周 言 李成祥 杜 建,2 王現(xiàn)民 姚陳果

放電電壓對(duì)鎂-鋁磁脈沖焊接中金屬射流及結(jié)合界面的影響

周 言1李成祥1杜 建1,2王現(xiàn)民1姚陳果1

（1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044 2. 國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司永川供電分公司 重慶 402160）

近年來(lái)，磁脈沖焊接技術(shù)憑借其在異種金屬焊接中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。放電電壓是磁脈沖焊接過(guò)程中重要的電氣參數(shù)，而金屬射流可清理工件表面的污穢和氧化層，促進(jìn)金屬的冶金結(jié)合。為探究放電電壓對(duì)金屬射流及結(jié)合界面的影響，該文對(duì)放電電壓與金屬射流特征、結(jié)合界面形貌之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行理論分析，并建立鎂-鋁磁脈沖焊接綜合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)，捕捉到完整的金屬射流軌跡。結(jié)果顯示，當(dāng)放電電壓從13kV提高到16kV時(shí)，碰撞速度從403.12m/s提高到了498.49m/s，對(duì)碰撞角度無(wú)明顯影響；金屬射流持續(xù)時(shí)間從31.02ms增加到47.94ms，且射流強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。金相顯微鏡測(cè)試結(jié)果表明，放電電壓為14kV、15kV、16kV時(shí)，鎂-鋁結(jié)合界面呈現(xiàn)波紋界面，且波幅不斷增大，結(jié)合區(qū)域?qū)挾确謩e為1.27mm、1.35mm、1.77mm。放電電壓通過(guò)碰撞速度、碰撞點(diǎn)速度、碰撞壓力及碰撞后剩余能量改變金屬射流特征及結(jié)合界面形貌從而影響焊接效果。該文可為深入研究磁脈沖焊接機(jī)理、提高焊接效果提供有力參考。

磁脈沖焊接 放電電壓 金屬射流 結(jié)合界面 射流強(qiáng)度

0 引言

近年來(lái)，在資源緊缺和環(huán)境負(fù)荷的雙重壓力下，汽車輕量化越來(lái)越受到重視，通過(guò)材料替代等方式可有效減輕車身質(zhì)量，從而節(jié)約油耗、減少排放[1]。鋁及其合金因密度小、分布廣、儲(chǔ)量多、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，可替代傳統(tǒng)鋼材，因而受到了廣泛關(guān)注。此外，鎂合金作為最輕的金屬材料，其密度僅為鋁的2/3、鋼的1/4，被認(rèn)為在汽車輕量化中極具發(fā)展前景[2]。隨著鋁合金、鎂合金兩種材料在車輛制造中的大量應(yīng)用，相互之間的連接難以避免。然而，由于鋁和鎂的物理化學(xué)性能相差較大，傳統(tǒng)焊接方法難以獲得力學(xué)性能優(yōu)良的鎂合金-鋁合金焊接接頭。因此，適用于鎂合金與鋁合金的焊接技術(shù)成為焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

磁脈沖焊接是電磁成形技術(shù)[3-6]在材料連接中的應(yīng)用，基于脈沖功率技術(shù)和電磁感應(yīng)原理，依靠電磁力對(duì)材料進(jìn)行加工，可用于同種金屬材料、異種金屬材料以及金屬材料與非金屬材料之間的焊接。焊接過(guò)程既不需要填充焊料也不需要保護(hù)氣體，還不會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)，且整個(gè)焊接過(guò)程簡(jiǎn)單、環(huán)保、高效、快速，在電力建設(shè)[7-8]、電子產(chǎn)業(yè)[9]、汽車工業(yè)[10]等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，因而該技術(shù)也引起了研究者們的濃厚興趣。M. A. Moghaddas等研究了支撐板件材料對(duì)磁脈沖焊接鋁合金板-鋁合金板、銅板-銅板的影響，發(fā)現(xiàn)支撐板件材料硬度可影響焊接接頭的結(jié)合面積和缺陷[11]。J. Lueg-althoff等采用磁脈沖焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了薄壁鋁合金管與銅管、不銹鋼管的連接[12]。M. Sarvari等研究了焊接間隙對(duì)磁脈沖焊接效果的影響，當(dāng)焊接間隙為0.7mm時(shí)，銅板和鋁板可實(shí)現(xiàn)焊接[13]。S. Muthukumaran等開(kāi)展了磁脈沖焊接銅管與不銹鋼管的實(shí)驗(yàn)，研究了結(jié)合界面的金屬間化合物，認(rèn)為磁脈沖焊接接頭性能可靠，適合用于大批量生產(chǎn)[14]。D. Pereira等應(yīng)用磁脈沖焊接技術(shù)連接了鋁合金管與碳纖維管（Carbon Fibre Reinforced Polymer, CFRP）[15]。

截至目前，對(duì)鎂合金-鋁合金磁脈沖焊接的關(guān)注還較少，研究成果主要集中在焊接工藝、微觀結(jié)構(gòu)、影響接頭因素等方面。A. Stern等[16]研究了1050鋁合金與AZ31鎂合金焊接接頭的波浪狀結(jié)合界面和金屬間化合物，局部熔化和快速凝固會(huì)形成Mg17Al12。Zhu Congcong等研究了溫度對(duì)鎂合金-鋁合金磁脈沖焊接接頭的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于150℃，對(duì)結(jié)合界面沒(méi)有明顯影響；當(dāng)溫度為200℃和250℃時(shí)，結(jié)合區(qū)域會(huì)產(chǎn)生鎂和鋁的化合物，影響接頭機(jī)械強(qiáng)度[17]。

放電電壓是磁脈沖焊接過(guò)程中的重要電氣參數(shù)，Xu Zhidan等在磁脈沖焊接管件的仿真和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，放電電壓會(huì)影響管件碰撞速度和焊接效 果[18]，但放電電壓與金屬射流持續(xù)時(shí)間、金屬射流強(qiáng)度以及結(jié)合界面之間的內(nèi)在聯(lián)系缺乏深入的分析和研究。而金屬射流可清理板件表面污染物和氧化膜，露出新鮮的焊接表面，在數(shù)十微秒內(nèi)促使板件焊接[19]，是實(shí)現(xiàn)金屬冶金結(jié)合的關(guān)鍵[20]。目前，對(duì)金屬射流的研究方式主要是仿真分析和射流殘余物檢測(cè)，如A. Stern等在檢測(cè)金屬射流殘余成分時(shí)發(fā)現(xiàn)，金屬射流成分由焊接金屬之間的相對(duì)密度差異決定，因而鎂合金-鋁合金磁脈沖焊接時(shí)產(chǎn)生的金屬射流成分主要是密度較低的鎂合金[21]。遺憾的是，這些間接的研究手段無(wú)法直接反映金屬射流的特征及發(fā)展過(guò)程，難以進(jìn)一步探究放電電壓與金屬射流、金屬射流與結(jié)合界面之間的內(nèi)在聯(lián)系。為提高鎂合金-鋁合金的磁脈沖焊接性能，有必要深入了解磁脈沖焊接過(guò)程中放電電壓對(duì)金屬表面射流軌跡及結(jié)合界面的影響，從而為工藝參數(shù)優(yōu)化及磁脈沖焊接設(shè)備的研制提供理論支撐。

本文通過(guò)理論計(jì)算分析了金屬射流的產(chǎn)生條件及放電電壓對(duì)金屬射流、結(jié)合界面的影響。基于磁脈沖焊接鎂合金-鋁合金綜合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)，包括電氣參數(shù)測(cè)量和圖像采集兩個(gè)部分，捕捉到磁脈沖焊接過(guò)程中的金屬射流軌跡，獲得了金屬射流發(fā)展過(guò)程及相應(yīng)特征，采用金相顯微鏡研究了結(jié)合界面的微觀結(jié)構(gòu)。本文通過(guò)理論分析和焊接實(shí)驗(yàn)揭示了放電電壓對(duì)金屬射流持續(xù)時(shí)間和形貌的影響規(guī)律，以及其與結(jié)合界面的內(nèi)在聯(lián)系。

1 放電電壓影響金屬射流及結(jié)合界面的理論分析

磁脈沖焊接過(guò)程常參考爆炸焊接的臨界參數(shù)和計(jì)算模型來(lái)分析，因此，本文也采用該方式探究鎂合金-鋁合金磁脈沖焊接中放電電壓對(duì)金屬射流和結(jié)合界面的影響。爆炸焊接平板示意圖如圖1所示。圖中，c為碰撞點(diǎn)速度，p為碰撞速度，為撞擊角度。

圖1 爆炸焊接平板示意圖

根據(jù)爆炸焊接的理論[22]，碰撞點(diǎn)速度的最小值cmin（流動(dòng)限）決定了金屬射流形成的基本條件，其計(jì)算公式為

式中，為流動(dòng)限系數(shù)，一般情況取10～12；1、1分別為飛板的屈服強(qiáng)度和密度；2、2分別為基板的屈服強(qiáng)度和密度?？梢?jiàn)，計(jì)算碰撞點(diǎn)最小臨界速度時(shí)選擇飛板與基板材料中較大的屈服強(qiáng)度和較小的密度。

從圖1可知，碰撞點(diǎn)速度與撞擊速度之間的關(guān)系為

因此，只要飛板與基板之間的撞擊速度p＞pmin，就會(huì)產(chǎn)生金屬射流。本文中，=12，鎂合金屈服強(qiáng)度max=290MPa，鎂合金密度min=1.738×103kg/m3。根據(jù)式（1）和式（2）以及文獻(xiàn)[2]，當(dāng)撞擊角度范圍取5°～30°，碰撞速度p對(duì)應(yīng)的范圍為174.48～1 035.28m/s，即碰撞速度在這一范圍內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生金屬射流。

此外，根據(jù)流體力學(xué)、波動(dòng)力學(xué)等理論[22-25]，要形成波形界面，碰撞點(diǎn)速度還需要大于臨界碰撞速度t，即

式中，為雷諾數(shù)，根據(jù)流體力學(xué)理論，雷諾數(shù)是流體從層流到紊流的分界點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)[24-25]，本文取=10.6；V1、V2分別為鎂合金、鋁合金的維氏硬度值，分別取55.6HV和45.2HV[26-27]；鎂合金密度1=1.7×103kg/m3，鋁合金密度2=2.7× 103kg/m3。由此可計(jì)算出t≈697m/s，根據(jù)文獻(xiàn)[25]，產(chǎn)生波紋界面的最小速度cbmin=t+200=897m/s，當(dāng)碰撞點(diǎn)速度c＞cbmin時(shí)，即可產(chǎn)生波形界面。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，波形界面形貌與碰撞壓力相關(guān)，A. A. Ezra等[28]提出的碰撞壓力為

式中，s1、s2分別為飛板與基板材料的聲速。碰撞壓力與碰撞速度成正比。

根據(jù)電磁理論可知，電磁力與放電電壓0的二次方成正比，而電磁力是磁脈沖焊接過(guò)程中的主要碰撞壓力，即

碰撞壓力與金屬表面的破壞程度、產(chǎn)生碎屑量以及結(jié)合界面的形貌也呈正相關(guān)，而金屬射流強(qiáng)度可反映碎屑量。

當(dāng)鋁合金板與鎂合金板發(fā)生碰撞后，碰撞點(diǎn)還將繼續(xù)沿著焊接方向移動(dòng)，會(huì)受到洛侖茲力與摩擦阻力的共同作用，此時(shí)，加速度f(wàn)可表示為

此時(shí)，鋁合金板與焊接線圈的距離較大，且洛侖茲力小于摩擦阻力，加速度的方向與碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度相反，碰撞點(diǎn)做減速運(yùn)動(dòng)。

式中，c0為碰撞點(diǎn)初始速度；cbmin為產(chǎn)生波紋界面的最小速度。當(dāng)碰撞點(diǎn)速度小于流動(dòng)限時(shí)，金屬射流就不再產(chǎn)生，因而，金屬射流的持續(xù)時(shí)間jd與碰撞速度以及剩余電磁能量相關(guān)。同理，當(dāng)碰撞點(diǎn)速度小于臨界速度時(shí)，波紋界面不再產(chǎn)生，因而，產(chǎn)生波紋界面的持續(xù)時(shí)間bd也與碰撞速度以及剩余電磁能量相關(guān)。波紋界面長(zhǎng)度則與持續(xù)時(shí)間、碰撞點(diǎn)速度相關(guān)。

2 磁脈沖焊接綜合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)材料

為驗(yàn)證上述理論分析，本文搭建了磁脈沖焊接綜合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)，開(kāi)展了鎂合金-鋁合金焊接 實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)使用的材料為工業(yè)中常用的1060鋁合金與AZ31B鎂合金，其力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1[29-31]，均切割為100mm×50mm×1mm的板件。鋁合金的電導(dǎo)率和可塑性高于鎂合金，更適合作為飛板與鎂合金碰撞形成冶金結(jié)合，因此，選用鋁合金板作為飛板，鎂合金板作為基板。實(shí)驗(yàn)前，采用酒精將兩種板件焊接表面擦拭干凈，自然干燥。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及信號(hào)檢測(cè)

磁脈沖焊接鎂合金-鋁合金綜合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)如圖2所示，主要包括充電單元、儲(chǔ)能單元、放電單元、控制單元和測(cè)量單元。儲(chǔ)能單元中，電容值=140mF，額定電壓范圍為1～20kV。放電開(kāi)關(guān)采用真空觸發(fā)管（Triggered Vacuum Switch, TVS），由現(xiàn)場(chǎng)可編程序邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）控制觸發(fā)源實(shí)現(xiàn)放電開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通。

測(cè)量單元包括電氣參數(shù)測(cè)量模塊和圖像采集模塊。儲(chǔ)能電容兩端的電壓信號(hào)、放電回路的電流信號(hào)分別通過(guò)高壓探頭（Tektronix P6015A）和Rogowski線圈（MEATROL：D-H-FCT-495）測(cè)量，采集的數(shù)據(jù)由200MHz帶寬的示波器（Tektronix MDO3024）存儲(chǔ)。采用高速攝像機(jī)（Phantom V710）捕捉焊接過(guò)程中的金屬射流軌跡，配有200～500mm變焦鏡頭（Nikon AF-S 200-500mm f5.6E ED VR），采樣率設(shè)置為701 030fps，采樣間隔為1.41ms，采集分辨率為196×16?？紤]到焊接間隙較?。?.5mm），間隙內(nèi)進(jìn)光量少，且曝光時(shí)間短暫，故采用無(wú)閃頻LED燈作為背光源進(jìn)行補(bǔ)光。高速攝像機(jī)通過(guò)示波器同步觸發(fā)，當(dāng)示波器接收到電壓/電流信號(hào)后產(chǎn)生信號(hào)觸發(fā)高速攝像機(jī)。

圖2 磁脈沖焊接過(guò)程綜合觀測(cè)平臺(tái)

焊接線圈與金屬板件的裝配如圖3所示。從下至上依次是焊接線圈、絕緣薄膜、鋁合金板、絕緣墊片、鎂合金板、金屬固定件。焊接線圈采用“一”型平板線圈，其橫截面尺寸為8mm×10mm，材料為紫銅。通過(guò)絕緣墊片將鋁合金板與鎂合金板的焊接間隙調(diào)整為1.5mm，兩塊墊片的間距為30mm。采用不銹鋼板固定住鎂合金板，防止撞擊過(guò)程中鎂合金板發(fā)生變形影響焊接效果。鎂合金的軋制方向與焊接線圈方向垂直，即與焊接方向平行。

圖3 焊接線圈與金屬板件的裝配

2.3 典型放電電流波形

實(shí)驗(yàn)中，放電電壓從1kV逐漸升高（步進(jìn)為1kV），但當(dāng)放電電壓低于13kV時(shí)，由于電磁能量較低，鎂合金與鋁合金之間未能實(shí)現(xiàn)焊接，因此本文不做詳細(xì)研究。當(dāng)放電電壓為13～16kV時(shí)，鎂合金與鋁合金實(shí)現(xiàn)焊接，不同放電電壓下典型放電電流波形如圖4所示。

圖4 不同放電電壓下典型放電電流波形

從圖4中可知，放電電流是典型的二階RLC電路欠阻尼衰減振蕩波。電流頻率約為25kHz，最大放電電流幅值出現(xiàn)在第一個(gè)半周期內(nèi)，從電流產(chǎn)生到最大幅值僅需大約10ms。當(dāng)放電電壓從13kV上升到16kV時(shí)，對(duì)應(yīng)的放電電流幅值不斷提高，最大幅值分別約為291kA、312kA、334kA和356kA。當(dāng)放電電壓為16kV時(shí)，最大放電電流幅值已接近放電開(kāi)關(guān)的最大通流限度，因而未繼續(xù)提高放電電壓。

3 結(jié)果及分析

3.1 放電電壓對(duì)鋁合金板變形過(guò)程、碰撞速度和碰撞角度的影響

圖5給出了放電電壓為16kV時(shí)，高速攝影機(jī)捕獲的鋁合金板變形過(guò)程。高速攝像機(jī)鏡頭界面分別為鋁合金板、鎂合金板、絕緣墊片，間隙處為L(zhǎng)ED燈源。鋁合金板變形后為間隙中的弧形黑影。從圖5可看出，鋁合金板塑性變形起始于焊接線圈對(duì)應(yīng)區(qū)域的中部，呈弧形狀，隨著時(shí)間增加，變形區(qū)域逐漸變大。當(dāng)鋁合金板最大塑性變形量等于焊接間隙（1.5mm）時(shí)，與鎂合金板發(fā)生碰撞。鋁合金板從變形到與鎂合金撞擊，整個(gè)時(shí)間不足5ms。

鋁合金板的塑性變形不僅與所受到的洛侖茲力相關(guān)，還與材料的抗變形力相關(guān)。電容放電初期，放電電流較小，產(chǎn)生的洛侖茲力不足以克服板件的抗變形力，此時(shí)發(fā)生的是彈性形變。但是隨著放電時(shí)間的增加，洛侖茲力不斷提高，當(dāng)洛侖茲力大于抗變形力時(shí)，鋁合金板開(kāi)始塑性變形。

圖5 鋁合金板變形過(guò)程（U=16kV）

鋁合金板變形量s指鋁合金板最大形變處到未變形處的最大垂直距離，而鋁合金板變形速度是指兩張圖像拍攝間隔內(nèi)的平均速度a（同樣指垂直方向的速度），即

式中，Ds為相鄰時(shí)刻拍攝所得圖片中鋁合金板變形量之差；D為兩張圖片的采樣間隔，即1.41ms。實(shí)際上，在1.41ms的時(shí)間內(nèi)，鋁合金板并不是一個(gè)勻速變形的過(guò)程。隨著放電電流的變化以及鋁合金板與焊接線圈之間的間距變化，鋁合金板上的電磁力會(huì)發(fā)生非線性變化，且鋁合金的動(dòng)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力也會(huì)變化。由于拍攝時(shí)間間隔短，為了方便計(jì)算，每?jī)蓮堈掌臄z時(shí)間間隔內(nèi)的鋁合金板變形過(guò)程簡(jiǎn)化為勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可分析鋁合金板變形速度隨放電電壓變化的趨勢(shì)。

不同放電電壓下鋁合金板變形速度如圖6所示。從圖中可知，鋁合金板變形速度并未隨時(shí)間一直增加，結(jié)果與Xu Zhidan等[18]測(cè)量的磁脈沖焊接中鋁合金管件速度變化趨勢(shì)相近。鋁合金板的變形與電磁力、板件自身屈服應(yīng)力等相關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。但可看出，隨著放電電壓的提高，鋁合金板與鎂合金板的碰撞速度不斷提高。

碰撞角度可根據(jù)圖5中鋁合金板與鎂合金板碰撞時(shí)的三角形結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，即

式中，為碰撞夾角對(duì)應(yīng)的三角形的高；為碰撞夾角對(duì)應(yīng)的三角形的底。通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)放電電壓為13～16kV時(shí)，對(duì)應(yīng)的碰撞角度均約為17°，放電電壓對(duì)碰撞角度無(wú)明顯影響。放電電壓的增加并不能改變放電電流及空間時(shí)變磁場(chǎng)的分布，因而飛板的塑性變形規(guī)律也不會(huì)發(fā)生變化，所以在飛板與基板碰撞時(shí)，放電電壓對(duì)碰撞角度無(wú)明顯影響。

3.2 金屬射流形貌特征及放電電壓的影響

金屬射流是磁脈沖焊接的重要過(guò)程，可促進(jìn)金屬間的冶金結(jié)合。根據(jù)第1節(jié)中的計(jì)算結(jié)果和圖6中的速度測(cè)量計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)放電電壓為13～16kV時(shí)，碰撞速度均滿足金屬射流產(chǎn)生所需條件（174.48～1 035.28m/s）。金屬射流及其特征如圖7所示。圖7a展示了放電電壓為13kV時(shí)，高速攝像機(jī)捕獲的金屬射流的全過(guò)程。如圖所示，當(dāng)鋁合金板與鎂合金板碰撞后，圖像中出現(xiàn)了兩道亮光，分別位于鋁合金板與鎂合金板碰撞處邊緣的夾角區(qū)。該光源明顯強(qiáng)于背景光源，由此判斷其不是源自LED燈，且不會(huì)發(fā)光的絕緣墊片邊緣表面也發(fā)出了亮光，因此可判斷亮光是從碰撞夾角處移動(dòng)到了絕緣墊片邊緣，運(yùn)動(dòng)方向與焊接方向一致。此外，在光源與絕緣墊片之間還發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)的微小白色光點(diǎn)，如圖7b所示。綜上所述，本文認(rèn)為亮光是由金屬射流產(chǎn)生的。磁脈沖焊接過(guò)程中，鋁合金板與鎂合金板猛烈撞擊，撞擊處壓力較大，會(huì)破壞金屬表面。金屬表面被破壞時(shí)會(huì)脫落金屬碎屑，并快速朝絕緣墊片方向移動(dòng)，形成了金屬射流。此外，金屬射流還具有高溫這一特征，金屬碎屑的熱量主要來(lái)源于兩個(gè)方面：①焊接時(shí)板件在極短時(shí)間（10ms）內(nèi)變形，間隙中的空氣被快速壓縮；②猛烈撞擊過(guò)程中，動(dòng)能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)換。R. N. Raoelison等對(duì)磁脈沖焊接過(guò)程中的金屬射流仿真結(jié)果也顯示金屬碎屑的溫度可達(dá)600℃[32]。高溫使金屬碎屑發(fā)光，而高速移動(dòng)的金屬射流被絕緣墊片擋住通路，附著在絕緣墊片的邊緣表面，所以絕緣墊片也發(fā)光。由此可見(jiàn)，該亮光可反映金屬射流的軌跡、分布及強(qiáng)度等特征。

圖7 金屬射流及其特征

根據(jù)亮光的狀態(tài)和鋁合金板的形貌，可將金屬射流過(guò)程分為起始階段、發(fā)展持續(xù)階段和消退階段。

消退階段（32.43ms≤＜45.12ms）：盡管鋁合金板還在繼續(xù)變形，但金屬射流不再產(chǎn)生。此階段亮光由絕緣墊片表面的高溫金屬射流殘留物產(chǎn)生，且亮光強(qiáng)度逐漸減弱，覆蓋面積逐漸減小，直至消失。

當(dāng)=2.82ms時(shí)，不同放電電壓下的金屬射流如圖8所示。當(dāng)放電電壓為13kV時(shí)，金屬射流集中在板件夾角附近，夾角之間僅有一條微弱的白色光線。當(dāng)放電電壓為16kV時(shí)，鋁合金板與鎂合金板的間隙幾乎被亮光完全覆蓋，包括夾角區(qū)以及夾角之間的區(qū)域。如式（5）可知，隨著放電電壓的提高，碰撞速度與碰撞壓力也會(huì)不斷增大，金屬表面被破壞程度嚴(yán)重，產(chǎn)生的金屬顆粒也會(huì)增加，因而金屬射流強(qiáng)度不斷提高，金屬射流的面積、覆蓋區(qū)域的面積不斷擴(kuò)大。

圖8 不同放電電壓下的金屬射流

圖9展示了放電電壓與金屬射流持續(xù)時(shí)間的關(guān)系。金屬射流持續(xù)時(shí)間指金屬射流起始階段和發(fā)展持續(xù)階段的時(shí)間之和，不包括消退階段。從圖中可知，隨著放電電壓的提高，金屬射流持續(xù)時(shí)間不斷增加，兩者呈正相關(guān)。放電電壓的提高會(huì)增加碰撞速度和碰撞點(diǎn)速度，金屬射流持續(xù)時(shí)間也會(huì)增加。此外，磁脈沖焊接中，放電能量在儲(chǔ)能電容與電路電感中振蕩，電路中的能量c可表示為

圖9 放電電壓與金屬射流持續(xù)時(shí)間的關(guān)系

式（11）表明，電路中的能量與放電電流的二次方成正比。通過(guò)圖4和圖6可知，放電電壓越高，運(yùn)動(dòng)過(guò)程越短，而不同放電電壓下放電電流達(dá)到峰值的時(shí)間是一樣的，因此碰撞后的電流幅值與放電電流的峰值之間的時(shí)間區(qū)域越長(zhǎng)，即

式中，peak為電流峰值時(shí)刻；p為碰撞時(shí)刻。因而對(duì)應(yīng)的電路能量也就越大，鋁合金板上的洛侖茲力持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，式（7）中的反向加速度減小，從而增加射流持續(xù)時(shí)間。

3.3 放電電壓對(duì)結(jié)合界面的影響

當(dāng)放電電壓為13kV時(shí)，鋁合金板與鎂合金板未得到牢固的焊接接頭，在剝離實(shí)驗(yàn)中被分開(kāi)。分開(kāi)后的鋁合金板與鎂合金板焊接接頭內(nèi)表面的宏觀形貌如圖10所示。

圖10 鋁合金-鎂合金焊接接頭內(nèi)表面形貌（U=13kV）

從圖10中可知，鋁合金板與鎂合金板接頭處內(nèi)表面都出現(xiàn)了一個(gè)多層橢圓形貌的焊接區(qū)，該形貌與磁場(chǎng)分布有關(guān)[33]。根據(jù)表面形貌，焊接區(qū)域可分為垂直撞擊區(qū)、撞擊結(jié)合區(qū)和塑性變形區(qū)域。如圖10所示，撞擊結(jié)合區(qū)是一個(gè)扁平橢圓環(huán)，該區(qū)域的顏色與金屬自身顏色區(qū)別明顯，表明金屬表面形貌被破壞。冶金結(jié)合（焊痕）出現(xiàn)在撞擊結(jié)合區(qū)域內(nèi)，只有冶金結(jié)合區(qū)域面積足夠大時(shí)，焊接接頭才牢固。當(dāng)放電電壓為13kV時(shí)，撞擊結(jié)合區(qū)橢圓環(huán)端部在靠近板件邊界處斷開(kāi)，沒(méi)有閉合，且焊痕并不明顯，由此可推斷焊接效果不佳。當(dāng)放電電壓高于13kV時(shí)，鋁合金板沿扁平橢圓狀接頭的邊緣被剝離，而接頭未被破壞，表明焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度高于母材鋁合金板，與文獻(xiàn)[34]實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

在拉伸強(qiáng)度測(cè)試中，當(dāng)焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度足夠大時(shí)，母板（鋁合金板）比焊接接頭更容易被破壞。因此，本文未采用直接拉伸的方式比較焊接接頭效果。T. Itoi在鋁合金板與不銹鋼板磁脈沖焊接研究中發(fā)現(xiàn)，焊接寬度可反映接頭結(jié)合強(qiáng)度，即冶金結(jié)合區(qū)域越寬，焊接效果越好[35]。為比較焊接區(qū)域的寬度，從焊接接頭中心處切割后制樣拋光，通過(guò)金相顯微鏡（Carl Zeiss 37081）對(duì)接頭微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)。

不同放電電壓下的冶金結(jié)合區(qū)域如圖11所示。圖中，磁脈沖焊接接頭截面形貌為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)[36]，可分為五個(gè)區(qū)域，從左往右依次是邊緣未焊接區(qū)、焊接區(qū)、中心未焊接區(qū)域、焊接區(qū)、邊緣未焊接區(qū)。中心未焊接區(qū)的間隙存在鋁合金、鎂合金的金屬屑末；中心未焊接區(qū)的長(zhǎng)度比兩邊的焊接區(qū)長(zhǎng)。焊接區(qū)存在波浪結(jié)構(gòu)和平直結(jié)構(gòu)，都是磁脈沖焊接冶金結(jié)合的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。為比較不同放電電壓下鎂合金-鋁合金的焊接效果，將兩個(gè)焊接區(qū)域的寬度疊加并進(jìn)行比較。當(dāng)放電電壓低于14kV時(shí)，鎂合金與鋁合金沒(méi)有實(shí)現(xiàn)牢固焊接，線切割制樣時(shí)易脫落，因而本文不作討論。圖11b表明，放電電壓為14kV、15kV、16kV時(shí)，結(jié)合區(qū)域?qū)挾确謩e為1.27mm、1.35mm、1.77mm。由此可知，放電電壓越高，射流持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則冶金結(jié)合區(qū)域?qū)挾仍綄?，即焊接效果越好。如式?）中所示波形界面形成時(shí)間與初始碰撞點(diǎn)速度呈正相關(guān)。波形界面的長(zhǎng)度與形成時(shí)間和碰撞點(diǎn)速度相關(guān)，因而碰撞速度越大，波紋界面長(zhǎng)度越長(zhǎng)，產(chǎn)生的金屬射流持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

圖11a中虛線標(biāo)注區(qū)域，是縫隙與焊接區(qū)域過(guò)渡處的結(jié)合界面。根據(jù)圖6和式（2），當(dāng)放電電壓為14kV時(shí)，碰撞點(diǎn)速度約為1 300m/s，高于波紋形成的臨界條件897m/s，因而在結(jié)合界面會(huì)產(chǎn)生波紋。當(dāng)放電電壓高于14kV時(shí)，碰撞速度和碰撞點(diǎn)速度也會(huì)增大，均將產(chǎn)生波紋界面，如圖11c所示。

圖11 不同放電電壓下的冶金結(jié)合區(qū)域

當(dāng)放電電壓為14kV時(shí)，結(jié)合界面呈現(xiàn)的是幾近平直的形貌，在靠近板件中心處出現(xiàn)了微小的波紋，其波長(zhǎng)最大約為1.67mm，波高約為0.81mm；當(dāng)放電電壓為15kV時(shí)，結(jié)合界面的波長(zhǎng)最大約為41.8mm，波幅最大約5mm；當(dāng)放電電壓為16kV時(shí)，結(jié)合界面出現(xiàn)了明顯的波紋形貌，其波長(zhǎng)最大約為83.28mm，波幅最大約13.19mm，均遠(yuǎn)高于14kV和15kV時(shí)的情況，鋁合金與鎂合金機(jī)械咬合更加緊密。

金屬射流可清洗金屬表面，去除表面的氧化層及污漬，促進(jìn)金屬冶金結(jié)合。因此提高放電電壓，同時(shí)也提高碰撞速度，增長(zhǎng)金屬冶金結(jié)合寬度，如圖11b所示。此外，根據(jù)式（4），放電電壓的提高，不僅增加了射流持續(xù)時(shí)間，還提高了碰撞壓力，使焊接表面被破壞程度更加嚴(yán)重。碰撞產(chǎn)生的金屬碎屑也就越多，因而金屬射流更加劇烈，產(chǎn)生的亮光面積更大，與圖8中實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本文建立了磁脈沖焊接鎂合金-鋁合金綜合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)，對(duì)放電電壓這一重要參數(shù)對(duì)金屬射流及結(jié)合界面的影響展開(kāi)了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下主要結(jié)論。

1）鎂合金與鋁合金磁脈沖焊接過(guò)程中的金屬射流從碰撞角處產(chǎn)生并沿著焊接方向噴射。根據(jù)金屬射流形成的亮光的形態(tài)，可分為起始階段、發(fā)展階段和消退階段，金屬射流的變化趨勢(shì)為先增強(qiáng)、持續(xù)，再減弱直至消退，整個(gè)過(guò)程不足100ms。

2）鎂合金與鋁合金的碰撞速度隨放電電壓的增加而增加。在本文實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)放電電壓增加到16kV時(shí)，碰撞速度可以達(dá)到498.49m/s以上。但放電電壓對(duì)碰撞角度無(wú)明顯影響。

3）當(dāng)放電電壓從14kV提高到16kV時(shí)，金屬射流持續(xù)時(shí)間從36.66ms增加到47.94ms，且強(qiáng)度不斷增大；鎂-鋁磁脈沖焊接結(jié)合界面分別呈現(xiàn)出微波界面和波紋界面，結(jié)合區(qū)域?qū)挾葟?.27mm增加到1.77mm。當(dāng)放電電壓為16kV時(shí)，結(jié)合界面波紋的波長(zhǎng)最大約83.28mm，波幅最大約13.19mm。

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Investigation on the Effect of Discharge Voltage on Metal Jet and Bonded Interface in Mg-Al Magnetic Pulse Welding

111,211

（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）

In recent years, magnetic pulse welding (MPW) technology has shown a broad application prospect because of its unique advantages in welding dissimilar metals. The discharge voltage is an important electrical parameter in the EMPW process, and the metal jet can clean the surface of the metal and the oxide layer that promotes the metallurgical bonded of metals. To explore the effect of discharge voltage on the metal jet and the bonded interface, the relationship among the discharge voltage, the characteristics of the metal jet and the morphology of the bonded interface was studied, an integrated observation platform for the MPW process of the Mg and Al sheets was established, and the trajectory of the metal jet was captured. The results showed that when the discharge voltage was increased from 13kV to 16kV, the collision speed increased from 403.12m/s to 498.49m/s, but there was no significant effect on the collision angle; the duration of the metal jet increased from 31.02ms to 47.94ms, and the intensity of the metal jet also gradually increased. The metallographic microscope test results showed that when the discharge voltage was 14kV, 15kV, and 16kV, the Mg-Al bonded interface presented the wave interfaces, the amplitude increased continuously, and the bonded zone width was 1.27mm, 1.35mm, and 1.77mm, respectively. The discharge voltage changes the welding effect through the collision speed, the collision point speed, the collision pressure, and the remaining energy after the collision. This paper can provide a powerful reference for further study on the mechanism of EMPW and improvement of welding effect.

Magnetic pulse welding, discharge voltage, metal jet, bonded zone, jet intensity

TM89

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200939

周 言 男，1992年生，博士研究生，研究方向?yàn)榇琶}沖焊接技術(shù)。

E-mail: zhouyan1992@cqu.edu.cn

李成祥 男，1979年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)及其應(yīng)用。

E-mail: lichengxiang@cqu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠(chéng)）