镁合金焊接技术的发展与展望

李 妍，卢振华

(天水师范学院 工学院，甘肃 天水 741000)

镁合金焊接技术的发展与展望

李 妍，卢振华

(天水师范学院 工学院，甘肃 天水 741000)

近年来随着镁合金应用范围的逐渐扩大，镁合金的焊接技术也得到了各行业的广泛关注。传统的镁合金成型技术已经不能满足实际使用和加工性能的要求，镁合金势必会遇到与其他异种金属或合金的连接，因此镁合金焊接研究已成为国内外学者研究的主要方向之一。针对镁合金焊接的特点及存在的切实问题，对钨极惰性气体保护焊、搅拌摩擦焊、电阻点焊等典型且具有潜力的焊接方法进行了介绍，并针对各种焊接技术存在的利弊进行了预测和展望。

镁合金；焊接；焊接技术

0 前言

我国镁合金贮备丰富，凭借自身特有的资源、性能、环境和价格优势使得镁合金被称为“21世纪的绿色工程材料”，被广泛应用于航空、航天、运输、化工等领域，也是目前工程应用中最轻的金属结构材料。随着镁合金应用范围的逐渐扩大，传统镁合金的成型技术已经不能满足实际使用和加工性能的要求，镁合金势必会遇到与其他异种金属或合金的连接，而镁合金自身的性能特点决定了在镁合金焊接过程中存在很多问题，其焊接性能较差，很难获得性能可靠的焊接接头，因此镁合金焊接研究已成为国内外学者研究的主要方向之一。在此就镁合金焊接的特点，并结合国内外的各类焊接方式对其进行分析。

1 镁合金焊接存在的问题

由于镁合金的熔点较低，热导率高，在较高的焊接温度下会导致焊缝区域的组织变得较为粗大，在焊接过程中易与空气中的氧发生反应，形成片状固态夹渣沉积在焊缝中，从而影响焊接接头的力学性能。

镁合金在焊接过程中易产生气孔，其主要原因是：在液态镁合金中，氢气的溶解度会随着焊接温度的降低而降低，当焊接熔池冷却速度过快时，氢气泡来不及逸出而停留在焊缝中，形成气孔，尤其是在潮湿的环境条件下，空气中所含的水分较多，焊缝表面很容易形成氧化膜，生成的氧化膜使得保护气体对空气的排除能力减弱，所以产生气孔的可能性较大。同时由于镁合金属于典型的共晶型合金，在脆性温度区间内极易形成热裂纹，而镁合金的热导率高、线膨胀系数大的特点使得在焊接时的局部加热和冷却都会造成焊件的不均匀膨胀，从而产生残余应力，引起裂纹的发生和扩展。

2 镁合金的主要焊接方法和现状

镁合金焊接技术发展较为缓慢，国内镁合金的主要成型方式是铸造。但随着镁合金的广泛应用，各类焊接技术在市场需求的推动下迅速发展。

2.1 钨极惰性气体保护焊

镁合金焊接最初主要采用的钨极惰性气体保护焊(即TIG焊)仍然是目前实际生产过程中广泛使用的焊接方法[1]。

镁合金TIG焊存在诸多缺点，主要体现在：钨极氩弧焊单道焊熔深浅，焊接镁合金厚板时需要采用双面焊或多道焊，既增加了焊接难度，也降低了生产效率；而且镁合金的膨胀系数大，容易产生焊接裂纹、气孔等焊接缺陷。钨电极承载电流能力有限，TIG焊一般适合薄板件的镁合金焊接。为进一步改善镁合金TIG焊的焊接质量，研究发现在焊件的表面涂敷氯化活性剂(氯化物的添加增加了电弧电压和电弧温度，且在焊接方向上增大了电弧的宽度，使得焊接过程中热输入量增加，进而增加了焊道熔深)[2]，通过这种方法可以实现镁合金中厚板的焊接，加工成本低，生产率高，是一种有较为广阔应用前景的焊接技术。

随着研究的日益深入和镁合金焊接的市场需求，近年来针对镁合金焊接的特点又出现了一些先进的焊接新技术。

2.2 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，镁合金采用搅拌摩擦焊也是较为理想的焊接方式，这是由于镁合金搅拌摩擦焊的焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成的，焊接接头不会产生凝固冶金有关的焊接缺陷和焊接脆化现象，焊接接头内没有残余应力的存在，使得接头性能良好，镁合金不会因为实效析出沉淀相而使强度和其他力学性能有较大的损失[3]。

搅拌摩擦焊不需要填充材料，所以在焊接过程中不产生火、飞溅、烟雾、弧光、有害气体等。由于是固相连接，加热温度较低，焊接热影响区的显微组织变化较小，焊后残余应力和变形非常小，对于薄板镁合金焊后基本不变形，其组织相当于锻造组织，接头强度几乎与母材相当。杨素媛[4]等人对10 mm厚板AZ31镁合金进行搅拌摩擦焊时发现，焊接接头成形良好，表面无裂纹、无气孔。进行力学性能测试发现，接头抗拉强度可达到母材的80%以上，冲击韧性高于母材，其硬度与母材相当。Katoh[5]等人利用摩擦焊焊接了AZ31镁合金和1050铝合金，得到的焊接接头组织为两种材料的混合层，组织较为细化，强度和韧性介于两种材料之间，也成功实现了镁合金与异种金属之间的连接。

但是搅拌摩擦焊也有其应用的瓶颈。在焊接过程中要施加较大的顶锻压力和向前驱动力，被焊零件需要有一定的刚性，同时搅拌摩擦焊多采用平板对接焊，难以实现一些复杂结构件的焊接。

2.3 电阻点焊

电阻点焊是镁合金连接方式中具有较大潜力的一种方法，属于机械化程度较高的焊接方法。电阻点焊时熔核周围被高温塑性金属包围，与外界气体隔离，能阻止空气中的气体与熔核中的金属发生反应，以保证熔核成分基本不变，从而实现在无保护条件下的焊接。点焊镁合金得到的熔合组织为等轴晶，且大小均匀，由于镁合金的导热性好，降温速度极快，使得在熔合中心液相的温度梯度较小，形成成分过冷区，结晶形核速率比长大速率更强烈地依赖于过冷度，再加上焊点在压力状态下结晶，进一步提高了均匀形核率和异质形核率，使得熔合区形成了均匀分布的细小等轴组织。

电阻点焊是汽车制造过程中应用较多的焊接方法之一，选择合适的焊接电流、电极压力、焊接时间等工艺参数对镁合金薄板进行电阻点焊，力学性能能够达到要求，合理调整工艺还能有效防止试件中裂纹、飞溅的产生，得到高质量的焊点。我国目前对镁合金电阻点焊的研究相对较多，主要包括镁合金电阻点焊的工艺参数、焊点组织性能、焊点缺陷等。

镁合金电阻点焊的工艺参数决定了其点焊接头的组织和性能，从而决定了点焊接头的质量，这也是国内外焊接工作者研究的主要方向。美国焊接研究所采用电阻点焊焊接了AZ91和AM60镁合金[6]，实验表明：采用合理的焊接参数可以获得完美的纽扣状焊点，极少出现表面接触不良、电极造成缺口的现象。

在镁合金的电阻点焊过程中，喷溅的产生会直接降低点焊接头的强度，是最不希望出现的焊接缺陷。吴金杰、马天风、李兴霞[7]采用点焊机焊接了AZ91D镁合金，分析焊接裂纹产生的机理和影响因素。由于镁合金热脆性区间较大、导热性好，容易产生焊接热裂纹，且熔核和热影响区都可能产生热裂纹。裂纹沿晶界开裂，为结晶裂纹。焊接热输入越大，热影响区产生裂纹的敏感性越大，偏析越严重，熔核产生裂纹的可能性越大。

2.4 复合焊接

由于镁合金本身所固有的物理化学特性，使得在单一的镁合金焊接过程中经常会产生各种缺陷，如果将两种不同的焊接方法结合在一起，充分发挥各自的优势，形成复合热源焊接镁合金，可得到理想的焊接效果。激光-电弧复合焊就是利用激光与电弧两种复合热源焊接镁合金，克服了镁合金激光焊接时镁合金表面吸收率低的缺点。

宋刚[8]等人采用激光-氩弧复合热源焊接了变形镁合金AZ31B。研究发现，激光-氩弧复合焊充分发挥了各自优势，激光焊热输入较小，焊接速度较快，温度梯度大，而氩弧焊热输入大，热作用范围大，温度梯度较小，有效提高了焊缝熔深，并减少了焊接缺陷，得到的焊缝既突出了氩弧焊焊缝表面成形性能好的优点，又体现了激光焊接头深宽比大，热影响区小、组织细小等特点。在焊缝成形、工艺稳定性、力学性能等方面优势明显，是一种高质量、高效率的镁合金焊接工艺，可以满足镁合金优质焊接的需求。

激光-电弧焊复合热源焊接可以实现在较宽工艺参数范围内的工作，得到的接头成形美观，接头的拉伸强度、疲劳强度甚至达到母材的强度。但是也存在自身的缺点和不足，由于复合焊接的过程比较复杂，要尽量发挥两种不同焊接工艺的优势，必然会对焊接参数的调整和控制提出更高的要求，同时在焊接镁合金薄板时会发生比较严重的变形和引弧不稳定的缺点，目前的这种焊接工艺还处于研究阶段。

3 镁合金焊接技术的发展方向

随着镁合金在汽车、交通、民用产品等领域的广泛应用，镁合金的连接技术也成为冲破应用瓶颈的迫切问题，受到国内外研究学者的进一步关注。尽管上述各种焊接技术都有各自的优点和潜力，但是迄今为止并没有形成较为成熟的工艺方法，所以针对目前的研究现状，为获得良好、可靠的焊接接头，今后镁合金焊接的研究重点应主要体现在如下几个方面：

(1)加强镁合金焊接理论性的研究。通过输入合理的焊接控制参数、控制熔池或电弧的特征来提高焊接接头的可靠性。

(2)深入研究有潜力的焊接方法，特别是复合焊接技术。通过调整适当的工艺，充分发挥各自优点，进一步提高焊接接头的综合性能。

(3)加强研制开发镁合金与异种材料的焊接技术，通过各种应用软件的研究，建立起对焊接过程温度场的模拟，以便更好地控制整个凝固过程。

[1]冯吉才，王亚荣,张忠典.镁合金焊接技术的研究现状及应用[J].中国有色金属学报，2005，15(2)：165-178.

[2]刘黎明，张兆栋，沈 勇，等.活性剂对镁合金TIG焊接熔深的影响[J].金属学报，2006，42(4)：399-404.

[3]刑 丽，柯黎明，孙德超，等.镁合金薄板的搅拌摩擦焊工艺[J].焊接学报，2001，12(6)：18-20.

[4]杨素媛，张保垒.厚板AZ31镁合金搅拌摩擦焊焊接接头的组织与性能[J].焊接学报，2009，5(5)：1-4.

[5] Schram A，Kettler C，Mazac K，et al.Friction welding of magnesium alloys[J].Welding and Cutting，2000，52(6)：116-119.

[6] Albright D L，Bergeron F，Neelameggham R，et al.PartⅡ：Wrought Products，Alloy Processing，R＆D Strategies,Corrosion，Welding[J].Magnesium Technology JOM，2002，23(4)：22-24.

[7]吴金杰，马天风，李兴霞.镁合金点焊焊接裂纹分析[J].热加工工艺，2008，37(13)：85-87.

[8]宋 刚，刘黎明，王继锋，等.激光-TIG复合焊接镁合金AZ31B焊接工艺[J].焊接学报，2004，25(3)：31-34.

Prospects of welding technology for magnesium alloy

LI Yan，LU Zhen-hua
(Engineering Institute of Tianshui normal university，Tianshui 741000，China)

With the scope of application of magnesium alloy will enlarge gradually in recent years，welding technology for magnesium alloys got extensive the other industries.Traditional of magnesium alloys forming technology has already cannot satisfy the practical use and processing of performance requirements，magnesium alloy will inevitably meet with other metal and alloy connection，so the magnesium alloy welding research has become one of the main direction by many technicians.Aiming at the characteristics of magnesium alloys welding and existing problems，it introduced the typical and potential welding method，such as TIG，friction stir welding，the typical resistance spot，and according to various welding technology in the pros and cons of the corresponding forecast and the forecast.

magnesium alloy；welding；welding tcchnology

TG457.19

C

1001-2303(2011)05-0090-03

2011-01-26

李 妍(1982—)，女，甘肃兰州人，助教，硕士，主要从事焊接方法和弧焊过程的智能控制工作。