AZ31B镁合金焊接技术研究现状及发展方向.pdf.doc

DOI:10.14024/ki.1004-244x.2013.05.050第36卷第5期兵器材料科学与工程Vol.36 No.52013年9月ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERINGSept.， 2013网络出版时间：2013-9-18 15:39 网络出版地址：/kcms/detail/33.1331.TJ.20130918.1539.009.htmlAZ31B 镁合金焊接技术研究现状及发展方向刘奋军，王憨鹰（榆林学院能源工程学院，陕西榆林 719000）摘 要 分析镁合金的焊接特点，综述了近年来AZ31B 镁合金的焊接方法，包括激光焊、钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊、TIG焊、电子束焊等，展望了AZ31B 镁合金的焊接研究方向。关键词 AZ31B 镁合金；焊接技术；综述文章编号 1004-244X（2013）05-0129-04中图分类号 TG457文献标志码 Research status and development tendency of welding technology of AZ31B magnesium alloyLIU Fenjun，WANG Hanying（College of Energy Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China）Abstract Welding characteristics of magnesium alloy are analyzed，and welding processes of AZ31B magnesium alloy are introduced，including laser welding，brazing，diffusion welding，friction stir welding，TIG，electron beam welding and so on. The future directions of welding technology of AZ31B magnesium alloy are pointed out.Key words AZ31B magnesium alloy；welding technology；overview镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、传热性好、导电性强以及良好的电磁屏蔽性和减振吸冲性等 一系列优点，广泛应用于航天航空、电子与汽车等不 同领域中，被誉为21 世纪的绿色工程材料1。同时由 于镁合金熔点低、热导率和电导率大、化学性质活泼、 易氧化蒸发，使其在焊接过程中产生一系列焊接缺陷，制约着镁合金作为结构材料的进一步发展与应 用。AZ31B 镁合金具有应用范围广的特点；因此，选AZ31B 镁合金为例，综述了国内外研究现状及成果，探 讨AZ31B 镁合金焊接质量提高的有效途径与方法。1 特点1.1 粗 晶镁的熔点低，纯镁的熔点为650 ，热导率高达 156 W/（mK），焊接时需采用大功率的焊接热源，焊缝及近缝区易产生过热、晶粒长大、结晶偏析等现象，降 低接头性能。点不高（1 100 ），在电弧高温下很易蒸发。1.3 热应力和裂纹镁及镁合金热膨胀系数较大，约为钢的2 倍，铝的1.2 倍，在焊接过程中易引起较大的焊接应力与变形。 镁易与一些合金元素（如Cu、Al、Ni 等）形成低熔点共 晶体（如Mg-Cu 共晶点温度为480 ，Mg-Al 共晶点温 度为437 ，Mg-Ni 共晶点温度为508 ），脆性温度区间较宽，易形成热裂纹。研究发现，当w（Zn）1%会提 高热脆性，并可能导致焊接裂纹。在镁中加入 w （Al）10% ，可细化焊缝晶粒，改善焊接性。含少量 Th 的镁合金具有良好的焊接性，无裂纹倾向。1.4 焊缝下塌焊接过程中由于高熔点的氧化膜覆盖熔池，温度不易控制（镁的表面张力小，氧化膜在熔化时与镁合 金并无颜色区别，很难观察到熔化的程度），易造成焊 接热影响区大块塌陷，破坏焊缝金属的形状及性能。1.5 气 孔1.2 氧化与蒸发 与焊铝一样，镁合金焊接时易产生氢气孔。氢在 由于镁的氧化性极强，在焊接过程中易形成氧化 镁中的溶解度随温度的降低而减小，而且镁的密度比膜MgO，MgO 熔点高（2 500 ），密度大（3.12 g/cm3）， 铝小，仅为1 700 kg/m3，气体不易逸出，在焊缝凝固过 易在焊缝中形成夹杂，降低了焊缝性能。在高温环境 程中会形成气孔。下，镁还容易和空气中的氮化合生成镁的氮化物 此外，镁及其合金在空气环境中进行熔焊时易氧 Mg3N2，使接头塑性性能下降，脆性性能增大。镁的沸 化燃烧，需要惰性气体或焊剂的保护2-4。收稿日期：2013-04-24；修回日期：2013-06-22基金项目：榆林学院高层次人才科研启动资金资助项目（12GK40） 作者简介：刘奋军，硕士，助教；主要从事镁合金真空扩散连接及其表面改性和材料成型教学工作。E-mail：。130兵器材料科学与工程第36 卷2 方法由于镁合金具有许多优异性能，作为结构件应用 前景广阔，镁合金的上述焊接特点成为其作为结构件深加工的瓶颈，近年来关于镁合金的焊接研究越来越 多，对AZ31B 镁合金的焊接研究也做了大量工作，主要焊接方法有钎焊、电子束焊、TIG 焊、激光焊、搅拌摩 擦焊、扩散焊及多种焊接方法同时作用的复合焊等。2.1 钎焊与熔焊方法相比具有许多优点：接头平整光滑，外形美观，母材组织和性能受影响较小，可实现异种材料间的连接等。高晨等5自制钎料分析了AZ31B 镁合金超声波钎 焊连接接头微观结构及力学特性。研究结果表明：超 声振动时间为0.1 s，钎料与母材界面处没有形成明显 的扩散层，振动时间为3 s，结合界面处形成明显的扩 散层；接头显微组织主要由-Mg 固溶体和Mg-Zn 相 组成。钎缝预留间隙为0.15 mm，超声振动时间为24 s，钎焊接头抗剪强度可达8090 MPa，接头断裂形式 为沿晶脆性断裂。Ma Li 等6- 7研究了氩气保护氛围 下，中间分别添加铝基及Zn 基钎料的AZ31B 镁合金高频钎焊。研究表明：两种钎料情况下钎焊区均形成了 -Mg 固溶体及-Mg17（Al，Zn）12，添加铝基钎料时，钎焊接头平均抗剪强度为45 MPa，添加Zn 基钎料时，搭 接接头平均剪切强度为27 MPa ，对接接头平均抗拉强度为42 MPa；断裂形式均为沿晶断裂，断裂主要产生 在-Mg17（Al，Zn）12 硬脆相处。钎焊易于实现异种金属连接，具有连接件尺寸精度高、应力集中小等优点，在轻金属连接研究领域前 景较好，针对目前AZ31B 镁合金钎焊研究现状可见，钎焊过程中接头处均形成了脆性化合物致使力学特 性下降，抑制钎焊接头脆性相生成是提高AZ31B 镁合金钎焊接头力学特性的有效方法，因此钎焊工艺的改 善及新型钎料的研制是改善AZ31B 镁合金钎焊性能 的重要途径。缝抗拉强度均值为223 MPa，均断裂在焊缝处，断口呈 混合断裂形貌。文献9研究了挤压态AZ31B-F 镁合金电子束焊接特征及工艺参数，研究结果表明：最佳 工艺参数为功率45 kW，电子束电流100 mA，加速电 压50 kV，焊接速度60.6 mm/s；有应力集中的焊接接头最大抗拉强度为234.1 MPa，无应力集中的焊接接头平 均抗拉强度为270.5 MPa，分别为母材的78%和91%。AZ31B 镁合金电子束焊接研究现状表明，电子束焊接接头具有较好的力学特性，接头抗拉强度为230 MPa，较文献5钎焊接头抗拉强度值8090 MPa 提高 明显，电子束焊接AZ31B 镁合金时，接头脆性组织和应力集中影响综合力学性能，因此应用高纯保护气氛改善电子束焊接工艺，减小焊缝残余应力及变形是进 一步提高AZ31B 镁合金电子束焊接接头性能的重要方式。2.3 TIG焊TIG 焊接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焊丝（如果使用 填充焊丝）的一种焊接方法，由于焊缝被保护得好，故 焊缝金属纯度高、性能好；焊接加热集中，焊件变形小且电弧稳定性好。于思荣等10研究了TIG 焊接5 mm 厚AZ31B 挤压 态板材，试样开X 型坡口，双面焊双面成型。试验结 果表明：焊缝热影响区晶粒粗大，热影响区显微硬度较母材下降严重；正反面焊接电流为145 A，接头抗拉 强度达到248.6 MPa，约为母材强度的84%，断裂位置处于热影响区，断口存在大量韧窝，呈韧性断裂。N. K. Babu11研究了交变电流脉冲对AZ31 镁合金钨极气体保护焊（GTA）接头组织和性能的影响，研究发现，交 变电流脉冲细化了熔合区晶粒，形成了更多的等轴晶组织结构，熔合区显微硬度提高，抗拉强度最高达230 MPa，是母材的91.6%。文献12研究发现，脉冲频率对AZ31 镁合金钨极气体保护焊接头抗拉性能影响显著，在脉冲频率6 Hz、50%脉冲时间条件下，最大抗拉 强度达188 MPa。2.2 电子束焊 TIG 焊接AZ31B 镁合金，接头性能提高较大，文献 电子束焊是一种高能量密度高的熔化焊方法，焊 10-12研究结果表明：抗拉强度达到母材80%以上，接速度快、热影响区小、热变形小，可获得深宽比大的焊缝，焊缝质量高。谭兵等8研究了电子束焊接10 mm 厚AZ31B 镁合 金板材的接头组织和性能。结果表明：电子束焊接 AZ31B 镁合金焊缝正面成形良好，背部出现轻微的凹陷，深宽比在81 以上，焊缝组织主要是Mg 相以及少 量的 Al 相及- Mg17Al12 相，焊缝热影响区宽 80120m，焊缝区为细小的等轴晶，晶粒尺寸为818 m；焊TIG 焊接工艺与参数研究、高纯保护气体应用及开发 优质焊丝是提高AZ31B 镁合金TIG 接头性能的研究趋势。2.4 激光焊激光焊接的焊速高、质量好、无变形、无需真空条件且容易实现自动化焊接。G. Padmanaban 等13研究了钨极氩弧焊（GTAW）、搅拌摩擦焊（FSW）和激光焊（LBM）连接AZ31B 镁合第5 期刘奋军等：AZ31B 镁合金焊接技术研究现状及发展方向131金，对比分析了不同焊接方法对连接接头显微组织、度的提高，接头抗拉强度达到母材的70%以上，抗弯显微硬度和拉伸性能的影响。研究表明：LBM 接头具强度最大能达到母材的近90%，表明搅拌摩擦焊较适有更高的强度，相对于GTAW 接头提高了14%，相对于焊接AZ31B 镁合金，改进搅拌摩擦焊工艺、拓宽搅于FSW 接头提高了2%；而且LBM 接头区域最高显微拌摩擦焊连接结构使其得到更好、更广的泛应用。硬度为76HV。R.S. Coelho 等14研究了AZ31B 镁合金2.6 扩散焊激光焊显微组织及力学特性。结果表明：焊接接头具扩散焊是在一定的温度和压力下，将两待连接工有窄的热影响区，焊缝组织为柱状晶和粗化的沉淀相件紧压在一起，加热至母材熔点以下温度，使两焊接Mg17（Al，Zn）12，焊缝顶部与根部的残余应力分布相似，表面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接最大残余应力出现在焊缝区且低于母材的屈服应力。触，再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合用激光束作为热源来焊接镁合金时，焊缝易产生的一种连接方法。气孔、蒸发与氧化、焊接变形及应力集中等。因此，应刘奋军21、杜正良22、孟庆森23等利用电场辅助改进激光焊接工艺、提高焊接设备质量、控制焊接过真空扩散连接了Mg/Al 异种材料及中间添加铝粉连接程中接头组织的形核与成长，改善应力集中，提高接AZ31B 镁合金，发现接头组织由近缝区、过渡层和共头性能。晶层构成，而且施加电场显著加快了镁铝间的扩散溶2.5 搅拌摩擦焊解。施加电场时共晶层最高显微硬度为基体的 2.3搅拌摩擦焊是20 世纪90 年代初由英国焊接研究倍，电流密度为48 A/cm2 时共晶层内晶粒尺寸约为未所（TWI）首先提出，是一种新型的固相连接技术15。施加电场的25%，接头抗剪强度最大达35 MPa，断口孙湄楠16研究分析了AZ31B 镁合金搅拌摩擦焊呈颗粒状解理形貌，属镁合金典型的低塑性断裂。杜接头组织及力学特性。研究表明：采用铣床改制的搅双明等24研究了520 、1 MPa、保温1030 min，AZ31拌摩擦焊设备及自制搅拌头实现了AZ31B 镁合金连镁合金真空扩散钎焊连接接头组织结构及性能。分接，接头由细小等轴晶且呈“洋葱环”形貌的焊核区、析表明，以铜箔作为中间层的扩散钎焊接头组织为镁晶粒分布不均且明显变形的热机械影响区和热影响基固溶体及Mg2Cu 金属化合物，接头显微硬度为（100区以及母材组成；焊接速度为23.5 mm/min，旋转速度500）HV。为 1 180 r/min，焊缝组织致密，抗拉强度达 173.67镁合金扩散连接研究较少，成本高，设备性能要MPa，为母材抗拉强度的70.89%，焊接接头断口为韧求高，对焊接环境真空度要求高，且接头性能与目前性断裂和脆性断裂的混合断裂。张华17-18等在焊接速钎焊、电子束焊、TIG 焊、激光焊等研究结果相比均度为 75150 mm/min、旋转速度为9001 500 r/min 工低。AZ31B 镁合金添加中间层真空扩散连接工艺及艺条件下利用搅拌摩擦焊连接了2.5 mm 厚AZ31 镁合机理的研究对镁合金表面改性具有重要意义。金并对接头力学特性进行分析测试。研究表明，接头2.7 复合焊接抗拉强度为175240 MPa，可达母材抗拉强度的90%激光-TIG 复合焊结合了两种激光焊接加工方法以上，接头正面抗弯强度与背面抗弯强度为344 MPa的优点，每一种焊接方法对另外一种焊接方法都是一和320 MPa，分别为母材的89.9%和83.5%，断口主要种互补并且可以稳定另外一种焊接方法。是准解理断裂和韧窝断裂的组合。张彦军等19研究刘黎明等25- 26采用激光和钨极氩弧复合焊接了焊接速度为220 mm/min、旋转速度为600 r/min 工AZ31B 镁合金，研究了复合热源对焊接熔深、表面成艺条件下，AZ31 搅拌摩擦焊接头组织及冲击性能。研型及焊接过程电弧稳定性的影响。结果表明，复合热究表明：接头焊核区组织明显细化为等轴晶，冲击韧源焊接镁合金焊缝熔深增加效果显著，是同等焊接规性分析表明接头冲击韧性均高于母材，而且断口呈韧范下钨极氩弧焊单独焊接熔深的2 倍左右，复合电弧脆混合断裂。A. Forcellese 等20研究了AZ31 搅拌摩擦稳定性较好，复合热源电流稳定燃烧的最大速度比单焊塑性流行为及成型性。结果表明，母材和搅拌摩擦独电弧提高了1 倍以上。激光-TIG 复合热源缝焊镁焊接头流动应力均随温度的增加和应变率的降低而合金接头抗剪强度最大达193.3 MPa，约为母材抗拉强降低，而且焊缝具有更低的流动应力。母材及焊缝的度的80.1%。延展性均随温度的增加和应变率的降低而增加，而且复合焊接方法连接AZ31B 镁合金，充分发挥各自母材的最大延伸率远大于焊缝。焊接方法的特点，对提高接头性能的相互作用机理研从目前关于AZ31B 镁合金搅拌摩擦焊研究成果究是进一步改进复合焊接工艺和发展特种焊剂及焊看，连接接头性能较钎焊与激光焊接头性能有很大程丝的理论基础，也是今后研究的热门之一。132兵器材料科学与工程第36 卷3 展望镁合金作为结构件的广泛应用，对性能要求不断 改善，引导镁合金材料的不断开发，镁合金焊接研究 仍将是拓宽镁合金应用领域的重点之一。采用电子束焊、TIG 焊、搅拌摩擦焊及激光-TIG 复 合焊接技术均可得到焊缝成型美观、接头性能较好的 焊接接头；但是焊接过程中脆硬相的生成及焊缝残余 应力的存在均有害于接头性能。焊接过程中抑制焊 缝区脆硬相生成以及焊后残余应力的去除或焊接过 程中避免或减少残余应力的出现问题有待解决。焊 缝区晶粒粗化、气孔形成等一系列焊接问题也是研究 重点，同时，开发镁合金专用焊材及镁合金与其它金 属连接的方法与原理也是研究的主要内容，对于提升 镁合金的进一步应用意义重大。镁合金添加中间层 的焊接研究较少，开展添加中间层的复合焊接工艺研 究也将成为重要研究内容。4 参考文献1陈振华. 镁合金M. 北京：化学工业出版社，2004：19-22.2胡学安，徐道荣. 镁合金的焊接方法及工艺要素J. 轻合金 加工技术，2006，34（8）：9-13.3冯吉才，王亚荣，张忠典. 镁合金焊接技术的研究现状及应 用J. 中国有色金属学报，2005，15（2）：165-178.4孙德新，孙大千，李金宝，等. 镁合金焊接技术的研究进展及 应用J. 材料导报，2006，20（8）：122-126.5高晨，李红，栗卓新. AZ31B 镁合金超声振动钎焊接头微观 结构和力学性能J. 焊接学报，2009，30（2）：129-132.6马力，贺定勇. Zn 基钎料钎焊镁合金AZ31B 接头的钎缝物 相及力学性能J. 材料工程，2008（9）：67-70.7Ma Li，Qiao Peixin，Long Weimin，et al. Interface characteris tics and mechanical properties of the induction brazed joint of magnesium alloy AZ31B with an Albased filler metalJ. Ma terials and Design，2012，37：465-469.8谭兵，王有祁，陈东高，等. AZ31B 镁合金电子束焊接接头组 织及性能分析J. 焊接学报，2008，29（9）：75-78.9Chi Chaoting，Chao Chuenguang. Characterization on electron beam welds and parameters for AZ31BF extrusive platesJ. Journal of Materials Processing Technology，2007，182：369-373.10于思荣，陈显军，刘耀辉，等. AZ31B 变形镁合金板材的TIG 焊接J. 吉林大学学报：工学版，2009，39（1）：159-163.11Babu N K，Cross C E. Grain refinement of AZ31 magnesium alloy weldments by AC pulsing techniqueJ. Metallurgicaland Materials Transactions A，2012，43：4145-4154. 12Padmanaban G，Balasubramanian V. Optimization of pulsedcurrent gas tungsten arc welding process parameters to attain maximum tensile strength in AZ31B magnesium alloyJ. Trans Nonferrous Met Soc China，2011（21）：467-476.13Padmanaban G，Balasubramanian V，Sarin Sundar J K. Infl uences of welding processes on microstructure，hardness， and tensile properties of AZ31B magnesium alloyJ. Journal of Materials Engineering and Performance，2010，19（2）：155-165.14Coelho R S，Kostka A，Pinto H，et al. Microstructure and me chanical properties of magnesium alloy AZ31B laser beam weldsJ. Materials Science and Engineering A，2008，485（1/ 2）：20-30.15Thomas W M，Nicholas E D. Friction stir welding for the t