電磁脈沖板件焊接設(shè)備研制及鎂/鋁合金板焊接實驗研究

李成祥 杜 建,2 周 言 沈 婷 姚陳果

電磁脈沖板件焊接設(shè)備研制及鎂/鋁合金板焊接實驗研究

李成祥1杜 建1,2周 言1沈 婷1姚陳果1

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室（重慶大學） 重慶 400044 2. 國網(wǎng)重慶市電力公司永川供電分公司 重慶 402160）

鎂合金、鋁合金作為輕質(zhì)材料，因具有優(yōu)異性能可替代傳統(tǒng)鋼材而廣泛應(yīng)用于輕量化設(shè)備制造中。然而，由于鎂合金與鋁合金物理、化學性能存在差異，使得傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)兩者之間的良好焊接。電磁脈沖焊接（EMPW）借助電磁力實現(xiàn)金屬材料的冶金結(jié)合，有望解決鎂合金、鋁合金的焊接難題。為探究電磁脈沖焊接鎂合金-鋁合金的可行性及影響因素，該文從電磁脈沖焊接原理著手，研制出一套28kJ的電磁脈沖焊接設(shè)備原型機，并在此基礎(chǔ)上研究鎂合金板（基板）、鋁合金板（飛板）電磁脈沖焊接所需外部條件（放電電壓和焊接間隙）以及鎂合金自身力學特征對焊接條件的影響。結(jié)果顯示：電磁脈沖焊接技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)鎂合金、鋁合金板件的可靠焊接；在一定范圍內(nèi)，放電電壓的升高能夠提高接頭的機械性能；焊接間隙的增加使接頭的機械性能先提高后降低。此外，鎂合金板件自身特殊結(jié)構(gòu)導致的力學各向異性也將影響接頭的機械性能，相同條件下，與軋制方向成0°時，焊接所得接頭拉伸強度最佳；與軋制方向成90°時，接頭拉伸強度最低。該文可為電磁脈沖焊接鎂合金-鋁合金板件提供技術(shù)支撐和理論參考。

電磁脈沖焊接 鎂合金 鋁合金 各向異性 接頭強度

0 引言

隨著人們對環(huán)境污染問題的重視程度不斷提高，節(jié)能減排逐漸成為生產(chǎn)生活的基本要求。而選用輕量化材料及結(jié)構(gòu)，作為實現(xiàn)節(jié)能減排的重要舉措之一，已然成為當下制造領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢，尤其對航天航空、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展而言，意義尤為重大[1]。

現(xiàn)有輕量化材料中，鎂合金因其出色的性能被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中[2]。然而，鎂合金由于自身密排六方（Hexagonal Close-Packed, HCP）的結(jié)構(gòu)，導致其耐腐蝕性能差、缺口敏感性強、室溫塑性差，一定程度上制約了它的廣泛應(yīng)用。為此，研究人員提出用鋁合金-鎂合金復合結(jié)構(gòu)替代全鎂合金結(jié)構(gòu)的方案，以同時發(fā)揮鋁合金、鎂合金各自的優(yōu)勢。遺憾的是，鎂合金與鋁合金之間的連接難題又阻礙了這一方案的推廣應(yīng)用[3]。鋁和鎂的熔點相近，分別為660℃和649℃，本屬于熔焊加工的適用范圍，但由于二者表面均極易生成熔點極高的氧化物MgO（2 852℃）和Al2O3（2 050℃），致使在熔焊過程中，易產(chǎn)生脆性間化物。此外，鋁和鎂金屬在液態(tài)時相互溶解度較小，且會吸收溶解大量的氫，而在凝固過程中又由于氫的溶解度下降導致氫氣排出而留下氫氣孔。這些問題都會極大地影響焊接接頭的力學性能[4]。因此，為實現(xiàn)鎂合金-鋁合金復合結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，亟需尋找一種能夠?qū)崿F(xiàn)鎂、鋁異種金屬有效焊接的新方法。

電磁脈沖焊接（Electromagnetic Pulse Welding, EMPW）技術(shù)作為電磁成形技術(shù)的一種，是通過電磁力作用促使待焊板件高速變形并猛烈撞擊進而實現(xiàn)金屬冶金結(jié)合的，屬于固態(tài)非加熱焊接工藝[5]。采用該技術(shù)進行焊接時，即使無保護氣體也可大幅減少金屬焊接界面氧化物的產(chǎn)生，從而提升焊接接頭力學性能，故在異種金屬焊接方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[6-7]，并得到了研究人員的廣泛關(guān)注。近年來，研究人員利用電磁脈沖焊接技術(shù)開展了各類異種金屬之間的焊接實驗。I. V. Volobue等利用電磁脈沖焊接技術(shù)實現(xiàn)了鋁管與鋼管的連接[8]，S. D. Kore等[9]、M. Marya等[10]、S. Patra等[11]則分別研究了電磁脈沖焊接鋁-不銹鋼、鋁-銅、銅-鐵等。于海平、徐志丹和尹成凱等[12-15]對鋁和鋼的脈沖焊接界面開展了深入研究，并對比了不同電壓下焊接接頭界面的微觀形貌與組織結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過研究人員的共同努力，已證實多種異種金屬可采用電磁脈沖焊接技術(shù)實現(xiàn)有效連接，然而，相較于其他金屬，鎂合金與鋁合金板件電磁脈沖焊接的研究并不多，尤其是關(guān)于鎂合金自身特殊結(jié)構(gòu)對焊接條件的影響更是鮮有報道。上述情況的出現(xiàn)，一定程度上是由于適用于板件連接的國產(chǎn)電磁脈沖焊接設(shè)備的研制滯后，以致制約了鎂合金/鋁合金焊接實驗研究的開展[16]?；诖耍疚膶⑾葟碾姶琶}沖焊接原理入手，研制出一套適用于板件焊接的電磁脈沖焊接設(shè)備原型機，并以此開展鎂/鋁合金板電磁脈沖焊接實驗，探討放電電壓、板件間距以及因鎂合金自身特殊結(jié)構(gòu)而導致的力學各向異性特征對鎂/鋁合金板焊接接頭力學性能的影響規(guī)律。

1 電磁脈沖焊接原理

電磁脈沖焊接是脈沖功率技術(shù)與電磁感應(yīng)原理在材料加工中的應(yīng)用。它利用電磁力驅(qū)動金屬板件，使其高速碰撞實現(xiàn)金屬板件焊接，屬于壓力焊范 疇[17]。焊接過程中，驅(qū)動板件運動的電磁力產(chǎn)生原理如圖1所示。

圖1 電磁脈沖焊接過程中電磁力產(chǎn)生原理

為提高能量利用率，通常選用待焊金屬中電導率較高，且容易成形的金屬作為飛板。當焊接線圈內(nèi)部流通幅值高達數(shù)百kA瞬變脈沖電流時，線圈周圍會產(chǎn)生瞬變磁場。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，瞬變磁場的垂直分量將在空間感生出平行于板件的渦旋電場，進而在金屬板件內(nèi)部形成渦旋電流，即圖1b所示的感應(yīng)電流密度。而根據(jù)電磁力的計算公式，飛板內(nèi)部感應(yīng)電流在磁場平行分量的作用下將受到電磁力，加速向基板運動。電磁力計算公式[18-20]為

式中，為瞬變磁場的平行分量（T）；為鋁合金板中的感應(yīng)電流密度（A/m2）。其中，瞬變磁場與回路電流存在比例關(guān)系為

而金屬板件中的感應(yīng)電流大小與磁場變化率相關(guān)，有

式中，為瞬變磁場的垂直分量（T）；為磁力線所穿過的面積（m2）。

綜合式（1）～式（3）可得

由此可見，金屬板件所受電磁力與回路放電電流密切相關(guān)。

電磁力促使飛板加速運動，因而飛板的速度與板件自身所受電磁力呈正相關(guān)。

飛板在電磁力的作用下經(jīng)一段距離（板件間距）加速運動，與固定的基板撞擊。在二者撞擊界面可產(chǎn)生金屬射流以及高應(yīng)變速率的金屬塑性流動，實現(xiàn)可靠焊接。撞擊過程中，金屬射流能夠有效去除待焊金屬表面的雜質(zhì)、氧化物等，起到清潔待焊金屬表面的作用[21]，且清除速度快，焊接所需時間短，減小了金屬表面再次污染以及氧化物再次形成的可能性，為金屬板件固相結(jié)合提供了干凈且新鮮的待焊接表面。實驗研究表明，為產(chǎn)生金屬射流，撞擊速度[22-23]需滿足

式中，為比例系數(shù)；為基板材料的抗拉強度（MPa）；為基板的材料密度（kg/m3）。

可見，電磁脈沖焊接接頭的性能與焊接回路電流、待焊板件自身抗拉強度密切相關(guān)。在實際操作中，回路電流由電容充電電壓（設(shè)備放電電壓）決定。此外，板件的裝配參數(shù)，如板件間距，也將影響到撞擊速度與角度，進而影響接頭性能。為探究其具體影響規(guī)律，本文將對放電電壓、板件間距展開相關(guān)實驗研究。

2 電磁脈沖焊接設(shè)備設(shè)計與研制

為開展鎂合金、鋁合金板件電磁脈沖焊接實驗，需設(shè)計、研制一套能夠產(chǎn)生脈沖大電流的電磁脈沖焊接設(shè)備。以下將從設(shè)備的電路原理及各器件選型等方面對電磁脈沖焊接設(shè)備原型機的研制予以介紹。

2.1 電磁脈沖焊接設(shè)備設(shè)計原理

電磁脈沖焊接設(shè)備基本電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括充電電源、充電開關(guān)、儲能電容、放電開關(guān)、回路電阻、回路電感。放電時，回路中的儲能電容、回路電阻和回路電感構(gòu)成二階RLC放電回路，產(chǎn)生衰減振蕩電流。

圖2 電磁脈沖焊接設(shè)備基本電路結(jié)構(gòu)

板件焊接過程如下：首先充電開關(guān)導通，由高壓直流電源作為充電電源為儲能電容組充電；待儲能電容組充電完成后，充電開關(guān)斷開，實現(xiàn)直流電源與放電回路的電氣隔離；現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）產(chǎn)生信號控制觸發(fā)裝置，進而控制放電開關(guān)導通，儲能電容組對放電回路釋放能量，在焊接線圈中產(chǎn)生衰減振蕩電流并在空間生成時變磁場；飛板在磁場作用下感應(yīng)出電磁力，加速撞擊基板，完成板件焊接。

2.2 開關(guān)及觸發(fā)裝置

根據(jù)式（4）可知，放電電流是電磁脈沖焊接設(shè)備最重要的參數(shù)，其幅值較高，通常在100～300kA左右，因此對放電開關(guān)的通流能力具有較高要求?？紤]到真空觸發(fā)開關(guān)（Triggered Vacuum Switch, TVS）的優(yōu)異性能[24]，本文選用國產(chǎn)ZKTC型號的真空觸發(fā)開關(guān)作為回路的放電開關(guān)，該開關(guān)最大工作電壓20kV，最大導通電流200kA，滿足快上升沿、高幅值脈沖電流的通流需求。

2.3 電磁脈沖焊接設(shè)備研制

本文根據(jù)電磁脈沖焊接設(shè)備電路原理，最終研制出一套28kJ/140mF/20kV的電磁脈沖焊接設(shè)備原型機，如圖4所示。

圖3 TVS觸發(fā)裝置及輸出觸發(fā)波形

圖4 電磁脈沖焊接設(shè)備原型機

設(shè)備由充電回路與放電回路兩部分構(gòu)成。充電回路包括充電電源、充電開關(guān)及儲能電容。電源及電容決定了整套設(shè)備的最大釋放能量。為保證儲能電容的可靠充電，充電電源選用國產(chǎn)威思曼高壓直流電源，該電源專用于高壓電容的充電，最大充電電壓20kV，滿足設(shè)備充電需求。儲能電容除了儲存能量之外，在放電回路中，其容值及雜散參數(shù)對整個放電波形的影響也不可忽視，因此選用油浸同軸式金屬薄膜電容作為儲能電容。單個電容的額定容值70mF，額定電壓20kV，雜散電感小于200nH，雜散電阻小于3mW，最大放電峰值電流達240kA，能夠滿足焊接過程中對瞬變脈沖大電流的放電需求。此外，為避免放電回路產(chǎn)生的瞬變脈沖電流對高壓直流電源造成危害，采用高壓繼電器作為充電開關(guān)，充電時導通，為電容充電，放電過程中關(guān)斷，實現(xiàn)放電回路與高壓直流電源的隔離。

放電回路由儲能電容、放電開關(guān)以及焊接線圈構(gòu)成。由于ZKTC放電開關(guān)200kA的通流能力難以滿足鎂合金板件焊接實驗所需條件，因此本文采用雙開關(guān)、模塊化的方式實現(xiàn)更大幅值調(diào)節(jié)范圍的脈沖電流輸出。每個模塊由一個儲能電容與真空觸發(fā)開關(guān)組成，同時真空開關(guān)配以自行研制的觸發(fā)源，觸發(fā)源由FPGA控制，能夠靈活調(diào)節(jié)各開關(guān)的觸發(fā)時間，使兩放電模塊同步工作。

焊接線圈是生成脈沖磁場、驅(qū)動飛板運動進而實現(xiàn)板件焊接的關(guān)鍵器件，本文綜合考慮焊接線圈的受力情況以及通流能力，設(shè)計出“一”型焊接線圈，焊接區(qū)域橫截面尺寸為8mm×10mm。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 “一”型焊接線圈結(jié)構(gòu)

2.4 電磁脈沖焊接設(shè)備放電波形

焊接實驗中，回路的放電電壓與放電電流波形是表征回路電氣性能的重要參數(shù)。本文采用高壓探頭（Tektronix: P6015A）和羅氏線圈（MEATROL: D-H-FCT-495）分別對放電電壓和放電電流進行測量。

本文研制的電磁脈沖焊接設(shè)備采用雙開關(guān)設(shè)計，開關(guān)的同步導通對于高幅值、快上升沿脈沖放電電流的產(chǎn)生以及金屬板件的焊接至關(guān)重要。電磁脈沖焊接設(shè)備研制過程中，各單元連線回路長度相同，調(diào)整兩觸發(fā)源使其輸出波形相同，通過FPGA調(diào)節(jié)兩觸發(fā)源之間的觸發(fā)時延，使兩單元同步放電。經(jīng)調(diào)試，實現(xiàn)同步輸出的電壓波形，如圖6所示。圖中，放電單元1與放電單元2同步觸發(fā)，且在第一個振蕩周期內(nèi)具有較好的同步性，但由于儲能電容容值以及回路連線電感等存在差別，無法保證完全一致，使得兩單元放電周期略微不同。經(jīng)過較長時間的累積后，在放電后期兩波形出現(xiàn)微小差異。根據(jù)文獻[25]可知，電磁脈沖焊接通常發(fā)生在第一個振蕩周期內(nèi)，時間僅需10～20μs[26]，且兩波形差異較小，能夠有效提高脈沖電流幅值，實現(xiàn)鎂合金與鋁合金的焊接，滿足實驗需求。

圖6 開關(guān)同步觸發(fā)的放電電壓波形

當放電電壓為13kV時，設(shè)備輸出放電電壓和放電電流波形如圖7所示。由圖中可知，開關(guān)同步導通后，放電電流呈現(xiàn)出典型的衰減振蕩波形，其周期約40ms。在第一個振蕩周期內(nèi)，放電電流達到最大值，約為300kA。

圖7 電磁脈沖焊接設(shè)備放電電壓和放電電流波形

3 實驗材料及焊接實驗

本文選用工程應(yīng)用中常用的1060鋁合金板件作為焊接飛板，AZ31B軋制鎂合金板件作為基板開展焊接實驗研究，板件尺寸均為100mm×50mm，厚度為1mm。

3.1 鎂合金力學特性

鎂合金作為一具有密排六方結(jié)構(gòu)的金屬材料，其單晶體變形機制存在較為復雜的方向特性[27]。且由于鎂合金在加工過程中易于形成很強的織構(gòu)，因而使得同一種材料表現(xiàn)出很強的力學行為各向異性特征。這種特征在常用的軋制鎂合金薄板材料中尤為明顯[28]。

為驗證實驗所用軋制鎂合金板件各方向力學特性的差異，本文特對同一批鎂合金板件沿不同方向進行拉伸測試。拉伸設(shè)備為SANS萬能試驗機。拉伸過程中，設(shè)置板材軋制方向為法線方向，分別沿平行于法線方向（0°），與法線方向45°夾角以及90°垂直方向施力拉伸，鎂板各方向的拉伸測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 受力軸與法線成不同角度的軋制鎂合金拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從拉伸測試結(jié)果可以看出，對于同一鎂合金材料，平行于法線方向受力時所表現(xiàn)出的抗拉強度最小，而垂直于法線方向受力時板件所體現(xiàn)出的抗拉強度明顯高于平行方向。根據(jù)式（5）可知，材料的抗拉強度將影響電磁脈沖焊接所需條件。

3.2 焊接實驗

為驗證本文所設(shè)計的電磁脈沖板件焊接設(shè)備的可行性，開展鎂合金、鋁合金板件電磁脈沖焊接實驗。焊接過程中板件放置方式如圖9所示。

圖9 待焊接板件裝配示意圖

焊接過程中，以鋁合金板件作為飛板，緊貼于焊接線圈，鎂合金板件作為基板，固定于飛板上方。板件間利用絕緣墊片實現(xiàn)分離，為飛板加速提供足夠的空間，且通過改變墊片厚度可調(diào)整板件間距。

焊接所得樣本如圖10所示，根據(jù)焊接樣品表面形貌的區(qū)別，焊接接頭處可分為多個區(qū)域，主要包括：鋁合金板件在電磁力作用下所呈現(xiàn)的形變區(qū)域，鎂合金、鋁合金板件以一定角度高速撞擊后實現(xiàn)焊接所形成的焊接區(qū)域，以及中間部分由于鋁合金垂直撞擊鎂合金后因反彈而存在的反彈區(qū)域，反彈區(qū)域內(nèi)未能實現(xiàn)焊接。

圖10 鎂合金-鋁合金焊接表面

為測試焊接接頭的可靠性，對焊接樣品進行剝離實驗，外力施加方式如圖11所示，剝離結(jié)果如圖12所示。

圖11 剝離實驗示意圖

圖12 焊接樣品剝離結(jié)果

剝離過程中，鎂合金板件與鋁合金板件受力發(fā)生彎曲，由于鎂合金板件室溫下塑性較差，在形變至一定程度時發(fā)生斷裂，且斷裂痕跡與焊接痕跡一致，與文獻[29]中描述相符合，但焊接接頭未發(fā)生變化。經(jīng)測量，焊接區(qū)域最寬間距達8.03mm，與焊接線圈寬度相近。剝離實驗證明，鎂合金板件與鋁合金板件實現(xiàn)了可靠焊接。

在實現(xiàn)鎂合金、鋁合金焊接的基礎(chǔ)上，為進一步探究鎂合金板件各向力學特性的差異對焊接接頭的影響，以及放電電壓和板件間距對焊接的影響規(guī)律，本文分別對不同切割方向（鎂合金板件長邊方向）的鎂合金板件開展了不同放電電壓及不同板件間距的鎂/鋁合金板件電磁脈沖焊接實驗。

焊接過程中放電電壓調(diào)整范圍為11～16kV，板件間距的調(diào)整范圍為0.5～3.5mm，兩墊片之間的距離控制在30mm。同時，為更直觀地對比焊接性能，對焊接樣品進行了拉伸實驗測試。焊接樣品按圖13所示切割，采用SANS萬能試驗機施以拉力。具體實驗結(jié)果見表1～表3。

圖13 焊接樣品拉伸示意圖

Fig13 The tensile test of welded plates

表1 0°方向焊接樣品拉伸結(jié)果

Tab.1 Tensile strength of welded plates when the angle between the normal direction and welding direction is 0° （單位: N）

注：“×”未實現(xiàn)焊接，“—”焊接不牢固，“○”鋁板斷裂。

表2 45°方向焊接樣品拉伸結(jié)果

Tab.2 Tensile strength of welded plates when the angle between the normal direction and welding direction is 45° （單位: N）

表3 90°方向焊接樣品拉伸結(jié)果

Tab.3 Tensile strength of welded plates when the angle between the normal direction and welding direction is 90° （單位: N）

不同焊接樣品拉伸結(jié)果如圖14所示，主要有三種不同情況。部分接頭在拉力增至一定程度時，焊接接頭被拉開，如圖14a所示，此時板件間未實現(xiàn)焊接或者焊接接頭不牢靠，可輕易拉開。而隨著焊接條件的優(yōu)化設(shè)置，板件間將逐步實現(xiàn)焊接，如圖14b所示，焊接區(qū)域?qū)闹胁肯騼啥酥饾u延伸，接頭的拉伸強度也隨之增強。隨著焊接區(qū)域繼續(xù)擴大，拉伸拉力大于5 000N之后則會出現(xiàn)鋁合金板件（母材）斷裂而接頭未移動的情況，如圖14c所示。斷裂區(qū)域出現(xiàn)在鎂鋁合金焊接接頭邊緣，接頭未產(chǎn)生位移。在鋁合金板件受力形變以及高速撞擊過程中，焊接區(qū)域內(nèi)的板件因塑性形變而拉伸變薄。在焊接牢靠的情況下，焊接接頭強度高于該處鋁板拉伸強度，當拉力大于鋁合金板所能夠承受的最大拉伸強度時，鋁合金板便發(fā)生斷裂，與文獻[30]描述一致。

圖14 不同焊接樣品拉伸結(jié)果

表1數(shù)據(jù)表明，在沿板材法線方向切割的鎂合金板件焊接實驗中，當放電電壓高于13kV時，能夠?qū)崿F(xiàn)鎂鋁合金板件的可靠焊接，且拉伸強度隨著放電電壓的提升而增強。這是因為隨著放電電壓的提升，焊接回路電流幅值也有所增大，根據(jù)式（4）可以得出，飛板所受電磁力也會隨之增加。在更大的電磁力作用下，飛板運動加速度增加，導致撞擊速度隨著放電電壓的提高而增大。撞擊速度的提升有利于形成更大焊接區(qū)域。因此，在本文實驗范圍內(nèi)，提高放電電壓能夠提升電磁脈沖焊接接頭性能。

同時，對比同一放電電壓下，不同板件間距的焊接結(jié)果，可以得出，鎂/鋁合金板件焊接最佳焊接間距在1.5mm左右。究其原因，當距離低于1.5mm時，由于飛板的加速距離過短，無法達到可靠焊接的最低撞擊速度，而當板件距離高于1.5mm后，飛板與基板撞擊的角度將隨著板件間距的增加而增大，因此，對可靠焊接所需的最低撞擊速度的要求也會隨之顯著提升，使得焊接更加困難。同時，當板件間距太大時，由于位移路程太長反而會降低撞擊速度，導致焊接接頭機械性能下降甚至無法實現(xiàn)冶金結(jié)合。因此，隨著板件間距的提高，焊接接頭的機械性能先提高再降低。

通過對比不同切割方向的焊接實驗結(jié)果，可以看出，鎂鋁板件焊接的焊接性能與鎂合金抗拉強度存在直接關(guān)聯(lián)。拉伸測試表明，沿與法線垂直方向切割的鎂合金板件抗拉強度最高，而在焊接實驗中，該方向下的板件焊接所需電壓同樣最高，與法線夾角45°時所需的放電電壓次之，而0°方向切割的鎂合金板件抗拉強度最低，同樣在電磁脈沖焊接實驗過程中，該方向切割的板件最容易實現(xiàn)焊接。此結(jié)果與鎂合金板件各方向的抗拉強度完全吻合，與式（5）所揭示規(guī)律一致。

4 結(jié)論

本文為探究電磁脈沖焊接鎂/鋁合金板件的可行性和影響因素，研制出一套應(yīng)用于板件焊接的電磁脈沖焊接設(shè)備原型機，并在此基礎(chǔ)上開展了鎂/鋁合金板件焊接實驗，得出如下結(jié)論：

1）鎂/鋁合金板件焊接性能與放電電壓密切相關(guān)。在12～16kV范圍內(nèi)，放電電壓越高，焊接性能越好。放電電壓的提升將增大回路放電電流，增大線圈周圍磁場強度并提升金屬板件內(nèi)部感應(yīng)電流幅值，使其所受電磁力增加。因此，在板件間距相同的情況下，提升放電電壓將增大飛板加速度，加快板件撞擊速度，使得焊接區(qū)域面積增加，以獲得質(zhì)量更好的接頭。

2）板件間距會影響鎂/鋁合金板焊接接頭的性能。隨著板件間距增大，焊接效果先提高再降低。飛板與基板的間距將為飛板的加速過程提供足夠的空間，若板件間距過小，板件無法有效加速，難以達到焊接所需撞擊速度。除此之外，板件間距還與撞擊角度相關(guān)，間距過大將導致撞擊角度過大而無法焊接。

3）鎂合金自身力學特性也將影響鎂鋁合金板件的焊接效果。電磁脈沖焊接所需撞擊速度與基板自身抗拉強度有關(guān)，而鎂合金板件因其自身所存在的各向力學特性差異，使得沿不同方向焊接時所需焊接條件不一致。與法線平行時的焊接所需條件最低，而與法線垂直時的焊接所需條件最高。

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Development of Electromagnetic Pulse Welding Equipment for Plates and Experimental Research on Magnesium/Aluminum Alloy Welding

11,2111

（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. State Grid Chongqing Electric Power Company Yongchuan Power Supply Branch Chongqing 402160 China）

Magnesium alloys and aluminum alloys are used in industry as light metals. Because of the excellent properties, they are expected to replace steel in the manufacture of lightweight equipment. However, due to the differences in physical and chemical properties of magnesium alloys and aluminum alloys, it is difficult to achieve reliable welding in traditional processes. Electromagnetic pulse welding (EMPW) technology applies electromagnetic force to achieve metallurgical bonding between metal materials, which is expected to solve the welding problems of magnesium alloys and aluminum alloys. In order to explore the feasibility and influencing factors of EMPW of magnesium alloys and aluminum alloys, based on the principle of EMPW, this paper developed a set of 28kJ EMPW equipment for plates. Then the external conditions (discharge voltage and welding gap) required for EMPW of magnesium alloy plates (parent plates) and aluminum alloy plates (flying plates) were developed. The influence of the magnesium’s characteristics on the properties of joints was also studied in experiments. The results show that the reliable welding of magnesium alloy plates and aluminum alloy plates can be achieved by EMPW. Within a certain range, the welding performance will be improved with the increase of discharge voltage. The mechanical properties of the joint first increase and then decrease with the increase of the welding gap. Moreover, the mechanical anisotropy caused by the particular structure of the magnesium alloy plates will affect the joint performance. Specifically, under the same conditions, the tensile strength of the welded joint is the biggest and the worst when the angle between the welding direction and the rolling direction is 0°and 90°, respectively. This paper can provide technical support and reference for EMPW of magnesium alloys and aluminum alloys.

Electromagnetic pulse welding, magnesium alloy, aluminum alloy, anisotropy, joint strength

TM89

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200295

重慶市研究生科研創(chuàng)新資助項目（CYB19018, CYS19041）。

2020-03-24

2020-05-15

李成祥 男，1979年生，研究員，博士生導師，研究方向為脈沖功率技術(shù)及其應(yīng)用。E-mail: lichengxiang@cqu.edu.cn（通信作者）

杜 建 男，1994年生，碩士研究生，研究方向為電磁脈沖焊接技術(shù)。E-mail: 20134174@cqu.edu.cn

（編輯 崔文靜）