前言
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。作为一 种更轻的结构材料，镁合金已越来越 广泛地被应用［１］。
镁是常用金属中最轻的一种，是 地壳中最丰富的元素之一，约占地壳 组成的２．５％，主要以白云石和菱镁矿 －），男，安徽工程大学机械与汽 车工程学在读研究生，专业为材料科学与工程，研究方向 为焊接数值模拟仿真技术，擅长镁合金、不锈钢等焊接仿 真技术的研究。
利用混合热源焊接的方法焊接镁 合金是相对较新的方法，在激光－ＴＩＧ 复合焊的方法中，ＴＩＧ焊的喷嘴安装在 激光束的轴线上，喷嘴和激光束与焊 接方向排在一起，前面是ＴＩＧ，这种焊 接方法无方向性，焊接过程比较稳定， 焊接速度也大大增加。
文献［２０－２２］以ＡＺ３１Ｂ变形镁合金 为研究对象，采用激光－ＴＩＧ复合焊对 其进行焊接，结果表明激光－ＴＩＧ复合 焊的焊接速度比ＴＩＧ的焊接速度快，激 光－ＴＩＧ复合焊的熔深是ＴＩＧ焊熔深的 ２倍，是激光焊熔深的４倍。与单独的 ＴＩＧ焊相比，特别是在焊接速度快、 ＴＩＧ焊接电流低的情况下，激光－ＴＩＧ复 合焊的电弧的稳定性提高。激光－ＴＩＧ 复合焊的焊缝为明显的“图钉型”形 貌，上部分为ＴＩＧ电弧焊接成形，下部 分为典型的激光焊接成形，其焊缝表 面连续、平稳、深宽比大、热影响区 窄、组织晶粒细小均匀、基本无下凹 现象。采用激光－ＴＩＧ复合焊焊镁合金 能在较宽的工艺参数范围内焊接，得
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力变形和焊接裂纹。 ２．５ 裂纹。镁易与一些合金元素（Ｃｕ， Ａｌ，Ｎｉ等）形成低熔点共晶体（Ｍｇ－Ｃｕ 共晶点为４８０℃，Ｍｇ－Ａｌ共晶点为４３０℃， Ｍｇ－Ｎｉ共晶点为５０８℃），所以脆性温 度区间较宽，易形成热裂纹。 ２．６ 气孔。焊镁时易产生氢气孔，氢 在镁中的溶解度也是随温度的降低而 急剧减小。当氢的来源较多时，出现 气孔的倾向较大。
宋刚等人［１４］采用激光焊焊接ＡＺ３１ 变形镁合金，结果表明，激光脉宽是 影响焊接接头性能的主要因素，通过 控制激光脉冲宽度可以获得高质量的 镁合金焊接接头。激光焊缝连续、狭 窄、变形小、背面熔透均匀，无裂纹、 气孔等缺陷。对组织进行观察发现， 母材为粗大的等轴晶；焊接接头组织 致密，晶粒细小；焊缝由细小的等轴 晶组成，是因为激光焊接冷却速度快 使晶粒细化；热影响区没有晶粒长大 现象，是因为在焊接过程中激光能量 高度集中，镁合金导热系数高，致使 焊接接头处的温度梯度很大限制了晶 粒长大。母材、热影响区、焊缝的硬 度变化不大，邻近熔合线处的硬度值 略有上升。 ３．３ 电子束焊
采用填丝ＴＩＧ焊焊接变形镁合金 ＡＺ３１Ｂ，与非填丝ＴＩＧ焊相比，填丝ＴＩＧ 焊的焊接工艺更加复杂，接头强度有 了很大提高，组织更均匀，热影响区 较窄，熔合线清晰。针对采用不同焊 丝的焊接接头分析结果表明，随着焊 丝含铝量的增加，热影响区及焊缝区 的共晶相逐渐增多并有呈连续分布的 趋势。该共晶体的逐渐增多对接头性 能的影响较为复杂，一方面由于脆性 相Ａｌ１２Ｍｇ１７的增多而降低了接头强度， 另一方面又由于晶粒的细化及铝元素 的固溶而提高了接头强度［１２］。 ３．２ 激光焊
电子束焊是一种能量密度高、焊 接效果好、适应范围广的焊接方法， 在焊接过程中不受氧气等气体的影响， 在真空状态下热损失很小，加热速度
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快。 文献［１５］采用电子束焊焊接纯镁和
入量的减小晶粒细化。由于熔融区的 晶粒细化，熔融区的硬度值几乎与母 材相同［１７］。 ３．４ 激光－ＴＩＧ复合焊
激光－电弧复合热源焊接是由英国 的Ｗ．Ｓｔｅｅｎ在２０世纪７０年代末提出的， 它是将能量传输机制、物理性质截然 不同的两种热源同时作用在一个加工 位置。激光－电弧复合热源焊接可以增 大焊接熔深、提高焊接速度、增大装 配间隙，并可以改变功率密度在时间 和空间上的分布，改善母材热作用和 热影响区域的温度分布，从而改善焊 缝及热影响区的冷却条件、组织转变 和应力状态［１８，１９］。
ＡＺ３１镁合金，结果表明，纯镁和ＡＺ３１ 镁合金焊缝的表面无缺陷，未发现气 孔和裂纹，在不同的焊接速度下也未 出现起弧现象。纯镁的熔融区与热影 响区界面模糊，晶界不明显，熔融区 晶粒比母材粗大；ＡＺ３１镁合金的熔融 区与热影响区的界面清晰可见，晶粒 尺寸明显不同，熔融区的等轴晶远比 母材组织细小。纯镁和ＡＺ３１镁合金熔 融区的硬度与母材的硬度值基本一致， 在焊缝处硬度无明显变化。纯镁焊接 接头的拉伸强度和冲击性能基本和母 材相当，并与焊接速度无关；ＡＺ３１镁 合金在焊接速度５ｍｍ／ｓ和５．８３ｍｍ／ｓ时， 接头拉伸强度和冲击性能优良。
Ｍｕｎｉｔｚ Ａ等人［１６］采用电子束焊焊接 ＡＺ９１Ｄ镁合金时发现，热影响区很小， 焊缝表面光滑，没有缺陷，由于高的 冷却速度，晶粒细化，焊缝和热影响 区的强度提高，获得了高的延伸率。 焊接时增加电流可以增大熔融区和热 影响区的宽度。
由于镁合金具有大的热传导性， 对于纯镁、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ９１Ｄ合金， 随着含铝量和热输入量的增加，熔深 变深。这是由于镁合金中铝熔入量的 增加，使镁铝合金固液状态的温度更 低、范围更宽，合金的导热性也更低。 在相同的焊接热输入量条件下，随着 铝熔入量的增加或镁熔解成分的减少， 焊缝的表面变得光滑，波纹也变得有 规则。在以上４种材料的快速熔化状 态下，熔融的液态变得稳定，飞溅减 少，熔融区的晶粒均由等轴晶粒组成， 没有明显的长柱状晶颗粒，这是由快 速熔化和冷却引起的，且随焊接热输
镁及其合金在没有隔绝氧的条件 下焊接时，易燃烧，熔化焊时需用惰 性气体或焊剂保护。由于焊镁时要求 用大功率的热源，当接头处温度过高 时，母材将产生“过烧”现象。因此， 焊镁时必须控制好接头温度。
３ 镁合金焊接方法
几乎与镁合金材料的研究开发同 时，许多从事焊接研究工作的学者就 对镁合金材料的焊接问题作了大量的 研究，焊接方法有：钨极氩弧焊（ＴＩＧ 焊）、激光焊、电子束焊、激光－ＴＩＧ 复合焊、搅拌摩擦焊、电阻点焊，现 将国内外这方面的研究工作综述如下： ３．１ 钨极氩弧焊 （ＴＩＧ焊）
２ 镁合金的焊接特点
镁合金的铸造和塑性变形等零部 件的制造都离不开焊接，铸件缺陷的 修补也离不开焊接。与铝合金相比， 镁合金在焊接时更易形成疏松、热脆 性较大的氧化膜及夹渣，其焊接工艺 更为复杂。由于镁合金密度低，熔点 低，热导率和电导率大，热膨胀系数
大，化学活泼性很强，易氧化，且氧 化物的熔点很高，使镁合金在焊接过 程中会产生一系列的困难。主要问题 如下［６］： ２．１ 粗晶。镁的熔点低，热导率高， 焊接时应采用大功率的焊接热源，因 而焊缝及近缝区金属易产生过热、晶 粒长大以及结晶偏析现象，从而降低 了接头性能。 ２．２ 氧化与蒸发。镁易同氧结合，在 焊接过程中易形成氧化膜（ＭｇＯ）， ＭｇＯ熔点高（２５０℃），密度大（３．２ｇ ／ｃｍ３），易在焊缝中形成夹杂，降低了 焊缝性能。在高温下，镁还容易和空 气中的氮化合生成镁的氮化物，使接 头性能变坏。镁的沸点不高（１１００℃）， 在电弧高温下极易蒸发。 ２．３ 薄件的烧穿与塌陷。因为镁的表 面张力比铝小，焊接时很容易产生焊 缝金属下塌。在焊接薄件时，由于镁 合金的熔点较低，而氧化镁薄膜的熔 点很高，两者不易熔合，焊接操作时 难以观察焊缝的熔化过程。温度升高， 熔池的颜色没有显著变化，极易产生 烧穿和塌陷现象。 ２．４ 热应力。镁及镁合金热膨胀系数 较大，约为钢的２倍，铝的１．２倍，所 以在焊接过程中易引起较大的焊接应
在焊接过程中要严格控制气孔的形成 。 ［７－１０］
采用ＴＩＧ焊焊接ＡＺ３１Ｂ镁合金，焊 缝附近的纤维组织消失，焊缝区和热 影响区的分界较为明显：热影响区是 典型过热组织，晶粒较粗大；焊缝区 由细小的等轴晶组成，晶粒明显比母 材和热影响区的细小，是典型的铸造 急冷组织；母材晶粒呈纤维状。这是 由于镁合金的熔点低、导热快、焊接 时需要大功率、电弧加热面积大、焊 接速度慢、熔池金属液态停留时间短， 造成热影响区宽且晶粒粗大，焊接脉 冲搅拌熔池的作用促进了焊缝区等轴 晶粒的形成。拉伸试验时接头断裂发 生在热影响区部位，这表明热影响区 的晶粒严重粗化，成为导致镁合金焊 接接头力学性能下降的主要原因［１１］。
含量则更多。镁的熔点为６５０℃，与铝 相近；镁的密度为１．７ｇ／ｃｍ３ ；镁的化学 性能活泼，用作结构材料必须合金化， 以防止在空气中自燃。镁合金具有以 下性能特点［３－５］： １．１ 密度小，是钢铁的２／９，铝合金 的２／３，是最轻的结构合金； １．２ 比强度大，略低于比强度最大的 纤维增强材料，远高于工程塑料； １．３ 阻尼性好，吸收能力强，具有极 强的减震性，可用于震动剧烈的场合； １．４ 导热性好，膨胀系数较大，弹性 模量低，是一般工程材料的３００倍，且 温度依赖性低； １．５ 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； １．６ 镁合金加工成型性好，线收缩率 很小，尺寸稳定，不易因环境改变而 改变。
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［２］。
１ 镁合金及其性能特点
钨极氩弧焊（ＴＩＧ焊）是最早用 于镁合金材料焊接的方法之一。采用 ＴＩＧ焊焊接ＡＺ９１Ｄ镁合金时发现，在临 近熔合线处产生一较宽的热影响区， 沿晶界可观察到连续的Ａｌ１２Ｍｇ１７相析出， 接头的主要缺陷是气孔和疏松。气孔 的形成与焊缝中氢含量有关，与焊接 过程中焊丝的成分及保护气体的纯度 等有关，在熔池金属凝固时，氢在镁 中的溶解度急剧下降，熔池冷却速度 快，在焊缝金属中气泡来不及逸出而 形成气孔，降低了接头的强度。因此，