2010年02月25日
0 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。
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，并取得了一些重要成果。
本文介绍大连理工大学近年来开展的镁合金同种及其与异质材料的焊接研究工作，并展望了镁合金焊接技术在镁合金新型结构件产品上的应用。
1 激光焊接技术
1.1 同种镁合金的激光焊接
激光焊接作为一种先进的连接技术，具有速度快、线能量低、焊后变形小、接头强度高等优点，得到了人们极大的关注。采用脉冲YAG激光对AZ31B变形镁合金进行对接焊，结果表明，镁合金激光焊焊缝变形小，成型美观，无裂纹等表面缺陷、背面熔透均匀，如图1所示。焊接接头热影响区不明显，无晶粒长大现象；焊缝区由细小的等轴晶组成，如图2所示。在本试验条件下，接头的抗拉强度可达母材的95%以上，实现了镁合金的良好连接。研究表明，激光焊接对焊接工艺参数要求严格，同时镁合金激光焊接过程中易出现裂纹、气孔、热影响区脆化和激光能量吸收率低等系列问题。
图1 激光焊焊缝表面形貌 图2 镁合金激光焊接接头组织
1.2 镁合金与铝合金的激光焊接
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。
SiC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。
图3 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
2 等离子弧焊技术
2.1 同种镁合金的变极性等离子弧焊
等离子弧（Plasma Arc）是一种受到约束的非自由电弧，温度和能量密度都显著高于普通电弧，是一种高效的焊接方法。采用变极性等离子弧焊接镁合金时，可以在背面无垫板的情况下实现对接接头的连接，具有熔深大、焊前准备少、焊接质量高、工件变形小及焊道数目少等优点。图4为变极性等离子弧焊接镁合金AZ31B的接头宏观形貌，接头成形美观，背面熔透均匀。焊接接头没有明显的热影响区，焊缝组织均匀，晶粒细小，如图5所示；经测试焊接接头拉伸强度达到母材的95%以上。
图4 镁合金变极性等离子弧焊宏观接头形貌 图5 变极性等离子弧焊缝接头微观组织
2.2 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7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6 变极性等离子缝焊工艺原理图 图7 变极性等离子缝焊焊缝宏观组织
3 低能耗激光诱导增强电弧复合焊接技术
低能耗激光诱导增强电弧复合焊接技术是在发现小功率激光诱导增强电弧的现象及规律的基础上，通过揭示小功率激光诱导增强电弧的多条件耦合及其物理本质，突破小功率激光诱导增强电弧的系列关键技术，发明出的一种低能耗激光诱导增强电弧焊接技术。目前采用该技术已成功实现了镁合金之间及镁合金与异质材料之间的优质高效连接，开发出了配套的镁合金专用低能耗激光诱导增强电弧复合焊接设备及系列焊接材料。
3.1 同种镁合金板材的焊接
采用低功率YAG激光-电弧复合焊接镁合金板材，焊接原理图如图8所示。试验发现，激光-电弧复合热源焊接镁合金焊缝成型良好，无气孔、裂纹等缺陷。在相同的焊接条件下，采用复合焊接方法获得的焊接熔深可达激光单独焊接的4倍，氩弧焊的2倍，如图9所示。焊接接头的拉伸强度达到母材95%以上，疲劳强度与母材相当，能够满足车辆结构件实际应用中对焊接接头动、静载荷的要求。
图8 激光-TIG复合热源示意图 图9 焊缝形貌和熔深对比
3.2 同种镁合金薄板的焊接
目前研究的镁合金焊接板厚都在1.5mm以上，并且针对薄板一般都采用搭接焊的方式。而对于1mm以下镁合金薄板对接焊接的研究还很少，这一定程度上了镁合金在特定场合的应用。利用低功率激光-TIG复合焊接方法焊接镁合金薄板，通过系列实验确定了复合热源焊接镁合金薄板的最佳参数。在该参数下成功实现了0.8mm镁合金薄板的对接焊，单面焊双面成型，焊缝成形连续、美观，如图10所示。对焊接接头进行拉伸强度测试，结果表明低功率激光-TIG复合焊接得到的AZ31-AZ31及AZ31-AZ80对焊接头拉伸强度相比单TIG焊接大幅度提高，达到AZ31母材强度的95％以上。
(a) 镁合金薄板正面焊缝 (b) 镁合金薄板背面焊缝
图10 镁合金薄板激光-TIG复合焊接焊缝表面形貌
3.3 异种镁合金板材的焊接
采用低能耗激光诱导增强电弧技术进行了异种镁合金之间的焊接性研究，主要研究了AZ31与AZ61和AZ91的焊接工艺并分析了焊接接头的微观组织和力学性能。研究结果表明，采用该技术不仅可以实现异种镁合金之间的良好连接，同时能够实现不同厚度的异种镁合金的良好连接。图11为典型的异种镁合金焊接接头断面形貌，可以看出AZ31侧镁合金的热影响区比较窄，而AZ61和AZ91侧的热影响区比较宽，而且包括几个不同区域，这主要与三种镁合金含铝量的不同以及低能耗激光电弧复合焊接工艺参数的选择有关。
图11 AZ31镁合金与AZ61、AZ91镁合金低能耗激光电弧复合焊接接头形貌
拉伸试验结果如图12所示，采用低能耗激光电弧复合焊接技术所获得的AZ31镁合金与AZ61和AZ91焊接接头的抗拉强度均达到AZ31镁合金母材强度的95%以上，完全能够满足实际使用的需求。
图12 AZ31镁合金与AZ61、AZ91镁合金低能耗激光电弧复合焊接接头抗拉强度
3.4 镁合金与钢异种金属的焊接
镁合金应用的主要推动力是在汽车工业中的应用，而钢材是汽车中应用最为广泛的材料之一。因此，把镁合金与钢有效的连接起来，能进一步拓宽镁合金的应用领域，并且能够有效的解决汽车轻量化等问题。
镁、钢异种金属连接存在很多问题。镁和钢熔点差异大，使其很难在熔焊过程中同时达到熔融态。其晶格类型也不同，在液态下极难互溶，并且镁和钢不发生任何化学反应。因此，需要采用加过渡金属的方法进行镁合金与钢的连接。
采用激光-电弧复合热源的焊接方法、选择合适的过渡金属可实现镁、钢异种金属的有效连接。其焊接装置示意图如图13所示，得到的焊缝表面成型良好，见图14所示。激光-TIG复合热源焊接过程中，位于上层的镁板在激光束和TIG电弧的共同作用下熔化，位于下层的钢板只在激光束作用下熔化。上层镁合金板焊缝呈典型的TIG焊焊缝特点，下层钢板焊缝呈典型的激光焊焊缝特点。对焊接接头进行拉伸测试得到的力学性能为剪切强度为170MPa。
图13 焊接装置示意图 图14 焊缝表面成形照片
3 活性焊接技术
3.1 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15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。
图15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
3.2 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16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17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。
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16 焊接示意图
图17 焊缝截面形貌
4 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。
4.1 镁合金等离子弧胶接焊
采用等离子弧胶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。
图18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。
图18 等离子胶焊工艺示意图 图19 焊接接头宏观形貌
4.2 镁合金与铝合金的激光胶接焊
采用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20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21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。
在激光胶接焊过程中由于胶层的加入加速了镁合金和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20 镁铝异种金属激光胶接焊结构示意图 图21 焊接接头宏观形貌
5 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。扩散焊接接头的微观组织如图22所示。图22a为Mg/Al直接扩散焊接头的组织，其接头界面区由靠近铝基体的灰白相和靠近镁基体的黑灰共晶组织构成。图22b为添加合金中间过渡金属的Mg/Al扩散焊接头组织形貌。其接头区主要由靠近镁基体的Mg基过饱和固溶体、MgZn2相及富Al固溶体颗粒组成。
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。
a） Mg/Al直接扩散焊接头显微组织 b） 添加Zn合金中间过渡金属的Mg/Al扩散焊接头显微组织
图22 扩散焊接接头的微观组织
6 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。喷涂后宏观形貌如图23所示，涂层的微观组织形貌如图24所示。
图23 镁合金喷涂纯铝涂层表面形貌 图24 涂层微观组织
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。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25所示。图26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25 导电封孔涂层示意图 图26 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27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。图28所示为涂层XRD分析结果，表明涂层中存在大量的金属间化合物β(Al12Mg17)相。
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。
图27涂层的表面形貌 图28 涂层X射线衍射分析
7 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，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29、30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。
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、节能的绿色环保汽车替代非环保汽车，近几年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29 镁合金焊接自行车产品
图30 镁合金摩托车焊接结构件及其产品
8 结束语
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。
作者简介：刘黎明，男，工学博士，教授，博士生导师，现任大连理工大学焊接技术研究所所长，“材料连接技术”二级学科博士点学术带头人，材料科学与工程学院副院长。
主要从事高性能轻金属材料镁、铝、钛合金以及高强度钢焊接工艺及焊接设备的研究和开发。在应用基础研究领域取得了开创性成果，同时解决国家多项重点工程与武器装备关键技术。近五年作为负责人先后主持国家“十一五”科技支撑计划、国家“十五”863计划、国家“十五”科技攻关计划、军工配套项目、省部级科研课题以及国际合作项目20余项；申请国家发明专利20余项，已获授权10项，在国内外权威杂志上发表SCI检索论文40 余篇， EI检索研究论文60篇；2003年获教育部“优秀青年教师资助计划”，2004年获教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2007年获得中国青年科学技术奖、机械工程学会青年科技成就奖；作为第一完成人先后获得2007年国家技术发明二等奖1项，省部级科技奖励一、二等奖5项；目前兼任全国青联委员、大连市政协委员、中国机械工程学会理事、辽宁省机械工程学会理事、中国机械工程学会材料分会理事等职务。下载本文
