（材料加工工程专业论文）变形镁合金炉中接触反应钎焊试验研究.pdf

变形镁合金炉中接触反应钎焊试验研究 摘要 本文概述了镁合金的性能特点及其在工业领域中的应用前景，综述了镁合 金焊接过程中存在的主要问题，阐述了有可能应用于镁合金焊接的各种焊接方 法、工艺要素及相关研究现状，提出了有待进一步研究的相关问题。 课题以探索镁合金的钎焊性能为目的，采用c u 箔、b a l 8 8 s i m g 钎料为中 间层金属，进行了a z 31b 、m e 2 0 m 变形镁合金的炉中接触反应钎焊试验研究， 内容包括利用金相显微镜、附有能谱分析( e d s ) 的扫描电子显微镜( s e m ) 、 显微硬度计、强度分析等方法，对不同工艺参数下镁合金接头的微观组织结构 形貌、元素行为、接头力学性能等进行了分析，探讨了如何通过对工艺参数的 合理控制，以获得镁合金接触反应钎焊比较理想的接头。 研究结果表明：采用c u 箔、b a l 8 8 s i m g 作为中间层金属，在适当的工艺 条件下三种组合均可实现接头界面区的冶金结合。以c u 箔、b a l 8 8 s i m g 作中 间层的接触反应钎焊对两种母材均有较大的溶蚀倾向，钎焊加热温度、保温时 间以及中间层金属厚度是影响溶蚀的主要因素。由于两种镁合金母材在合金成 分、熔点等物化性能上的差异，c u 箔中间层接头m e 2 0 m 一侧界面区由粒状转 变为片层新相继而增厚的显微结构，而在a z 3lb 一侧的界面区则显示出清晰的 扩散反应特征。b a l 8 8 s i m g 中间层接头界面区显微结构均为明显的交互结晶组 织，显示出反应液相沿母材晶界以共晶反应的形式向前扩展，且随着钎焊温度 的升高愈加显著。c u 箔、b a l 8 8 s i m g 接触反应钎焊m e 2 0 m 、a z 3 1 b 镁合金时 钎缝扩散反应区与母材硬度相差不大，说明母材与中间层实现了良好的冶金结 合。其中4 8 0 5 m i n 时，b a l 8 8 s i m g 中间层钎焊a z 3lb 镁合金时由于均匀化 过程相对较充分且接头区晶粒并未粗化，接头区显微硬度分布起伏相对较小。 以c u 箔作中间层时，接头的抗剪强度随着钎焊温度的升高呈先增大后减小的 趋势；而b a l 8 8 s i m g 中间层接头抗剪强度在试验温度范围内是随着钎焊温度的 升高而增大。其中a z 3lb a z 31b 接头的抗剪强度最高，达到了实用程度。接 头区合金元素的扩散分布主要与钎焊温度及保温时间有关，界面元素的扩散分 布随着峰值钎焊温度的升高及保温时间的延长而越明显。一定范围内，界面元 素的扩散分布越明显，接头抗剪强度越高。然而当钎焊温度、保温时间过量使 钎缝区晶粒发生粗化时，会导致接头的抗剪强度下降。 关键词：镁合金；中间层金属；接触反应钎焊；接头显微结构 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fc o n t a c tr e a c t i v eb r a z i n go n w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y s a b s t r a c t r h ec h a r a c t e r i s t i c sa n di n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n so fm a g n e s l u ma l l o y s w e r e s u m m e r i z e di nt h i sp a p e r ，a n dt h em a i np r o b l e m si nm a g n e s i u ma l l o yw e l d i n gw e r e a n a l y z e d ， s o m ew e l d i n gm e t h o d st h a tm a yb e u s e do nm a g n e s i u ma l l o y s ，i t s p r o c e d u r ef a c t o r sa sw e l la si t su p d a t e dr e s e a r c hr e s u l t sw e r er e v i e w e d f o r w a r d i n g p r o b l e m st ob er e s e a r c h e dw e r ep o i n t e do u t i n t h i sp a p e r ，t h er e s e a r c ho nm a g n e s i u ma l l o y ( m e 2 0 ma n da z 3lb ) b y c o n t a c tr e a c t i v e b r a z i n g ( c r b ) i nf - u r n a n c e ，c o p p e r f o i la n db a l 8 8 s i m gw e r e s e l e c t e da si n t e r m e d i a t e1 a y e r m i c r o s t r u c t u r e ，e l e m e n tb e h a v i o ra n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw i t hd i f - f e r e n tt e c h n o l o g yp a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e db ym e a n so fo p t i c a l m i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a c c o m p a n i e db ye d s a n ds t r e n g t h a n a l y z e r t h eg o o db r a z i n gjo i n ts t a t u sw a so b t a i n e db yt h eo p t i m i z a t i o no ft h e t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r d i s t r i b u t i o no f m i c r o h a r d n e s sw a su n a n i m o u sa saw h o l e t h er e s u l t ss h o wt h a t ：g o o ds u r f a c ew e l d i n gjo i n tc a nb eg o tu n d e rp r o p e r b r a z i n gp a r a m e t e r c r bw i t hc o p p e rf o i la n db a l 8 8s i m gi n t e r m e d i a t el a y e rb o t h h a v ed i s s o l u t i o nt e n d e n c yt ot w op a r e n tm e t a l s m a i nf a c t o ro fd i s s o l u t i o nw e r e b r a z i n gt e m p e r a t u r e ，h o l d i n gt i m ea n dt h i c k n e s so fi n t e r m e d i a t el a y e r c o p p e rf o i l a si n t e r m e d i a t e1 a y e r ，i n t e r f a c ez o n eo fm e 2 0 ms h o w e du pt h a tt h eg r a n u l a r c o m p o u n di n t e r n e c t1 a m e l l a ra n dt h e ni n c r a s s a t e d ，i n t e r f a c i a lz o n es h o w e dd i s t i n c t f e a t u r eo fd i f i f u s i o nr e a c t i o nw i t ha z 3lb w h i l eb a l 8 8 s i m ga si n t e r m e d i a t e l a y e r ，i n t e r f a c eo fb r a z i n gs e a mm a n i f e s t e dt y p i c a li n t e 豫c t i o nc r y s t a ls t r u c t u r e ，t h e l i q u i dp h a s ee x t e n d e df o r w a r dw i t h f o r mo fe u t e c t i cr e a c t i o n t h ee x t e n s i o n b e h a v e dm o r eo b v i o u sa sb r a z i n gt e m p e r a t u r er o s i n g d i s t r i b u t i o no fm i c r o h a r d n e s s a r eu n a n i m o u sa saw h 0 1 e ，i n d i c a t i n gt h a tp a r e n tm e t a lr e a l i z e dg o o dm e t a l l u r g i c a l c o m b i n a t i o nw i t hi n t e r m e d i a t e l a y e r a sb r a z i n gt e m p e r a t u r ew e n tu p ，s h e a r s t r e n g t ho ft h ej o i n tw a sf i r s ti n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e dw i t hc o p p e rf l o i l w i t h i n ac e r t a i nr a n g e ，s h e a rs t r e n g t ho ft h ej o i n tw a si n c r e a s e dw i t hb a l 8 8 s i m g h i g h e r s h e a rs t r e n g t ho ft h ej o i n tb eg o tw i t hi n t e r m e d i a t e1 a y e ro fb a l 8 8 s i m gf o r a z 3lb ，a c h i e v i n gp r a c t i c a le x t e n t d i s p e r s i o na n dd i s t r i b u t i o n o fa l l o y e l e m e n t w e r ec o n c e r n e dw i t hb r a z i n gt e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m e s d i s p e r s i o na n d d i s t r i b u t i o no fi n t e r f a c ee l e m e n tm o r ed i s t i n c ta n ds h e a rs t r e n g t ho ft h ej o i n tm o r e h i g hi nac e r t a i na r e a w h i l eb r a z i n gt e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m ei ne x c e s sw o u l d r e s u l ti nd e c l i n eo f jo i n ts h e a rs t r e n g t h k e y w o r d ：m a g n e s i u ma l l o y ； i n t e r m e d i a t el a y e r ；c r b ；m i c r o s t r u c t u r eo fj o i n t 图l 一1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图4 1 图4 2 插图清单 搅拌摩擦焊原理示意图8 典型扩散生成液相过渡。1 1 接触反应钎焊微观物理过程模型1 2 a z 31 b 和m e 2 0 m 镁合金的显微组织15 g q y z l 1 2 0 0 型真空炉1 7 搭接示意图。l8 钎焊试样装夹示意图18 钎焊试样工艺曲线21 镁合金钎焊试样部分外观照片。2 2 产生溶蚀的部分钎焊试样宏观形貌2 4 1 0 “mc u 箔5 m i n ，峰值钎焊温度对m e 2 0 m m e 2 0 m 接头微观形貌的影响2 6 c u m g 、a 1 m g 、m g s i 二元合金相图2 7 1 0 m 铜箔5 1 0 ，保温时间对m e 2 0 m m e 2 0 m 接头界面微观形貌的影响2 7 1 0 m 铜箔，工艺参数对a z 31 b 几忆31 b 接头微观形貌的影响2 8 2 0 “mb a l 8 8 s i m 5 m i n ，峰值钎焊温度对接头微观形貌的影响2 9 不同中间层钎焊a z 31b 瓜正2 0 m 接头的微观形貌一3 0 铜箔5 1 0 5 m i l l ，m e 2 0 m m e 2 0 m 接头元素点扫描位置及对应谱图3 l 铜箔5 1 0 1 0 m i n ，m e 2 0 m m e 2 0 m 接头元素线扫描曲线分布3 2 铜箔5 1 0 3 0 m i n ，a z 3 l b a z 3 1 b 接头元素线扫描曲线分布3 3 铜箔5 1 0 3 0 m i n ，a z 3 1 b 儿忆3 1 b 接头元素点扫描位置及对应谱图3 5 b a l 8 8 s i m g 4 8 0 5 m i n ，m e 2 0 m ，m e 2 0 m 接头元素点扫描及对应谱图3 6 铜箔5 1 0 1 0 m i n ，a z 3 1 b m e 2 0 m 接头元素线扫描曲线分布一3 6 b 砧8 8 s i m g 4 8 0 5 m i n ，a z 3 1 b m e 2 0 m 接头元素线扫描曲线分布3 7 b a l 8 8 s i m g 4 8 0 5 m i n ，a z 3 1 b m e 2 0 m 接头元素点扫描位置及对应谱图3 8 5 1 0 5 m 州铜箔，钎缝界面区显微硬度分布4 1 4 8 0 5 m i i l b a l 8 8 s i m g ，钎缝界面区显微硬度分布4 2 表格清单 表1 1纯镁在2 0 下的典型力学性能2 表2 1a z 3 1 b 、m e 2 0 m 镁合金的化学成分( w t ，) 1 5 表2 2a z 31 b 和m e 2 0 m 镁合金的焊接性1 5 表2 3 中间层b 础8 8 s i m g 的化学成分及固液相线温度( w t ，) 1 6 表2 - 4 试验方案2 l 表3 1钎缝常见外观缺陷及原因2 3 表3 2 用于显示镁合金金相显微组织的浸蚀剂【7 5 j 2 5 表3 3图3 1 0 中测试点成分能谱分析结果( 原子分数，) 。3 l 表3 - 4图3 1 3 中测试点成分能谱分析结果( 原子分数，) 3 5 表3 5图3 1 4 中测试点成分能谱分析结果( 原子分数，) 3 6 表3 6图3 17 中测试点成分能谱分析结果( 原子分数，) 3 9 表4 1m e 2 0 m 铜箔m e 2 0 m 接头抗剪强度的试验结果，4 3 表4 2a z 3 1 b 铜箔几忆3 l b 接头抗剪强度的试验结果4 4 表4 3b a l 8 8 s i m g 中间层接头抗剪强度的试验结果4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金a 墨工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 船肄译毒 签字日期沙尸年够月f 孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权合肥工业大 学可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名骄j l 踢 签字日期：扩，年够月，寥日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 锈叫 厶学 矽 厂广 护 名 期 签 日 师 字 导 签 致谢 本文是在导师徐道荣导师的悉心指导与关怀下完成的。导师严谨的治学态 度、渊博的学识、敏锐的科学思维、大胆创新的科学精神以及无私奉献的高尚 情操、乐观大度的生活态度令我终生难忘! 三年来，徐老师不仅在学业上给予 我极大的指导和教诲，而且在生活上给予我无微不至的关怀和帮助；不仅传授 科研治学的的思路和方法，更注重教导为人处世的道理和原则。值此论文完成 之际，谨向恩师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢! 三年的硕士学习，让我不但在专业理论知识上有所收获，更是在人际关系、 为人处世上让我受益匪浅。这些来自于关心指导我的老师、来自于一直关爱支 持我学习的家人和亲友们、来自于实验室的各位研究生同学、来自于所有一同 努力、一同成长的朋友! 论文工作期间，我还要特别感谢焊接教研室的薛国宪、李萌盛教授，感谢 他们在研究工作中的热情指导和提出的宝贵建议，同时对焊接教研室的其他老 师一并表示真诚的感谢! 此外，还要感谢材料学院实验室的各位老师在试验过 程中给予的大力的支持，正是有了他们的指导和帮助，我的试验才能顺利完成。 最后感谢在研究生学习期间给予支持和帮助的朋友! ， 在毕业之际，对所有关心和陪伴我的老师与朋友的祝福是无法用简简单单 言语来表达。此时无声胜有声，祝愿大家快乐、健康、平安 作者：许德星 2 0 1 0 年3 月 第一章镁合金及其焊接概况 新世纪对材料的要求主要有三方面，一是资源丰富，二是节约能源，三是 环境保护。为达到以上三点要求，研发镁合金结构材料是一个极为重要的方向。 镁在地壳中储量极为丰富，在金属中仅次子铝、铁而居第三位。镁具有许多优 良性能，如比重轻、比强度、比刚度高，阻尼性、减振性、切削加工性及导热 性好，以及良好的电磁屏蔽性和环境相容性等特点，更重要的是它很容易回收， 很容易降解。因此在交通、计算机、通讯、消费类电子、国防军工等诸多领域 具有极为广泛的应用前景。 2 0 世纪末，安全和环保法规的日趋严格，对现代汽车节能降耗的要求不断 高涨，轻量化成为汽车选材的主要发展方向。镁作为工业应用中最轻的金属材 料，成为汽车轻量化的首选材料。此外，镁合金可替代塑料材料满足3 c ( c o m p u t e r s 、c o m m u n i c a t i o n sa n dc o n s u m ee l e c t r o n i c s ，即计算机、通信器材 和消费类电子) 产品轻、薄、小型化、高集成化以及严格的环保要求，在通讯 信息产业中也有着十分广泛的应用l lj 。 为了更广泛地应用镁合金，利用各种变形方法( 如轧制、挤压和锻造等) 来制造镁合金部件成为镁合金发展的一大趋势。与铸造产品相比，这些变形产 品具有更低的成本、更高的强度和延展性以及更多样化的力学性能等优点。近 期对变形镁合金的开发，国外给予了很大重视，变形镁合金主要应用于航空航 天、军用和民用飞机和汽车、军事器械和电子工业产品中，如火箭发射的空间 支撑系统中的板材、方形及t 型挤压件。由于镁合金的焊接性能不好，很难实 现可靠连接，镁合金结构件以及镁合金与其它材料结构件之间的连接，成为制 约镁合金应用的技术瓶颈和急需解决的关键技术之一【2 】。 1 1 镁合金的性能及应用 1 1 1镁及镁合金的性能 镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁的密度是1 7 4g c m 一，大约 仅为铝的2 3 、钛的2 5 、钢的l 4 。纯镁常见的物理和力学性能见表1 1 和表 1 2 。 纯镁的优点很多，但是力学性能较低，其应用范围受到很大限制，通过在 纯镁中加入合金化元素，可以显著改善物理、化学和力学性能。一般来说，镁 合金多具有以下特点1 3 。10 1 。 ( 1 ) 密度小镁合金的密度比纯镁密度稍高，是最轻的实用金属； ( 2 ) 高的比强度和比刚度在相同强度的情况下，镁合金零部件比塑料 还要薄，质量也轻。另外，由于镁合金的比强度比铝合金和铁高，在不减少零 部件强度的前提下，镁合金要比铝或铁零部件的质量轻很多； ( 3 ) 弹性模量低外力作用时，镁合金的应力分布更均匀，可以避免过高 的应力集中。在弹性范围内承受冲击载荷时，冲击能量吸收性能好，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，适宜于制造承受 猛烈冲击的零部件； ( 4 ) 阻尼性能好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，适于制备抗振零部件； ( 5 ) 机械加工性好镁合金比其它金属的切削阻力小，其切削速度大大高 于其他金属，不需要磨削、抛光处理，不使用切削液即可得到粗糙度很低的加 工面。机械加工速度快，刀具使用寿命长； ( 6 ) 传热性好、导电性强镁合金的传热系数比铝小，比钢大，比塑料高 出数十倍，电导率大于铝和钢； ( 7 ) 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； ( 8 ) 抗蠕变性能好镁随着时间和温度的变化在尺寸上蠕变少； ( 9 ) 可再生镁合金与塑料不同，它可以简单地再生使用且不降低其性能，由 于熔点低、比热容小，再生溶解时所消耗的能源是新材料制造耗能的4 。 表1 。1纯镁在2 0 下的典型力学性能 抗拉强度o 2 抗拉屈0 2 抗压屈标距5 0 m m 的硬度 规格 ( m p a )服强度( m p a )服强度( m p a )伸长率( )h r eh b 砂型铸造( 1 3 ) 9 02 l2 12 61 63 0 挤压成型( 1 3 )1 6 5 2 0 56 9 1 0 53 4 5 55 8 2 6 3 5 冷轧薄板1 8 0 2 2 0 1 1 5 1 4 010 5 115 2 l0 4 8 5 44 5 4 7 退火薄板 1 6 0 1 9 59 0 10 56 9 8 33 l53 7 3 94 0 4 l 5 0 0 蝇载荷，1 0 m m 直径钢球。 1 1 2 镁合金的类别 按照镁合金的成型工艺，可以将其分为变形镁合金和铸造镁合金两大类： ( 1 ) 变形镁合金 变形镁合金按其化学成份又可分为三类： a ) m g m n 系，如m b l 、m b 8 ，抗蚀性与焊接性良好，用于制造飞机蒙皮， 壁板，模锻件等； b ) m g a l z n 系，如m b 2 、m b 3 、m b 6 、m b 7 ，主要生产锻件，用于制造 导弹蒙皮、壁板等零件； c ) m g z n z r 系，如m b l 5 、m b 2 2 、m b 2 5 。 ( 2 ) 铸造镁合金 2 铸造镁合金按其化学成份也可分为三类： a ) m g a 1 z n 系，如z m 5 ，具有流动性好、热裂倾向小等特点，一般用于 制造隔框、轮毂、机匣等零件； b ) m g z n z r 系，如z m l 、z m 2 、z m 8 。用于制造要求强度高和抗击的零件， 如飞机轮毂、轮缘、隔框、支架、发动机机匣、电机壳体等； c ) m g r e z n z r 系，如z m 3 、z m 4 、z m 6 、z m 9 。以z m 3 合金为例，该合 金中加入2 5 4 r e ，0 2 0 7 z n ，o 3 l z r ，它用于制造在高温下 工作和要求气密性高的零件，如航空发动机增压机匣、压缩机匣及迸气管道等。 1 1 3 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、自行车及日常生活方面都得到了广泛的 应用，具体如下： ( 1 ) 镁合金在交通工业中的应用 镁合金在汽车上的广泛应用始于2 0 世纪9 0 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，东风汽车公司早在“七 五”、 “八五”其间就开展了镁合金研究工作，“九五”其间与北京有色金属研究 总院合作，完成了国家科技攻关项目为“镁合金在汽车上的应用研究”。镁合金 消费量最大的福特汽车公司仍在继续增加用镁合金量来减轻汽车重量，在2 0 0 1 年使用了2 o 万吨。发展镁合金的主要动力是汽车工业的发展需求，目前已经 开发出6 0 多种镁合金零件，对推动镁合金的进一步应用具有重要的意义以3 1 。 此外，镁合金在摩托车和自行车上也得到了应用。摩托车的曲轴箱等近十个部 件可采用镁合金压铸而成，一台l x l 5 0 型镁合金绿色概念车的整车质量可比采 用铝合金的减轻6 k 1 4 】；自行车是镁合金全新的应用领域，主要用作自行车车 架。用镁合金制造的折叠式自行车车架质量仅为1 4 k g ，整车质量仅4 k 5 。 ( 2 ) 镁合金在电子产品领域的应用 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。日本和中国台湾在这一领域保持着领先地位，除生 产笔记本电脑、m d 随身听和数码相机三大使用镁合金最多的产品外，还开发 出了投影机、c d 播放机、电视机外壳、掌上电脑和音响等。随着消费者对时 尚的要求越来越高，在电子产品的外壳材料上镁合金有逐渐取代a b s 、p c 等 材料的趋势【1 6 】。 ( 3 ) 镁合金在航空航天工业中的应用 镁及镁合金从2 0 世纪5 0 年代起在航空工业中就已经被广泛的使用。目前， 将已经研究出的高温镁合金w e 4 3 、w e 5 4 应用在新型航空发动机齿轮箱和直升 机的变速系统中，能在振动、沙尘、腐蚀、高温等比骄恶劣的环境中使用。可 见镁合金在航空航天工业中具有广泛的应用前景【1 7 j 。 ( 4 ) 其他方面的应用 用镁合金作为阳极消耗可有效防止金属构件的电化学腐蚀，这已被应用于 热水器、地下铁管道、电缆、塔基、石油贮藏、海水蒸馏器、轮船壳体和海洋 环境中的钢桩等的寿命【1 8 】。目前，镁合金作为阳极消耗的用量以每年2 0 的速 度在增长。 镁及镁合金还被用于电力工业、冶金行业、化学化工领域、家庭消费品、 家具、办公室设备、光学设备、运动器械、车床设备等众多领域，应用非常广 泛。 1 2 关于镁合金的焊接 目前，所用的镁合金材料以铸造镁合金为主，由于镁合金的焊接性能不好， 很难实现可靠连接，镁合金结构件以及镁合金与其它材料结构件之间的连接， 成为制约镁合金应用的技术瓶颈和急待解决的关键技术之一。 1 2 1 镁合金的焊接特点 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。主要问题如下引。 ( 1 ) 粗晶镁的熔点低，热导率高，所以焊接镁合金时要用大功率热源、 高速焊接。因而焊缝及近缝区金属易产生过热、晶粒长大、结晶偏析现象，降 低了接头性能。 ( 2 ) 氧化与蒸发镁的氧化性极强，易与氧和氮结合，在焊接过程中形成 氧化膜( m g o ) ，m g o 熔点高( 2 5 0 0 ) ，密度大( 3 2 9 c m 3 ) ，易在焊缝中形成夹杂， 降低焊缝性能。在高温下，镁还容易和空气中的氮化物化合生成镁的氮化物， 在焊缝中形成细小片状固态夹渣，不仅严重阻碍焊缝的形成，也降低焊缝性能， 致使焊缝金属塑性下降，接头性能变坏。镁的沸点不高( 11 0 0 ) ，在电弧高温 下容易蒸发。 ( 3 ) 薄件的烧穿与塌陷 在焊接薄件时，由于镁合金的熔点较低，焊接操 作时难以观察焊缝的熔化过程。温度升高，熔池的颜色也没有显著变化，极易 产生烧穿和塌陷现象。 ( 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，焊 接加热和焊后冷却过程中必然引起很大的热应力。热应力一方面引起结构变形， 另一方面加剧结晶裂纹的产生，直接影响焊接结构的质量和使用。此外，焊接 高温条件下，镁合金组织中低熔点化合物将在晶界处熔化而产生收缩孔洞，同 时容易产生晶界过烧现象，严重降低接头性能。 4 ( 5 ) 裂纹镁合金线膨胀系数较大，焊接过程中易变形、热应力较大，为 热裂纹的产生提供了条件。镁易与一些合金元素( 如c u 、a l 、n i 等) 形成低熔 点共晶体( 如m g c u 共晶点为4 8 0 ，m g a l 共晶点为4 3 0 ，m g n i 共晶点为 5 0 8 ) ，偏析于晶界，增大结晶温度范围，在应力作用下极易形成热裂纹。尤 其对弧坑裂纹敏感性更大。 ( 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。 1 2 2 镁合金焊接的主要方法与研究现状 在实际的应用中，镁合金的焊接是一个很重要的课题，由于镁合金的熔点 很低，在焊接加热过程中强烈地被氧化，在表面上形成高熔点的氧化物覆盖在 熔池和坡口上，严重影响焊接成型，同时也会形成氧化物夹渣，影响焊缝金属 的塑性。在电弧焊高温条件下，还容易产生燃烧和蒸发。由于镁合金导热快， 焊接加热时需要大功率，加热面积大，热影响区宽且易于过热，组织晶粒长大， 这种粗大晶粒将会影响接头力学性能。镁合金的线膨胀系数较大，在焊接过程 中易于变形，产生较大的热应力，易于产生热裂纹。镁合金在焊接加热条件下， 高温中能大量地溶解氢，随温度下降，其溶解度急剧减少，析出大量氢气容易 形成气孔。这些都是焊接镁合金中需要注意的问题。对于以上镁合金焊接中易 出现的问题，所以目前大量的研究集中在如何改善焊接接头组织结构和提高接 头的性能等方面。 ( 1 ) t i g 焊 钨极氩弧焊( g t a w t i g ) 是目前镁合金焊接最常用的电弧焊方法。乌极 氩弧焊是气体保护焊的一种，为非熔化极惰性气体保护焊。焊接时在惰性气体 的保护下，利用电弧热熔化母材和填充金属。一般采用交流氩弧焊，若使用直 流电源焊接时，需采用反极性接法，以便利用阴极雾化作用破坏、除去母材表 面上的氧化膜，减少或避免焊缝中的氧化物夹杂。氩弧焊的热影响区尺寸及变 形比较小，焊缝的力学性能和耐腐蚀性能也比较高。t i g 焊方法在有无填充金 属的情况下都可以进行镁合金的焊接，由于电极与填充丝独立，可以在较宽的 工艺条件下进行稳定焊接，所以t i g 焊在镁合金的焊接方面比焊接范围窄的 m i g 焊应用更广，特别适合于镁合金薄板的焊接。但是由于镁合金热膨胀系数 大，易产生焊接裂纹、焊后变形等缺陷，因此需要采用夹具固定、坡口处理、 焊前焊后热处理等措施，以保证获得完整的焊接接头。 a m u n i t z 【2 0 j 等研究了a z 9 1d 镁合金板材t i g 焊的力学性能和显微组织，发 现l 形试样( 从焊缝金属中沿焊缝长度方向截取) 的屈服强度、抗拉强度和伸 长率比铸态母材高，并分析得出这主要与熔化区相对较高的冷速引起的显微组 织细化有关。t a s a h i n a 和h t o k i s u e 等i2 1 】对a z 3 l 镁合金进行交流脉冲t i g 焊 研究也发现，熔化区晶粒最细，接头力学性能较好，但低于母材，疲劳极限约 为母材的9 2 。国内也有研究发现【2 2 。2 3 1 ，采用t i g 焊方法焊接a z 3 1 镁合金薄板 后主要存在波浪变形、焊后错边、焊瘤、表面“麻点”、弧坑裂纹等现象和缺陷， 但通过调整焊接顺序、采用大电流、快速焊和刚性固定等措施可以在一定程度 上避免上述缺陷，获得优质的焊缝，接头强度可达到母材强度的8 0 以上，接 头断口为脆性断裂。齐果等【“】对a z 3 1 镁合金的活性t i g 焊和t i g 焊进行了接头 组织与性能的对比分析，发现采用a t i g 焊能获得更好的熔透效果，a t i g 焊获 得的打底焊焊缝界面为垂直过渡到焊缝根部，而t i g 焊获得的打底焊焊缝界面 为圆弧过渡到焊缝根部。采用t i g 焊时，析出相主要在晶界上，而采用a t i g 焊 时，由于活性剂的加入，在晶界与晶粒上都存在析出相。 ( 2 ) 电子束焊 电子束焊接( e l e c t r o nb e a mw e l d i n g ) 是利用高电场产生高速电子，经会 聚后形成电子流，撞击被焊金属的接头处，使其动能转化为热能，金属熔化形 成连接接头的一种方法1 2 5 1 。电子束的能量密度高，穿透力很强，具有焊接速度 快，热输入低，焊道宽度及热影响区窄，焊道熔深大，变形小，焊缝纯洁度高 等优点。但是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 生起弧现象，焊接过程容易被中断【26 。通过增大焊接速度可避免起弧现象，不 过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，因此要求有一套精确的操作工艺以防止气孔与过热。焊接过程 中电子束的周向摆动和聚焦点位置的调节有利于消除气孔，获得优质焊缝。此 外，熔融镁的表面张力很小，比铝小5 0 ，因此在焊接过程中很容易发生焊缝 下榻。 谭兵1 27 j 等对a z 3lb 镁合金的电子束焊接的接头组织和性能进行了分析。结 果表明，采用电子束焊接a z 3 1 b 镁合金获得的焊缝正面成形美观，而背部存在轻 微的凹陷，焊缝深宽比在8 ：1 以上；焊缝中主要物相为m g ，a l 和少量的m g l 7 a 1 1 2 相；焊缝热影响区窄，焊缝组织为8 18 “m 的细小等轴晶粒。日本科技人员【2 8 】 对a z 3 1 镁合金的电子束焊接机理和力学性能进行了研究。采用合适的焊接参数 进行焊接，所得a z 31 镁合金焊缝表面质量良好，焊核区晶粒细小，抗拉强度与 基体接近，冲击性能为基体的8 7 ，但延伸率明显下降。t o s h i k a t s ua s a h i n a 和 h i r o s h it o k i s u e 【”j 采用高能电子束对4 m m 厚的a z 3lb 镁合金板材进行了成功的 焊接。实验采用对接接头，不需填充金属。作者研究了焊接速度对接头力学性 能和显微组织的影响。发现a z 31 镁合金焊后接头晶粒细小，焊核区和热影响区 的硬度与基体金属相近。a m u n i t z 和c c o t i e r l 3 0 j 用高能电子束对a z 9 1d 镁合 金板材进行了焊接，借助于x 射线和超声波进行了无损检测，并用光学显微镜 和扫描电子显微镜观察了焊缝的组织发现，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。 6 ( 3 ) 激光焊和激光t i g 复合焊接 激光焊是利用高能量密度激光束作为热源进行焊接的一种高效精密加工方 法。与其他熔焊方法相比，激光焊具有能量密度高、热输入低、接头区残余应 力和变形小、熔化区和热影响区窄、熔深大、焊缝组织细小、接头性能好等优 点。此外激光焊不需要真空条件，保护气体种类及压力范围可方便选择【3 。激 光电弧复合对焊接效率提高十分显著，这主要基于两种效应：一是较高的能量 密度导致了较高的焊接速度，工件对流损失减小；二是两种热源相互作用的叠 加效应。焊接时，激光引发的等离子体使电弧更稳定，同时，电弧能进入熔池 小孔，减小了能量的损失。激光一t i g 复合焊可显著增加焊速，约为t i g 焊接的2 倍，而且钨极烧损大大减小，寿命增加；坡口夹角亦减小，焊缝宽度与激光焊 时相近【32 1 。 用激光束作为热源来焊接镁合金时，焊缝可能产生气孔。h a f e r k a m p 等m 】 发现非真空压铸a m 6 0 b 合金熔化区的气孔比含气量少的真空压铸a z 9 1 d 合金 多。h z h a o 等人【3 4 】对压铸合金a m 6 0 b 激光焊接中气孔的形成机理及防止措施 进行了系统研究。在大多数焊接条件下，焊缝区气孔的面积分数与母材相比有 大幅度增加。大连理工大学宋刚等人1 35 j 利用最大功率5 0 0 w 的y a g 固体脉冲激 光加工器，研究了焊接参数对厚度为1 2 m m 和1 7 m m 的a z 31b 镁合金接头组织 和性能的影响。结果表明，激光脉冲宽度是影响焊接接头性能的主要参数，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。组织观察发现镁合金 激光焊接接头焊缝组织细密，晶粒细小，热影响区不明显；硬度试验显示，母 材、h a z 区及焊缝硬度相当。利用金相显微镜、电子探针、x 射线、扫描电镜、 硬度仪分别研究了激光焊接接头的微观组织、元素分布、断口形貌以及硬度变 化。结果表明，a z 31b 镁合金激光焊接接头没有明显的热影响区，焊缝狭窄， 接头成形好，焊缝为细小的等轴晶，但靠近上表面存在大晶粒；没有发现区域 偏析，无脆晶相存在；镁的蒸发损失导致焊缝金属中铝含量的升高，而锌基本 不变，同时熔深方向镁的损失增大；断口表现为混合断裂，没有气孔和裂纹存 在；硬度沿熔深方向变大。王继锋【3 6 】等人对a z 3 1 镁合金薄板进行了y a g 激光焊 接，激光功率为5 0 0 w 。接头没有明显的热影响区，焊缝狭窄，接头成形好，焊 缝为细小的等轴晶，但靠近上表面存在大晶粒；没有发现区域偏析，无脆晶相 ( m g l7 a 1 1 2 ) 存在；镁的蒸发损失导致焊缝金属中的铝含量升高，而锌基本保 持不变，同时熔深方向的镁损失增大；断口表现为混合断裂，没有气孔和裂纹 存在；焊缝硬度比母材高，这是由于焊缝区晶粒比母材细小，硬度沿熔深方向 增大。 文献【3 7 3 9 】以a z 3 1 b 变形镁合金为研究对象，采用激光t i g 复合焊对其进行 焊接，结果表明激光t i g 复合焊的焊接速度比t i g 的焊接速度快，熔深约为t i g 焊熔深的2 倍，激光焊熔深的4 倍。与单独的t i g 焊相比，特别是在焊接速度快、 t i g 焊接电流低的情况下，激光t i g 复合焊的电弧的稳定性提高。激光t i g 复 合焊的焊缝为明显的“图钉型”形貌，上部分为t i g 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t i g 复合焊焊镁合金能在较宽的工艺 参数范围内焊接，得到质量良好的焊缝和抗剪强度较高的焊接接头。表明激光 t i g 复合热源焊接是一种理想的镁合金焊接新工艺。单闯【4 0 】等人利用激光t i g 复合热源对镁与钢的异种材料进行了焊接，结果发现，随着激光离焦量的增加， 焊缝抗拉强度呈现先增大后减小的特点，而t i g 电流的变化对焊缝抗拉强度影 响不大，在焊接的过程中，激光对镁和钢的连接起主要作用。 ( 4 ) 摩擦焊 摩擦焊是在外力驱动下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动产生热量， 使接触面及其附近区域的金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，然 后通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接。摩擦焊接头的形成机 制和性能与熔化焊存在显著差异。其接头组织和性能的特点是：不会产生与熔 化和凝固过程有关的缺陷，如裂纹、气孔、偏析和夹杂；热影响区窄，组织无 明显粗化；焊接变形及残余应力小；接头附近区域因顶锻力的作用引发了一些 力学冶金效应，如晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布等【4 1 1 。摩擦搅拌焊接 是使用机械式的旋转搅拌棒，通过旋转摩擦和搅拌作用，将金属从固态转变成 塑性状态，再辅以挤压作用使材料接合在一起。图1 2 为搅拌摩擦焊的原理示意 图，这种利用搅拌棒造成金属塑性流动的方法可以应用于板状构件