鎂合金焊接缺陷的產(chǎn)生及防止

張登魁，陳子昂，朱冬妹，樊喜剛

北京星航機(jī)電裝備有限公司 北京 100074

1 序言

鎂合金不僅輕質(zhì)高強(qiáng)、價(jià)格低廉，而且具有良好的減振性、鑄造性、導(dǎo)電性、電磁屏蔽性及散熱性等優(yōu)點(diǎn)，已成為許多工業(yè)產(chǎn)品的首選金屬材料。目前，鎂合金廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)的座艙骨架、設(shè)備支架、機(jī)輪輪轂等承載力較小的零部件[1]。

隨著現(xiàn)代大型制造裝備的轉(zhuǎn)型升級(jí)，輕質(zhì)鎂合金結(jié)構(gòu)件的需求變得非常迫切。但是，鎂合金焊接存在多種缺陷，難以得到高成形質(zhì)量、高綜合性能的焊接接頭。本文通過分析鎂合金焊接缺陷產(chǎn)生的原因，同時(shí)提出防治措施，可有助于鎂合金材料的推廣應(yīng)用，對(duì)制造裝備領(lǐng)域具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 鎂合金的焊接工藝

鎂合金常見的焊接工藝有熔化焊和固相焊兩大類。熔化焊主要有鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、電子束焊、激光焊等方法，固相焊主要是攪拌摩擦焊。其中，攪拌摩擦焊憑借焊前準(zhǔn)備工作少、無需保護(hù)氣體和焊材、可實(shí)現(xiàn)全位置焊接、焊件力學(xué)性能好、焊后應(yīng)力變形小等優(yōu)點(diǎn)已成為優(yōu)先考慮的焊接方法。但是攪拌摩擦焊具有焊件必須剛性固定、焊接速度低、攪拌頭磨損快、焊縫端部易形成鍵孔等缺點(diǎn)，導(dǎo)致熔化焊成為常見焊接方法。

3 鎂合金焊接缺陷分析

鎂合金具有易蒸發(fā)、易氧化、易氮化、熱應(yīng)力大等缺點(diǎn)，焊接時(shí)往往表現(xiàn)出多種焊接缺陷?，F(xiàn)重點(diǎn)梳理氣孔、熱裂紋、變形等常見缺陷的形成原因及防止措施。

3.1 氣孔

（1）形成原因 氣孔常出現(xiàn)于熔化焊接頭的焊縫中。例如，圖1所示為普通壓鑄AZ91D鎂合金鎢極氬弧焊接頭焊縫的氣孔形貌，有以氫氣為主導(dǎo)的析出型微觀氣孔、以氮?dú)鉃橹鲗?dǎo)的卷入型宏觀氣孔兩種[2]。

圖1 AZ91D鎂合金氬弧焊縫氣孔的內(nèi)壁形貌

氣孔的形成主要?dú)w結(jié)于兩種原因：一種是由于焊接熔池冶金反應(yīng)生成的不溶性氣體聚集于凝固的枝晶晶體間，不易排出而形成氣孔；另一種是由于焊接熔池吸收溶解了一些外部氣體，而凝固階段，氣體溶解度隨著熔池溫度的陡降而迅速降低，氣體容易聚集于正在生長的枝晶前沿，沿結(jié)晶層形成氣孔。

鎂合金熔化焊時(shí)，氣孔主要來源于溶解的氫氣，而熔池中的氫氣主要來自母材、焊絲或弧柱氣氛周圍的水分。鎂合金導(dǎo)熱性很強(qiáng)，熔池凝固的速度很快，造成氫來不及逸出而形成氣孔。同時(shí)，鎂合金表面易生成MgO薄膜，Mg含量越多導(dǎo)致MgO越多，MgO相對(duì)Al2O3等氧化物較疏松，更易吸附水分而形成氣孔。

目前，熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）焊縫的氣孔率最高，這是由于MIG焊靠的就是焊絲不斷熔化，焊絲中氧化膜會(huì)使附著的水分強(qiáng)烈溶入熔滴，造成熔池增氫。電子束焊和激光焊焊縫中的氣孔率也較多，這是由于這兩種方法的焊接熱輸入較少、熔池冷卻速度較快，熔池的氫來不及逸出導(dǎo)致的。

（2）防止措施 焊前處理：機(jī)械清理和化學(xué)清洗相結(jié)合，盡可能去除母材和焊絲表面的氧化膜及油污；采用烘干手段盡可能去除母材和焊絲表面的水分；盡量避免在潮濕的環(huán)境中焊接。

優(yōu)化焊接參數(shù)：焊接參數(shù)可影響熔池中氣體逸出和溶入的條件，當(dāng)逸出條件比溶入條件有利，才可能降低氣孔率。圖2所示為LF6鋁鎂合金氣孔傾向與焊接參數(shù)的關(guān)系[3]，焊接電流與焊接速度均較大時(shí)有利于氣孔減少。

保護(hù)氣氛具有適當(dāng)?shù)难趸裕簭姆乐谷軞涞慕嵌瓤紤]，在Ar、He等焊接保護(hù)的惰性氣體中添加少量CO2或O2，有助于降低氣孔率。

圖2 LF6鋁鎂合金氣孔傾向與焊接電流、焊接速度的關(guān)系[3]

3.2 熱裂紋

（1）形成原因 最常見的熱裂紋有凝固裂紋和液化裂紋。凝固裂紋是焊縫金屬在凝固溫度降低至固相線附近時(shí)，因晶間殘存的液膜分離所造成的裂紋。液化裂紋是近縫區(qū)在過熱條件時(shí)，晶間相熔化成液相，液膜分離而開裂。例如，圖3所示為ZK60鎂合金在激光焊接時(shí)，不同焊接速度對(duì)應(yīng)的焊縫中凝固裂紋狀況[4]。

在焊接過程中，主合金元素鎂很容易和鋁、銅、鎳等微量元素反應(yīng)生成低熔點(diǎn)共晶化合物。凝固時(shí)，在脆性溫度區(qū)間，這些未凝固的低熔共晶會(huì)以液體薄膜的形式分布于晶間，嚴(yán)重降低了晶間結(jié)合力。鎂合金的熱膨脹系數(shù)較大，焊接時(shí)產(chǎn)生了較大的熱變形，凝固時(shí)會(huì)受到較大的收縮應(yīng)力，晶間的液體薄膜難以抵抗這種收縮應(yīng)力，便很容易開裂生成凝固裂紋。同理，鎂合金的導(dǎo)熱率和應(yīng)變速率較大，焊接熱循環(huán)很快使近縫區(qū)晶間相熔化，晶界處力學(xué)性能下降，容易在應(yīng)力作用下開裂。

（2）防止措施 調(diào)整母材和焊絲中元素含量：限制母材和焊絲中易偏析元素、有害雜質(zhì)的含量，盡量減少焊縫中發(fā)生的宏觀偏析和聚集的低熔第二相。

優(yōu)化焊接參數(shù)：可通過選擇合理的焊接速度，圖4所示為熔池形狀與焊接速度的關(guān)系[3]。低速焊接時(shí)，熔池表現(xiàn)為橢圓形，柱狀晶呈人字紋路向焊縫中部生長，不易形成偏析弱面，熱裂紋傾向??；但高速焊接時(shí)，熔池表現(xiàn)為淚滴形，柱狀晶近似垂直地向焊縫軸線方向生長，易在會(huì)合面處形成偏析弱面，熱裂紋傾向大。也可通過適當(dāng)降低焊接熱輸入來細(xì)化晶粒尺寸、減少晶間相尺寸，通過降低冷卻速度來減緩焊縫凝固收縮的應(yīng)變程度，這些均可以減少熱裂紋產(chǎn)生。

合理控制拘束：通過控制拘束，盡可能減少接頭的應(yīng)變。例如，選擇合適的焊接順序。焊接順序不當(dāng)時(shí)，最后幾道焊縫有可能處于大拘束狀態(tài)，難以自由收縮，應(yīng)變量明顯增大、容易產(chǎn)生裂紋。

圖3 ZK60鎂合金激光焊時(shí)，不同焊接速度對(duì)應(yīng)的焊縫中裂紋凝固狀況[4]

圖4 熔池形狀與焊接速度的關(guān)系[3]

3.3 變形

（1）形成原因 鎂合金導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)大，所以焊縫冷卻速度快，近縫區(qū)和母材很容易受到收縮應(yīng)力的作用而產(chǎn)生較大變形，最終形狀、尺寸發(fā)生改變。例如，圖5所示為一種鋁鎂合金由于接管角焊縫距離筒體環(huán)焊縫太近，產(chǎn)生下凹變形[5]。

圖5 鋁鎂合金接管角焊縫產(chǎn)生的下凹變形[5]

（2）防止措施 優(yōu)化焊縫結(jié)構(gòu)：合理布局焊縫位置，保證每條焊縫都有充足的散熱空間，避免區(qū)域內(nèi)焊縫過于集中；選擇合適的焊縫形狀和尺寸[6]。

增加剛性固定：焊接鎂合金板時(shí)，采用專用夾具、支撐桿等裝置將鎂合金板固定在工作臺(tái)上。焊后冷卻至室溫后，采用錘擊法釋放部分焊接應(yīng)力，然后再去掉剛性固定。

焊前預(yù)熱：焊前預(yù)熱，使母材溫度升高，保證焊接時(shí)的焊縫金屬與周圍母材的溫差降低，從而降低焊接收縮內(nèi)應(yīng)力。

選擇合理的焊接順序：將構(gòu)件適當(dāng)劃分成若干小單元，先分別焊接各小單元，然后再將小單元整體焊接，使不對(duì)稱焊縫或收縮量較大的焊縫能比較自由地收縮而不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)[7]。

反變形控制：預(yù)估焊接變形的大小和方向，然后在焊接裝配時(shí)設(shè)置方向相反、大小相等的人為變形，使焊接產(chǎn)生的變形與預(yù)置的反變形相抵消。

3.4 其他缺陷

（1）孔洞 孔洞常出現(xiàn)于攪拌摩擦焊接頭的焊縫中。例如，圖6所示為AZ31鎂合金攪拌摩擦焊焊縫中的孔洞缺陷[8]。鎂合金焊接時(shí)，當(dāng)焊接熱輸入不夠，會(huì)造成熔敷金屬的塑性變形不充分，材料流動(dòng)性差，焊縫內(nèi)部出現(xiàn)未完全閉合的現(xiàn)象，形成孔洞；當(dāng)焊接熱輸入太大，會(huì)造成攪拌頭前進(jìn)側(cè)的焊縫材料膨脹溢出，回填不充分，形成孔洞；當(dāng)采用不帶螺紋的柱狀或者錐狀攪拌頭時(shí)，也會(huì)造成焊縫區(qū)材料塑性變形不充分，容易形成孔洞。可通過合理控制焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度來調(diào)整焊接熱輸入，或者選擇合適的攪拌頭幾何形狀等手段來避免孔洞缺陷的產(chǎn)生。

圖6 AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭的孔洞缺陷（AS為前進(jìn)側(cè)，RS為后退側(cè)）[8]

（2）燒穿 燒穿常出現(xiàn)于熔化焊接頭的焊縫中。由于氧化鎂熔點(diǎn)高、鎂合金熔點(diǎn)低，兩者附著在一起很難熔合，鎂合金薄板焊接時(shí)，便很難觀察到焊縫熔化。熱輸入一旦升高至不合理區(qū)間，熔池顏色也沒有顯著變化，但是熔池下方未熔化的金屬卻無法抵抗它所受的應(yīng)力作用，此時(shí)便出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象。焊接前做好鎂合金表面的清理工作，清理后盡可能及時(shí)焊接，可避免燒穿缺陷的產(chǎn)生。另外，通過優(yōu)化焊接參數(shù)來限制熔深，也可避免燒穿。

4 鎂合金焊接缺陷的典型案例分析

采用激光焊、電子束焊分別焊接6mm厚GW63K鎂合金，得到的焊縫宏觀形貌分別如圖7、圖8所示。兩種熔化焊焊縫均出現(xiàn)了明顯的飛濺、咬邊等缺陷，這是由于鎂合金熔點(diǎn)較低、熱膨脹系數(shù)較大、焊接熱輸入較大造成的，后續(xù)可通過降低焊接熱輸入等方法進(jìn)行工藝優(yōu)化。

圖7 GW63K鎂合金激光焊焊縫宏觀形貌

圖8 GW63K鎂合金電子束焊焊縫宏觀形貌

5 結(jié)束語

鎂合金焊接時(shí)，會(huì)出現(xiàn)難以避免的氣孔、熱裂紋、變形、孔洞及燒穿等焊接缺陷。焊接工藝人員可以借鑒上述提出的各種缺陷的防治措施，從優(yōu)化焊接參數(shù)、調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面著手，達(dá)到防止焊接缺陷的目的。