頭的最大拉伸強(qiáng)度為102.3 MPa。

圖6 脈沖電流輔助FSW 系統(tǒng)示意圖[26]Fig.6 Schematic of pulse current assisted FSW system[26]

圖7 轉(zhuǎn)速和焊接速度固定下焊接電流的應(yīng)力–應(yīng)變曲線[26]Fig.7 Stress–strain curve of welding current under fixed welding speed and rotational speed[26]

Zhao[27]和Kumar[28]等 使 用 超聲波輔助攪拌摩擦焊（Ultrasonic vibration enhanced FSW，UVeFSW）對(duì)6061 鋁和AZ31B 鎂合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)（圖8），對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行焊接組織表征，并與不加超聲輔助的攪拌摩擦焊進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)超聲輔助能有效增強(qiáng)攪拌區(qū)內(nèi)物質(zhì)的流動(dòng)，改善Al/Mg 材料的機(jī)械互鎖，破碎金屬間化合物并抑制其形成。比較Al/Mg 超聲波輔助攪拌摩擦焊焊接接頭上、中、下3 個(gè)部位的抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性和斷裂位置（圖9[28]），發(fā)現(xiàn)接頭底部存在大量的IMCs，是焊縫中最薄弱的位置，也是拉伸試驗(yàn)中開(kāi)裂的源頭，Al/Mg 界面和帶狀區(qū)的IMCs 都是裂紋產(chǎn)生的來(lái)源，是造成接頭脆性的主要原因，超聲振動(dòng)輔助不僅可以增加攪拌區(qū)中物質(zhì)流動(dòng)來(lái)改善Al/Mg 異種焊接的機(jī)械互鎖，而且可以通過(guò)降低Al/Mg 結(jié)合界面上的IMCs 的厚度來(lái)提高冶金結(jié)合強(qiáng)度。

圖8 超聲波輔助FSW 系統(tǒng)示意圖[27]Fig.8 Schematic diagram of ultrasonic assisted FSW system[27]

圖9 不同焊接條件下焊縫的斷裂位置[28]Fig.9 Fracture positions of weld joints under different welding conditions[28]

Al–Mg 系 的IMCs 的 形 成 由 冶金反應(yīng)主導(dǎo)，這與局部成分、反應(yīng)溫度和應(yīng)變速率等有關(guān)，因此只要控制反應(yīng)條件，理論上可以抑制IMCs 的生成。攪拌摩擦焊作為一種固態(tài)連接方法，可以有效消除Al/Mg 焊接氣孔和裂紋缺陷，并能促進(jìn)Al、Mg、IMCs 的均勻分布，但仍面臨焊接成形性差、接頭強(qiáng)度較低、金屬間化合物層較厚等挑戰(zhàn)。超聲輔助攪拌摩擦焊是近年的研究熱點(diǎn)，因?yàn)槌暡ㄝo助能增強(qiáng)攪拌摩擦焊攪拌區(qū)中材料的流動(dòng)，破壞Al–Mg 界面和帶狀區(qū)厚IMCs 的形成，從而減少氣孔和裂紋，提高接頭強(qiáng)度。

2.4 超聲波焊

超聲波焊具有焊接效率高、焊接時(shí)間短、能量消耗少等優(yōu)點(diǎn)，利用超聲波高頻振動(dòng)驅(qū)動(dòng)試樣相互摩擦升溫和焊接界面塑性變形而實(shí)現(xiàn)有效連接，是一種很有前途的焊接技術(shù)[29]。高頻振動(dòng)和高應(yīng)變率促進(jìn)了界面元素的相互擴(kuò)散，高的焊接壓力會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)幅度的衰減，而較小的焊接壓力會(huì)導(dǎo)致板材之間的相對(duì)滑動(dòng)，此外，焊接質(zhì)量還取決于焊接時(shí)間、焊接能量和焊接的位置[30]。李銘鋒等[31]對(duì)Mg/Al 超聲波焊接界面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)焊接接頭強(qiáng)度隨著焊接能量的增加先增加后減小，在最佳焊接能量時(shí)，接頭的失效形式為韌性斷裂，鋁合金熔核拔出；焊接能量過(guò)大時(shí)焊點(diǎn)邊緣會(huì)出現(xiàn)大量裂紋，接頭呈脆性斷裂，Mg–Al 界面形成厚的IMCs 層。稀土鎂合金是近年研究熱點(diǎn)，稀土鎂合金與鋁合金焊接的研究也越來(lái)越多，Macwan 等[32]研究了ZEK100 稀土鎂合金和5754 鋁合金的超聲波焊接，在焊接能量為500 J時(shí)，ZEK100–Al5754 拉伸剪切載荷最大達(dá)到2.2 kN，而使用Sn 中間層的AZ31/Al5754 焊接在能量1000 J時(shí)，達(dá)到的最大拉伸剪切載荷僅為1.8 kN，與AZ31 相比，ZEK100 有更高的塑性和延展性，在較低的超聲波焊接能量下界面元素有更好的流動(dòng)性，此外，ZEK100 中Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更低，濃度梯度更大，因此在Mg 側(cè)形成更薄的IMCs 層。

Gu 等[33]使用超聲點(diǎn)焊技術(shù)，利用Zn 作為中間層將Mg/Al 異種金屬連接在一起，系統(tǒng)研究了Mg/Zn/Al 超聲波焊接接頭的界面形成、顯微組織、力學(xué)性能和斷裂機(jī)理，如圖10 所示，Zn 中間層的加入成功地阻止了Mg 和Al 原子的相互擴(kuò)散，有效地避免了Mg–Al 系IMCs 的產(chǎn)生。形成的Mg–Zn 體系和Zn–Al 固溶體具有更好的性能和更低的脆性。相比之下，有Zn 夾層的Mg/Al 焊接接頭的最大抗拉伸剪切強(qiáng)度比無(wú)Zn 夾層的接頭高約89.6%[33]。

圖10 Mg/Zn/Al 接頭界面的XRD 譜圖[33]Fig.10 XRD patterns obtained in interfaces of Mg/Zn/Al joints [33]

超聲波焊接技術(shù)與其他壓焊技術(shù)相比，要求壓力較小，變型量通常在10%以下，焊接后導(dǎo)電性好，電阻系數(shù)極低，不會(huì)造成工件的破壞。在Mg/Al 焊接的應(yīng)用中，超聲波沖擊可以破碎鎂鋁表面的氧化膜，實(shí)現(xiàn)鎂鋁的有效連接，故在當(dāng)前研究的新型Mg/Al 焊接工藝中，超聲波被廣泛應(yīng)用，而超聲波焊接的零件不能太厚、焊點(diǎn)不能太大。

2.5 磁脈沖焊

磁脈沖焊接技術(shù)具有焊接接頭性能好、焊縫質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高和綠色智能環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天鋁合金、鎂合金和鈦合金同種或異種材料的焊接領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景[34]。原理如圖11 所示[35]，利用真空開(kāi)關(guān)的閉合實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁線圈的瞬間放電，形成脈沖電流，通過(guò)電磁感應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為工件動(dòng)能使兩工件相對(duì)高速碰撞，最終實(shí)現(xiàn)金屬冶金結(jié)合。

圖11 磁脈沖焊接[35]Fig.11 Magnetic pulse welding[35]

朱聰聰?shù)萚36]使用30 kJ、35 kJ 和40 kJ 3 個(gè)放電能量進(jìn)行AZ31–7071Al的磁脈沖焊接，發(fā)現(xiàn)焊接界面呈正弦波形界面和平直界面，因?yàn)榕鲎步呛团鲎菜俣仁遣粩嘧兓?，不同位置的界面形貌不同，?5 kJ 時(shí)在焊接界面處形成了2 μm 的擴(kuò)散區(qū)域，未形成IMCs 層，因?yàn)楹附訒r(shí)間短，Al–Mg界面元素含量未達(dá)到形成化合物的比例。Chen 等[37]使用4 kV、4.5 kV和5 kV 的放電電壓研究Mg/Al 磁脈沖焊接過(guò)程的組織演化，隨著放電電壓從4 kV 增加到5 kV，波形界面變得更加規(guī)則和平滑，當(dāng)放電電壓為5 kV 時(shí)，越靠近Al–Mg 界面晶粒的尺寸越小，說(shuō)明磁脈沖焊接是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程。Zhu 等[35]研究了磁脈沖焊接Al/Mg 接頭的組織特征和力學(xué)性能，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，Al/Mg 的磁脈沖焊接接頭的拉剪力可達(dá)Al 母材的97%，結(jié)果表明，磁脈沖焊接不僅能在界面處形成機(jī)械互鎖波形界面，通過(guò)塑性變形細(xì)化晶粒，還能促進(jìn)界面處的元素?cái)U(kuò)散實(shí)現(xiàn)金屬鍵合。焊接界面溫度雖然達(dá)到了熔化溫度，但磁脈沖焊接過(guò)程僅發(fā)生在幾十μs 之間，并且磁脈沖焊接冷卻速度極快，因此雖然有少量的IMCs生成，但是在界面處沒(méi)形成明顯的IMCs 層。

采用磁脈沖焊接技術(shù)可以有效避免Mg/Al 焊接過(guò)程中裂紋、氣孔等缺陷的形成和偏析的發(fā)生，獲得具有良好界面結(jié)合性能和高性能異種金屬焊接接頭。但脆性工件可能會(huì)因?yàn)闆_擊而破裂，并且電磁可能會(huì)對(duì)焊件內(nèi)部或附近存在的電子器件產(chǎn)生EMP 效應(yīng)。受焊件的幾何形狀和材料的限制，如果焊件無(wú)法滑入或滑出脈沖線圈，則必須設(shè)計(jì)更復(fù)雜的脈沖線圈。

2.6 其他焊接方法

電阻點(diǎn)焊可以通過(guò)控制焊接電流、焊接時(shí)間和焊接壓力等工藝參數(shù)來(lái)提高接頭強(qiáng)度，也可以通過(guò)優(yōu)化焊接時(shí)序和電極頭形貌來(lái)很好地改善焊接質(zhì)量，鋁/鎂電阻點(diǎn)焊是一個(gè)復(fù)雜的焊接過(guò)程，但是鋁/鎂直接電阻點(diǎn)焊焊接會(huì)產(chǎn)生大量氣孔裂紋等缺陷，因此目前鋁/鎂電阻點(diǎn)焊的研究中多使用中間層。Penner 等[38]使用Ni 作為中間層提高Al/Mg 電阻點(diǎn)焊強(qiáng)度的方法，并與鍍金的Ni 作中間層的相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鍍金Ni 夾層能更好地抑制Al–Mg 間IMCs 的形成。Sun 等[39]使用鍍Sn 鋼作為中間層，如圖12 所示，不僅有效防止了Al–Mg 界面金屬間化合物和裂紋氣孔的形成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度更高的Al/Mg電阻點(diǎn)焊接頭。機(jī)械加載過(guò)程的失效發(fā)生在鋁合金側(cè)母材，遠(yuǎn)離鋁合金與鍍錫鋼中間層界面。可見(jiàn)，在鋁/鎂電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)中使用高熔點(diǎn)的中間層，能在焊接過(guò)程中阻礙鋁/鎂金屬液相間的接觸，阻礙金屬間化合物的形成。因此，使用高熔點(diǎn)中間層的鋁/鎂異種合金電阻焊是一種很有前途的方法。

圖12 Al/Mg 接頭的熔核截面[39]Fig.12 Typical nugget cross sections of Al/Mg joint[39]

擴(kuò)散焊連接技術(shù)是指在一定的溫度和壓力下，將母材緊壓一起置于真空或保護(hù)氣體中加熱至母材熔點(diǎn)以下，使原子擴(kuò)散而形成牢固結(jié)合的一種連接方法[40]。擴(kuò)散焊接技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了直升機(jī)的鈦合金旋翼，飛機(jī)的大梁，以及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣和整體的渦輪等方面。Liu 等[41]采用真空擴(kuò)散焊接方法研究Mg/Al 焊接過(guò)程中的組織演化、擴(kuò)散行為和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在金屬發(fā)生鍵合的初始階段沒(méi)有形成Al–Mg 金屬相，隨著擴(kuò)散溫度和保溫時(shí)間的增加，Al3Mg2相和Al12Mg17相出現(xiàn)并形核長(zhǎng)大，過(guò)渡層顯微硬度明顯大于母材，剪切強(qiáng)度隨著IMCs 的增加而降低，通過(guò)控制擴(kuò)散溫度和保溫時(shí)間可大幅提高擴(kuò)散焊焊接接頭的強(qiáng)度。

電子束焊接技術(shù)在航空航天制造業(yè)中可用于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和重要部件異種材料的有效焊接。電子束焊接技術(shù)擁有能量密度高、精確度高、質(zhì)量穩(wěn)定、變形小等優(yōu)點(diǎn)[42]。徐俊珂[43]和 張 占 偉[44]等 對(duì)Al–Mg–Si系鋁合金電子束焊焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)增加電子束流可有效增加焊縫熔深和熔寬，焊縫區(qū)主要由柱狀晶和等軸晶組成，焊接速度對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響最大。陳金秋等[45]對(duì)AZ31 鎂合金電子束焊接頭分析發(fā)現(xiàn)其他參數(shù)不變，增加聚集電流會(huì)引起焊縫宏觀形貌發(fā)生顯著變化，焦點(diǎn)偏離表面聚集位置越遠(yuǎn)，焊縫的熔寬越大，熔深越小。Chen 等[46]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整電子束焊接電流的掃描波形能有效改善焊縫強(qiáng)度，針對(duì)不同的焊接材料可以選用合適的波形。由于鋁/鎂焊接過(guò)程中鎂元素?zé)龘p和使用成本等原因，電子束焊接技術(shù)在Al/Mg焊接中目前沒(méi)有大范圍的應(yīng)用。

3 結(jié)論

焊接技術(shù)是航空航天領(lǐng)域的重要連接技術(shù)，在促進(jìn)航空航天制造技術(shù)的發(fā)展、實(shí)現(xiàn)飛行器的減重中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)鋁/鎂異種金屬焊接開(kāi)展大量研究，主要集中在以下4 點(diǎn)。

（1）優(yōu)化焊接參數(shù)。試驗(yàn)證明使用仿真模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法能極大地優(yōu)化焊接參數(shù)，很大程度上提高Al/Mg 焊接的接頭強(qiáng)度。此外，對(duì)焊接工藝的創(chuàng)新使用如在激光焊中使用擺動(dòng)的激光束，電子束焊接中使用不同的掃描波形，也能很大程度上改善Al/Mg 焊接質(zhì)量。

（2）引入中間層元素。試驗(yàn)表明，使用Ni、Ti、Sn、Cu、Ag、Zn 和高熵合金等中間層能對(duì)接頭中IMCs種類、數(shù)量及分布進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)一步提高接頭強(qiáng)度。

（3）使用固態(tài)焊接方法。固態(tài)焊接方法熱量輸入小，焊接參數(shù)精準(zhǔn)可控，如磁脈沖焊接、超聲波焊接、攪拌摩擦焊接等，能有效限制Al/Mg間IMCs 的形成。

（4）使用復(fù)合焊接工藝。如激光–電弧復(fù)合焊、脈沖電流輔助攪拌摩擦焊和超聲波輔助攪拌摩擦焊等，能在焊接過(guò)程中破碎焊縫中樹(shù)枝晶和柱狀晶，使晶粒細(xì)化和均勻分布，達(dá)到提高接頭強(qiáng)度的目的。此外，在具有熔池的焊接工藝中使用超聲波輔助工藝能促進(jìn)元素相互流動(dòng)擴(kuò)散，破碎異種金屬之間形成的有害中間相，此種方法已在近年鋁/鋼焊接的試驗(yàn)中得到應(yīng)用。

綜上所述，未來(lái)Al/Mg 異種合金焊接中使用適當(dāng)?shù)暮附臃椒?、選用合適的輔助工藝從而控制金屬間化合物的形成和形態(tài)分布仍將成為研究的熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高生產(chǎn)效率和低成本的Al/Mg 焊接仍然是未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)的研究重點(diǎn)。