压铸镁合金焊接气孔问题研究现状及发展

制造工艺前沿

2018年1月12日 17:46

摘　要：综述了近年来国内外针对压铸镁合金焊接气孔问题的研究现状及发展趋势，主要包括压铸镁合金焊接气孔的气体来源、形成机制、影响因素及防治措施４个方面。通过综合分析，认为母材中高的原始含气量是影响压铸镁合金焊接气孔倾向的主要因素。由于压铸镁合金原始含气量高，传统的防治焊接气孔产生的措施起到的作用都十分有限，采用冶金措施可能是解决压铸镁合金焊接气孔问题的有效方法。

一、前言

镁合金由于密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振性能好、压铸及机加工工艺性能好等优点，在汽车、航空航天、手持工具及３Ｃ产品等领域应用前景较好。目前镁合金件主要以压铸成型为主，但由于压铸工艺固有的工艺特点限制，镁合金压铸件内部含气量较高，这些气体在焊接（熔化焊）工艺过程会被释放并膨胀，在焊接接头中产生大量宏观及微观气孔缺陷，严重影响接头性能。因此，在工程应用中通常认为压铸镁合金不可焊接，这在一定程度上限制了镁合金压铸件焊接连接及表面缺陷焊接修复技术的发展。

鉴于此，本文从气体来源、形成机制、影响因素、防治措施４个方面，综述了国内外有关压铸镁合金熔焊气孔问题的研究现状，以期为国内外研究该问题的同仁提供方便、快捷的资料借鉴。

二、1Cr13不锈钢焊接的特点

由于1Cr13不锈钢的塑性和韧性都差,冷却时易在焊缝上和热影响产生裂纹,因此需要缓慢地冷却焊缝和热影响区及过热区。

在焊接热循环的作用下,热影响区晶粒急剧胀大,从而使焊缝变脆,即使选用的焊接材料与母材匹配的情况下,焊缝金属也会产生脆化问题,要选用的焊接材料以含Cr、Ni要高些为宜。

三、气孔气体的来源

对于气孔内气体的来源问题，总的来说，存在以下两种观点：第一种观点认为压铸镁合金熔焊气孔主要是氢致气孔，并指出其来源主要有两部分

（１）来自压铸镁合金母材本身，包括压铸过程产生的氢以及母材表面未被除去的氧化膜吸附的水分而产生的氢。压铸过程产生的氢，其来源可能是由于原材料不干燥或模具内壁涂料在高温时产生部分分解等，其在镁合金中以两种形式存在：原子氢和分子氢。原子氢间隙固溶于镁的晶格中或与之反应生成氢化物；分子氢存在于材料中的各种缺陷如气孔、缩孔、微裂纹、晶界等处；

（２）来自焊接时周围气氛的溶入，如空气中的水蒸气或保护气体中的水分进入熔池。赞同这种观点的研究者通过实验观察到焊缝的拉伸断口中气孔由内到外呈喇叭口形，内壁表面光滑，符合氢气孔的特征，并从理论上指出镁合金中氢的溶解度在镁由液态变为固态的过程中有一个突变，其溶解度降低60％左右，如图１所示。

第二种观点认为这些气孔应该主要来自于母材压铸过程中由于压铸高速充型导致的卷气行为。而这些气孔应该主要来自于空气中的氮气，并在焊接时受热聚集、长大，在焊缝快速凝固条件下，来不及溢出逃逸的气体最终形成宏观气孔分布于焊缝及近缝区。

四、气孔的影响因素

目前认为主要是母材的压铸成型工艺、母材化学成分及和焊接工艺对压铸镁合金焊接时产生气孔的倾向有影响。　

其中不同的焊接方法，焊接工艺也不尽相同。对于同一焊接材料，根据其尺寸不同，其焊接工艺也不同。因此，需要根据具体的焊接方法和材料成分以及尺寸选择合适的焊接工艺。

目前研究较多的是压铸镁合金激光焊接，但就激光焊接工艺对气孔倾向的影响，目前还没有一致的结论。图2 为焊接速度对压铸焊缝气孔率的影响。研究表明，随着焊接速度的减小以及激光功率的增大气孔率不断增加，他们认为这主要是因为焊接速度的减小以及激光功率的增大都会导致熔化的金属量增加，母材中原始气孔的膨胀与合并程度增大，从而使得气孔率增加。

五、气孔的防治措施

目前研究较多的是针对防止焊接氢气孔的产生，总的来说，从两方面入手，一方面减少熔池中氢的来源；另一方面尽量使氢在熔池凝固前以气泡的形式逸出。

一：母材表面焊前处理

母材的焊前清洗状况直接影响焊接时氢的来源。对镁合金钨极氩弧焊的研究表明，焊缝中的气孔率与焊前的清洗状况有直接关系，如图３所示。可以推测母材表面清洗状况对压铸镁合金焊接气孔也有类似的影响，但由于压铸镁合金母材氢含量较大，焊前清洗只能去除母材表面的氧化膜吸附的水分，因此此方法对于原始含气量较高的压铸镁合金而言，起到的作用是十分有限的。

二：选择合适的焊接工艺参数

氢气泡是在熔池凝固过程中形成的，气孔的大小、多少以及分布情况，都与熔池的存在时间有关。熔池的存在时间短，可以减少氢的溶入，但不利于氢的逸出；反之有利于氢的逸出，但也有利于氢的溶入。因此，焊接工艺参数对压铸镁合金焊接气孔的影响规律较为复杂，不同成型工艺及成分的压铸镁合金焊接气孔倾向不同，气孔产生的控制环节也不同。因此，调整焊接工艺参数并非是解决压铸镁合金焊接气孔问题的有效方法。

三：进行合理的气体保护

液态镁的表面张力小，与氧和氮的亲和力强，高温下容易与空气中的氧、氮反应，生成氧化膜，不利于气孔的控制，因此压铸镁合金焊接过程中一般要求采用惰性气体进行保护。焊接时要保证保护气体的纯度，合理选择气体的流量，保护气体流量不足与过量都会增加气孔，同时选择合适的吹气角度。

四：焊前预热与焊后重熔

焊前预热可以适当减少焊缝中的气孔，这是由于焊前预热可以降低母材的温度梯度，延长熔池的存在时间，有利于气体的逸出，从而降低焊缝中的气孔率。

五：冶金措施

对于原始含气量较高的压铸镁合金而言，传统的防治焊接气孔产生的措施如焊前清洗、优化焊接工艺，焊前预热以及焊后重熔等以减少氢气的来源和有利于气泡逸出的条件等起到的作用都十分有限，压铸镁合金焊接气孔问题仍然十分严重。

六、结　语

对于压铸镁合金焊接气孔的气体来源问题，目前存在两种不同的观点，第一种观点认为压铸镁合金熔焊气孔主要是氢致气孔；第二种观点认为这些气孔应该主要来自于母材压铸过程中由于压铸高速充型导致的卷气行为。

焊接熔池中的气体要经过气泡的形成、气泡的长大、气泡的逸出３个阶段。气孔的形成与金属液的凝固速度、粘度、密度以及气泡半径等有关。

压铸镁合金焊接气孔与母材的成型工艺、化学成分以及焊接工艺参数有关，其母材中高的原始含气量是影响焊接气孔倾向的主要因素。

由压铸工艺特点决定，压铸镁合金母材中的原始含气量较高，传统的防治焊接气孔的措施起到的作用都十分有限，压铸镁合金焊接气孔问题仍然十分严重。

采取一些冶金措施，如采用低含气量的材料对熔池进行稀释、添加其它元素提高氢在镁中的固溶度、引入能抑制或减少氢在熔池凝固过程中以气泡形式大量析出（形成稳定化合物）的元素，可能是防止压铸镁合金焊接气孔的有效方法。