镁合金焊接技术的研究现状

徐 琦,梁永政

(1.国家建筑城建机械质量监督检验中心,湖南长沙 410013;2.安阳工学院机械工程学院,河南安阳 455000)

镁合金焊接技术的研究现状

徐 琦1,梁永政2

(1.国家建筑城建机械质量监督检验中心,湖南长沙 410013;2.安阳工学院机械工程学院,河南安阳 455000)

镁合金发展前景广阔,但焊接性较差限制了其应用。文章介绍了镁合金的钨极氩弧焊、熔化极惰性气体保护焊、激光焊、搅拌摩擦焊、电子束焊、电阻点焊等常用的几种焊接方法及其研究现状,提出了镁合金焊接今后的研究方向。

镁合金;焊接;研究

镁合金密度为1.74～1.85 g/cm3,是目前工业应用中最轻的结构材料,具有较高的比强度、比刚度和较好的加工性能,以及无磁性与电磁屏蔽性、可回收利用等优点被誉为“21世纪绿色工程结构材料”[1,2]。镁合金在航空、汽车、电子工业中应用前景广阔,但镁合金的应用与铝合金以及钢铁材料相比状况不容乐观,主要受成形方式单一、焊接性差以及耐蚀性差这三方面原因制约。镁合金目前应用主要是通过压铸加工成形应用在电子产品外壳以及汽车零部件,相对于众多的应用领域和大型复杂结构方面,远远落后于钢铁和铝合金,镁合金材料的特性和优势远远没有得到发挥和利用[3]。

焊接是金属材料加工技术中一种重要的方法,目前镁合金成形研究还主要集中在压铸上。若要加工出尺寸更大、结构更复杂的镁合金零件,只能采用焊接成形。由于镁合金结晶温度区大、熔点低、化学活性大、导热系数和线膨胀系数高,致使在焊接的过程中容易出现气孔、热裂纹、夹杂、晶粒粗大等焊接缺陷[4,5]。镁合金的焊接成为了制约镁合金应用的一大瓶颈,因此镁合金焊接技术成为了国内外很多学者研究的主要方向之一。本文主要介绍了镁合金材料的焊接技术发展的近况,并展望了未来的发展。

1 镁合金的焊接方法

1.1 钨极氩弧焊(TIG焊)

钨极氩弧焊是目前广泛采用的焊接镁合金方法,是在惰性气体保护下,利用钨电极与工件之间产生的电弧热融化母材和填充焊丝的一种焊接方法。其工艺与焊接铝合金时相同,大多采用交流(AC)或直流反极性(DCEP)。焊接时镁合金作为负极,利用其在母材表面上产生的阴极点破坏,蒸发去除母材表面上的氧化膜。由于交流法熔深大,电极消耗小,所以应用比较广泛[6]。TIG焊接工艺特别适合镁合金薄板的焊接,但由于镁合金热膨胀系数大,容易产生焊接裂纹、应力集中、焊后变形等缺陷,因此需要采用夹具固定、坡口处理和焊前焊后热处理等措施,从而获得完整的焊接接头。为了实现焊接镁合金厚板,获得较大的熔深,提高生产效率,常采用活性钨极氩弧焊(A-TIG)。焊接前,在焊接区域涂上单一活性剂TiO2或者氯化物LiCl、CaCl2、CdCl2、PbCl2、CeCl3等,焊接时活性剂会引起电弧收缩或改变熔池内金属流态,进而增加熔深。活性钨极氩弧焊可以使焊缝熔深增加2倍,接头焊缝熔合良好,没有裂缝、夹渣、气孔等缺陷。通过这种方法可以实现镁合金中厚板的焊接,加工成本低,生产效率高,是一种有较为广阔应用前景的焊接技术。

美国L.F.Lockwood[7]在上世纪五六十年代就进行了镁合金薄板的交直流TIG焊接试验,研究了保护气体、电弧长度以及电流性质等参数对焊缝成形的影响。中田一博[8]对不同种类镁合金的TIG结果进行了分析,发现对AZ31B镁合金进行TIG填丝焊接时,当焊丝为AZ61A和AZ912A时可得到良好性能的接头,其抗拉强度达到母材的95%以上。刘金华等[9]对8 mm厚的AZ31B镁合金板材分别进行了焊接裂纹实验。发现在自拘束条件下,自熔焊焊缝区焊后立即产生焊接热裂纹,斜Y型坡口填丝焊焊缝区在焊接电流为170 A和180 A的情况下出现焊接热裂纹。自熔焊焊接热裂纹是沿晶扩展,填丝焊焊缝热裂纹是沿晶与穿晶的混合扩展,裂纹在扩展过程中存在分叉裂纹。

1.2 熔化极钨极氩弧焊(MIG)

与TIG焊接相比,镁合金的MIG焊接具有以下特点:(1)焊接速度快,生产效率高,全自动焊速度高达1 m/min左右;(2)由于以焊丝作电极,适宜的焊接范围较窄;(3)由于熔融镁的表面张力小,电极丝前端的熔滴难以脱离,且焊接电流过高时熔滴爆炸蒸发造成飞溅;(4)由于电极丝软,送丝稳定性差,在焊接过程中要采用推拉方式的特殊送丝装置。

由于镁合金沸点很低,蒸汽压力上升很快,在MIG焊接中熔滴稍有过热就会产生爆炸,造成大量飞溅,影响焊接进行。MIG焊中熔滴有三种过渡形式,分别是短路过渡、脉冲过渡和喷射过渡,主要受焊接电流与送丝速度等因素影响。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。

Rethemeier和Wiesner[10]研究了MIG焊接镁合金过程中填充金属的热输入量对焊缝成形质量的影响。实验结果表明在MIG焊接镁合金过程中,选用合适的热输入量,可以使焊后试件的抗弯曲强度达母材的50%,焊缝经过处理后,强度可达母材的75%。大连理工大学研究了MIG焊镁合金焊丝及其焊接工艺性能。

1.3 激光焊接(LBW)

激光焊接是一种高能密度的焊接工艺,在焊接时,激光器产生激光束照射到待焊区域,待焊区材料汽化并在束流压力和蒸汽压力的共同作用下形成一个细长的小孔,小孔中的汽化金属被电离并将摄入的能量完全吸收,然后将热量传递给周围材料使之熔化,在小孔附近形成熔池。与其他熔焊方法相比,激光焊焊速高、质量好、无变形、焊道宽度和热影响区窄、无需真空条件且容易实现自动化焊接等优点。焊接镁合金可以有效地减少焊缝中的内应力、裂纹和气孔等缺陷,焊接接头组织明显细化,焊缝力学性能显著提高。激光焊接变形小,而且接头强度几乎与基体相当。

Weisheit、Galun和Hirage[11]等人研究了利用YAG激光器和CO2激光器对几种铸造镁合金和挤压镁合金进行激光焊接。结果发现,对于相同成分或不同成分的镁合金,厚度从2 mm到8 mm均可利用激光焊接,并可得到很窄的焊缝和很大的熔深。接头焊缝区为细晶组织,热影响区的硬度和熔合区基本相同,微观组织和接头残余应力场是影响接头疲劳强度的主要原因。激光焊接时,焊缝的背面成形受热输入和气体保护流量的影响,在恰当的焊接工艺条件下可以得到很好的表面成形和高质量的接头。从外观上看,焊缝连续、狭窄、变形很小,且无表面缺陷。Marva和Redwards[12]对CO2激光深熔焊焊接AZ91镁合金影响焊缝形态的因素进行了研究。实验结果表明,热输入量和焊接参数的变化都会影响到焊缝的形态,而同一工艺下两种合金的性能也有一定的差别。

1.4 搅拌摩擦焊(FSW)

搅拌摩擦焊是在压力作用下利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量,使接触面及其附近金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形,通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而实现连接的固态焊接方法[13]。该方法是上世纪90年代英国焊接研究所首先提出的,工作原理示意图如图1[14]所示。

图1 搅拌摩擦焊示意图

搅拌摩擦焊不需要填充材料,没有飞溅、烟雾、弧光、有害气体等。是固相连接,加热温度低,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。焊接温度低于合金元素的熔点,从而避免了合金内易挥发性元素和低熔点元素的损失,接头内不易形成气孔和热裂纹等焊接缺陷。这些优点使得搅拌摩擦焊在镁合金应用上具有明显优势,国内外学者对多种镁合金进行了FSW焊接试验。目前已经实现了AM60、AZ31、AZ61、AZ91等镁合金的搅拌摩擦焊接[15]。

Won-Bae Lee[16]等人对AZ91D镁合金进行了FSW焊接试验,发现接头质量最高时,焊速为187 mm/min,搅拌头转速为115～131 r/s。接头由搅拌区(Sz)、热机械影响区(TMAz)、热影响区(HAz)和基体4部分构成。其中搅拌区为细小的等轴晶粒,硬度稍有提高,而抗拉强度明显提高。Esparza[17]等研究了镁合金的FSW过程组织变化,并指出熔核区包含具有大量位错的再结晶组织。Setung Huwan等[18]研究分析了镁合金FSW接头的微观组织,认为微观组织的演变是由于搅拌旋转运动引起的剪切变形所致。张永红[19]等对挤压态变形镁合金AZ31B进行FSW连接,发现接头的外观成形好,各区域微观组织差异较大。实验结果表明在一定的焊接速度下,接头抗拉强度随着搅拌头旋转速度的增加而提高,到一定程度后,随着旋转速度的继续增大接头抗拉强度减小。

采用搅拌摩擦焊还可以实现镁合金材料与铜合金材料、铝合金材料的异种材料焊接,避免了这些异种材料熔化焊时出现的脆性金属间化合物,接头质量显著提高。搅拌摩擦焊在船舶制造、海洋工业、航空航天等行业中得到了较为广泛的应用。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。

1.5 电子束焊(EBW)

电子束焊接(EBW)是利用高电场产生的高速电子,经汇聚形成的高速电子流撞击被焊金属的接缝,使其动能转化为热能,从而令金属熔化而形成焊接的一种方法[20]。镁合金因具有较低的熔点、较高的化学活性及高的热导率,镁合金焊件接头强度一般低于母材。电子束焊接是在真空下进行,焊接过程不受氧气等气体的影响,热损失很小,加热速度快,电子束精确可调,无论是对镁合金薄件还是厚件均可一次焊透。采用电子束焊时,由于镁合金的蒸汽压较高,因而所形成的小孔尺寸比其它金属大,易在焊缝根部形成气孔。因此,要求在焊接中密切监控操作工艺以防止熔融金属过热产生孔。采用诸如使电子束沿着圆周震动和减少电子束聚集度等操作工艺,将有助于获得良好的焊接质量。此外,熔融镁的表面张力很小,比铝小50%,因此在焊接过程中很容易发生焊缝下榻。研究表明,与激光焊相比,使用电子束焊得到的镁合金接头质量更好,如熔深更大、熔宽更小,焊接速度更高。

日本科技人员对纯镁和AZ31镁合金进行了电子束焊接试验,结果表明,两种焊缝表面光滑,都没有气孔和裂纹。AZ31合金熔融区与热影响区的界面清晰可见,晶粒尺寸明显不同;相比之下纯镁的熔融区与热影响区界面模糊,晶界不明显。对于两种基体,都未发现焊接速度对熔融区横截面晶粒尺寸的明显影响[21]。铁、铝合金EBW具有明显的熔合线,而镁合金EBW熔合线很模糊,难以分辨。Wu[22]等研究结果表明,镁合金的EBW和氩弧焊的熔合线都随着合金中Al含量的增多而变得模糊。Bach[23]等研究发现AZ31变形镁合金和AM50A以及AZ91D铸造镁合金在适当的焊接工艺下用非真空电子束焊接均可得到良好的接头。相对较高的能量密度可以允许焊接速度达到15 m/min,这样热输入较小,焊接效率高。通过填丝可以得到无缩松、缩孔和气孔等缺陷的焊缝,接头的静载荷可以与母材相当,接头的抗腐蚀性能甚至好于母材。高速高效可实现自动化的非真空电子束焊接为镁合金的大面积应用提供了新的途径。但非真空电子束焊的保护措施还需要进一步研究。

1.6 电阻点焊(RSW)

部分镁合金的框架、隔板、仪表舱等的焊接可采用电阻点焊来完成。点焊镁合金板材和挤压材时与点焊铝合金所需要的设备和条件很相似。由于镁合金电阻小、散热系数大,故点焊镁合金是需要大电流短时间的强规范焊接。点焊所用电极材料为高导电的铜合金,由于镁易与铜电极发生反应使电极与试件之间发生粘附,影响焊接质量,因此电极端部需要打磨光滑且要较强冷却。同时,需要对焊件进行焊前清理,去掉其表面的氧化物和铬化物保护膜来改善焊接质量。

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。Albright[24]等实验结果表明,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。王亚荣[25]等采用交流电阻点焊焊接了AZ31B镁合金。分析了点焊接头的显微组织,研究了点焊接头力学性能的变化规律,研究了AZ31B镁合金交流点焊中焊接电流、电极压力及焊接时间等工艺参数对接头拉剪力的影响规律。结果表明,1 mm厚的AZ31B镁合金板,在电极压力为2 475 N、预压时间为20周波、焊接电流为17 000 A、焊接时间为10周波的实验条件下,镁合金点焊的拉剪力达1 980 N。Sun等[26]研究了镁合金RSW接头的显微组织,结果表明,镁合金RSW接头主要由焊核区和热影响区组成。焊核区含有两种不同的组织结构。焊核中心为等轴晶结构,焊核边沿为胞状-树枝晶结构,焊核区这种组织结构的过渡是由于焊核中心与边沿凝固条件不同所致。焊核区裂纹敏感性较高。热影响区内出现晶界熔化及粗化现象。

2 结束语

由于镁合金有巨大的发展潜力和应用优势,在工业生产中受到高度重视,随着镁合金应用的发展,

作为镁合金成形方法之一的镁合金焊接技术也逐步成为人们关注的焦点。TIG是镁合金最常用的焊接方法,但能量密度不高,熔深较浅,热影响区较宽,而活性TIG可以改善镁合金TIG焊熔深浅的缺点,是镁合金电弧焊未来的发展方向。FSW作为固相连接技术应用于镁合金的焊接具有独特的优势,是镁合金焊接颇具应用前景的焊接方法。随着镁合金的应用越来越多,将会遇到镁合金与钢、铝合金等异种金属的焊接问题。镁合金与其它金属异种材料的焊接问题还有待进一步研究。

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Abstract:Magnesium alloys have a wide development prospect,but their poor weldability restricts their wider application.The results of recent investigations on the welding techniques were reviewed.The characteristics of gas tungsten arc welding,mctal inertia gas welding,laser welding,friction stir welding,electron beam welding and resistance spot welding were summarized.The research trend of magnesium alloys welding is also brought forward.

Key words:magnesium alloys;welding;research

离的工艺流程,该流程简单实用,药剂制度成熟,易

Research on Welding of Magnesium Alloys

XU Qi1,LIANG Yong-zheng2
(1.China National Supervision&Test Center for Construction and Urban Building Machinery,Changsha410013, China;2.Department of Mechanical Engineering A nyang Institute of Technology,A nyang455000,China)

TG44

A

1003-5540(2012)04-0045-05

2012-06-21

国家自然科学基金(51105002)

徐琦(1978-),男,工程师,主要从事材料表面处理及检测。