镁合金焊接技术的现状和发展趋势

镁合金焊接技术的现状和发展趋势张忠强佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江佳木斯154007摘要：镁合金在航空航天、汽车、电子等领域具有广阔的应用前景,焊接技术已经成为制约其应用的技术关键。分析了镁合金焊接的主要问题,介绍了镁合金焊接的研究现状,综述了镁合金钨极惰性气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊、搅拌摩擦焊、惯性摩擦焊、激光焊、电子束焊和电阻点焊的特点,并对镁合金焊接研究及应用进行了展望。关键词：镁合金、焊接技术、现状、发展趋势中图分类号：TG44文献标识码：AStatusofmagnesiumalloyweldingtechnologyandtrendsZhangZhongqiangJiamusiuniversityschoolofmaterialsscienceandengineeringJiamusiinheilongjiangprovince.154000Abstract：Magnesiumalloyshavebroadapplicationsintheaerospace,automotive,electronicsandotherfields,weldingtechnologyhasbecomethekeytorestrictitsuseoftechnology.Themainproblemsofmagnesiumalloywelding,describesthestatusofmagnesiumalloyweldingresearch,reviewthemagnesiumalloytungsteninertgaswelding,metalinertgaswelding,frictionstirwelding,inertiawelding,laserwelding,electronbeamweldingandresistancespotweldingcharacteristics,andmagnesiumalloyweldingresearchandapplicationinthefuture.Keywords：magnesiumalloyweldingtechnologystatusdevelopmenttrend0引言自20世纪90年代初开始，镁合金作为符合未来环保趋势和高强度比的合金材料，越来越受到世界各国的极大关注。镁合金是目前应用最广泛的合金,是理想的环保、节能材料,符合可持续发展的要求,被誉为21世纪绿色工程金属结构材料,并将成为21世纪重要的商用轻质材料。镁在所有金属结构件中是最轻的，它的重量仅为铝的34%，为钛的50%。镁合金甚至比塑料还要轻，而它的强度却是塑料的20倍【1】。作为一种更轻的结构材料，镁合金已越来越广泛地被应用。镁合金重量轻、比强度和比刚度好、减振性能好、电磁干扰屏蔽能力强等特点能满足军工产品对减重、吸噪、减震以及防辐射的要求。为此，世界各国高度重视镁合金的研究与开发，将镁资源作为21世纪的重要战略物资，并加强了镁合金在汽车、计算机、通讯及航空航天等领域的应用开发与研究。1镁合金特点及其应用现状1、1镁合金的特点镁合金是一种能够满足各种行业需求、发展前景可观的轻质材料,与铝和钢相比,镁合金材料具有以下特点：（1）镁合金作为一种轻质金属结构材料,其密度仅是铝合金的2/3,钢的1/4,因此结构件的轻量化,采用镁合金较合适。（2）镁合金的比强度和比刚度都高于铝合金和钢,在不降低零部件强度的前提下,镁合金零部件的质量比铝合金或钢的轻很多,而且镁合金的刚度随厚度的的增加呈立方比增加,用镁合金制造刚性好的整体构件十分有利。（3）镁合金具有良好的抗冲击性，是塑料的20倍；拥有良好的尺寸稳定性以及良好的能量吸震性。（4）镁合金的吸热和热膨胀系数较大，弹性模量是常用金属中最低的。（5）镁合金是非磁性屏蔽材料，电磁屏蔽性能好，抗电磁波干扰能力强。（6）镁合金是常用金属中易加工的材料，具有比铝合金及钢切削阻力小，机械加工速度快，刀具使用寿命长等特点。（7）镁合金还具有良好的焊接性能，焊接接头的强度是金属本身的95%，可以制造复杂的结构零件。1、2镁合金的应用镁合金由于具有优异的性能而成为备受关注的新型材料。迄今为止,镁合金在汽车行业、电子设备、航空航天、自行车及日常生活等方面都得到了广泛的应用,具体如下:（1）镁合金产品广泛应用于汽车始于20世纪90年代,目前,汽车工业中镁合金用量较大的国家和地区主要有北美、日本、韩国和欧洲，其用量在1991年仅为24000t,到1997年增至64000t,年增长率达20%,预计2006年这些国家和地区的汽车工业对镁合金的需求量将达20万吨。（2）镁合金在电子领域的应用具有很大的潜力,数字化技术的发展带动各类数字化电子产品的不断涌现。电子元器件越来越趋于高度集成化和小型化,便携式电脑、数码摄录像机、数码照相机、手机等材料也日益更新,而镁合金正是这些电子产品的最佳外壳选择。（3）镁及镁合金从20世纪50年代起在航空工业中就已经被广泛使用。在B-36轰炸机上,共使用8600kg的镁,其中1/2是用作结构材料。在GAR-1型Falcon(空对空导弹)中的弹体是由0.040英寸(0.1016cm)的AZ32B-H24合金和AZ91B制成的。此外,镁合金还应用自行车、建筑装饰等行业中,逐渐成为新的市场热点。2镁合金焊接的特点由于镁合金具有独特的物理化学性质,焊接时必须充分考虑以下镁合金的性质对焊接性能的影响：（1）镁是很活泼的金属,与氧的亲和力大,在常温下即可形成氧化镁、氢氧化镁等化合物,氧化镁的熔点约2500℃,与镁熔点650℃相差很大,在焊接过程中形成的氧化膜混杂在比重较轻的熔融金属中不易被排除,易使焊缝产生夹渣,存在夹渣的焊缝易产生电化学腐蚀。（2）镁蒸发温度较低,约为1107℃,由于镁在高温下的蒸发、燃烧易氧化等作用,形成一定数量的氢和氧。氢和氧在镁中的溶解度随温度的降低而减小,在焊缝凝固过程中气体不易逸出而形成气孔。（3）镁及镁合金的热膨胀系数大(约为铝的1.2倍),导热系数高,弹性模量较小,在焊接过程中镁合金变形较大、冷却速度快、熔池一次结晶速度快,其线膨胀系数大,凝固时体积收缩率达4.6%,使焊缝的内应力和焊接接头的刚性拘束度较大,易引起较大的内应力。（4）镁合金的电阻率低,导电导热性好,在焊接镁合金时要用大功率热源、高速焊接,易造成焊缝近缝区金属过热和晶粒长大,这是镁合金焊接时的显著特点之一。（5）Al和Zn对镁合金材料焊接性影响很大。由Mg-Al及Mg-Zn二元系合金相图可知,在镁合金焊接中,由于凝固时的冷却速度快,呈现非平衡凝固，固溶线下降约2%。（6）镁合金易与其他金属形成低熔共晶体,当接头温度过高时,接头组织中的低熔点共晶体在晶界处会融化出现空穴、晶界氧化、过烧等现象。此外,焊接镁合金时应注意:利用背衬保护熔融金属；采用夹板保护；需要强力排风系统排除焊接烟气；坡口进行预处理；采用熔化焊焊接镁合金时需采用惰性气体或焊剂的保护等。3镁合金的焊接方法镁合金的焊接技术较镁合金其它成形技术（尤其是压铸）相比发展较缓慢，现正处于起步阶段。但随着汽车和航空领域强大需求的推动，镁合金焊接技术必将得到迅速发展。目前国内一些高校、科研院所和企业纷纷开展镁合金焊接技术的研究，这为镁合金焊接技术的推广应用提供了良好的前提条件和理论基础【2】。3、1TIG焊（惰性气体钨极保护焊）钨极气体保护焊是目前镁合金最常用的焊接方法。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[3]。3、2MIG焊（惰性气体保护金属极电弧焊）新的MIG焊接法是德国M.Rethmeier等人研发的成果。在镁的MIG焊接中，由于镁合金的沸点很低，加之蒸汽压力上升很快，所以在熔滴稍有过热时就会产生爆炸，造成大量的飞溅，使得MIG焊过程无法进行。Rethmeier等人创造了一种受控的熔滴形式，利用可控的电流波形使熔滴既能过渡，又不过热。波形的第一部分，使熔滴形成时以短路方式过渡，当此熔滴过渡后，继续产生一个小的脉冲电源，使第二个熔滴柔和地进入熔池。电源波形的各部分均可进行调节。采用高速摄影协助进行观察、调节，从而获得非常理想的熔滴过渡和焊缝成形。采用此种方法，文献[8]报道研究者成功焊接了AZ31、AZ61镁合金的生产试件，并成功地研制出工业机器人操作的MIG焊机，焊接接头疲劳强度可达母材的78％。3、3摩擦焊搅拌摩擦焊是是一种新型的固相连接技术。搅拌摩擦焊是镁合金焊接的一个比较理想的方法，目前已实现了AM60、AZ31、AZ61、AZ91等镁合金的搅拌摩擦焊接。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为3个部分：熔合区、机械热影响区和热影响区。熔合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。【4】3、4等离子弧焊与常规钨极氩弧焊相比，穿孔等离子弧焊能在不填丝、不开坡口、不需背面强制成形条件下实现中厚度板材的单面一次焊双面良好成形，且接头内部缺陷率低，焊接变形小。文献就穿孔型等离子弧焊在镁合金焊接中的应用及变极性等离子弧焊焊接参数的变化对焊缝成形和接头性能的影响进行了一系列的研究，试验结果表明在适当的工艺参数作用下焊缝外观成形良好，内部无气孔、裂纹，焊后几乎无变形，接头的力学性能达到母材的90％。3、5激光焊在镁合金的激光焊接过程中，气孔、裂纹和下榻是主要问题。Weisheit、Galun和Hirage等人研究了利用Nd：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2mm到8mm均可利用激光焊接，并可得到很窄的焊缝和很大的熔深【5】。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。3、6电子束焊由于镁的蒸汽压很低，进行镁及镁合金的电子束焊接时，容易产生起弧问题，焊接过程容易被中断。增大焊接速度可以避免起弧现象，但是最佳的焊接速度比铝合金小。在热输入量较小、焊速相对较大的电子束焊接过程中，焊缝中的氢气在凝固之前来不及上浮和溢出，容易形成气孔，还容易产生熔穿现象。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。电子束焊接纯镁与镁合金得到的熔融区都较其它焊接方法小。3、7点焊大多数金属材料点焊熔合的凝固组织为柱状晶组织，少数金属材料的熔合组织为柱状晶等轴晶。而点焊镁合金得到的熔合组织完全为等轴晶，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中的温度梯度很小，形成成分过冷区，结晶形核速率比长大速度更强烈地依赖于过冷度，再加上焊点在压力状态下结晶，进一步提高了均质形核率和异质形核率，使液态金属中形成大量的晶核，晶粒沿各个方向长大的速率相差不多，就形成了熔合区均匀分布的细小等轴晶组织。4镁合金焊接技术发展趋势4、1复合焊接方法的采用由于镁合金本身所固有的物理化学特性，以及焊接方法本身的局限性，使得镁合金的焊接过程经常伴有缺陷的出现，将两种焊接方法结合到一起，各取所长形成复合热源对镁合金进行焊接，可以得到非常满意的效果【6】。4、2电磁作用下镁合金的焊接技术磁控焊接技术是近几年发展起来的新型焊接技术。采用外加磁场控制焊接质量，具有附加装置简单、投入成本低、效益高、耗能少等特点。1962年，Brown等人最先在不锈钢、钛合金、铝合金焊接中研究电磁搅拌的