鎂合金焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀

徐 琦,梁永政

(1.國家建筑城建機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,湖南長沙 410013;2.安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,河南安陽 455000)

鎂合金焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀

徐 琦1,梁永政2

(1.國家建筑城建機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,湖南長沙 410013;2.安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,河南安陽 455000)

鎂合金發(fā)展前景廣闊,但焊接性較差限制了其應(yīng)用。文章介紹了鎂合金的鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊、激光焊、攪拌摩擦焊、電子束焊、電阻點(diǎn)焊等常用的幾種焊接方法及其研究現(xiàn)狀,提出了鎂合金焊接今后的研究方向。

鎂合金;焊接;研究

鎂合金密度為1.74～1.85 g/cm3,是目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)材料,具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和較好的加工性能,以及無磁性與電磁屏蔽性、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程結(jié)構(gòu)材料”[1,2]。鎂合金在航空、汽車、電子工業(yè)中應(yīng)用前景廣闊,但鎂合金的應(yīng)用與鋁合金以及鋼鐵材料相比狀況不容樂觀,主要受成形方式單一、焊接性差以及耐蝕性差這三方面原因制約。鎂合金目前應(yīng)用主要是通過壓鑄加工成形應(yīng)用在電子產(chǎn)品外殼以及汽車零部件,相對于眾多的應(yīng)用領(lǐng)域和大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于鋼鐵和鋁合金,鎂合金材料的特性和優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到發(fā)揮和利用[3]。

焊接是金屬材料加工技術(shù)中一種重要的方法,目前鎂合金成形研究還主要集中在壓鑄上。若要加工出尺寸更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的鎂合金零件,只能采用焊接成形。由于鎂合金結(jié)晶溫度區(qū)大、熔點(diǎn)低、化學(xué)活性大、導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)高,致使在焊接的過程中容易出現(xiàn)氣孔、熱裂紋、夾雜、晶粒粗大等焊接缺陷[4,5]。鎂合金的焊接成為了制約鎂合金應(yīng)用的一大瓶頸,因此鎂合金焊接技術(shù)成為了國內(nèi)外很多學(xué)者研究的主要方向之一。本文主要介紹了鎂合金材料的焊接技術(shù)發(fā)展的近況,并展望了未來的發(fā)展。

1 鎂合金的焊接方法

1.1 鎢極氬弧焊(TIG焊)

鎢極氬弧焊是目前廣泛采用的焊接鎂合金方法,是在惰性氣體保護(hù)下,利用鎢電極與工件之間產(chǎn)生的電弧熱融化母材和填充焊絲的一種焊接方法。其工藝與焊接鋁合金時(shí)相同,大多采用交流(AC)或直流反極性(DCEP)。焊接時(shí)鎂合金作為負(fù)極,利用其在母材表面上產(chǎn)生的陰極點(diǎn)破壞,蒸發(fā)去除母材表面上的氧化膜。由于交流法熔深大,電極消耗小,所以應(yīng)用比較廣泛[6]。TIG焊接工藝特別適合鎂合金薄板的焊接,但由于鎂合金熱膨脹系數(shù)大,容易產(chǎn)生焊接裂紋、應(yīng)力集中、焊后變形等缺陷,因此需要采用夾具固定、坡口處理和焊前焊后熱處理等措施,從而獲得完整的焊接接頭。為了實(shí)現(xiàn)焊接鎂合金厚板,獲得較大的熔深,提高生產(chǎn)效率,常采用活性鎢極氬弧焊(A-TIG)。焊接前,在焊接區(qū)域涂上單一活性劑TiO2或者氯化物L(fēng)iCl、CaCl2、CdCl2、PbCl2、CeCl3等,焊接時(shí)活性劑會(huì)引起電弧收縮或改變?nèi)鄢貎?nèi)金屬流態(tài),進(jìn)而增加熔深?；钚枣u極氬弧焊可以使焊縫熔深增加2倍,接頭焊縫熔合良好,沒有裂縫、夾渣、氣孔等缺陷。通過這種方法可以實(shí)現(xiàn)鎂合金中厚板的焊接,加工成本低,生產(chǎn)效率高,是一種有較為廣闊應(yīng)用前景的焊接技術(shù)。

美國L.F.Lockwood[7]在上世紀(jì)五六十年代就進(jìn)行了鎂合金薄板的交直流TIG焊接試驗(yàn),研究了保護(hù)氣體、電弧長度以及電流性質(zhì)等參數(shù)對焊縫成形的影響。中田一博[8]對不同種類鎂合金的TIG結(jié)果進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)對AZ31B鎂合金進(jìn)行TIG填絲焊接時(shí),當(dāng)焊絲為AZ61A和AZ912A時(shí)可得到良好性能的接頭,其抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的95%以上。劉金華等[9]對8 mm厚的AZ31B鎂合金板材分別進(jìn)行了焊接裂紋實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)在自拘束條件下,自熔焊焊縫區(qū)焊后立即產(chǎn)生焊接熱裂紋,斜Y型坡口填絲焊焊縫區(qū)在焊接電流為170 A和180 A的情況下出現(xiàn)焊接熱裂紋。自熔焊焊接熱裂紋是沿晶擴(kuò)展,填絲焊焊縫熱裂紋是沿晶與穿晶的混合擴(kuò)展,裂紋在擴(kuò)展過程中存在分叉裂紋。

1.2 熔化極鎢極氬弧焊(MIG)

與TIG焊接相比,鎂合金的MIG焊接具有以下特點(diǎn):(1)焊接速度快,生產(chǎn)效率高,全自動(dòng)焊速度高達(dá)1 m/min左右;(2)由于以焊絲作電極,適宜的焊接范圍較窄;(3)由于熔融鎂的表面張力小,電極絲前端的熔滴難以脫離,且焊接電流過高時(shí)熔滴爆炸蒸發(fā)造成飛濺;(4)由于電極絲軟,送絲穩(wěn)定性差,在焊接過程中要采用推拉方式的特殊送絲裝置。

由于鎂合金沸點(diǎn)很低,蒸汽壓力上升很快,在MIG焊接中熔滴稍有過熱就會(huì)產(chǎn)生爆炸,造成大量飛濺,影響焊接進(jìn)行。MIG焊中熔滴有三種過渡形式,分別是短路過渡、脈沖過渡和噴射過渡,主要受焊接電流與送絲速度等因素影響。在短路過渡區(qū)與噴射過渡區(qū)的區(qū)域之間,焊接電流必須加脈沖以防止產(chǎn)生不適于鎂合金焊接的粗滴過渡。脈沖過渡的線能量要小于噴射過渡,適用于焊接中等厚度的板材,短路過渡適合于焊接薄板,噴射過渡可以用來焊接厚板。

Rethemeier和Wiesner[10]研究了MIG焊接鎂合金過程中填充金屬的熱輸入量對焊縫成形質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在MIG焊接鎂合金過程中,選用合適的熱輸入量,可以使焊后試件的抗彎曲強(qiáng)度達(dá)母材的50%,焊縫經(jīng)過處理后,強(qiáng)度可達(dá)母材的75%。大連理工大學(xué)研究了MIG焊鎂合金焊絲及其焊接工藝性能。

1.3 激光焊接(LBW)

激光焊接是一種高能密度的焊接工藝,在焊接時(shí),激光器產(chǎn)生激光束照射到待焊區(qū)域,待焊區(qū)材料汽化并在束流壓力和蒸汽壓力的共同作用下形成一個(gè)細(xì)長的小孔,小孔中的汽化金屬被電離并將攝入的能量完全吸收,然后將熱量傳遞給周圍材料使之熔化,在小孔附近形成熔池。與其他熔焊方法相比,激光焊焊速高、質(zhì)量好、無變形、焊道寬度和熱影響區(qū)窄、無需真空條件且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接等優(yōu)點(diǎn)。焊接鎂合金可以有效地減少焊縫中的內(nèi)應(yīng)力、裂紋和氣孔等缺陷,焊接接頭組織明顯細(xì)化,焊縫力學(xué)性能顯著提高。激光焊接變形小,而且接頭強(qiáng)度幾乎與基體相當(dāng)。

Weisheit、Galun和Hirage[11]等人研究了利用YAG激光器和CO2激光器對幾種鑄造鎂合金和擠壓鎂合金進(jìn)行激光焊接。結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于相同成分或不同成分的鎂合金,厚度從2 mm到8 mm均可利用激光焊接,并可得到很窄的焊縫和很大的熔深。接頭焊縫區(qū)為細(xì)晶組織,熱影響區(qū)的硬度和熔合區(qū)基本相同,微觀組織和接頭殘余應(yīng)力場是影響接頭疲勞強(qiáng)度的主要原因。激光焊接時(shí),焊縫的背面成形受熱輸入和氣體保護(hù)流量的影響,在恰當(dāng)?shù)暮附庸に嚄l件下可以得到很好的表面成形和高質(zhì)量的接頭。從外觀上看,焊縫連續(xù)、狹窄、變形很小,且無表面缺陷。Marva和Redwards[12]對CO2激光深熔焊焊接AZ91鎂合金影響焊縫形態(tài)的因素進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,熱輸入量和焊接參數(shù)的變化都會(huì)影響到焊縫的形態(tài),而同一工藝下兩種合金的性能也有一定的差別。

1.4 攪拌摩擦焊(FSW)

攪拌摩擦焊是在壓力作用下利用焊件接觸面之間的相對摩擦運(yùn)動(dòng)和塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的熱量,使接觸面及其附近金屬達(dá)到粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形,通過兩側(cè)材料間的相互擴(kuò)散和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而實(shí)現(xiàn)連接的固態(tài)焊接方法[13]。該方法是上世紀(jì)90年代英國焊接研究所首先提出的,工作原理示意圖如圖1[14]所示。

圖1 攪拌摩擦焊示意圖

攪拌摩擦焊不需要填充材料,沒有飛濺、煙霧、弧光、有害氣體等。是固相連接,加熱溫度低,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(qiáng)度幾乎與母材相當(dāng)。焊接溫度低于合金元素的熔點(diǎn),從而避免了合金內(nèi)易揮發(fā)性元素和低熔點(diǎn)元素的損失,接頭內(nèi)不易形成氣孔和熱裂紋等焊接缺陷。這些優(yōu)點(diǎn)使得攪拌摩擦焊在鎂合金應(yīng)用上具有明顯優(yōu)勢,國內(nèi)外學(xué)者對多種鎂合金進(jìn)行了FSW焊接試驗(yàn)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了AM60、AZ31、AZ61、AZ91等鎂合金的攪拌摩擦焊接[15]。

Won-Bae Lee[16]等人對AZ91D鎂合金進(jìn)行了FSW焊接試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)接頭質(zhì)量最高時(shí),焊速為187 mm/min,攪拌頭轉(zhuǎn)速為115～131 r/s。接頭由攪拌區(qū)(Sz)、熱機(jī)械影響區(qū)(TMAz)、熱影響區(qū)(HAz)和基體4部分構(gòu)成。其中攪拌區(qū)為細(xì)小的等軸晶粒,硬度稍有提高,而抗拉強(qiáng)度明顯提高。Esparza[17]等研究了鎂合金的FSW過程組織變化,并指出熔核區(qū)包含具有大量位錯(cuò)的再結(jié)晶組織。Setung Huwan等[18]研究分析了鎂合金FSW接頭的微觀組織,認(rèn)為微觀組織的演變是由于攪拌旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的剪切變形所致。張永紅[19]等對擠壓態(tài)變形鎂合金AZ31B進(jìn)行FSW連接,發(fā)現(xiàn)接頭的外觀成形好,各區(qū)域微觀組織差異較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在一定的焊接速度下,接頭抗拉強(qiáng)度隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而提高,到一定程度后,隨著旋轉(zhuǎn)速度的繼續(xù)增大接頭抗拉強(qiáng)度減小。

采用攪拌摩擦焊還可以實(shí)現(xiàn)鎂合金材料與銅合金材料、鋁合金材料的異種材料焊接,避免了這些異種材料熔化焊時(shí)出現(xiàn)的脆性金屬間化合物,接頭質(zhì)量顯著提高。攪拌摩擦焊在船舶制造、海洋工業(yè)、航空航天等行業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。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(dòng)力,被焊零件需要有一定的剛性。同時(shí)攪拌摩擦焊多采用平板對接焊,難以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接。

1.5 電子束焊(EBW)

電子束焊接(EBW)是利用高電場產(chǎn)生的高速電子,經(jīng)匯聚形成的高速電子流撞擊被焊金屬的接縫,使其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,從而令金屬熔化而形成焊接的一種方法[20]。鎂合金因具有較低的熔點(diǎn)、較高的化學(xué)活性及高的熱導(dǎo)率,鎂合金焊件接頭強(qiáng)度一般低于母材。電子束焊接是在真空下進(jìn)行,焊接過程不受氧氣等氣體的影響,熱損失很小,加熱速度快,電子束精確可調(diào),無論是對鎂合金薄件還是厚件均可一次焊透。采用電子束焊時(shí),由于鎂合金的蒸汽壓較高,因而所形成的小孔尺寸比其它金屬大,易在焊縫根部形成氣孔。因此,要求在焊接中密切監(jiān)控操作工藝以防止熔融金屬過熱產(chǎn)生孔。采用諸如使電子束沿著圓周震動(dòng)和減少電子束聚集度等操作工藝,將有助于獲得良好的焊接質(zhì)量。此外,熔融鎂的表面張力很小,比鋁小50%,因此在焊接過程中很容易發(fā)生焊縫下榻。研究表明,與激光焊相比,使用電子束焊得到的鎂合金接頭質(zhì)量更好,如熔深更大、熔寬更小,焊接速度更高。

日本科技人員對純鎂和AZ31鎂合金進(jìn)行了電子束焊接試驗(yàn),結(jié)果表明,兩種焊縫表面光滑,都沒有氣孔和裂紋。AZ31合金熔融區(qū)與熱影響區(qū)的界面清晰可見,晶粒尺寸明顯不同;相比之下純鎂的熔融區(qū)與熱影響區(qū)界面模糊,晶界不明顯。對于兩種基體,都未發(fā)現(xiàn)焊接速度對熔融區(qū)橫截面晶粒尺寸的明顯影響[21]。鐵、鋁合金EBW具有明顯的熔合線,而鎂合金EBW熔合線很模糊,難以分辨。Wu[22]等研究結(jié)果表明,鎂合金的EBW和氬弧焊的熔合線都隨著合金中Al含量的增多而變得模糊。Bach[23]等研究發(fā)現(xiàn)AZ31變形鎂合金和AM50A以及AZ91D鑄造鎂合金在適當(dāng)?shù)暮附庸に囅掠梅钦婵针娮邮附泳傻玫搅己玫慕宇^。相對較高的能量密度可以允許焊接速度達(dá)到15 m/min,這樣熱輸入較小,焊接效率高。通過填絲可以得到無縮松、縮孔和氣孔等缺陷的焊縫,接頭的靜載荷可以與母材相當(dāng),接頭的抗腐蝕性能甚至好于母材。高速高效可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的非真空電子束焊接為鎂合金的大面積應(yīng)用提供了新的途徑。但非真空電子束焊的保護(hù)措施還需要進(jìn)一步研究。

1.6 電阻點(diǎn)焊(RSW)

部分鎂合金的框架、隔板、儀表艙等的焊接可采用電阻點(diǎn)焊來完成。點(diǎn)焊鎂合金板材和擠壓材時(shí)與點(diǎn)焊鋁合金所需要的設(shè)備和條件很相似。由于鎂合金電阻小、散熱系數(shù)大,故點(diǎn)焊鎂合金是需要大電流短時(shí)間的強(qiáng)規(guī)范焊接。點(diǎn)焊所用電極材料為高導(dǎo)電的銅合金,由于鎂易與銅電極發(fā)生反應(yīng)使電極與試件之間發(fā)生粘附,影響焊接質(zhì)量,因此電極端部需要打磨光滑且要較強(qiáng)冷卻。同時(shí),需要對焊件進(jìn)行焊前清理,去掉其表面的氧化物和鉻化物保護(hù)膜來改善焊接質(zhì)量。

電阻點(diǎn)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(shí)間等工藝參數(shù)對鎂合金薄板進(jìn)行電阻點(diǎn)焊,力學(xué)性能能夠達(dá)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(diǎn)。Albright[24]等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用合理的焊接參數(shù)可以獲得完美的紐扣狀焊點(diǎn),極少出現(xiàn)表面接觸不良、電極造成缺口的現(xiàn)象。王亞榮[25]等采用交流電阻點(diǎn)焊焊接了AZ31B鎂合金。分析了點(diǎn)焊接頭的顯微組織,研究了點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的變化規(guī)律,研究了AZ31B鎂合金交流點(diǎn)焊中焊接電流、電極壓力及焊接時(shí)間等工藝參數(shù)對接頭拉剪力的影響規(guī)律。結(jié)果表明,1 mm厚的AZ31B鎂合金板,在電極壓力為2 475 N、預(yù)壓時(shí)間為20周波、焊接電流為17 000 A、焊接時(shí)間為10周波的實(shí)驗(yàn)條件下,鎂合金點(diǎn)焊的拉剪力達(dá)1 980 N。Sun等[26]研究了鎂合金RSW接頭的顯微組織,結(jié)果表明,鎂合金RSW接頭主要由焊核區(qū)和熱影響區(qū)組成。焊核區(qū)含有兩種不同的組織結(jié)構(gòu)。焊核中心為等軸晶結(jié)構(gòu),焊核邊沿為胞狀-樹枝晶結(jié)構(gòu),焊核區(qū)這種組織結(jié)構(gòu)的過渡是由于焊核中心與邊沿凝固條件不同所致。焊核區(qū)裂紋敏感性較高。熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)晶界熔化及粗化現(xiàn)象。

2 結(jié)束語

由于鎂合金有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用優(yōu)勢,在工業(yè)生產(chǎn)中受到高度重視,隨著鎂合金應(yīng)用的發(fā)展,

作為鎂合金成形方法之一的鎂合金焊接技術(shù)也逐步成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。TIG是鎂合金最常用的焊接方法,但能量密度不高,熔深較淺,熱影響區(qū)較寬,而活性TIG可以改善鎂合金TIG焊熔深淺的缺點(diǎn),是鎂合金電弧焊未來的發(fā)展方向。FSW作為固相連接技術(shù)應(yīng)用于鎂合金的焊接具有獨(dú)特的優(yōu)勢,是鎂合金焊接頗具應(yīng)用前景的焊接方法。隨著鎂合金的應(yīng)用越來越多,將會(huì)遇到鎂合金與鋼、鋁合金等異種金屬的焊接問題。鎂合金與其它金屬異種材料的焊接問題還有待進(jìn)一步研究。

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Abstract:Magnesium alloys have a wide development prospect,but their poor weldability restricts their wider application.The results of recent investigations on the welding techniques were reviewed.The characteristics of gas tungsten arc welding,mctal inertia gas welding,laser welding,friction stir welding,electron beam welding and resistance spot welding were summarized.The research trend of magnesium alloys welding is also brought forward.

Key words:magnesium alloys;welding;research

離的工藝流程,該流程簡單實(shí)用,藥劑制度成熟,易

Research on Welding of Magnesium Alloys

XU Qi1,LIANG Yong-zheng2
(1.China National Supervision&Test Center for Construction and Urban Building Machinery,Changsha410013, China;2.Department of Mechanical Engineering A nyang Institute of Technology,A nyang455000,China)

TG44

A

1003-5540(2012)04-0045-05

2012-06-21

國家自然科學(xué)基金(51105002)

徐琦(1978-),男,工程師,主要從事材料表面處理及檢測。