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摘要：本文通过对磁脉冲焊接技术结合机理的阐述，采用5A03Al-5A06Al、1050Al-AZ31Mg异种金属材料进行焊接试验。对所得的焊接接头进行气密性试验和剥离试验，检测其结合质量；结合光学显微镜，对比分析Al-Al、Al-Mg焊接接头的微观形貌特点；并采用SEM/EDS分析界面附近的元素分布；最后通过硬度试验，检测接头界面附近的硬度变化趋势。试验结果表明：磁脉冲焊接技术不仅能够实现性能相似金属的焊接，而且也能实现性能差异显著的异种金属间的焊接；Al-Al 焊接接头呈现出比较规则的波状结合，波幅大小随着能量的变化而变化，Al-Mg 焊接接头呈现不规则的波状结合；两组焊件在焊接界面处都发生了元素的扩散，且出现硬度峰值。
关键词：磁脉冲焊接；异种金属焊接；界面波；
序言
近年来，汽车、火车以及航天航空产业不断向结构轻量化方向发展，结构轻量化、和多功能化设计常需要采用铝合、镁合金等轻质材料代替传统的钢材，同时也需要实现铝合金等轻质材料与其他金属材料的连接。由异种材料物理性能本身的差异，以及易在连接界面上出现脆硬的金属间化合物，通过传统的连接方法很难获得优质的连接接头，由此限制了这些轻质材料及其异种金属连接件的应用。
磁脉冲焊接技术本质上是一种塑性变形连接技术，集成了高速成形和固相连接技术的优点，不仅适用于同种金属材料间的固相连接而且也满足于异种金属材料连接的要求。在材料变形和焊接过程中，不需填充物及保护气体；强磁脉冲导致焊接组件间的高速冲击，在微秒级的时间内完成焊接过程[1]，有效的抑制了异种金属焊接时脆硬金属间相的产生。
本文通过磁脉冲焊接结合机理的阐述，结合对Al-Al、Al-Mg焊接接头界面附近的微观形貌以及硬度分布的检测分析，证实了，磁脉冲焊接技术能够实现异种金属的焊接。
1 磁脉冲焊接结合机理
磁脉冲焊接接头是两待焊金属之间高速碰撞的结果，其原理如图1（a）所示。脉冲电容器组（6）放电时, 线圈（1）流过的高频衰减振荡电流产生瞬态变化的强磁场, 与连接外管件（3）的感应电流作用产生作用于其上的脉冲磁场力。在该磁场力作用下, 使连接件（3）向被连接件（5）高速运动并与之猛烈撞击。在两金属接触面的先撞击点上产生射流（如图1（b））以及高应变速率的金属塑性流动。该射流冲刷或清除了两金属工件待复合面的氧化层和吸附层, 使两洁净金属表面在高压下紧密结合而形成金属键接。随着变形过程的进行,金属键合面积逐步扩大到整个连接表面, 实现两金属工件之间的连接。 （图片） 依据表面物理化学的理论，两物体实现固相原子力结合的前提条件是1.该两固体具有清洁而新鲜的；2.互相接近到原子间距，提高原子间的结合几率。为实现金属的焊接，必须同时满足这两个前提条件。
磁脉冲焊接过程中，待焊接界面处强烈的塑性变形，破碎并消除了表面的氧化膜、吸附膜等污垢，同时形成金属射流，从而使两种金属都露出清洁而新鲜的表面，为界面上原子间的紧密结合扫清了障碍；此外，两板之间的气体也在碰撞的瞬间被排出，在排出过程中对表面亦有冲刷作用。因此可以认为，磁脉冲焊接的待结合表面在形成原子结合前是清洁而新鲜的。
目前，界面波纹形成机理主要有复板流侵彻机理[2]、涡街机理[3]、亥尔姆霍尔兹失稳机理[4]及应力波机理[5]等。以色列的研究者Ben-Artzy和Stern通过系统的研究认为：磁脉冲焊接界面的波状结合是由于在最初碰撞点处形成的应力波引起亥尔姆霍兹失稳[4，5]所造成的。研究表明：最初碰撞点处产生的焊接速度Vc（如图2）达到300~400m/s，随着磁场能量的降低，Vc不断降低，当Vc达到150~250m/s 时，界面就将形成良好的波状结合。波状结合可增加界面的结合面积，提高原子间的结合几率，界面的结合强度明显提高[6]。（图片）
图2 碰撞过程示意图 2 试验
本文将采用以色列PULSAR公司提供的MPW 20/9型磁脉冲焊接系统进行Al-Al、Al-Mg两组试验。第一组外管材料选择1050 铝合金，内棒材料选择AZ31 镁合金；第二组外管材料选择5A03 铝合金，内棒材料选择5A06 铝合金。各材料的物理性能和力学性能如表1 所示。外管的尺寸为Ф16×1×34mm，内棒直径为11mm。表 1 试验材料的物理性能及力学性能
（图片）焊前用丙酮清洗待焊件的表面，尽量除去表面油污等杂质。所有准备工作完成以后，对MPW 20/9型磁脉冲焊接系统设置不同的充电电压（第一组焊件电容充电电压设置为4.3kV；第二组焊件充电电压设置为7.2 kV）进行焊接试验，对试验所得的焊件实施气密性检测以及剥离试验，首先将这两组焊件放置在自制的夹具上，采用如图3（a）所示的检测方法检测其气密性；其次，对气密性性能良好的焊件进行下一步检测试验：具体操作流程为：先将焊件夹持在的夹具上，再将焊件沿焊接圆周界面用锯条将其等分成六份，用钳子用力往剥离如图3（b）所示。（图片） 试验结果表明在此三种充电电压下焊件不仅气密性良好，而且结合性能良好，断口均断在焊件母材处。将符合以上要求的焊件进行金相处理并按国标的腐蚀方法进行腐蚀[4]。采用4XC-1型光学显微镜、ITACHI S3400N 型扫描电镜、美国安捷伦公司提供的G200 NANOINDENTER 型压痕仪对腐蚀后的接头结合界面的微观形貌、元素分布以及硬度变化进行分析。
3 试验结果与分析
下图 4 为符合以上性能检测的焊件，经过研磨、抛光后在4XC-1 型光学显微镜下观察的部分结合界面的微观形貌图：（图片） 从图4 可以看出两组接头均已形成冶金结合，并且结合界面均具有冲击焊接所特有的波纹状结合。Al-Al焊缝界面波纹的幅值基本对称，波纹形貌类似于衰减的正弦波，两种材料结合的很致密；Al-Mg焊缝界面的界面波的波幅并不对称，嵌入铝层的界面波较少；嵌入镁层的界面波较多，呈现出不规则的波状结合方式。
与此同时：采用G200 NANO INDENTER型压痕仪在两组焊件的界面附近取点打硬度，检测其硬度值在界面附近的变化情况（如图5）：（图片） 从上图5 可以看出：在Al-Al、Al-Mg焊接接头中，焊接界面附近的硬度值有上升的趋势，第六点的硬度出现了最大值。
异种金属焊接时，很容易在焊接界面产生硬脆的金属间相，为了解释此时硬度值的上升仅是因为两组焊件在高速，高压力的焊接过程中导致材料发生的塑性变形产生冶金结合，在随后快速冷却，产生强化效应的结果；而不是硬脆的金属间相的作用的效果。接下来，我们在HITACHI S3400N 型扫描电镜下，对焊接界面进行了元素分布线扫描（如图6）：（图片） 对比图6（a）、（b）波状结合的界面线扫描的结果可以发现：5A03Al与5A06Al中的主要合金元素Al在界面处基本没有变化，Al元素在界面处扩散十分充分，形成了冶金结合；1060Al 与AZ31Mg 合金焊接时，虽然Al、Mg 材料性能差异很大，但在界面处Al、Mg 两元素也仅仅只发生了相互的扩散，并没有出现两种元素在一定区域成比例分布的现象，消除了硬脆的金属间相产生的可能。
4 结论
1．磁脉冲焊接技术不仅能够实现性能相似金属的焊接，而且也能实现性能差异显著的异种金属间的焊接。
2．磁脉冲焊接时界面会呈现出波状结合，波纹的形貌特征和所焊接的材料有关，材料性能越相近，波纹形貌越规则。
3．Al-Al、Al-Mg异种金属磁脉冲焊接时，避免了硬脆的金属间相的产生，在界面附近出现的硬度峰值并不是硬脆的金属间相作用的效果。
参考文献
[1] A. Ben-Artzy, A. Stern, N. Frage, et al. Wave Formation Mechanism in Magnetic Pulse Welding. International Journal of Impact Engineering. 2009, 37(4): 397-404
[2] A. S. Bahrani, T. J. Black and B. Crossland. The Mechanics of Wave Formation in Explosive Welding. Proceedings of the Royal Society of London - Series A. 1966., 296: 123 - 142
[3] G. R. Cowan, O. R. Bergman and A. H. Holtzman. Mechanism of Bond Zone Wave Formation in Explosion-Clad Metals Metallurgical and Materials Transactions B. 1971, 2(11): 3145-3157
[4] J. L. Robinson. A Fluid Model of Impact Welding. Philosophical Magazine. 1975, 31(1): 587-603
[5] H. El-Sobky, T. Z. Blazynski. Experimental Investigation of the Mechanics of Explosive Welding by Means of a Liquid Analogue. Proceedings of the Fifth International Conference on High Energy Rate Fabrication. Colorado, 1975. 1-2
[6] A. A. Deribas, V. M. Kudinov and F. I. Matveenkov. Effect of the Initial Parameters on the Process ofWave Formation in ExplosiveWelding. Fizika Goreniya i Vzryva. 1967, 3(4): 561-568
7/19/2012
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