镁合金TIG焊接工艺及研究进展.doc

镁合金焊接技术及研究进展一 前言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形式存在；另外，在盐湖及海水中的含量则更多。镁的熔点为650，与铝相近；镁的密度为117g/cm3；镁的化学性能活跃，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：(1)密度小，是钢铁的2/9，铝合金的2/3，是最轻的结构合金；(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；(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；(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；(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。下图是镁和镁合金发展及应用情况示意图：年 代镁合金发展及应用情况1808年英国化学家H.Davy在实验室制得镁1927年高强度镁合金MgAl9Zn1（AZ91）诞生1930年德国Alder工厂将镁合金用于汽车制造1935年苏联飞机设计师将镁合金用于飞机制造20世纪80年代开发出高纯度压铸镁合金AZ91D1996年镁合金用于摄录机机壳和笔记本电脑外壳20世纪90年代镁合金开始在“3C”类产品上大量应用21世纪以来镁合金航空航天、电子电信、光学仪器、军工工业上有着普遍应用和很大发展二 镁合金的焊接特点镁合金具有密度和熔点低，热导率、电导率及热膨胀系数大，化学活性强，易氧化且氧化物的熔点高等特点，使镁合金的焊接具有以下特点：(1)镁合金的沸点低(1100)，在熔焊高温条件下，容易产生蒸发，产生爆炸形成飞溅；(2)镁合金熔点低，热导率高，焊接时应采用大功率的焊接热源，因而焊缝及近缝区易产生过热、晶粒长大、结晶偏析等现象，影响接头性能；(3)镁的化学性质活泼，易与空气中的氧、氮反应生成MgO、Mg3N2，易在焊缝中形成细小片状固态夹渣，不仅严重阻碍焊缝成形，也使接头的力学性能显著下降，因此焊接时需用惰性气体或焊剂保护；(4)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；(5)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；(6)在焊接薄件时，由于镁合金熔点较低，而氧化镁的熔点很高，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，熔池的颜色也没有显著变化，极易产生烧穿和塌陷现象。三 镁合金的常用焊接方法镁及其合金在没有隔绝氧的条件下焊接时易燃烧，熔焊时需要用惰性气体或焊剂保护，但目前还没有有效的镁合金焊剂，而且焊剂也不能保护热影响区，目前钨极气体保护电弧焊(TIG)和熔化极气体保护电弧焊(MIG)是镁合金常用的焊接方法。此外镁合金还可采用搅拌摩擦焊(FSW)、电阻点焊(RSW)、电子束焊(EBW)和激光焊(LBW)等工艺进行焊接。1.熔化极氩弧焊（MIG） 熔化极氩弧焊特点：(1)焊接速度快，生产效率高； (2)由于以焊丝作电极，焊接适宜范围较窄； (3)焊接电流过高时熔滴爆炸蒸发造成飞溅； (4)焊接中要采用推拉方式的特殊送丝装置； (5)市场上直径小于1.6mm的焊丝很少，对于焊接厚度小于2mm的工件，难以找到适配焊丝。镁合金MIG焊时可以有3种熔滴过渡形式：短路过渡、脉冲喷射过渡和喷射过渡。2. 搅拌摩擦焊（FSW） 搅拌摩擦焊（FSW）是一种新型的固相塑性连接工艺，焊接具有焊接质量稳定、热变形小、节能环保等特点。FSW焊接在镁合金焊接中效果良好，焊接接头的力学性能几乎与母材相同，抗拉强度达到母材的90%以上，可以使镁合金接头具有优良的力学性能。FSW焊是镁合金焊接中最具发展前景的焊接方法之一，固相连接避免了普通焊接方法存在的焊接缺陷，焊接接头力学性能较好，但其焊接工艺限制较多，搅拌头适应性差，磨损较快，工艺还不成熟，目前仅限于结构简单的构件。3.电阻点焊(RSW)厚度为0.5-3.3mm的镁合金薄板和挤压件常用电阻点焊来联接，电阻点焊前要求对工件实行严格的焊前清理，以获得尺寸稳定及优质的焊点。镁合金点焊对设备要求苛刻，因为它的热导率和电导率高，故要求焊接电流大，焊接时间短。要求焊机电极有快速移动系统。这样，当金属快速软化和变形时，可以维持焊点熔核上的压力不变，故应采用低惯性焊机。4.激光焊（LBW）激光焊接焊速高，质量好，无变形，无需真空条件，容易实现自动化焊接。焊接过程中，激光束照射到金属表面时，材料将瞬时汽化，并在束流压力和蒸汽压力的共同作用下，形成一个细长的小孔。小孔中的汽化金属被电离并将摄入的能量完全吸收，然后将热量传递给周围材料使之熔化，在小孔附近形成熔池。激光焊可以得到极小的熔化区和热影响区，并能净化焊缝，减少焊缝中的内应力、裂纹和气孔等缺陷。四 TIG焊在镁合金焊接中的应用钨极惰性气体保护焊（TIG）是目前镁合金最常用的焊接方法。是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充金属从而形成结合的一种方法。 1930年，工业中镁的大量使用让TIG焊体现出了它的真正价值，TIG焊也伴随着铝、镁等金属的焊接需要而发展起来。TIG焊是伴随着铝、镁等金属的焊接需要而发展起来的，因而TIG焊也是镁合金焊接中最常用的焊接方法。镁合金焊接中多采用交流TIG焊，其具有电弧稳定，兼有去除母材表面上的氧化膜，减少或避免焊缝中的氧化物夹杂等优点。氩弧焊的热影响区尺寸及变形比较小，因而焊缝的力学性能和耐腐蚀性能也比较高。(1)焊前准备 为防止腐蚀，镁合金通常都需进行氧化处理，使其表面有一层铬酸盐填充的氧化膜，这层氧化膜是焊接时的重大障碍，焊前必须清除。常用的有机械清除法和化学清除法。另外，镁合金氩弧焊时采用交流接法，且氩气对电弧冷却作用较小，电弧穿透能力不是很强，所以要根据工件厚度开不同形式的坡口。(2)焊接线能量焊接电流和速度对焊接线能量起主导作用。通常镁合金焊接时均采用尽可能大的焊接电流和焊接速度，因为小电流焊接时极易产生焊缝气孔，减小焊接速度会使输入的热量增加，以致形成过热和热裂纹。(3)氩气流量 氢是镁合金焊接时产生气孔的主要原因， 弧柱气氛中的水分、焊接材料、母材表面氧化膜的吸附水分， 对焊缝气孔的产生常常占有较大比例。在焊接过程中通过增加气体的流量可以显著地减小气孔的数量、体积， 并能减小焊缝中镁的损失， 从而提高焊接接头的力学性能。 (4)焊丝化学成分 焊丝的化学成分对焊接接头的组织影响较大，一般选取Al含量低于母材组织的焊丝。 (5)电流和极性的选择 交流TIG焊，正接的半波时钨极可以发射足够电子而不过热， 有利于焊接电弧稳定。反接的半波时工件表面生成的氧化膜很容易被较重的正离子轰击而清理掉， 获得成形良好的焊缝。有研究表明交流TIG焊比直流TIG焊时裂纹要少。五 镁合金焊接研究中的热点问题(1)镁合金新的焊接方法的研究，特别是复合热源焊接技术；(2)镁合金焊剂和焊接材料的研制；(3)镁合金焊接过程温度场模型的建立，以便能更好地控制凝固过程；(4)镁合金焊接冶金基础理论的研究；(5)镁合金与其它金属的连接技术的研究。 六 总结1.简单介绍了镁合金的性能及应用状况； 2.列举了镁合金在焊接中的性能及特点； 3.介绍了镁合金常用的焊接方法； 4.重点介绍了TIG焊在镁合金焊接中的应用情况；5.对当前镁合金焊接中比较热的研究问题进行总结和整理。七 参考文献1 李日娟, 郝宁宁. 镁合金TIG焊工艺J.电焊机, 2007.37(2): 70-73.2 马孝斌, 朱厚国. 镁合金及其焊接技术J. 上海有色金属, 2008.29(4): 184-189.3 初雅杰, 李晓泉, 吴申庆. 镁合金焊接方法的研究进展J.机械工程材料, 2010.34(6):10-124 刘黎明, 蔡东红, 张兆栋, 祝美丽. 镁合金活性焊丝TIG焊J. 焊接学报, 2007.28(4): 29-325 邓彩萍, 童彦刚. 镁合金的焊接研究现状J.电焊机, 2010.40(3): 10-136 马翔, 镁合金活性焊接