镁合金焊接技术研究进展摘要：针对镁合金焊接的特点及存在的问题，介绍了镁合金钨极惰性气体保护焊、、电子束焊、激光焊、搅拌摩擦焊的焊接特点及其现在的研究状况，对镁合金焊接技术的发展进行了展望。

关键词：镁合金，焊接技术，未来展望Research progress on Welding Technology of Magnesium AlloyWu DanJiangsu University of technology 12110114Abstract: Aiming at the characteristics of magnesium alloys welding and the existing problems, the welding methods are introduced such as tungsten inert gas welding, metal inert gas welding, electron beam welding and friction stir welding. At the end, the development trend of magnesium alloy welding is viewed.Key words：magnesium alloy; welding technology; future development0前言镁合金的密度比纯镁稍高，在1.75~1.90g/cm3之间。

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有良好的生物兼容性，优异的工艺性能和耐腐蚀性能，且具有高比强度、比刚度和优异的导热、减震、电磁屏蔽等性能，在减重和节能方面具有独特的优势，近年来开始替代铝材和钢铁，在交通工具、电子通讯、民用家电、航空航天、国防军工等领域广泛应用，是当今世界发展最快的轻合金，被誉为“21 世纪绿色工程材料”。

［1－6］镁合金作为一种结构材料，在工程实际应用上就要考虑其连接的问题，焊接是最常用的连接方法。

但应用现状还不容乐观，主要受制于如下原因：（1）镁合金塑性较差，挤压、轧制性能不好，大多数镁合金零件局限于压铸这一单一的成型方式；（2）用作结构材料时，镁合金因为其特殊的热、电性能及易氧化的特点很难突破焊接性差这一瓶颈；（3）镁合金耐蚀性能较差，尤其是传统的焊接方法引起的焊后残余应力大，应力腐蚀开裂敏感。

针对以上问题，国内外对此进行了大量探索研究，镁合金塑性加工成形及镁合金焊接成形是其研究的重点之一。

目前镁合金焊接技术已成为了一个世界性的技术问题，各国都在这一领域投入了大量的人力、财力、物力。

我国做为镁资源最丰富的国家，总储量是世界总储量的22.5%；因此，镁合金焊接研究已成为我国镁合金深加工的重要方向之一。

本文根据国内外研究现状，综述了氩弧焊焊接工艺及特点，介绍了几种先进焊接方法。

[7] 本文分析了各种焊接方法对镁合金的适用性，对国内外镁合金焊接技术的研究进行了介绍。

1镁合金的性能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[8- 12] :1) 密度小镁的密度大约是1700kg / m3,是铝的2 /3, 是铁的1 /4。

它是最轻的实用金属。

2) 高比强度、高比刚度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) 机械加工性能好镁合金比其它金属的切削阻力小, 若镁合金切削阻力为1, 则铝合金118, 黄铜为213, 铸铁为315; 机械加工速度快, 刀具使用寿命长。

4) 电磁屏蔽性能好镁合金的电磁波屏蔽性能比在塑料上电镀屏蔽膜的效果还好，因此，使用镁合金可省去电磁波屏蔽膜的电镀工序。

5) 传热性好、导电性强镁合金的传热和热膨胀系数较大, 弹性模量在常用金属中是最低的。

镁合金的电导率大于铝和钢，传热系数比铝小, 比塑料高出数十倍，比钢大。

6) 再生性能镁合金与塑料不同, 它可以简单地再生使用且不降低其力学性能, 由于熔点低、比热容小, 再生熔解时所消耗的能源是新材料制造耗能。

7) 抗蠕变性能好镁随着时间和温度的变化在尺寸上蠕变少。

8) 对振动、冲击的吸收性高由于镁合金对振动能量的吸收性能好, 使用在驱动和传动的部件上可减少振动。

另外, 冲击能量吸收性能好, 比铝合金具有更好的延伸率的镁合金, 受到冲击后, 能吸收冲击能量而不会产生断裂, 由冲撞而引起的凹陷小于其它金属。

2 镁合金的焊接特点因镁合金具有密度低, 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等独特的物理化学性质，使镁合金在焊接过程中会产生一系列的困难。

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[13] :1) 粗晶问题由于热导率大, 故焊接镁合金时要用大功率热源、高速焊接, 易造成焊缝和近缝区金属过热和晶粒长大, 这是焊接镁合金时的显著特点之一。

2) 氧化和蒸发由于镁的氧化性极强, 在焊接过程中易形成氧化膜( MgO ), MgO 熔点高( 2500℃ ),密度大( 312g /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 ℃), 在电弧高温下很易蒸发。

3) 热应力镁及镁合金热膨胀系数较大, 约为铝的112倍, 在焊接过程中会易产生大的焊接变形, 引起较大的热应力。

4) 焊缝下塌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。

5) 气孔与焊铝一样, 镁合金焊接时易产生氢气孔。

氢在镁中的溶解度随温度的降低而减小,而且镁的密度比铝小, 气体不易逸出, 在焊缝凝固过程中会形成气孔。

6) 热裂纹镁合金易与其它金属形成低熔共晶体, 在焊接接头中易形成结晶裂纹。

当接头处温度过高时, 接头组织中的低熔点化合物在晶界处会熔化出现空穴, 或产生晶界氧化等, 产生所谓的/过烧现象。

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、摩擦搅拌焊、电阻点焊, 现将国内外这方面的研究工作综述如下。

3.1 镁合金的钨极惰性气体保护焊钨极气体保护焊是目前镁合金最常用的焊接方法[14]。

其基本原理是：钨极被夹持在电极夹上，从TIG焊焊枪的喷嘴中伸出一定长度。

在伸出的钨极端部与焊件之间产生电弧，对焊件进行加热。

与此同时，惰性气体进入腔体，从钨极的周围通过喷嘴喷向焊接区，以保护钨极、电弧及熔池使其免受大气的侵害。

当焊接薄板时，一般不需要添加焊丝，可以利用焊件被焊部位自身熔化形成焊缝。

当焊接厚板或带有坡口的焊件时，可以从电弧的前方把填充金属以手动或自动的方式，按一定的速度向电弧中送进。

填充金属熔化后进入熔池，与母材熔化金属一起冷却凝固形成焊缝。

图1钨极惰性气体保护焊示意图其技术特点有以下几个方面：(1)工艺简单,灵活性好,且成本较低。

镁合金TIG 设备要求简单，焊接过程灵活，可以进行手工、自动等多种焊接，尤其适合于工况复杂的焊接，可以实现单面焊、双面焊以及镁合金铸件的补焊［15］;(2)TIG 焊接镁合金，焊接接头的变形小，热影响区较窄，接头的力学性能和耐腐蚀性能较高;(3)焊接工艺性能好，明弧，易于观察电弧及熔池，焊缝成形美观;(4)TIG 在惰性气体的保护下进行，电极和电弧区及熔化金属都处在氩气保护之中，电极不熔化，电弧长度较恒定，焊接过程稳定［16］。

其工艺研究状况有：镁合金TIG 焊缝区域主要由母材、热影响区，熔核区组成［17］。

Ashina T 和Tokisue H 等研究了AZ31板材TIG焊接后的组织与力学性能，发现脉冲频率对AZ31 焊接热裂纹敏感性具有重要影响，合适的脉冲频率可以获得力学性能较高的焊接接头。

武婧亭等采用TIG 对镁合金AZ71 薄板进行焊接加工，焊后对接头进行拉伸实验和硬度测试，结果表明接头抗拉性能最好，能达到母材的89． 58%。

焊接过程中填丝对焊接性能具有重要的影响。

彭建等对AZ61 镁合金薄板采用AZ31、AZ61 两种焊丝进行TIG 焊接实验，分析了焊丝成分对焊接接头组织和性能的影响，发现采用AZ61 焊丝焊接接头力学性能更优异。

张新恩等通过直流钨极氩弧焊对AZ31 镁合金挤压板材进行了双面焊接实验，分析表明，采用AZ31 焊丝焊接接头平均抗拉强度达到了母材的86． 0%，焊接接头的断裂均位于热影响区，断口呈现韧脆混合断裂特征。

焊接电流是焊接过程中的重要工艺参数，对此张福全、周海等考察了焊接电流在30 ～ 60 A 与160～ 220 A 区间对焊接组织与力学性能的影响，发现焊接电流对接头力学性能影响较大。

对镁合金焊件进行预热同样可以提高焊接接头力学性能。

Shen 等人研究了预热对TIG 焊接AZ61镁合金接头的组织和力学性能的影响，结果表明随着预热温度的增加，在熔合区Mg17Al12 由15% 增加至66%; 在预热温度为300 ℃时，焊接接头的显微硬度和抗拉强度达到其最大值。

3.2 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊（简称FSW）是利用一种非耗损的特殊形状的搅拌头，旋转着插入被焊零件，然后沿着被焊零件的待焊界面向前移动，通过搅拌头对材料的搅拌、摩擦，使待焊材料加热至热塑性状态，在搅拌头高速旋转的带动下，处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压作用，在热-机联合作用下材料扩散连接形成致密的金属间固相连接。

搅拌摩擦焊的原理如图2所示图2搅拌摩擦焊原理示意图目前已实现了AZ61[18] 、AZ81A[19] 、AZ91D[20] 等镁合金的搅拌摩擦焊接。

焊接镁合金时不会产生与熔化有关的缺陷, 如气孔、裂纹等, 相反, 由于焊接过程中的快速机械搅拌作用, 塑化连接的接头有动态再结晶的过程, 焊缝宽度均匀, 表面成型美观无任何缺陷。

观察接头组织发现, 在接头处产生了一个椭圆形的搅拌区域, 该区域由具有高密度的混乱微小的再结晶颗粒组成; 焊缝中心晶粒细小, 且在靠近焊缝的上表面和下表面晶粒更加细小, 这是因为在搅拌头的作用下, 产生变形和摩擦热导致该部位金属在较低温度下发生动态再结晶过程, 从而形成细小的等轴晶粒; 热影响区晶粒较粗短, 逐渐向等轴晶、微细晶粒转变。

整个接头的综合机械性能几乎与母材完全相同, 接头抗拉强度达母材强度的90%左右, 接头韧性与母材相比降低很少。