镁合金焊接技术研究现状及发展趋势

方乃文 王丽萍 李连胜 林晓辉

镁合金焊接技术研究现状及发展趋势

方乃文1王丽萍1李连胜2林晓辉2

(1．哈尔滨理工大学，哈尔滨150040;2．机械科学研究院哈尔滨焊接研究所，哈尔滨150028)

综述了镁合金的特点与应用，分析了目前镁合金焊接存在的问题，详细论述了镁合金焊接方法，包括钨极惰性气体保护焊、搅拌摩擦焊、电子束焊接、电阻点焊、激光及其电弧复合焊、熔化极惰性气体保护焊、钎焊等特点及应用现状，并对镁合金焊接的研究与应用进行展望。

镁合金 焊接特点 焊接方法

0 序 言

镁合金是金属结构材料中最轻的一种，具有密度小、比强度高、储量丰富、减震性好、可回收利用等优点，近年来受到广泛关注。随着焊接技术的发展进步，镁合金在航空航天、轨道交通、核电、军工等领域的应用日益增多，镁合金材料也被誉为“最有发展前景的结构材料”，其开发、应用对于实现友好环保型社会具有重要的意义。

目前，镁合金的加工技术主要以铸造为主，而其焊接技术发展相对缓慢，包括焊接冶金原理、焊接工艺控制、焊接材料生产技术等尚不成熟，因此深入开展镁合金焊接技术的研究是拓展镁合金材料应用的有效途径。文中主要对镁合金焊接技术研究现状及发展趋势进行阐述。

1 镁合金的现状及发展趋势

镁是一种比铝还轻的有色金属，熔点和密度均比铝低。纯镁强度较低，很少用作结构材料，常以镁合金的形式在结构中应用。镁合金具有优异的比刚度和比强度。此外，镁合金还具有易切削加工、易于铸造和锻压、可以回收利用的特点。但是镁合金硬度小，耐腐蚀性、抗蠕变性、耐疲劳性、高温强度较差，这些特性又制约了镁合金的的发展和应用。

20世纪50年代，镁合金就开始在汽车领域上应用，90年代，镁合金相继在核电、航空航天、轨道交通、武器装备等领域上应用。21世纪以来，镁合金的制备技术、加工工艺等取得了大幅的突破，使得镁合金的成本降低、质量提高，这些进步促进了镁合金的应用。

最近，《自然》杂志上就刊登了一种改良镁合金，其强度、刚度、延展性和耐腐蚀性较常规镁合金有大幅提高，改良的关键在于其向镁合金中加入约30%的锂。这种镁合金为体心立方结构，原子发生滑移的可能性更大，从而提高了材料的延展性及塑性，研究人员通过拉拔挤压成型、热处理、水淬、冷轧等工序制备出了高性能镁合金。

2 镁合金的焊接特点

由于镁合金具有低熔点、低热导率、较大的热膨胀系数、较小的密度，易氧化且氧化物熔点较高等特点，使镁合金的焊接难度系数增加，主要表现在气孔、过热组织、热裂纹、蒸发与烧损、夹渣和燃烧等几个方面。

2．1 气孔

镁合金的焊接过程中，气孔是最主要的缺陷之一。水分子在焊接过程中分解产生大量的氢，氢在镁合金溶液中的溶解度随着温度降低而减小，使熔池在凝固过程中析出大量氢，从而形成气泡且溢出熔池表面困难，从而在焊缝中形成较多的气孔。

2．2 过热组织

镁合金导热性能良好，所以在焊接过程中需较大热输入，从而容易在焊缝及热影响区产生过热组织。

2．3 热裂纹

镁合金线膨胀系数大，焊接过程中容易产生变形及热应力，从而导致在焊接接头脆性温度区间产生热裂纹。

2．4 蒸发与烧损

镁合金的沸点较低，通常在1 100℃左右，而焊接电弧温度通常在2 000℃左右，在焊接过程中，会导致大量镁元素的烧损与蒸发，这也是造成焊缝下榻的主要原因。

2．5 夹渣

镁合金化学性质活泼，在焊接高温下极易形成熔点高(2 500℃)密度大的MgO，它不易从密度较小的合金溶液中排出，从而形成片状的夹渣。

2．6 燃烧

由于镁的性质活泼，容易在空气中燃烧，所以进行镁合金电弧焊时，镁的燃烧危险性系数显著增大。

3 镁合金的焊接方法

3．1 钨极惰性气体保护焊(TIG)

钨极惰性气体保护焊是最早应用在镁合金的焊接方法之一。进行AZ91D镁合金TIG焊时发现，Al12Mg17相析出在晶界处，且焊接热影响区较宽。

进行AZ31B镁合金TIG焊时发现，焊缝周围没有纤维组织，焊缝和热影响区的晶界明显，焊缝区为比母材和热影响区细小的等轴晶，是典型的铸造急冷组织;而热影响区是晶粒粗大的过热组织;母材晶粒呈纤维状。这是因为镁合金的熔点低、热导率高，加之焊接热输入大等原因造成热影响区宽且晶粒粗大，拉伸试验时接头在热影响区断裂，这也同时表明热影响区的晶粒较粗大［1］。AZ31B镁合金填丝TIG焊的工艺比非填丝TIG焊更加复杂，但焊接接头组织均匀、热影响区窄、接头强度有了较大提高。通过不同焊丝的焊接接头对比发现，热影响区及焊缝区中连续分布的共晶相随着焊丝中铝含量的增加而增多，该共晶体的逐渐增多对接头性能的影响较为复杂，焊接接头中细化的晶粒与铝元素的固溶会提高接头强度，但Al12Mg17脆性相的增多又会降低焊接接头的性能。

近年来，活性TIG焊(A－TIG)逐步应用到了镁合金焊接中，沈阳工业大学张桂清等人［2］在镁合金ATIG焊接过程中引入直流纵向磁场，通过对磁场电流、活性剂涂敷量的调节，研究了焊缝熔深、熔宽、硬度及显微组织的变化规律。研究表明，当磁场电流为1．5 A，活性剂涂敷量为5 mg/cm2时，焊缝熔深为5．0 mm，显微硬度达到73．8 HV，焊缝力学性能在磁场与活性剂的双重作用下显著提高。

镁合金TIG焊过程中，镁合金焊丝活性剂的研发及其涂覆在焊丝表面工艺是难点与重点，增加焊缝熔深、获得稳定电弧、提高焊接性能将是镁合金TIG焊研究的目标。开发铸造镁合金活性TIG焊补焊技术，也在镁合金铸件修补领域中具有广阔应用前景。

3．2 搅拌摩擦焊(FSW)

镁合金材料熔沸点较低，使用熔化焊时易氧化蒸发，而搅拌摩擦焊焊接温度较低，并且焊后变形和残余应力较小，在镁合金焊接领域的应用越来越广泛。近几年来，国内外对此工艺研究也较多。美国Esparaz等人［3］深入分析了AZ31B镁合金的搅拌摩擦焊接头的组织特性。日本Nakata等人［4］研究了AZ31D镁合金搅拌摩擦焊的焊接工艺性和接头微观结构与断裂位置的相互关系。北京航空制造工程研究所、哈尔滨工业大学等高等院校也相继对这种焊接工艺进行了研究，并取得了很多成果［5］。搅拌摩擦焊还可以实现镁合金与铜、铝合金等材料的焊接，有效减少异种材料熔化焊时出现的脆性金属间化合物。

使用搅拌摩擦焊焊接镁合金，可以获得组织均匀致密的焊接接头，是一种可以实现材料改性的优质固相焊接方法，但镁合金材料抗腐蚀性能较差，如果通过电位极化曲线、阻抗测试等手段对搅拌摩擦焊接后的焊接接头进行缓蚀行为研究，将极大提高镁合金搅拌摩擦焊的推广使用。

3．3 电子束焊接(EBW)

电子束焊接具有能量密度高、穿透性能强、热影响区窄、热输入量小、电子束精确可调等优点，适于焊接镁合金。

闫忠琳等人［6］对AZ61镁合金进行电子束焊接试验，并对接头微观组织和硬度分布进行了研究。结果表明，焊缝处为细小晶粒，较母材等轴晶粒细化20倍左右，且有白色粒状β相分散于焊缝区晶界处，较母材沿晶界分布的β相变小且形貌发生改变，焊缝中相结构主要为α-Mg和Al12Mg17，焊缝的硬度约为75 HV，而母材与热影响区硬度略小。

Chi等人［7］对 AZ系列的镁合金进行热输入为3 000～5 000 W的电子束焊接试验，结果表明，焊件最初的择优取向特性消失，并由锻造镁合金结构向铸造镁合金结构发生转变。沉淀相中Al，Zn含量均比基体高，随Al含量的增加，γ相变成密集的树枝状，接头强度及显微硬度增加，延展性下降。

张英明等人［8］对纯镁和AZ31镁合金进行了不同焊速下组织及性能的研究。结果表明，纯镁热影响区与熔合区界面不清晰，熔合区晶粒较大，柱状晶沿焊接方向生长，并且柱状晶长度随焊速的增大而减小，焊缝区晶粒粗大。AZ31镁合金焊缝区域为细小等轴晶，宽度随焊速的增大而减小;热影响区和焊缝区晶界清晰可见。纯镁焊缝区、基体的晶粒尺寸均比AZ31镁合金小。纯镁的拉伸性能、冲击性能与焊接速度无关，基本与母材保持一致。

朱智文等人［9］在焊接速度18 mm/s、束流30 mA、电压60 kV，不填充材料的情况下，研究聚焦电流的改变对AZ31镁合金焊接接头的影响。结果表明，聚焦电流为480 mA时，热影响区晶粒长大速度较快，焊缝区显微硬度为75 HV，拉伸后试件断口均为韧窝形貌。

电子束焊接一般在真空条件下进行，镁合金的电子束焊接对真空环境造成较大污染，有报道指出镁合金在非真空条件下更易获得较好的焊接接头，且耐疲劳性能较好，这将是镁合金焊接的新途径。

3．4 电阻点焊(RSW)

电阻点焊也是镁合金常用的焊接方法之一。镁合金点焊前需对焊接表面进行清理，除掉氧化物。点焊时，镁合金焊件和电极铜之间易生成金属间化合物而发生粘附现象，影响焊接质量，所以镁合金点焊时需加强电极冷却，且电极和工件之间的电阻要分布均匀。镁合金点焊时工件容易产生较大变形，应采用小热输入。

郎波等人［10－12］对镁合金电阻点焊的焊接性及液化裂纹的产生机理进行了深入的研究。结果证明，液化裂纹主要由于低熔点液化膜及冷却过程中产生的拉应力所致，它可以延伸到接头的表面，断裂形式主要有钮扣断裂及结合面断裂。

王亚荣等人［13－17］采用交流电阻点焊对 AZ31B镁合金进行了焊接试验，对接头的显微组织、强度进行了深入研究，发现接头熔核区是等轴晶，接头的抗剪强度随焊接电流、电极压力呈现出规律性变化。研究还发现电极粘附、焊接裂纹与缩孔是电阻点焊常见的缺陷。电极黏附是因为局部过热造成的，焊接裂纹是因为成分偏析或结晶应力导致，而焊接过程中金属的热膨胀和焊接后期锻压力则造成缩孔缺陷。石红信等人［18］对镁合金薄板点焊技术及设备进行了研究，利用添加低碳钢垫片来增加电阻，并通过增加电流下降时间有效减小了焊接接头的空洞分数。

逆变电阻点焊在镁合金焊接过程中较交流电阻点焊具有焊接过程稳定、飞溅小、焊缝成形良好等优点，因此，深入研究逆变电阻点焊设备在镁合金焊接的应用将具有深远意义。

3．5 激光焊(LBW)及电弧复合焊

激光焊具有能量密度高，焊接速度快，焊接变形小等优点，且随着激光焊接设备性价比的提高，激光焊在镁合金领域得到越来越广泛的应用。Wahba等人［19］利用激光设备实现了AZ91D镁合金与非金属材料的焊接。Chowdhury［20］则对AZ31B镁合金的光纤激光焊与半导体激光焊进行了对比研究。镁合金激光焊可以不用填充材料，但这容易产生焊接缺陷，如合金烧损、气孔、裂纹及表面凹陷等，所以通常选用与母材成分匹配的填充金属进行激光焊。Wang等人［21］采用填丝焊工艺，获得良好的AZ31镁合金CO2激光焊接头。华中科技大学的唐海国等人［22］提出了一种加入填充金属的激光补焊工艺，即先进行自熔焊，然后在接头表面的凹坑缺陷内放置两根直径2 mm的焊丝，利用直径3 mm的光斑进行激光扫描，使其熔化形成补焊接头。

激光－电弧复合焊是20世纪70年代末提出并快速发展的一种优质高效焊接工艺，与单独激光焊相比，对焊接接头的装配精度大幅降低，通过填充焊丝可有效地改善焊缝质量及冶金组织，尤其在焊接高热导率的金属材料时有独特的优势，如铝、镁铜等金属。该方法增加了激光的吸收率并使电弧稳定性提高，使焊接热源集中，增强穿透力，从而可以进行镁合金优质焊接。宋刚等人［23］对AZ31B镁合金激光－TIG电弧复合焊工艺进行了研究，发现复合焊接工艺的熔深分别是单独TIG焊、单独激光焊熔深的4倍与2倍，但是在不填充焊丝的情况下，激光－TIG电弧复合焊无法从根本上解决镁合金焊接过程中出现的缺陷，且熔深较小，仅适用于薄板焊接。有研究表明CO2激光与MIG电弧复合焊可以实现10 mm厚AZ31镁合金的连接，焊接熔深比单独MIG焊提高近10倍，而焊接速度比单独激光焊增加50%，上述的缺陷问题也能得到有效消除［24］。

设计激光－电弧复合热源的能量分布状态，进行镁合金与钢铁、铝等金属材料的优质连接，控制中间金属化合物的形成，这些成果将会使激光－电弧复合具有更广阔的发展空间。

3．6 熔化极惰性气体保护焊(MIG)

Lockwood［25］在早期就开展了 AZ31B镁合金 MIG焊试验，研究了各工艺参数对焊缝成形的影响。Rethmeier［26］利用MIG焊进行研究发现，常规 MIG焊无法实现熔滴稳定过渡，焊接过程中有大量飞溅，这是波形单一导致的。他们重新对波形进行设计，实现了触发短路电弧与脉冲的叠加，飞溅得到有效控制，使用该方法获得的3．2 mm厚镁合金接头强度达到母材的80%。

2010年，南京理工大学对镁合金薄板进行直流脉冲单/双丝MIG焊，焊丝直径为1．6 mm，焊接接头强度分别达到母材的93%和94%。大连理工大学［27］在2009～2012年期间，先后对镁合金进行了一系列MIG焊试验，通过对波形改进，在直流脉冲MIG焊的基础上添加后处理电流和负半波电流，完成了AZ31B镁合金的焊接。获得的接头焊缝处晶粒均匀、细小，晶界处Al，Mn等元素偏析严重，热影响区晶粒粗化，焊接接头强度分别达到母材强度的96%和97．2%，焊缝断裂形式为解理断裂。

镁合金MIG焊工艺较其他焊接方法成熟，研究也比较深入，但在镁合金MIG焊接接头热处理工艺研究相对薄弱，研究人员可利用高温共聚焦显微镜实时观察组织演变，根据组织变化情况，制订合适的热处理温度、固溶及时效时间。

3．7 钎焊

镁合金钎焊技术的研究始于上世纪六七十年代，其中火焰钎焊、炉中钎焊均适用于镁合金的连接。到目前为止，镁合金钎焊的发展仍然比较慢，新型钎料与母材的润湿依然是制约镁合金钎焊技术发展的瓶颈。

随着轻金属在航空航天等领域的大范围应用，镁合金钎焊又成为研究热点。镁合金在钎焊过程中容易被氧化，阻碍钎料铺展，因此在钎焊过程中通常采用氩气进行保护。北京工业大学［28］进行镁合金钎焊时采用炉中高频感应加热，并根据镁合金特点，制作特殊感应线圈以及气体保护装置，获得了较好的效果。吴中辉［29］在氩气保护筒式电阻炉中钎焊AZ31B镁合金，利用自动控温仪进行温度精确控制，获得了较好的钎焊接头。合肥工业大学［30］分别在真空环境(真空度为10－1～10－2Pa)和氩气保护(氩气纯度99．99%)两种情况下进行镁合金钎焊，结果接头在常规的真空环境和氩气保护环境下会发生氧化，钎焊效果较差。陈振华等人［31］在钎焊 AM60B镁合金时，制作了 Mg65Cu22Ni3Y10钎料，在500℃左右进行钎焊，得到了较好的钎焊接头，没有缺陷，仅有少量的Cu偏聚于界面。

镁合金钎焊的下一步发展应着重于镁合金钎料的研发，如晶态三元镁基、铝基及锌基钎料，通过添加稀土元素及合金调整开发具有低熔点、固液相线区间狭窄的镁合金钎料。另外，也可以利用有限元分析软件模拟焊接过程，研究镁合金钎料、钎剂、母材的相互作用机理。

4 镁合金焊接新技术

目前，镁合金超声辅助过渡液相扩散(U－TLP)连接方法的研究处于开始阶段，但具有很大应用潜力，目前已经研究了中间层材料、超声作用时间及焊接温度对接头组织与性能影响，下一步将在超声振幅、中间层厚度等参数继续研究，该方法存在拓展应用的可能。在DE－GMAW的基础上，用铜电极替换旁路TIG焊枪的钨极，南昌大学［32］为镁合金薄板焊接研究提供了新的思路和方法。

兰州理工大学刘骁等人［33］采用无匙孔搅拌摩擦点焊和真空扩散焊对AZ31B镁合金和DP600镀锌钢板进行搭接点焊试验，利用扫描电镜、能谱仪及拉伸试验对无匙孔搅拌摩擦点焊接头与真空扩散焊接头进行微观组织及力学性能的对比分析。结果表明，镁/钢无匙孔搅拌摩擦点焊接头结合方式为机械与冶金结合混合形式，镁钢界面发生扩散，生成由Mg，Fe，O形成的金属间化合物，镁合金中的合金元素与铁生成金属间化合物，接头抗剪切载荷平均可达10．36 kN。

5 结束语

镁合金在军工、轨道交通、核电、飞机等领域具有广阔的发展前景，这些镁合金结构离不开焊接技术的支撑，大多数的焊接方法均可以用于镁合金材料的焊接，而且每种焊接方法都具有各自的特点。这些焊接方法的研究工作正逐步趋于完善，随着高性能镁合金材料研究工作的发展，研究开发具有抗氧化、高韧高强、耐高温、焊接工艺性能良好的焊接材料，研制新型焊接设备，提高焊接接头的综合性能，以满足镁合金高品质焊接需求，还需要研发技术人员坚持不懈的努力。目前，镁合金焊接研究突破点主要有以下几个方面:

(1)镁合金焊丝的研发。目前应用的镁合金焊丝无论在焊丝表面状态、抗氧化性、焊接工艺性、焊接冶金性能均存在不足，研发高品质的镁合金焊丝对于镁合金的推广应用具有重要意义。

(2)镁合金与其他金属的焊接。应加大镁合金与异种金属(如钛、锌、铜等)焊接技术的研发力度，这将会有利于推广镁合金在航空航天、军事装备的应用。

(3)镁合金焊接过程的控制。由于镁合金的物理特点，使其焊接过程较其他金属更为复杂，如何根据熔池形态、电弧特性及熔滴过渡形式，有效控制焊缝避免缺陷的产生将成为镁合金可靠焊接的一个重要研究方向。

(4)镁合金焊接接头疲劳失效分析技术研究。在强化接头性能条件下，深入研究焊接工艺参数对焊接接头失效行为的影响及焊接工艺参数的优化，尤其是研究刚起步的超声冲击及超声冲击表面自纳米化对失效行为的影响，进一步探讨超声冲击参数对焊接接头自纳米化程度、残余应力分布的影响。虽然强化接头组织结构可以提升疲劳失效保证系数，深入研究更加强化的疲劳保证手段仍然迫在眉睫。

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TG406

2016－12－17

方乃文，1987年出生，硕士研究生，工程师。主要从事团体标准制修订、有色金属焊接材料研发及其焊接工艺，已发表论文14篇。