镁/铝异种金属焊接技术研究现状及进展

王 创，张骁勇，鲁一荻，王世清

(西安石油大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710065)

引 言

为了减少能源损耗，航空航天和汽车工业一直致力于零部件质量的减轻，而减轻构件质量的常见方法之一就是使用镁合金、铝合金。镁(Mg)和铝(Al)是两种最轻的结构金属，它们的合金因其高强度与质量比而在工业中得到越来越广泛的应用。Mg及Mg合金因密度低、比强度高、弹性模量小等优点，在交通、汽车等领域得到了越来越多的关注[1-7]，同样地，Al及Al合金具有材质轻、无低温脆性、耐腐蚀等优势，也在日常生活中得到广泛应用[8-12]。

由于Mg、Al两种合金的特殊性，在某些场合下，对Mg合金和Al合金进行连接，不仅有利于解决环境污染问题，提高机械性能，还使得Mg合金与Al合金各自优良的特点因相结合从而得到发挥[13]。

Mg、Al合金在焊接过程中由于两者存在化学成分和物理性能等差异会暴露许多缺陷。由于两种金属的热导率和线膨胀系数不同，在冷却过程中，会形成焊接残余应力，引起焊接变形甚至开裂等缺陷的产生。其次，也会产生金属间化合物导致焊接接头的塑韧性降低，甚至会引起焊接裂纹的产生，另外，密度的差异也会严重影响二者充分接触发生化学冶金反应的效果。

如何克服Mg/Al异种金属焊接技术的瓶颈，更好地利用Mg/Al合金的性能特点，是Mg/Al异种金属焊接技术需要重点研究的内容。本文旨在总结Mg/Al异种金属焊接的研究成果，探讨提高Mg/Al异种金属焊接接头质量的可行性，以便为进一步开展研究工作奠定基础。

1 Mg/Al异种金属焊接特点

Mg、Al异种金属结构具有密度小、比强度高等特点，能保证强度的同时大大降低Mg/Al结构的质量，从而实现轻量级目的，缓解能源消耗的问题，具有独特的优势和良好的经济效益。由于Mg和Al金属的线性膨胀系数很大且不同，在焊接过程中容易产生变形，低熔点时容易出现焊接合金元素的蒸发损失，此外，他们具有不同的晶格类型，且Al和Mg的溶解度很小，Mg/Al异种金属的焊接是很困难的。

Mg和Al的基本物理性质见表1。Mg和Al都是化学性质非常活跃的金属，容易与氧元素结合形成MgO和Al2O3氧化膜，Al2O3具有更高的熔点，严重阻碍了两种金属的连接，同时接头区域容易产生夹杂物、裂缝，降低焊接接头的性能。Mg的晶体结构是密排六方，Al的是面心立方，二者溶解度很小，很难有效地结合。Mg/Al异种金属焊接时，焊缝区很容易形成高硬度的金属间化合物，致使脆性增加，降低了接头的性能。因此，在大热输入焊接过程中，热影响区会产生更大的变形和裂纹。

表1 Mg和Al的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of Mg and Al

此外，在高温下，Al合金和Mg合金会溶解成大量的气体，液态时可溶解为大量氢，这不仅会削弱焊缝的有效工作面积，同时也会使接头区产生应力集中，降低焊缝金属的强度和韧性。

2 Mg/Al异种金属焊接现状

2.1 扩散焊

扩散焊是在一定的温度和压力下，将两个待连接工件紧紧压在一起，加热至母材熔点以下温度，经过保温、原子之间相互扩散而形成牢固的冶金结合的连接方法。

Mahendran G等[14]制备了AZ31B镁合金和AA2024铝合金扩散焊接接头，在焊接温度460 ℃、焊接压力16 MPa、保温时间70 min下，接头获得了最大的抗剪强度和结合强度。此外可以利用中间层进行扩散焊。ZHAO等[15]获得了添加锌箔过渡层的AZ31B镁合金和6061铝合金，可以发现添加了锌箔的接头组织得到改善，同时接头的强度提高到没有添加之前的2倍。

2.2 气体保护焊

由于氩气的保护，可隔离空气对熔化金属的有害作用，所以，非熔化极惰性气体钨极保护焊(TIG)可用于Mg/Al异种金属的焊接。

Liu等[16]研究了在TIG过程中给Mg、Al之间不加和加入不同厚度铝箔中间层，研究结果表明，适当添加Al元素可以提高锌基铝基固溶体混合物的含量，提高接头的性能。但过量Al元素的加入则会导致Al6Mg11Zn11和MgZn2等金属间化合物组成的部分富Al区的形成，使接头的抗拉强度降低。

除此之外，还可以采用多种焊接方式相结合的方式，例如[17]：采用电磁脉冲钨极氩弧焊(EMP-TIG)，通过增加电磁脉冲电流可以减少TIG焊在焊接接头中形成的脆性区，从而达到削减脆性区进而改善接头性能的目的。

2.3 激光焊

由于激光具有折射、聚焦等光学性质，使得激光焊非常适合于微型零件和可达性很差的部位的焊接。激光焊由于热输入低，焊接变形小，不受电磁场影响等特点而被应用于异种材料焊接研究。

Mg/Al异种金属激光焊接时，仍然以添加纯金属或者合金元素为主要手段，同时也可以通过调节合理的焊接参数来减少金属间化合物，实现两者连接[18]，并且有些激光焊接接头的强度相比电弧焊接提高了一倍左右。虽然通过添加合金或者元素等方式可以在一定程度上提高接头的强度，但也需注意到可能在焊接接头会引入其他类型的金属间化合物。

GAO M等[19]采用钛箔作为中间层对2 mm厚AZ31B镁合金和6061-T6铝合金进行了光纤激光焊接。Ti箔可以有效地阻止Mg、Al金属混合，形成主要由Al3Ti和部分Al18Ti2Mg3组成的界面层。当层间厚度小于0.12 mm时，会形成大量脆性Al12Mg17和Al3Mg2相及裂纹。麻丁龙等[20]采用激光焊技术对AZ318镁合金和5083铝合金进行了添加Zn中间层的焊接，结果表明焊接接头组织较为均匀，热影响区不明显，随着Zn中间层厚度的增加，焊缝底部生成的Mg/Zn化合物数量增多，MgAl金属间化合物数量明显减少，断裂方式由脆性解理断裂向混合断裂过渡，进而改善其性能。

2.4 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊(FSW)是利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。这也是目前Mg/Al异种金属焊接常采用的固相焊接方法之一。

研究者们通过选择合适的工艺参数，改变搅拌针的偏移及材料相对位置，获得了强度较高的、焊缝成形良好的Mg/Al异种金属搅拌摩擦焊接接头。但是，焊缝中存在的金属间化合物依然是影响接头力学性能的主要原因，因此研究人员也尝试不同的焊接新工艺来控制接头所经历的峰值温度或者添加中间元素，从而减少金属间化合物的生成，细化焊缝晶粒，以达到提高接头承载能力的目的，并且也取得了一定的研究成果。

Paradiso V等[21]研究了ZE41A镁合金与高强度2024-T3铝合金的FSW不同连接方式。研究发现，当刀具转速为1 200 r/min，焊接速度为20 mm/min时，可获得良好的焊接接头。由于搅拌摩擦焊接过程中的最高温度高于镁铝低熔点共晶的共晶转变温度，因此，局部区域的结构液化导致MgAl金属间化合物的生成，所以严重削弱了接头的力学性能。为了降低焊接热输入同时减少MgAl金属间化合物的生成，Mofid M A等[22]对3 mm厚AZ31镁合金和AA5083 H34铝板进行了水下搅拌摩擦焊研究，由于峰值温度的降低，在搅拌区域动态再结晶的Mg合金中，金属间化合物的形成得到了显著的抑制，并且晶粒的生长不明显。ZHEN等[23]研究组采用超声波辅助搅拌摩擦焊(UaFSW)对3 mm厚6061-T6Al和AZ31B镁合金进行低温连接，以减少金属间化合物所造成的缺陷。

2.5 电阻焊

电阻焊通过控制电阻焊的电流和时间来改善工件接头强度。电阻点焊(RSW)是航空航天等工业中的主流焊接技术[24]。PENNER等[25]采用纯镍和镀金镍中间层对AZ31B镁合金和5754铝合金进行了电阻点焊，研究了两种中间层对接头组织和力学性能的影响。研究结果表明，在16～24 kA的电流范围内，使用纯镍中间层不能产生良好接头。

PENNER等[26]采用锌箔和镀锌钢中间层对2 mm的AZ31B镁合金和5754铝合金的电阻点焊进行了研究。由于Al、Mg和Zn的混合作用，形成了带有锌箔中间层的劣质焊缝，锌箔中间层产生了强度差的接头强度较差。采用镀锌钢中间层来防止Al和Mg合金的混合，可以大大提高焊缝的强度。

使用镀锡钢作为中间层进行Mg/Al异种合金的电阻点焊试验[27]。若在焊接过程中减缓接头冷却速度可以有效减少气孔的形成，与此同时，接头的强度也有很大提高。基于镀锡钢中间层的Mg/Al电阻点焊接头强度可以达到在相同熔核尺寸条件下AZ31镁合金同种金属电阻点焊接头强度最大值的88%左右[28]。

可以看出，电阻焊并不能防止化合物的形成，使用夹层后能改善接头的性能，但是对焊接参数要求严格，参数过大或者过小都会给接头力学性能造成严重的影响，并且电阻点焊仅使用于薄板焊接，在实际生产中厚度和空间位置容易受到限制，很难推广和应用。

2.6 超声波焊

超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间熔合的一种焊接方法，超声波点焊(USW)作为一种低热量输入的固相焊接技术，为解决Mg/Al异种金属焊接问题中的难点提供了一个新思路。

SHIN[29]等采用超声波点焊连接了厚度为1 mm的AZ31B镁合金和 A5052-H32铝合金板材。Mg/Al接头形成了一个明显的变形区，与焊头几乎相同，且Mg/Al异种金属焊接时能耗和所需功率较高。

王艳等[30]利用超声波焊搭接了AZ31B镁合金和6061铝合金，在焊接能量为1 540 J时，焊缝界面出现熔化迹象，说明金属的高应变率塑性变形在热空位中引入了大量的过剩空位，接头失效发生在界面处，断口形貌呈现出解理断裂特征并伴有大量二次裂纹。超声波焊接时也可以采用添加夹层的方式，如Ag及Zn[31-32]等，改善焊缝界面金属间化合物。

2.7 磁脉冲焊

磁脉冲焊接(MPW)是由脉冲电流产生的排斥磁场而产生的脉冲劳伦兹力，用来加速一种或两种连接材料，从而导致高速碰撞和接头的形成的一种固态焊接技术。BEN-ARTZY等[33]发现，通过在界面处快速凝固薄熔融层，在Al-Mg对焊接过程中产生了不同成分的金属间化合物。根据MPW的能量平衡计算，存在足够的能量来熔化一层薄的界面层并生成金属间化合物。然而，使用较少的脉冲能量或减小工件的冲击角可以避免金属间化合物的产生。Kore等[34]还发现，在对Mg/Al异种金属焊接的时候，没有发生熔融后的组织也没有金属间化合物存在。

2.8 电弧辅助超声波焊

通过对上述Mg/Al异种金属焊接方法的研究，可以得知金属间化合物的生成难以避免，那么如何避免或者抑制金属间化合物的生成和长大是目前的研究热点。因此，相比于单一的传统方法采用新型复合焊接工艺技术将有望获得强度较高的Mg/Al异种金属焊接接头。

将钨极氩弧焊(GTAW)引入超声波焊接中，GTAW具有较低的热输入，通过GTAW对板材进行预热，从而提高了超声波焊接性能。这大大弥补了传统单一的超声波焊接由于其功率输出能量较低而只能应用于薄板箔材的焊接缺陷。

DAI X等[35]采用气体保护钨极氩弧焊辅助超声波混合焊接成功地将1 mm厚的6061铝合金和AZ31B镁合金连接在一起，结果表明，在GTAW电流为30 A时，锌中间层接头的最大搭接强度为16.25 MPa，而无锌中间层的接头强度为12.5 MPa，比无锌层的接头提高了30%。

2.9 激光-搅拌摩擦焊

激光-搅拌摩擦焊接技术是一种将激光热源与搅拌摩擦焊相互复合形成的新型连接技术。在搅拌摩擦焊过程中引入激光作为预热源，可以增强材料在搅拌摩擦焊接过程中的流动，因此该工艺已应用于镁、铝等有色轻质金属的焊接研究中。

CHANG W S等[36]采用0.5 mm厚镍箔中间层激光-搅拌摩擦焊工艺成功地连接了4 mm厚的A6061-T6铝合金和AZ31B-H24镁合金。脆性相Al-Mg金属间化合物的形成受到抑制。所得的复合焊接头抗拉强度相比单一搅拌摩擦焊接头有所提高。

3 Mg/Al异种金属焊接展望

Mg、Al作为重要的轻质结构件材料，因其具有的一系列优异性能被广泛应用到航空、航天、交通工具等不同领域，并且交叉应用趋势越发突出。这就对Mg/Al异种金属之间的连接加工技术要求越来越高，而提高Mg/Al异种金属焊接接头的质量仍将是该领域的研究重点。

在Mg/Al异种金属的焊接过程中，传统的熔焊技术因其操作灵活、效率高等优点被广泛应用于大规模工业生产中，虽然能提升生产效率达到现场适用性的目的，但易生成金属间化合物等一系列焊接缺陷问题，焊接质量依然是个大问题，而利用先进的激光焊接，通过添加合金元素或者新工艺辅助等方式减少或者避免金属间化合物的生产，可能会成为未来熔化焊接Mg/Al异种金属的主要研究方向。虽然固相焊在焊接工况适应性有待提高，但其中的搅拌摩擦焊在避免生成金属间化合物方面具有明显的作用，因此搅拌摩擦焊接在Mg/Al异种金属焊接中依然有不可低估的研究及应用前景。

不管是熔焊方法、还是固相焊方法，总会有各自的局限性，如何在这两种主流焊接方法中进行平衡取舍也将成为一个值得探究的问题，亦或可以考虑引入中间层或者使用辅助工艺等方法，通过控制金属间化合物形成或改变其分布状态，来进一步改善焊接接头的性能，但这又涉及到工业生产中所考虑的成本控制、焊接高效、质量保证等一系列问题。因此，在未来Mg/Al异种金属焊接方向上，选择适用的焊接方法、辅助工艺从而阻止金属间化合物、控制其形态分布仍将是今后研究的热点，在工业生产需求中引入既可以保证焊接质量又能提高生产效率的新型焊接工艺也是该领域的重点研究方向。