技术 | 镁合金焊接技术的研究现状及应用

近年来，汽车设计者和生产商为了降低对环境的污染，在提高燃料的利用率和减少CO2的排放量方面开展了大量的研究，如寻找新的无污染燃料、改变汽车发动机的性能和减轻汽车质量等，其中减轻汽车的质量是最有效的一种方法。

例如，2000年生产的奔驰CL汽车采用外面铝合金，内侧镁合金的车门，质量比原来减少34%。意大利生产的第2代镁轮毂仅5.4kg，比铝轮毂7.4kg减少28%。对于一辆中等大小的汽车，其质量减轻10%，它的燃油量就可以减少6%～8%。因此，镁合金以其低密度和高比强度、高比刚度和可再回收利用等优点成为人们关注的焦点。

目前，在各类汽车中已不同程度地选用了镁合金，有关专家预计，每辆汽车中镁合金的质量将增加到40～80kg。由于镁合金的焊接性能不好，很难实现可靠连接，镁合金结构件以及镁合金与其它材料结构件之间的连接，成为制约镁合金应用的技术瓶颈和急待解决的关键技术之一。

1)密度小　镁的密度大约是铝的2/3，是铁的1/4。它是最轻的实用金属。

2)高比强度、高比刚度　镁合金的密度虽然比塑料高，但是，单位质量的强度和弹性率比塑料高，在保持同等强度的情况下，镁合金的零部件比塑料还薄，质量也轻。另外，由于镁合金的比强度比铝合金和铁高，在不减少零部件强度的前提下，镁合金要比铝或铁零部件的质量轻很多。

3)传热性好、导电性强　镁合金的传热系数比铝小，比钢大，比塑料高出数十倍，电导率大于铝和钢。

4)电磁屏蔽性能好　镁合金的电磁波屏蔽性能比在塑料上电镀屏蔽膜的效果还好，因此，使用镁合金可省去电磁波屏蔽膜的电镀工序。

5)机械加工性能好　镁合金比其它金属的切削阻力小，若镁合金切削阻力为1，则铝合金为1.8，黄铜为2.3，铸铁为3.5 。机械加工速度快，刀具使用寿命长。

6)对振动、冲击的吸收性高　由于镁合金对振动能量的吸收性能好，使用在驱动和传动的部件上可减少振动。另外，冲击能量吸收性能好，比铝合金具有更好的延伸率的镁合金，受到冲击后，能吸收冲击能量而不会产生断裂，由冲撞而引起的凹陷小于其它金属。

7)抗蠕变性能好　镁随着时间和温度的变化在尺寸上蠕变少。8)再生　镁合金与塑料不同，它可以简单地再生使用且不降低其力学性能，由于熔点低、比热容小，再生熔解时所消耗的能源是新材料制造耗能的4%。各种材料的性能比较见表1。

由于镁合金密度低，熔点低，热导率和电导率大，热膨胀系数大，化学活泼性很强，易氧化，且氧化物的熔点很高，使镁合金在焊接过程中会产生一系列的困难。主要问题如下。

1)粗晶问题　由于热导率大，故焊接镁合金时要用大功率热源、高速焊接，易造成焊缝和近缝区金属过热和晶粒长大，这是焊接镁合金时的显著特点之一。

2)氧化和蒸发　由于镁的氧化性极强，在焊接过程中易形成氧化膜(MgO)，MgO熔点高(2500℃)，密度大(3.2g/cm3)，易在焊缝中形成夹杂，降低了焊缝性能。在高温下，镁还容易和空气中的氮化合生成镁的氮化物，使接头性能变坏。镁的沸点不高(1100℃)，在电弧高温下很易蒸发。

3)热应力　镁及镁合金热膨胀系数较大，约为铝的1.2倍，在焊接过程中会易产生大的焊接变形，引起较大的热应力。

4)焊缝下塌　因为镁的表面张力比铝小，焊接时很容易产生焊缝金属下塌。

5)气孔　与焊铝一样，镁合金焊接时易产生氢气孔。氢在镁中的溶解度随温度的降低而减小，而且镁的密度比铝小，气体不易逸出，在焊缝凝固过程中会形成气孔。

6)热裂纹　镁合金易与其它金属形成低熔共晶体，在焊接接头中易形成结晶裂纹。当接头处温度过高时，接头组织中的低熔点化合物在晶界处会熔化出现空穴，或产生晶界氧化等，产生所谓的“过烧”现象。此外，镁及其合金易燃烧，所以在熔化焊接时需要惰性气体或焊剂的保护。　

近年来，随着镁合金结构件的出现，对于镁合金焊接的研究也越来越多。由于镁合金在焊接时存在上述特点，所以，目前大量的研究集中在怎样改善焊接接头组织结构和提高接头的性能方面。应用的焊接方法主要有钨极惰性气体保护焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)、搅拌摩擦焊(FSW)、摩擦焊(FW)、激光焊(LBW)、电子束焊(EBW)和电阻点焊(RSW)等。

4.1　TIG焊

钨极气体保护焊是目前镁合金最常用的焊接方法，它是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充金属从而形成结合的一种方法。根据保护气体的不同，可分为钨极氩弧焊和钨极氦弧焊。

钨极氩弧焊焊接镁合金，接头的变形小且热影响区较窄，接头的力学性能和耐腐蚀性能都较高。由于镁合金的特点，焊接时要使用交流电源，以去除氧化膜，焊接过程中主要存在气孔、夹杂和热裂纹等缺陷，利用活性焊接可以改善钨极氩弧焊接镁合金时存在的熔深浅的缺点。

镁合金化学活泼性很强，表面覆盖着一层氧化膜。焊接镁合金时采用交流钨极氩弧焊，可以同时兼顾阴极清理作用和合理分配两极发热量。由于焊接镁合金时速度快，且高温时镁合金易与氧气和氮气反应，故保护气体流量要较焊接其它金属时有所增大，以避免因气流滞后而使熔池暴露于空气中。

焊丝端部不得浸入熔池，以防止在熔池内残留氧化膜。焊丝应作前后不大的往复运动，不作横向摆动，这样可有助于焊丝端头对熔池的搅拌作用，破坏熔池表面的氧化膜。为了实现对厚板镁合金的焊接，增加熔深，许多研究集中于活性钨极氩弧焊(A-TIG)方面。在焊接镁合金之前，在焊接区域涂覆氯化物(LiCl，CaCl2，CdCl2，PbCl2，CeCl3)，然后施焊。

研究发现这些氯化物可以使熔深增加2倍。这主要是由于氯化物的添加增大了电弧电压和电弧温度，而且在焊接方向上增大了电弧的宽度，使得焊接过程中在增大热输入的同时伴随着热流的重新分布。在这些氯化物中，CdCl2的作用最为明显，由于Cd的第一电离能很高，CdCl2的熔点、沸点和分解温度低，因而焊接电压高，弧温高，增大了熔合区深度，可以获得更大的深宽比。中田一博对不同种类镁合金的TIG焊结果进行了整理，其接头强度如表2。

镁合金氩弧焊存在的主要缺陷是气孔和疏松。Munitz研究了GTAW焊接AZ91镁合金时的接头显微组织，如图1所示。在接头的显微组织中发现热影响区和焊缝内有连续的β-Mg17(AlZn)12析出，认为镁合金焊缝中气孔的形成与焊缝中的H2有密切联系。若焊接材料和保护气体中含有水分，焊接过程中发生置换反应，放出H2，H2的溶解度随温度的下降而急速减小，当焊缝的凝固速度过快，气泡来不及浮出焊缝金属表面时就形成了气孔。

Hwang等人认为氩弧焊焊接镁合金时，添加焊丝的成分以及保护气体的流量都是影响焊缝中气孔含量的因素，在焊接过程中通过增加保护气体的流量可以显著地减小气孔的数量、体积，并能减小焊缝中镁含量的损失，从而提高接头的力学性能。另外，对于气孔的防治，发现还可以通过焊接时尽量压低电弧(2mm左右)，以充分发挥电弧的阴极破碎作用并使熔池受到搅拌，从而使气体逸出熔池。

4.2   MIG焊

MIG焊中熔滴过渡形态与送丝速度及焊接电流的关系如图2所示。图中对应于一定直径的焊丝，在不同的焊接电流与送丝速度下存在3种不同的熔滴过渡形式，分别为短路过渡、脉冲过渡和喷射过渡。

在短路过渡区与喷射过渡区的区域之间，焊接电流必须加脉冲以防止产生不适于镁合金焊接的粗滴过渡。脉冲过渡的线能量要小于喷射过渡，适用于焊接中等厚度的板材，短路过渡适合于焊接薄板，喷射过渡可以用来焊接厚板。选取合适的焊接规范，可以得到表面成形好、力学性能高的接头。

表3列出了MIG焊接镁合金时典型的规范参数，给出了对于不同板厚的材料，应采用的电流、电压、坡口形状和焊丝直径等参考值。氩弧焊镁合金时焊缝中存在的另一缺陷是热裂纹。镁合金属于典型的共晶型合金，易熔共晶体的存在是镁合金焊缝产生凝固裂纹的重要原因之一。同时认为凝固裂纹的产生与电源脉冲频率有关，且裂纹的长度与熔合区晶粒的大小有关。

镁的膨胀系数很大，在拘束条件下焊接时，易产生较大的焊接应力促使裂纹的产生，但焊缝熔合区的细晶组织，可以将应力分散而使裂纹不易扩展。通过对弧长的跟踪控制，可以有效地避免焊接中断，防治弧坑裂纹的产生，并可最终得到表面成型良好、无裂纹和无夹渣的高质量焊缝。　

4.3   搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是20世纪90年代初由英国焊接研究所(TWI)首先提出的，是一种新型的固相连接技术。图3为搅拌摩擦焊的原理示意图。它是利用不同形状的搅拌头伸入到工件中的待焊区域，通过搅拌头在高速旋转时与工件之间产生的摩擦热使这一部分的金属处于塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从前端向后端塑性流动，从而使两个工件压焊形成一个接头。

在搅拌摩擦焊过程中，金属不发生熔化，焊接时温度相对较低，因此不存在熔焊时产生的那些缺陷，而且焊接过程中无飞溅、无气孔、无烟尘，无需添丝和保护气体，因此，对于镁合金的焊接具有独特的优势。通过对搅拌头旋转速度、倾角及插入速度和工件的行进速度等工艺参数的研究，发现在一个很宽的范围内均能得到令人满意的焊缝，焊缝上下表面光滑，几乎无变形。

由于焊接过程中不仅有塑性流动过程，而且同时伴随着动态恢复和再结晶过程，所以焊缝组织由中心向外分为3个部分：熔核区、机械热影响区和热影响区。接头显微组织见图4。

熔核区金属在搅拌头的作用下，温度较高，应变速率较大，金属不断地发生动态再结晶，得到高位错密度的再结晶组织，晶粒为等轴晶，并且晶粒和位错分布均匀。而在机械热影响区内组织由于存在塑性流动的趋势而接近等轴晶，在热影响区的组织进一步长大。由于接头区晶粒得到了细化，所以接头的硬度等于或高于母材，接头强度达到母材的85%以上，有的与母材等强，在搅拌区内的细晶区强度甚至高于母材，如图5所示。

接头的延展性同样由于晶粒的细化而好于母材(见图6)。搅拌摩擦焊接不仅可以成功地连接同种材料，而且对于镁合金与其它材料的连接同样适用。

美国得克萨斯州立大学的Anand研究了AZ31镁合金与6061铝合金的搅拌摩擦焊，形成的接头形貌、硬度分布及元素分布如图7所示。由于镁和铝两种材料在焊接过程中漩涡状流动，使得搅拌区内分为Mg、Al元素含量各不相同的片状剪切带。由于焊接过程同样存在大的塑性变形和固态流动，使得搅拌区内同样得到由动态再结晶得到的细晶组织。

总之，镁合金的搅拌摩擦焊可以获得无缺陷的焊接接头，显微组织与其它材料的搅拌摩擦焊接头相似，在搅拌区内为再结晶的等轴晶。焊接接头内没有残余应力存在，使得接头性能很好，镁合金不会因为时效析出沉淀相而使强度和其它力学性能有大的损。对于相同成分或不同成分的镁合金材料都可以通过搅拌摩擦焊来获得可靠的接头。

镁合金在汽车工业中的应用的年增长率达到20%，北美、欧洲、日本和韩国，1991年镁的使用量仅为2.4万t，到1997年则增至6.4万t，而在2000年仅福特汽车一家公司镁合金的使用量就达到2.2万t，并预计在2005年该公司的镁合金使用量将增至4.4～5.5万t。到2006年北美、欧洲、日本等地的汽车工业对镁合金的需求量将达到每年20万t。

这些国家和地区由汽车工业拉动的镁合金的需求量还将继续增长。目前，国外在汽车上大规模应用镁合金生产的零部件已超过60种，它们包括：

1)内部零件，如方向盘、座椅架、变速箱、空气囊固定架和各种仪表盘框架等;

2)各种箱体，如油箱、离合器外壳、齿轮箱、气缸前盖和各种通风管道等;

3)车体零件，如刹车踏板架、发动机焊件、车体后支架以及轮毂等。

预计2005年后，像气缸体、发动机罩、车顶板、门框和轮毂等焊件，也将用镁合金大批量生产。镁合金在汽车上的大量使用，使得镁合金的连接技术成为解决镁合金应用的迫切问题，各种焊接方法的研究都会得到广大研究者的进一步关注。

从目前来看，镁合金焊接的研究重点主要有以下几个方面。

1)镁合金焊接基础理论研究由于镁合金焊接刚刚起步，焊接电弧特性、熔池温度场、熔池流动、传热传质、熔滴过渡动力学等问题将是基础理论研究的重点。

2)镁合金焊接过程传感及控制镁合金焊接时，如何提取焊接过程的控制信号，如何根据熔池及电弧的特征控制焊接过程，目前常用的弧长控制、熔透控制、熔滴过渡控制等常用的控制方法能否适用等许多问题有待研究。

3)镁合金与其它金属的连接技术在汽车制造方面，将会遇到镁合金与钢、镁合金与铝合金的熔化焊接问题;在自行车制造中，还需要解决镁合金和铝合金管接头的钎焊问题，急需开发镁合金异种材料的熔化焊接和钎焊技术。

4)高质量镁合金焊接材料的研制与铝合金焊丝相比，目前使用的镁合金焊丝在焊接性能、力学性能、表面处理状态、尺寸精度等方面有很大的差距，还无法进行自动化焊接。从钎料方面来看，还没有用于镁合金焊接的钎料和钎剂。因此，研制高质量的镁合金焊接材料对促进镁合金焊接技术的发展具有重要意义。

5)接头质量及寿命评价由于镁合金的防腐、阻燃等问题还没有完全解决，接头的耐腐蚀、抗蠕变、使用寿命等问题也有待于研究，需要建立一套质量评价标准，并利用模拟技术对接头性能、使用寿命等进行预测。

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