镁和镁合金焊接工艺

1、金属热加工工艺学论文镁和镁合金焊接工艺冶金1301 24号 袁广摘要： 镁合金由于其自身的物理化学特点，导致其焊接有很大困难，满意的焊接质量不易获得。镁合金的结晶温度区大，易于产生热裂纹；镁的沸点低，温度进一步升高后，其蒸气压比在相同温度下的铝合金要高4-5倍，因而焊接时温度一旦过高，镁会气化，产生爆炸形成飞溅；镁对氧的亲和力大，其氧化物密度较大，而容易形成夹杂；镁在接近熔化温度时，能与空气中的氮强烈化合生成脆性的镁的氮化物，显著降低接头力学性能；因此，实现镁合金优质焊接是比较困难的，在焊接时容易产生裂纹、气孔、飞溅等缺陷。但是由于工业的迫切需要，许多科学工作者做出了很大的努力，并取得了一些重

2、要成果。Abstract: magnesium alloy due to its physical and chemical characteristics, its had great difficulty in welding, welding quality is not easy to get satisfied.Magnesium alloy crystallization temperature area is big, easy to produce hot crack;After magnesium of low boiling point, temperature rise

3、further, its vapor pressure higher than at the same temperature of the aluminum alloy 4-5 times, thus welding once when the temperature is too high, magnesium gasification, explosive forming splash;Magnesium's affinity for oxygen and its oxide density is larger, and easy to form inclusion;Magnes

4、ium when close to the melting temperature, strongly combined with the nitrogen in the air can generate brittle nitrides of magnesium, significantly reduce the joint mechanical properties;Therefore, it is difficult to achieve high quality magnesium alloys welding, the welding when prone to defects su

5、ch as cracks, porosity, splash.But due to the urgent need of industrial, many scientific workers has made a great effort, and some important results are obtained.前言：近10年来，由于受到能源节约以及环境保护的巨大推动，镁合金及其焊接技术的发展比任何时期都快，从焊接方法、焊接材料到焊接设备等方面都不断有新的突破，为镁合金焊接生产向优质、高效、低成本的方向发展提供了前所未有的良好条件，并大大促进了镁合金的产业化进程。一、镁合金与铝合金的

6、激光焊接镁铝异种金属可以通过真空扩散焊、爆炸焊、搅拌摩擦焊等方法实现一定程度的连接，但其结合强度并不理想。造成这种结果的主要原因是两种材料焊接时在熔池内部形成了高硬度高脆性的金属间化合物。1SiC颗粒在铸造领域常常与镁、铝合金结合形成复合材料，可以细化材料的微观组织并且全面地提高机械性能；其在表面熔覆的工艺中也经常得到应用。针对SiC的性质及其在镁、铝复合材料中应用研究的基础上，提出SiC作为中间层进行激光镁铝搭接焊工艺，将SiC颗粒作为中间层进行镁铝激光搭接焊，来达到提高镁铝焊接接头性能的目的。对比镁合金与铝合金的直接激光焊接与加入SiC颗粒的激光焊接，其宏观焊缝横截面如图3所示。在相同激光

7、功率条件下，焊接熔池横截面宏观形貌发生了改变。与激光直接焊接相比，加入SiC夹层后熔池内部搅拌能力降低并且镁铝板材界面处熔宽增加。对焊接试件进行剪切试验，结果表明SiC的加入改变了熔池的微观组织，使金属间化合物反应层厚度降低，焊缝的抗剪切拉伸性可达激光直接焊接的三倍以上。1图1 焊缝宏观横截面A 直接激光焊接 B. 加入SiC夹层的激光焊接二、镁合金的变极性等离子弧缝焊采用变极性等离子弧焊对5mm厚的镁合金板材进行了缝焊，工艺原理图如图6所示，焊缝的宏观照片如图所示，从焊缝的宏观组织图看，上面镁板具有变极性等离子弧小孔焊的工艺特征背面熔透均匀，接头的上下表面熔宽尺寸变化小，这将有利于减小应力集

8、中，改善接头的性能。这种方法不仅提高了中厚度镁合金板材的焊接质量，还简化了生产流程、提高生产了效率，适用于大批量生产。 图2 变极性等离子缝焊工艺原理图 图3 变极性等离子缝焊焊缝宏观组织三、活性焊接技术1.镁合金活性焊接活性（A-TIG）焊接法是在焊前将母材表面涂覆上一层活性剂，在相同的焊接规范下，同常规TIG焊相比，可以大幅度地提高焊缝熔深。焊接镁合金时，加入研发的活性剂后，交流TIG焊焊缝熔深明显增加，如图所示。力学性能测试显示，镁合金A-TIG焊接接头强度可达到母材的90%，实现了镁合金的大熔深，优质连接。2 图4无活性剂及涂敷活性剂的焊缝横截面照片(a)未涂敷活性剂 (b)涂敷活性剂

9、 2镁合金活性焊丝填丝焊接传统的活性焊接技术将活性剂涂敷在焊接试件表面，存在不能填丝的缺点，故提出一种活性焊丝填丝焊接的方法，将活性剂涂敷在焊丝的表面，然后进行填丝焊接，如图5所示。镁合金活性焊丝TIG填丝焊接克服了传统活性焊技术进行填丝焊接时熔滴过渡困难的缺点，可以实现熔滴顺利过渡到焊接熔池，同时活性剂起到增加焊接熔深的作用，是一种理想的镁合金高效焊接方法。这种方法与普通TIG填丝焊接方法相比可以大幅提高镁合金焊接的效率和熔深。图5为电流为60A和90A时焊接熔深对比。当电流为60A时，熔深增加比（活性焊丝的焊接熔深和普通焊丝的焊接熔深相比）可达300%以上。当焊接电流为90A时，采用复合活

10、性焊丝焊接的熔深达到最大，熔深增加比为243%，对于5mm厚度的AZ31镁合金板可以单道一次焊透。3 a. 活性焊丝焊接 b. 试板表面涂覆活性剂填充普通焊丝焊接 图5 焊接示意图 图6 焊缝截面形貌四、熔化胶接焊焊接技术 针对目前对异种金属材料连接技术的迫切需求，提出一种“熔焊-胶接”（即胶焊）连接新技术。将激光、等离子弧等高能束连续熔化焊接技术与胶接技术有机复合，实现机械结合、冶金结合和化学结合的有效统一，不但具有传统胶接点焊的优点，同时实现了连续熔焊的“线结合”与胶接的“面结合”的相互促进，接头综合性能显著提高，为今后异种材料的连接提供新的方向。 1. 镁合金等离子弧胶接焊采用等离子弧胶

11、焊技术对同种镁合金板材进行焊接性试验，探索了等离子弧胶焊技术的工艺特点，分析了焊缝的组织和性能，对进一步研究等离子弧胶焊技术的工艺特点有着重要的指导意义。等离子弧胶焊技术是一种新型的焊接方法，它采用了将等离子弧焊接工艺与粘接工艺相复合的方法对工件进行连接。等离子弧能量密度大，弧柱温度高，对焊件加热集中，熔透能力强，对中厚板材可一次焊透，在同样熔深下其焊接速度比TIG焊高，可提高焊接生产率。此外，等离子弧对焊件的热输人较小，焊缝截面形状较窄，深宽比大，呈“酒杯”状。热影响区窄，其焊接变形也小。胶接接头应力分布均匀，无应力集中，密封性好。胶接可取消机械紧固件(如螺钉、螺母等)，不需要联接孔，不会减

12、少材料的有效横截面积，可充分利用材料的全部强度，因此采用胶接可大大减轻整体结构重量。此外接头还有绝缘、耐腐蚀等特点。4下图为等离子弧胶焊工艺示意图。焊接接头采用搭接接头形式。胶粘剂厚度为0.1mm。在不开坡口、无背面强制成形保护条件下，进行镁合金等离子弧胶焊试验，焊缝横截面见图19所示，可以看出，熔池形状上宽下窄，也呈“丁”字形，表面凹陷较小，焊缝内部无气孔和裂纹等明显缺陷。力学性能分析显示，等离子弧胶焊接头的失效载荷较等离子弧焊和胶接接头有明显提高。在加载相同载荷的情况下，等离子弧胶焊接头的热裂倾向小。5 图7等离子胶焊工艺示意图 图8 焊接接头宏观形貌 2. 镁合金与铝合金的激光胶接焊采用

13、激光胶接焊新型焊接工艺对镁铝异种金属进行了连接，实现了镁铝异种金属薄板间的有效连接。该方法有效的改变了镁铝间金属间化合物的分布和特点，进而增加了熔深，提高焊接接头的强度。在激光胶接焊过程中，胶层对整个焊接熔池产生了很大的影响。它不仅改变了整个熔池的流动形式，还直接影响了焊接过程中的热量传递，进而改变了传统意义上的激光焊接过程。焊接结构示意图如图9所示，在搭接区域涂刷一层厚度为0.1mm的胶层。焊接接头的宏观形貌如图10所示。测量镁铝异种金属激光胶接焊接接头力学性能，其综合力学性能达到镁合金母材的90%以上，能够基本满足目前针对镁铝连接强度的需求。6在激光胶接焊过程中由于胶层的加入加速了镁合金和

14、铝合金之间的热传递作用，使镁合金的冷却速度有所增加，同时对铝合金间接起到了预热的作用。这种预热的作用在一定程度上增加了铝合金对于激光的吸收率。 图9 镁铝异种金属激光胶接焊结构示意图 图10 焊接接头宏观形貌五、镁合金与铝合金的扩散焊接技术目前Mg/Al异种金属的连接，采用的焊接方法主要是熔焊和固相焊，而添加中间过渡金属的扩散焊连接是异质金属连接的有效办法。可以通过调整中间层的成分来实现对接头组织的控制，从而提高接头性能。目前，对于添加中间过渡金属的Mg/Al扩散焊连接的文献报道还很少。对Mg/Al接头在有无过渡金属的条件下进行惰性气体保护扩散焊，对比分析了中间过渡金属的添加提高Mg/Al扩散

15、焊接头剪切强度的原因。试验采用的母材为6061铝合金和AZ31B镁合金。7力学性能分析表明Mg/Al直接扩散焊接头剪切强度最大可达40MPa左右，而添加合适的合金中间过渡金属的Mg/Al扩散焊接头剪切强度可达到100MPa。究其原因是由于镁铝的直接扩散焊不可避免地会在接头区产生大量的金属间化合物；而添加合金中间过渡金属的Mg/Al扩散焊接头组织由网状的共晶形貌变成由过饱和镁基固溶体和具有弥散第二相富Al颗粒分布的中间相组成。中间过渡金属的添加有效地避免了镁铝基体的直接接触，同时产生的颗粒在中的弥散分布大大地提高了接头强度。8六、镁合金焊接接头电弧喷涂防护技术电弧喷涂技术以其涂层质量好、生产效率

16、高、操作简单、经济节能等优点，自热喷涂技术发明以来一直是人们研究的热点之一。所谓电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，利用其端部产生的电弧作为热源熔化金属丝材，压缩空气穿过电弧和熔化的液滴使之雾化，以一定的速度撞击基体形成涂层的过程。采用电弧喷涂方法可以对焊接接头进行整体防护，适用于同种及异种金属焊接接头的防护。分析了镁合金电弧喷涂的工艺特性及其喷涂后处理工艺，并开发了一种镁铝伪合金涂层。在镁合金基体表面喷涂纯铝涂层，以提高其耐蚀性。9 涂层的形成过程决定了涂层表面及内部存在一定数量的孔隙，无法避免的孔隙成为点蚀的发源地。为进一步提高涂层的耐蚀性，涂层的封孔后处理成为一道必不可少的工序

17、。为了满足特殊行业的需求采用导电封孔处理。在有机封孔剂环氧树脂中掺入金属填料，构成掺合型导电涂料，完成纯铝涂层的导电封孔工艺，同时研究有机导电封孔的耐蚀性。导电封孔示意图如图11所示。图12为含铜粉孔涂层的微观形貌。涂层电阻测试表明，环氧树脂中加入一定含量的铜粉能够使封孔涂层实现导电，而且导电性良好。利用常温浸泡试验研究封孔涂层的耐腐蚀性能，导电封孔涂层与未封孔涂层相比，表现出良好的耐蚀性。 图11导电封孔涂层示意图 图12含铜粉封孔涂层形貌探索了采用异质金属丝材进行电弧喷涂的可行性，采用镁丝和铝丝作为两根喷涂丝材，在镁合金表面制备金属间化合物涂层，以提高镁合金的耐蚀性、耐磨性、高温强度和抗氧

18、化性，使之应用于更广泛的领域。采用含铝量在99.7以上的高纯铝丝和含镁量在99.7以上的高纯镁丝作为喷涂丝材的两极，电弧喷涂得到的涂层表面形貌如图13所示，得到的涂层平滑均匀，颗粒细小，没有未熔化充分的金属颗粒，表面孔隙也很小。9对涂层进行显微硬度测量，平均显微硬度可达200HV，而电弧喷涂纯铝涂层的平均硬度仅为67 HV。镁铝反应生成的化合物的硬度比纯镁、铝的硬度高，大量金属间化合物的生成导致涂层硬度提高。镁扩散与铝反应后，保留的氧化物和MgAl2O4相颗粒散布在基体中，也起到硬化作用。10 图13涂层的表面形貌 七、镁合金焊接技术的应用及展望随着国内外对能源消耗、环境保护的要求的日益提高，

19、镁合金作为一种新型的结构材料，在汽车等交通领域蕴藏着巨大的应用潜力。目前, 欧洲和美国汽车每辆汽车使用镁合金零件5.8-23.6kg，我国汽车单车用量不到10kg，其中镁合金焊接技术是实现镁合金汽车零部件大量应用的主要关键技术难题。通过“十五”和“十一五”的技术攻关，我国已经解决了镁合金与镁合金的连接问题，已经开发出了镁合金自行车焊接结构件、摩托车焊接结构件（如图14、15所示），并通过了台架试验和道路试验，达到了出口标准要求，其中采用焊接技术生产的镁合金自行车已经出口到欧盟国家，取得了显著的经济和社会效益。11中国汽车产量的结构调整的方向是轿车占汽车总量的比重增加，低排放、低污染、节能的绿色

20、环保汽车替代非环保汽车，近几年政府加大了电动汽车的研发力度，镁合金座椅骨架，油门踏板等在国产汽车领域将得到广泛应用。随着复杂结构镁合金车辆结构件及相关镁合金产品的设计和开发，将对镁合金焊接技术提出日益广泛的需求。 图14 镁合金焊接自行车产品图15 镁合金摩托车焊接结构件及其产品结论镁合金这种新型结构材料的发展和应用，对焊接技术提出了极大的挑战，同时也为焊接提供了更广阔的应用天地。镁合金的焊接尚有许多技术难题等待我们去研究解决，从而为镁合金的实际应用与镁合金结构件的设计制造奠定坚实的技术基础。以上介绍的若干技术进展，必将大大推动镁合金产品的焊接技术水平，促进镁合金复杂结构件在工业生产中的应用。参考文献：    1 李荣雪主编.金属材