鎂合金焊接技術(shù)的發(fā)展與展望

李 妍，盧振華

(天水師范學(xué)院 工學(xué)院，甘肅 天水 741000)

鎂合金焊接技術(shù)的發(fā)展與展望

李 妍，盧振華

(天水師范學(xué)院 工學(xué)院，甘肅 天水 741000)

近年來隨著鎂合金應(yīng)用范圍的逐漸擴大，鎂合金的焊接技術(shù)也得到了各行業(yè)的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的鎂合金成型技術(shù)已經(jīng)不能滿足實際使用和加工性能的要求，鎂合金勢必會遇到與其他異種金屬或合金的連接，因此鎂合金焊接研究已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向之一。針對鎂合金焊接的特點及存在的切實問題，對鎢極惰性氣體保護焊、攪拌摩擦焊、電阻點焊等典型且具有潛力的焊接方法進行了介紹，并針對各種焊接技術(shù)存在的利弊進行了預(yù)測和展望。

鎂合金；焊接；焊接技術(shù)

0 前言

我國鎂合金貯備豐富，憑借自身特有的資源、性能、環(huán)境和價格優(yōu)勢使得鎂合金被稱為“21世紀的綠色工程材料”，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、運輸、化工等領(lǐng)域，也是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。隨著鎂合金應(yīng)用范圍的逐漸擴大，傳統(tǒng)鎂合金的成型技術(shù)已經(jīng)不能滿足實際使用和加工性能的要求，鎂合金勢必會遇到與其他異種金屬或合金的連接，而鎂合金自身的性能特點決定了在鎂合金焊接過程中存在很多問題，其焊接性能較差，很難獲得性能可靠的焊接接頭，因此鎂合金焊接研究已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向之一。在此就鎂合金焊接的特點，并結(jié)合國內(nèi)外的各類焊接方式對其進行分析。

1 鎂合金焊接存在的問題

由于鎂合金的熔點較低，熱導(dǎo)率高，在較高的焊接溫度下會導(dǎo)致焊縫區(qū)域的組織變得較為粗大，在焊接過程中易與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，形成片狀固態(tài)夾渣沉積在焊縫中，從而影響焊接接頭的力學(xué)性能。

鎂合金在焊接過程中易產(chǎn)生氣孔，其主要原因是：在液態(tài)鎂合金中，氫氣的溶解度會隨著焊接溫度的降低而降低，當(dāng)焊接熔池冷卻速度過快時，氫氣泡來不及逸出而停留在焊縫中，形成氣孔，尤其是在潮濕的環(huán)境條件下，空氣中所含的水分較多，焊縫表面很容易形成氧化膜，生成的氧化膜使得保護氣體對空氣的排除能力減弱，所以產(chǎn)生氣孔的可能性較大。同時由于鎂合金屬于典型的共晶型合金，在脆性溫度區(qū)間內(nèi)極易形成熱裂紋，而鎂合金的熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)大的特點使得在焊接時的局部加熱和冷卻都會造成焊件的不均勻膨脹，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，引起裂紋的發(fā)生和擴展。

2 鎂合金的主要焊接方法和現(xiàn)狀

鎂合金焊接技術(shù)發(fā)展較為緩慢，國內(nèi)鎂合金的主要成型方式是鑄造。但隨著鎂合金的廣泛應(yīng)用，各類焊接技術(shù)在市場需求的推動下迅速發(fā)展。

2.1 鎢極惰性氣體保護焊

鎂合金焊接最初主要采用的鎢極惰性氣體保護焊(即TIG焊)仍然是目前實際生產(chǎn)過程中廣泛使用的焊接方法[1]。

鎂合金TIG焊存在諸多缺點，主要體現(xiàn)在：鎢極氬弧焊單道焊熔深淺，焊接鎂合金厚板時需要采用雙面焊或多道焊，既增加了焊接難度，也降低了生產(chǎn)效率；而且鎂合金的膨脹系數(shù)大，容易產(chǎn)生焊接裂紋、氣孔等焊接缺陷。鎢電極承載電流能力有限，TIG焊一般適合薄板件的鎂合金焊接。為進一步改善鎂合金TIG焊的焊接質(zhì)量，研究發(fā)現(xiàn)在焊件的表面涂敷氯化活性劑(氯化物的添加增加了電弧電壓和電弧溫度，且在焊接方向上增大了電弧的寬度，使得焊接過程中熱輸入量增加，進而增加了焊道熔深)[2]，通過這種方法可以實現(xiàn)鎂合金中厚板的焊接，加工成本低，生產(chǎn)率高，是一種有較為廣闊應(yīng)用前景的焊接技術(shù)。

隨著研究的日益深入和鎂合金焊接的市場需求，近年來針對鎂合金焊接的特點又出現(xiàn)了一些先進的焊接新技術(shù)。

2.2 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是一種新型的固相連接技術(shù)，鎂合金采用攪拌摩擦焊也是較為理想的焊接方式，這是由于鎂合金攪拌摩擦焊的焊縫是經(jīng)過塑性變形和動態(tài)再結(jié)晶而形成的，焊接接頭不會產(chǎn)生凝固冶金有關(guān)的焊接缺陷和焊接脆化現(xiàn)象，焊接接頭內(nèi)沒有殘余應(yīng)力的存在，使得接頭性能良好，鎂合金不會因為實效析出沉淀相而使強度和其他力學(xué)性能有較大的損失[3]。

攪拌摩擦焊不需要填充材料，所以在焊接過程中不產(chǎn)生火、飛濺、煙霧、弧光、有害氣體等。由于是固相連接，加熱溫度較低，焊接熱影響區(qū)的顯微組織變化較小，焊后殘余應(yīng)力和變形非常小，對于薄板鎂合金焊后基本不變形，其組織相當(dāng)于鍛造組織，接頭強度幾乎與母材相當(dāng)。楊素媛[4]等人對10 mm厚板AZ31鎂合金進行攪拌摩擦焊時發(fā)現(xiàn)，焊接接頭成形良好，表面無裂紋、無氣孔。進行力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，接頭抗拉強度可達到母材的80%以上，沖擊韌性高于母材，其硬度與母材相當(dāng)。Katoh[5]等人利用摩擦焊焊接了AZ31鎂合金和1050鋁合金，得到的焊接接頭組織為兩種材料的混合層，組織較為細化，強度和韌性介于兩種材料之間，也成功實現(xiàn)了鎂合金與異種金屬之間的連接。

但是攪拌摩擦焊也有其應(yīng)用的瓶頸。在焊接過程中要施加較大的頂鍛壓力和向前驅(qū)動力，被焊零件需要有一定的剛性，同時攪拌摩擦焊多采用平板對接焊，難以實現(xiàn)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接。

2.3 電阻點焊

電阻點焊是鎂合金連接方式中具有較大潛力的一種方法，屬于機械化程度較高的焊接方法。電阻點焊時熔核周圍被高溫塑性金屬包圍，與外界氣體隔離，能阻止空氣中的氣體與熔核中的金屬發(fā)生反應(yīng)，以保證熔核成分基本不變，從而實現(xiàn)在無保護條件下的焊接。點焊鎂合金得到的熔合組織為等軸晶，且大小均勻，由于鎂合金的導(dǎo)熱性好，降溫速度極快，使得在熔合中心液相的溫度梯度較小，形成成分過冷區(qū)，結(jié)晶形核速率比長大速率更強烈地依賴于過冷度，再加上焊點在壓力狀態(tài)下結(jié)晶，進一步提高了均勻形核率和異質(zhì)形核率，使得熔合區(qū)形成了均勻分布的細小等軸組織。

電阻點焊是汽車制造過程中應(yīng)用較多的焊接方法之一，選擇合適的焊接電流、電極壓力、焊接時間等工藝參數(shù)對鎂合金薄板進行電阻點焊，力學(xué)性能能夠達到要求，合理調(diào)整工藝還能有效防止試件中裂紋、飛濺的產(chǎn)生，得到高質(zhì)量的焊點。我國目前對鎂合金電阻點焊的研究相對較多，主要包括鎂合金電阻點焊的工藝參數(shù)、焊點組織性能、焊點缺陷等。

鎂合金電阻點焊的工藝參數(shù)決定了其點焊接頭的組織和性能，從而決定了點焊接頭的質(zhì)量，這也是國內(nèi)外焊接工作者研究的主要方向。美國焊接研究所采用電阻點焊焊接了AZ91和AM60鎂合金[6]，實驗表明：采用合理的焊接參數(shù)可以獲得完美的紐扣狀焊點，極少出現(xiàn)表面接觸不良、電極造成缺口的現(xiàn)象。

在鎂合金的電阻點焊過程中，噴濺的產(chǎn)生會直接降低點焊接頭的強度，是最不希望出現(xiàn)的焊接缺陷。吳金杰、馬天風(fēng)、李興霞[7]采用點焊機焊接了AZ91D鎂合金，分析焊接裂紋產(chǎn)生的機理和影響因素。由于鎂合金熱脆性區(qū)間較大、導(dǎo)熱性好，容易產(chǎn)生焊接熱裂紋，且熔核和熱影響區(qū)都可能產(chǎn)生熱裂紋。裂紋沿晶界開裂，為結(jié)晶裂紋。焊接熱輸入越大，熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋的敏感性越大，偏析越嚴重，熔核產(chǎn)生裂紋的可能性越大。

2.4 復(fù)合焊接

由于鎂合金本身所固有的物理化學(xué)特性，使得在單一的鎂合金焊接過程中經(jīng)常會產(chǎn)生各種缺陷，如果將兩種不同的焊接方法結(jié)合在一起，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成復(fù)合熱源焊接鎂合金，可得到理想的焊接效果。激光-電弧復(fù)合焊就是利用激光與電弧兩種復(fù)合熱源焊接鎂合金，克服了鎂合金激光焊接時鎂合金表面吸收率低的缺點。

宋剛[8]等人采用激光-氬弧復(fù)合熱源焊接了變形鎂合金AZ31B。研究發(fā)現(xiàn)，激光-氬弧復(fù)合焊充分發(fā)揮了各自優(yōu)勢，激光焊熱輸入較小，焊接速度較快，溫度梯度大，而氬弧焊熱輸入大，熱作用范圍大，溫度梯度較小，有效提高了焊縫熔深，并減少了焊接缺陷，得到的焊縫既突出了氬弧焊焊縫表面成形性能好的優(yōu)點，又體現(xiàn)了激光焊接頭深寬比大，熱影響區(qū)小、組織細小等特點。在焊縫成形、工藝穩(wěn)定性、力學(xué)性能等方面優(yōu)勢明顯，是一種高質(zhì)量、高效率的鎂合金焊接工藝，可以滿足鎂合金優(yōu)質(zhì)焊接的需求。

激光-電弧焊復(fù)合熱源焊接可以實現(xiàn)在較寬工藝參數(shù)范圍內(nèi)的工作，得到的接頭成形美觀，接頭的拉伸強度、疲勞強度甚至達到母材的強度。但是也存在自身的缺點和不足，由于復(fù)合焊接的過程比較復(fù)雜，要盡量發(fā)揮兩種不同焊接工藝的優(yōu)勢，必然會對焊接參數(shù)的調(diào)整和控制提出更高的要求，同時在焊接鎂合金薄板時會發(fā)生比較嚴重的變形和引弧不穩(wěn)定的缺點，目前的這種焊接工藝還處于研究階段。

3 鎂合金焊接技術(shù)的發(fā)展方向

隨著鎂合金在汽車、交通、民用產(chǎn)品等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，鎂合金的連接技術(shù)也成為沖破應(yīng)用瓶頸的迫切問題，受到國內(nèi)外研究學(xué)者的進一步關(guān)注。盡管上述各種焊接技術(shù)都有各自的優(yōu)點和潛力，但是迄今為止并沒有形成較為成熟的工藝方法，所以針對目前的研究現(xiàn)狀，為獲得良好、可靠的焊接接頭，今后鎂合金焊接的研究重點應(yīng)主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

(1)加強鎂合金焊接理論性的研究。通過輸入合理的焊接控制參數(shù)、控制熔池或電弧的特征來提高焊接接頭的可靠性。

(2)深入研究有潛力的焊接方法，特別是復(fù)合焊接技術(shù)。通過調(diào)整適當(dāng)?shù)墓に?，充分發(fā)揮各自優(yōu)點，進一步提高焊接接頭的綜合性能。

(3)加強研制開發(fā)鎂合金與異種材料的焊接技術(shù)，通過各種應(yīng)用軟件的研究，建立起對焊接過程溫度場的模擬，以便更好地控制整個凝固過程。

[1]馮吉才，王亞榮,張忠典.鎂合金焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].中國有色金屬學(xué)報，2005，15(2)：165-178.

[2]劉黎明，張兆棟，沈 勇，等.活性劑對鎂合金TIG焊接熔深的影響[J].金屬學(xué)報，2006，42(4)：399-404.

[3]刑 麗，柯黎明，孫德超，等.鎂合金薄板的攪拌摩擦焊工藝[J].焊接學(xué)報，2001，12(6)：18-20.

[4]楊素媛，張保壘.厚板AZ31鎂合金攪拌摩擦焊焊接接頭的組織與性能[J].焊接學(xué)報，2009，5(5)：1-4.

[5] Schram A，Kettler C，Mazac K，et al.Friction welding of magnesium alloys[J].Welding and Cutting，2000，52(6)：116-119.

[6] Albright D L，Bergeron F，Neelameggham R，et al.PartⅡ：Wrought Products，Alloy Processing，R＆D Strategies,Corrosion，Welding[J].Magnesium Technology JOM，2002，23(4)：22-24.

[7]吳金杰，馬天風(fēng)，李興霞.鎂合金點焊焊接裂紋分析[J].熱加工工藝，2008，37(13)：85-87.

[8]宋 剛，劉黎明，王繼鋒，等.激光-TIG復(fù)合焊接鎂合金AZ31B焊接工藝[J].焊接學(xué)報，2004，25(3)：31-34.

Prospects of welding technology for magnesium alloy

LI Yan，LU Zhen-hua
(Engineering Institute of Tianshui normal university，Tianshui 741000，China)

With the scope of application of magnesium alloy will enlarge gradually in recent years，welding technology for magnesium alloys got extensive the other industries.Traditional of magnesium alloys forming technology has already cannot satisfy the practical use and processing of performance requirements，magnesium alloy will inevitably meet with other metal and alloy connection，so the magnesium alloy welding research has become one of the main direction by many technicians.Aiming at the characteristics of magnesium alloys welding and existing problems，it introduced the typical and potential welding method，such as TIG，friction stir welding，the typical resistance spot，and according to various welding technology in the pros and cons of the corresponding forecast and the forecast.

magnesium alloy；welding；welding tcchnology

TG457.19

C

1001-2303(2011)05-0090-03

2011-01-26

李 妍(1982—)，女，甘肅蘭州人，助教，碩士，主要從事焊接方法和弧焊過程的智能控制工作。