鎂合金焊接技術的研究現狀

徐 琦,梁永政

(1.國家建筑城建機械質量監督檢驗中心,湖南長沙 410013;2.安陽工學院機械工程學院,河南安陽 455000)

鎂合金焊接技術的研究現狀

徐 琦1,梁永政2

(1.國家建筑城建機械質量監督檢驗中心,湖南長沙 410013;2.安陽工學院機械工程學院,河南安陽 455000)

鎂合金發展前景廣闊,但焊接性較差限制了其應用。文章介紹了鎂合金的鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護焊、激光焊、攪拌摩擦焊、電子束焊、電阻點焊等常用的幾種焊接方法及其研究現狀,提出了鎂合金焊接今后的研究方向。

鎂合金;焊接;研究

鎂合金密度為1.74～1.85 g/cm3,是目前工業應用中最輕的結構材料,具有較高的比強度、比剛度和較好的加工性能,以及無磁性與電磁屏蔽性、可回收利用等優點被譽為“21世紀綠色工程結構材料”[1,2]。鎂合金在航空、汽車、電子工業中應用前景廣闊,但鎂合金的應用與鋁合金以及鋼鐵材料相比狀況不容樂觀,主要受成形方式單一、焊接性差以及耐蝕性差這三方面原因制約。鎂合金目前應用主要是通過壓鑄加工成形應用在電子產品外殼以及汽車零部件,相對于眾多的應用領域和大型復雜結構方面,遠遠落后于鋼鐵和鋁合金,鎂合金材料的特性和優勢遠遠沒有得到發揮和利用[3]。

焊接是金屬材料加工技術中一種重要的方法,目前鎂合金成形研究還主要集中在壓鑄上。若要加工出尺寸更大、結構更復雜的鎂合金零件,只能采用焊接成形。由于鎂合金結晶溫度區大、熔點低、化學活性大、導熱系數和線膨脹系數高,致使在焊接的過程中容易出現氣孔、熱裂紋、夾雜、晶粒粗大等焊接缺陷[4,5]。鎂合金的焊接成為了制約鎂合金應用的一大瓶頸,因此鎂合金焊接技術成為了國內外很多學者研究的主要方向之一。本文主要介紹了鎂合金材料的焊接技術發展的近況,并展望了未來的發展。

1 鎂合金的焊接方法

1.1 鎢極氬弧焊(TIG焊)

鎢極氬弧焊是目前廣泛采用的焊接鎂合金方法,是在惰性氣體保護下,利用鎢電極與工件之間產生的電弧熱融化母材和填充焊絲的一種焊接方法。其工藝與焊接鋁合金時相同,大多采用交流(AC)或直流反極性(DCEP)。焊接時鎂合金作為負極,利用其在母材表面上產生的陰極點破壞,蒸發去除母材表面上的氧化膜。由于交流法熔深大,電極消耗小,所以應用比較廣泛[6]。TIG焊接工藝特別適合鎂合金薄板的焊接,但由于鎂合金熱膨脹系數大,容易產生焊接裂紋、應力集中、焊后變形等缺陷,因此需要采用夾具固定、坡口處理和焊前焊后熱處理等措施,從而獲得完整的焊接接頭。為了實現焊接鎂合金厚板,獲得較大的熔深,提高生產效率,常采用活性鎢極氬弧焊(A-TIG)。焊接前,在焊接區域涂上單一活性劑TiO2或者氯化物LiCl、CaCl2、CdCl2、PbCl2、CeCl3等,焊接時活性劑會引起電弧收縮或改變熔池內金屬流態,進而增加熔深?；钚枣u極氬弧焊可以使焊縫熔深增加2倍,接頭焊縫熔合良好,沒有裂縫、夾渣、氣孔等缺陷。通過這種方法可以實現鎂合金中厚板的焊接,加工成本低,生產效率高,是一種有較為廣闊應用前景的焊接技術。

美國L.F.Lockwood[7]在上世紀五六十年代就進行了鎂合金薄板的交直流TIG焊接試驗,研究了保護氣體、電弧長度以及電流性質等參數對焊縫成形的影響。中田一博[8]對不同種類鎂合金的TIG結果進行了分析,發現對AZ31B鎂合金進行TIG填絲焊接時,當焊絲為AZ61A和AZ912A時可得到良好性能的接頭,其抗拉強度達到母材的95%以上。劉金華等[9]對8 mm厚的AZ31B鎂合金板材分別進行了焊接裂紋實驗。發現在自拘束條件下,自熔焊焊縫區焊后立即產生焊接熱裂紋,斜Y型坡口填絲焊焊縫區在焊接電流為170 A和180 A的情況下出現焊接熱裂紋。自熔焊焊接熱裂紋是沿晶擴展,填絲焊焊縫熱裂紋是沿晶與穿晶的混合擴展,裂紋在擴展過程中存在分叉裂紋。

1.2 熔化極鎢極氬弧焊(MIG)

與TIG焊接相比,鎂合金的MIG焊接具有以下特點:(1)焊接速度快,生產效率高,全自動焊速度高達1 m/min左右;(2)由于以焊絲作電極,適宜的焊接范圍較窄;(3)由于熔融鎂的表面張力小,電極絲前端的熔滴難以脫離,且焊接電流過高時熔滴爆炸蒸發造成飛濺;(4)由于電極絲軟,送絲穩定性差,在焊接過程中要采用推拉方式的特殊送絲裝置。

由于鎂合金沸點很低,蒸汽壓力上升很快,在MIG焊接中熔滴稍有過熱就會產生爆炸,造成大量飛濺,影響焊接進行。MIG焊中熔滴有三種過渡形式,分別是短路過渡、脈沖過渡和噴射過渡,主要受焊接電流與送絲速度等因素影響。在短路過渡區與噴射過渡區的區域之間,焊接電流必須加脈沖以防止產生不適于鎂合金焊接的粗滴過渡。脈沖過渡的線能量要小于噴射過渡,適用于焊接中等厚度的板材,短路過渡適合于焊接薄板,噴射過渡可以用來焊接厚板。

Rethemeier和Wiesner[10]研究了MIG焊接鎂合金過程中填充金屬的熱輸入量對焊縫成形質量的影響。實驗結果表明在MIG焊接鎂合金過程中,選用合適的熱輸入量,可以使焊后試件的抗彎曲強度達母材的50%,焊縫經過處理后,強度可達母材的75%。大連理工大學研究了MIG焊鎂合金焊絲及其焊接工藝性能。

1.3 激光焊接(LBW)

激光焊接是一種高能密度的焊接工藝,在焊接時,激光器產生激光束照射到待焊區域,待焊區材料汽化并在束流壓力和蒸汽壓力的共同作用下形成一個細長的小孔,小孔中的汽化金屬被電離并將攝入的能量完全吸收,然后將熱量傳遞給周圍材料使之熔化,在小孔附近形成熔池。與其他熔焊方法相比,激光焊焊速高、質量好、無變形、焊道寬度和熱影響區窄、無需真空條件且容易實現自動化焊接等優點。焊接鎂合金可以有效地減少焊縫中的內應力、裂紋和氣孔等缺陷,焊接接頭組織明顯細化,焊縫力學性能顯著提高。激光焊接變形小,而且接頭強度幾乎與基體相當。

Weisheit、Galun和Hirage[11]等人研究了利用YAG激光器和CO2激光器對幾種鑄造鎂合金和擠壓鎂合金進行激光焊接。結果發現,對于相同成分或不同成分的鎂合金,厚度從2 mm到8 mm均可利用激光焊接,并可得到很窄的焊縫和很大的熔深。接頭焊縫區為細晶組織,熱影響區的硬度和熔合區基本相同,微觀組織和接頭殘余應力場是影響接頭疲勞強度的主要原因。激光焊接時,焊縫的背面成形受熱輸入和氣體保護流量的影響,在恰當的焊接工藝條件下可以得到很好的表面成形和高質量的接頭。從外觀上看,焊縫連續、狹窄、變形很小,且無表面缺陷。Marva和Redwards[12]對CO2激光深熔焊焊接AZ91鎂合金影響焊縫形態的因素進行了研究。實驗結果表明,熱輸入量和焊接參數的變化都會影響到焊縫的形態,而同一工藝下兩種合金的性能也有一定的差別。

1.4 攪拌摩擦焊(FSW)

攪拌摩擦焊是在壓力作用下利用焊件接觸面之間的相對摩擦運動和塑性流動所產生的熱量,使接觸面及其附近金屬達到粘塑性狀態并產生適當的宏觀塑性變形,通過兩側材料間的相互擴散和動態再結晶而實現連接的固態焊接方法[13]。該方法是上世紀90年代英國焊接研究所首先提出的,工作原理示意圖如圖1[14]所示。

圖1 攪拌摩擦焊示意圖

攪拌摩擦焊不需要填充材料,沒有飛濺、煙霧、弧光、有害氣體等。是固相連接,加熱溫度低,焊接熱影響區的顯微組織變化較小,焊后殘余應力和變形非常小,對于薄板鎂合金焊后基本不變形,其組織相當于鍛造組織,接頭強度幾乎與母材相當。焊接溫度低于合金元素的熔點,從而避免了合金內易揮發性元素和低熔點元素的損失,接頭內不易形成氣孔和熱裂紋等焊接缺陷。這些優點使得攪拌摩擦焊在鎂合金應用上具有明顯優勢,國內外學者對多種鎂合金進行了FSW焊接試驗。目前已經實現了AM60、AZ31、AZ61、AZ91等鎂合金的攪拌摩擦焊接[15]。

Won-Bae Lee[16]等人對AZ91D鎂合金進行了FSW焊接試驗,發現接頭質量最高時,焊速為187 mm/min,攪拌頭轉速為115～131 r/s。接頭由攪拌區(Sz)、熱機械影響區(TMAz)、熱影響區(HAz)和基體4部分構成。其中攪拌區為細小的等軸晶粒,硬度稍有提高,而抗拉強度明顯提高。Esparza[17]等研究了鎂合金的FSW過程組織變化,并指出熔核區包含具有大量位錯的再結晶組織。Setung Huwan等[18]研究分析了鎂合金FSW接頭的微觀組織,認為微觀組織的演變是由于攪拌旋轉運動引起的剪切變形所致。張永紅[19]等對擠壓態變形鎂合金AZ31B進行FSW連接,發現接頭的外觀成形好,各區域微觀組織差異較大。實驗結果表明在一定的焊接速度下,接頭抗拉強度隨著攪拌頭旋轉速度的增加而提高,到一定程度后,隨著旋轉速度的繼續增大接頭抗拉強度減小。

采用攪拌摩擦焊還可以實現鎂合金材料與銅合金材料、鋁合金材料的異種材料焊接,避免了這些異種材料熔化焊時出現的脆性金屬間化合物,接頭質量顯著提高。攪拌摩擦焊在船舶制造、海洋工業、航空航天等行業中得到了較為廣泛的應用。但是攪拌摩擦焊也有其應用的瓶頸,在焊接過程中要施加較大的頂鍛壓力和向前驅動力,被焊零件需要有一定的剛性。同時攪拌摩擦焊多采用平板對接焊,難以實現一些復雜結構件的焊接。

1.5 電子束焊(EBW)

電子束焊接(EBW)是利用高電場產生的高速電子,經匯聚形成的高速電子流撞擊被焊金屬的接縫,使其動能轉化為熱能,從而令金屬熔化而形成焊接的一種方法[20]。鎂合金因具有較低的熔點、較高的化學活性及高的熱導率,鎂合金焊件接頭強度一般低于母材。電子束焊接是在真空下進行,焊接過程不受氧氣等氣體的影響,熱損失很小,加熱速度快,電子束精確可調,無論是對鎂合金薄件還是厚件均可一次焊透。采用電子束焊時,由于鎂合金的蒸汽壓較高,因而所形成的小孔尺寸比其它金屬大,易在焊縫根部形成氣孔。因此,要求在焊接中密切監控操作工藝以防止熔融金屬過熱產生孔。采用諸如使電子束沿著圓周震動和減少電子束聚集度等操作工藝,將有助于獲得良好的焊接質量。此外,熔融鎂的表面張力很小,比鋁小50%,因此在焊接過程中很容易發生焊縫下榻。研究表明,與激光焊相比,使用電子束焊得到的鎂合金接頭質量更好,如熔深更大、熔寬更小,焊接速度更高。

日本科技人員對純鎂和AZ31鎂合金進行了電子束焊接試驗,結果表明,兩種焊縫表面光滑,都沒有氣孔和裂紋。AZ31合金熔融區與熱影響區的界面清晰可見,晶粒尺寸明顯不同;相比之下純鎂的熔融區與熱影響區界面模糊,晶界不明顯。對于兩種基體,都未發現焊接速度對熔融區橫截面晶粒尺寸的明顯影響[21]。鐵、鋁合金EBW具有明顯的熔合線,而鎂合金EBW熔合線很模糊,難以分辨。Wu[22]等研究結果表明,鎂合金的EBW和氬弧焊的熔合線都隨著合金中Al含量的增多而變得模糊。Bach[23]等研究發現AZ31變形鎂合金和AM50A以及AZ91D鑄造鎂合金在適當的焊接工藝下用非真空電子束焊接均可得到良好的接頭。相對較高的能量密度可以允許焊接速度達到15 m/min,這樣熱輸入較小,焊接效率高。通過填絲可以得到無縮松、縮孔和氣孔等缺陷的焊縫,接頭的靜載荷可以與母材相當,接頭的抗腐蝕性能甚至好于母材。高速高效可實現自動化的非真空電子束焊接為鎂合金的大面積應用提供了新的途徑。但非真空電子束焊的保護措施還需要進一步研究。

1.6 電阻點焊(RSW)

部分鎂合金的框架、隔板、儀表艙等的焊接可采用電阻點焊來完成。點焊鎂合金板材和擠壓材時與點焊鋁合金所需要的設備和條件很相似。由于鎂合金電阻小、散熱系數大,故點焊鎂合金是需要大電流短時間的強規范焊接。點焊所用電極材料為高導電的銅合金,由于鎂易與銅電極發生反應使電極與試件之間發生粘附,影響焊接質量,因此電極端部需要打磨光滑且要較強冷卻。同時,需要對焊件進行焊前清理,去掉其表面的氧化物和鉻化物保護膜來改善焊接質量。

電阻點焊是汽車制造過程中應用較多的焊接方法之一,選擇合適的焊接電流、電極壓力、焊接時間等工藝參數對鎂合金薄板進行電阻點焊,力學性能能夠達到要求,合理調整工藝還能有效防止試件中裂紋、飛濺的產生,得到高質量的焊點。Albright[24]等實驗結果表明,采用合理的焊接參數可以獲得完美的紐扣狀焊點,極少出現表面接觸不良、電極造成缺口的現象。王亞榮[25]等采用交流電阻點焊焊接了AZ31B鎂合金。分析了點焊接頭的顯微組織,研究了點焊接頭力學性能的變化規律,研究了AZ31B鎂合金交流點焊中焊接電流、電極壓力及焊接時間等工藝參數對接頭拉剪力的影響規律。結果表明,1 mm厚的AZ31B鎂合金板,在電極壓力為2 475 N、預壓時間為20周波、焊接電流為17 000 A、焊接時間為10周波的實驗條件下,鎂合金點焊的拉剪力達1 980 N。Sun等[26]研究了鎂合金RSW接頭的顯微組織,結果表明,鎂合金RSW接頭主要由焊核區和熱影響區組成。焊核區含有兩種不同的組織結構。焊核中心為等軸晶結構,焊核邊沿為胞狀-樹枝晶結構,焊核區這種組織結構的過渡是由于焊核中心與邊沿凝固條件不同所致。焊核區裂紋敏感性較高。熱影響區內出現晶界熔化及粗化現象。

2 結束語

由于鎂合金有巨大的發展潛力和應用優勢,在工業生產中受到高度重視,隨著鎂合金應用的發展,

作為鎂合金成形方法之一的鎂合金焊接技術也逐步成為人們關注的焦點。TIG是鎂合金最常用的焊接方法,但能量密度不高,熔深較淺,熱影響區較寬,而活性TIG可以改善鎂合金TIG焊熔深淺的缺點,是鎂合金電弧焊未來的發展方向。FSW作為固相連接技術應用于鎂合金的焊接具有獨特的優勢,是鎂合金焊接頗具應用前景的焊接方法。隨著鎂合金的應用越來越多,將會遇到鎂合金與鋼、鋁合金等異種金屬的焊接問題。鎂合金與其它金屬異種材料的焊接問題還有待進一步研究。

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Abstract:Magnesium alloys have a wide development prospect,but their poor weldability restricts their wider application.The results of recent investigations on the welding techniques were reviewed.The characteristics of gas tungsten arc welding,mctal inertia gas welding,laser welding,friction stir welding,electron beam welding and resistance spot welding were summarized.The research trend of magnesium alloys welding is also brought forward.

Key words:magnesium alloys;welding;research

離的工藝流程,該流程簡單實用,藥劑制度成熟,易

Research on Welding of Magnesium Alloys

XU Qi1,LIANG Yong-zheng2
(1.China National Supervision&Test Center for Construction and Urban Building Machinery,Changsha410013, China;2.Department of Mechanical Engineering A nyang Institute of Technology,A nyang455000,China)

TG44

A

1003-5540(2012)04-0045-05

2012-06-21

國家自然科學基金(51105002)

徐琦(1978-),男,工程師,主要從事材料表面處理及檢測。