鎂/鋼異種金屬焊接研究綜述

張超　單琪

摘要：鎂/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)在航空航天、船舶和汽車等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，鎂/鋼之間的物理化學(xué)性質(zhì)差異巨大，難以實(shí)現(xiàn)兩者的可靠焊接。本文主要從鎂鋼的焊接方法入手，介紹國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，指出各種焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出目前鎂/鋼焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)，同時(shí)探討未來鎂/鋼異種金屬焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：鎂合金;鋼;焊接方法;界面組織

鎂及鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度高和易加工等優(yōu)點(diǎn)，在工程應(yīng)用中有著廣闊的應(yīng)用前景。因此鎂合金被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程金屬材料”。在交通運(yùn)輸工具的生產(chǎn)中采用鎂合金替代大密度的鋼結(jié)構(gòu)既能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又能減輕結(jié)構(gòu)重量，對(duì)于節(jié)能減排有著巨大的意義，且中國是鎂資源大國，研究鎂合金的工程應(yīng)用對(duì)中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。因此，對(duì)于鎂鋼異種金屬焊接領(lǐng)域的研究越發(fā)重要。然而，鎂/鋼之間的物理化學(xué)性質(zhì)差別巨大，難以實(shí)現(xiàn)兩者的可靠焊接。首先，Mg的熔點(diǎn)為650℃，F(xiàn)e的熔點(diǎn)為1538℃，兩者的熔點(diǎn)差異巨大，傳統(tǒng)熔焊時(shí)鎂剛剛?cè)刍欢撨€處于固態(tài)，鋼熔化時(shí)鎂早已汽化，兩者不能同時(shí)以液相存在發(fā)生互溶，形成良好的熔池。其次，Mg和Fe之間的固溶度非常低，難以形成金屬間化合物，所以很難實(shí)現(xiàn)鎂和鋼的冶金連接。同時(shí)由于鎂/鋼之間的導(dǎo)熱系數(shù)差別較大，焊接接頭容易存在較大的殘余應(yīng)力。因此，為了實(shí)現(xiàn)鎂鋼的可靠連接，鎂鋼之間的新型焊接方法成為了研究重點(diǎn)。

本文主要從鎂鋼的焊接方法入手，指出各種焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹國內(nèi)外鎂/鋼焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出目前鎂/鋼焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)，同時(shí)探討未來鎂/鋼異種金屬焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 鎂/鋼的攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（FSW）使鎂/鋼等熔點(diǎn)差距較大的異種金屬焊接時(shí)較為常見的焊接方法，利用攪拌針對(duì)工件金屬不斷攪拌前進(jìn)，摩擦產(chǎn)生一定的熱量使焊縫金屬塑性化連接在一起，實(shí)現(xiàn)鎂/鋼的可靠焊接[1]。

焊接工藝對(duì)鎂鋼攪拌摩擦焊接頭性能影響極為重要，M.Jahazi等[2]研究了焊接速度對(duì)接頭的影響，發(fā)現(xiàn)在較低的熱輸入下，攪拌區(qū)的晶粒尺寸隨著焊接速度的增加而減小，同時(shí)焊接速度越高，攪拌區(qū)的硬度就越高。當(dāng)焊接速度增大時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度會(huì)先增大然后在一定范圍內(nèi)保持不變。攪拌摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)很多，然而由于焊接時(shí)要求工件必須剛性固定，單道焊時(shí)，焊接速度不是很高等原因，攪拌摩擦焊的應(yīng)用仍然有很大的局限性。

2 鎂/鋼的擴(kuò)散焊

擴(kuò)散焊一般在真空下進(jìn)行，在一定的高溫下緊壓工件，使工件表面產(chǎn)生一定的微觀塑性變形，使接觸面金屬原子相互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)可靠焊接。

重慶大學(xué)的袁新建等[3]在鎂/鋼的焊接中研究了一種以純銅作中間層的新型的兩步式擴(kuò)散釬焊方法。先將不銹鋼在850℃下與銅進(jìn)行擴(kuò)散焊，再與鎂合金在495℃和520℃下進(jìn)行釬焊。研究發(fā)現(xiàn)鎂合金和銅之間形成了CuMg金屬間化合物，不銹鋼和銅之間形成了FeCu擴(kuò)散界面，隨著焊接時(shí)間越長，CuMg金屬間化合物層的厚度越大，銅層的厚度越小。

卡爾加里大學(xué)的Waled Elthalabawy等[4]研究了316L不銹鋼與AZ31鎂合金擴(kuò)散焊的液相連接界面層原理，發(fā)現(xiàn)Cu和Ni中間層均會(huì)與Mg形成共晶相，隨著焊接時(shí)間的增加，金屬間化合物的形成和Mg的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致共晶相等溫凝固。三元金屬間相的形成和等溫凝固階段結(jié)束時(shí)共晶相的消失極大削弱了接頭剪切強(qiáng)度。

3 鎂/鋼的熔釬焊

3.1 激光熔釬焊

鎂/鋼激光熔釬焊既可以不許填充材料直接焊接，也可以添加焊絲，加入Zn、Ni等中間層來實(shí)現(xiàn)鎂/鋼界面的冶金結(jié)合。滑鐵盧大學(xué)的AliM.Nasiri等[5]使用FactSage熱化學(xué)軟件預(yù)估AZ92鎂合金和鍍鎳板之間形成界面相的過程，發(fā)現(xiàn)加入Ni中間層后，沿鋼/熔合區(qū)界面會(huì)形成AlNi、Mg2Ni和Al3Ni2金屬間化合物，其中AlNi和Mg2Ni最有可能在激光熔釬焊的非平衡條件下形成。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的檀財(cái)旺等[6]通過焊絲中的微量Al元素和Cr元素調(diào)控焊縫中生成的金屬化合物層，在激光連接快速熱循環(huán)條件下，選取了以Cr元素輔助3%Al含量焊絲的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行焊接，解決了熔釬焊時(shí)Al元素的擴(kuò)散，極大地提高了鎂/鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。

3.2 電弧熔釬焊

鎂/鋼的電弧熔釬焊主要包括CMT熔釬焊、TIG熔釬焊和MIG熔釬焊。哈爾濱工程大學(xué)的苗玉剛等[7]對(duì)Q235鍍鋅鋼和AZ31鎂合金進(jìn)行了旁路分流MIG電弧熔釬焊試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)熔滴過渡時(shí)長的增加使鎂在鋼側(cè)的潤濕鋪展性能提高，減少了鎂/鋼金屬化合物層的厚度，同時(shí)保證了界面層元素的充分結(jié)合，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的70%。江蘇科技大學(xué)的靳廣勝[8]采用CMT電弧熔釬焊技術(shù)研究了不同焊接速度對(duì)鎂/鋼電弧熔釬焊微觀組織以及性能的影響。焊接速度越快，在釬焊區(qū)越容易產(chǎn)生MgAl相和MgZn相，反應(yīng)層厚度為6～8μm;焊接速度較小時(shí)，釬焊區(qū)會(huì)產(chǎn)生FeAl相和MgAl相，反應(yīng)層厚度為1～4μm。在最優(yōu)參數(shù)下，焊接接頭的拉剪強(qiáng)度可達(dá)到4.76kN。

3.3 激光電弧復(fù)合熔釬焊

激光電弧復(fù)合熔釬焊具有熱源能量密度集中，可精確控制熱輸入的優(yōu)點(diǎn)。Tan等[9]通過激光鎢極惰性氣體復(fù)合焊，以搭接的形式完成了鎂合金和鍍鋅鋼的焊接。發(fā)現(xiàn)在界面處產(chǎn)生了Fe3Al相和MgZn共晶組織。某些情況下，在FeAl反應(yīng)層處還形成了Al6Mn相。鎂合金中的元素Al擴(kuò)散到固/液界面，與鋼中的Fe元素和Mn元素反應(yīng)，有助于界面處的冶金結(jié)合。搭接接頭的最大拉剪強(qiáng)度達(dá)到68MPa。宋剛等[10]通過添加CuZn過渡層，實(shí)現(xiàn)了鎂/鋼的可靠焊接，研究表明利用激光電弧復(fù)合熱源能量密度梯度分布特征，結(jié)合添加過渡層，獲得良好的多組元液相共存環(huán)境和條件，是獲得鎂/鋼焊接高質(zhì)量接頭的重點(diǎn)。

4 電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊成本低廉，在汽車行業(yè)中應(yīng)用廣泛，研究鎂/鋼電阻點(diǎn)焊技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，節(jié)能環(huán)保。天津大學(xué)的袁濤[11]等在鎂/鋼的電阻點(diǎn)焊中加入了不同成分的粉末鋁熱劑，研究發(fā)現(xiàn)鋁熱劑可以作為異質(zhì)形核點(diǎn)，促進(jìn)了等軸樹枝晶的形核和長大，降低了熔核中心周圍區(qū)域溫度梯度，相較于不采用鋁熱劑，點(diǎn)焊接頭的拉剪強(qiáng)度最大提升了34.6%。

5 超聲波點(diǎn)焊

超聲波點(diǎn)焊是利用超聲波振動(dòng)，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜ哪Σ聊?，促進(jìn)金屬原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的一種固相焊接方法。加拿大的Patel VK等[12]進(jìn)行了鎂/鍍鋅鋼的超聲波電焊，發(fā)現(xiàn)在焊接接頭處產(chǎn)生了大量Mg7Zn3、Mg2Zn11和MgZn2金屬化合物層（IMC）使接頭失效。在加入Sn夾層參與反應(yīng)后，接頭的剪切強(qiáng)度顯著高于鎂/鋼和鎂/鍍鋅鋼接頭。Sn元素的充當(dāng)Mg和Fe結(jié)合的中間介質(zhì)，界面處產(chǎn)生了復(fù)合狀的Sn和Mg2Sn共晶結(jié)構(gòu)，極大提高了焊接接頭強(qiáng)度，同時(shí)Sn夾層的加入使焊接時(shí)達(dá)到最大接頭強(qiáng)度所需的焊接能量從1750降低到1500J，更加節(jié)能。

6 鎂/鋼焊接技術(shù)展望

鎂/鋼在汽車、船舶和航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，節(jié)能減排有著重大現(xiàn)實(shí)意義。然而鎂/鋼異種金屬焊接研究仍然有許多問題亟待解決。

（1）鎂/鋼界面反應(yīng)、金屬化合物層厚度難以精確控制。在鎂/鋼反應(yīng)中通過鍍層、涂層、夾層、焊絲等方式添加合金元素或提高鎂在鋼表面的潤濕鋪展雖然在一定程度上提高了焊接接頭強(qiáng)度，然而在實(shí)際操作中難以精確控制反應(yīng)量，需要開發(fā)更加精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)工藝或方法來控制元素在接頭界面的反應(yīng)，使焊接效果更加穩(wěn)定。

（2）現(xiàn)有焊接設(shè)備和技術(shù)仍有許多不足之處，難以完全滿足鎂/鋼的焊接需求。例如攪拌摩擦焊需要工件的剛性固定;擴(kuò)散焊對(duì)工件的尺寸有一定要求，生產(chǎn)效率較低，難以投入大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn);激光焊或激光復(fù)合焊焊接效果好然而成本高，難以推廣;電弧熔釬焊焊縫成型不好，接頭強(qiáng)度不能滿足工業(yè)需求。未來還需大力開發(fā)新型的復(fù)合焊接技術(shù)，集合多種焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，盡量降低生產(chǎn)成本，才能為鎂/鋼復(fù)合材料進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)鋪平道路。

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基金項(xiàng)目：江蘇高校“青藍(lán)工程”資助（蘇教師〔2019〕3號(hào)）;江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳項(xiàng)目（2018ZD045003）

作者簡介：張超（1987—），男，江蘇南京人，博士在讀，講師，研究方向：焊接技術(shù)。