鎂鋁異種金屬的焊接研究現(xiàn)狀

摘要：鎂合金作為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ妮p金屬，對它的開發(fā)應用得到了廣泛的關注，鎂/鋁異種金屬的焊接是目前焊接領域的熱點。文章概述了鎂/鋁異種金屬焊接特點、常用焊接方法的研究現(xiàn)狀及新研發(fā)的焊接方法，認為有效控制接頭金屬間化合物的形態(tài)、分布、大小將是未來對鎂/鋁異種金屬焊接研究的主要方向。

關鍵詞：鎂合金；鋁合金；異種金屬焊接

中圖分類號：TG456 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）16-0153-03

1 概述

進入21世紀以后，資源和環(huán)境的平衡以及可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為人類的首要問題，節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的突出特點。鎂合金作為目前世界上最輕的金屬工程結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強度和比剛度高、阻尼減振降噪能力強、電磁屏蔽性能優(yōu)異、抗輻射、切削加工和熱成型性好、可焊接，對堿、煤油、汽油和礦物油具有化學穩(wěn)定性，易于回收利用等優(yōu)點。鎂合金在汽車、摩托車等交通工具、儀器儀表、電子電器、化工冶金、航空航天、國防軍工等領域獲得了廣泛的應用。鎂合金作為一種結(jié)構(gòu)材料，在工程實際應用上就要考慮其連接的問題，焊接是最常用的連接方法。鎂合金自身特性決定了焊接性能較差，難以實現(xiàn)可靠連接。目前鎂合金焊接技術已成為了一個世界性的技術問題。

鋁合金具有比強高、延展性好、導電性好、抗腐蝕性好，又便于回收再利用等特點，在很大程度上滿足了現(xiàn)代工業(yè)對輕質(zhì)、高強、節(jié)能方面的要求，特別是航空航天、汽車制造等行業(yè)，鋁合金已經(jīng)成為應用最廣泛的有色金屬。鋁合金作為應用廣泛的輕金屬其主要的連接技術是焊接，并且對常規(guī)焊接方法的研究已經(jīng)比較成熟。

鎂和鋁作為兩種最具有應用前景的有色輕金屬，對它們交叉使用的研究是十分必要的，如果要實現(xiàn)鎂/鋁異種金屬結(jié)構(gòu)的有效連接，焊接將成為其主要的連接方法。這樣也會擴大鎂合金、鋁合金結(jié)構(gòu)件在高新技術領域的應用。

2 鎂/鋁異種金屬的焊接特點

在鎂/鋁異種金屬的焊接過程中往往存在熔化和結(jié)晶的過程，而且生成的金屬間化合物會對接頭性能產(chǎn)生關鍵性的影響。鎂/鋁異種金屬的焊接特點主要有下面的幾點：

（1）鎂和鋁極易氧化。Mg和Al均屬于活潑金屬，很容易與氧結(jié)合形成MgO和Al2O3氧化膜，尤其是Al2O3結(jié)構(gòu)致密且熔點很高（2050℃），很難將其去除。這不僅阻礙兩種金屬的連接，而且使接頭區(qū)容易產(chǎn)生夾雜、裂紋等缺陷，使接頭結(jié)合性能變差。

（2）鎂和鋁液態(tài)時相互溶解度小。由于鎂是密排六方結(jié)構(gòu)，鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，兩者晶體結(jié)構(gòu)的不同是兩者之間相互溶解度差的主要原因之一。由于相互溶解度比較低使得兩種金屬很難形成熔合區(qū)，難以形成有效的結(jié)合。

（3）鎂和鋁在高溫時氣體溶解度大。鎂和鋁在高溫時均能溶解一定量的氣體，而在固態(tài)時溶解度則很低，這容易使得熔合區(qū)在凝固時氫來不及逸出而產(chǎn)生氣體，使熔合區(qū)塑韌性降低。

總的來說，鎂/鋁之間的相互溶解度、熔點和線膨脹系數(shù)相差都較大，在兩者之間很容易形成氧化膜，而且鎂具有比較大的熱脆性。采用一般的焊接工藝方法容易產(chǎn)生裂紋和氣孔等焊接缺陷，而且在焊縫中易形成大量的鎂/鋁系的脆性金屬間化合物，因此實現(xiàn)兩者之間的焊接十分的

困難。

3 鎂/鋁異種金屬的焊接研究現(xiàn)狀

目前對鎂/鋁異種金屬的焊接研究，主要是對焊接方法、焊接參數(shù)、填充材料及接頭組織性能的的研究。就目前而言主要使用的焊接方法是熔焊和固相焊，比如鎢極氬弧焊、CMT焊、激光焊、攪拌摩擦焊及擴散焊。

3.1 熔焊

使用熔焊的方法焊接鎂/鋁異種金屬是目前最經(jīng)濟也是最實用的焊接方法。而且由于熔焊的靈活性比較強，可以根據(jù)被焊材料的不同而選擇不同的熔焊方法。但是使用熔焊的方法焊接鎂/鋁異種金屬時，在焊縫熔合區(qū)會形成高硬度的鎂/鋁系金屬間化合物，它會使接頭的脆性增加、力學性能降低，而且會在熱影響區(qū)產(chǎn)生較大的變形和裂紋。

大連理工大學的劉飛、張兆棟等人采用普通的TIG焊電弧作為熱源，對AZ31B鎂合金/6061鋁合金異種金屬進行填加鋅焊絲的對接試驗。實驗結(jié)果表明，鋅的熔點低焊接過程中易蒸發(fā)，容易在焊縫正面形成少量凹陷或在焊縫中形成零散氣孔，由于鋁側(cè)鋅絲的蒸發(fā)損失更加嚴重，這樣鋁基焊縫的余高低于鎂基。通過電子探針（EPMA）的分析發(fā)現(xiàn)焊縫主要是由MgZn2與少量的鋁、鋅的固溶體構(gòu)成的，并且在焊縫和鋁基之間不存在明顯的過渡層，但是和鎂基之間存在20～100μm的過渡層。通過顯微硬度測試發(fā)現(xiàn)焊縫的硬度比鋁合金和鎂合金母材都要大，拉伸試驗表明對接接頭的抗拉強度達到了75MPa，斷裂均發(fā)生在靠近鎂基的一側(cè)。

蘭州大學的R.Cao、B.F.Wen等人采用冷金屬過渡技術（CMT），使用直徑1.6mm的4047鋁合金焊絲實現(xiàn)1mm厚的AZ31B鎂合金與A6061-T6鋁合金之間的焊接。CMT技術把焊絲的送進和熔滴過渡結(jié)合起來，依靠焊絲的回抽使得熔滴脫落，這樣使得焊接熱輸入和飛濺均可控制，減少了IMP（脆性金屬間化合物）的形成，進而可提高接頭的強度。實驗結(jié)果表明AZ31B與A6061-T6焊接會在接頭區(qū)產(chǎn)生大量富鎂的金屬間化合物如γ-Al12Mg17和β-Al3Mg2。而焊縫金屬和鎂合金側(cè)的熔合區(qū)主要有富鎂的金屬間化合物（γ-Al12Mg17）組成，它會使接頭軟化，而且它是降低接頭強度的主要因素。如果要想改善接頭的強度，減少接頭處的富鎂金屬間化合物（γ-Al12Mg17）是至關重要的一點。

北京工業(yè)大學的李慧、錢鳴等人采用激光技術對AZ31B鎂合金和6061鋁合金進行了搭接焊接，在使用適當?shù)募す饧庸?shù)的情況下可以得到?jīng)]有裂紋的鎂/鋁異種金屬的搭接焊縫。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在搭接接頭的邊緣會有不同的Mg/Al系金屬間化合物在焊縫中彌散的分布，但是并不是以簡單的金屬間化合物層的狀態(tài)存在的。由于鎂元素在焊縫中濃度梯度的變化，在焊縫中各區(qū)域所形成的Mg/Al系金屬間化合物的類型也是不同的。由于在焊縫中的Mg/Al系金屬間化合物是不可避免的，因此焊縫的脆化現(xiàn)象還是存在。多種的金屬間化合物在焊縫區(qū)的分布使得其成為焊接接頭的薄弱部位。

采用傳統(tǒng)的熔焊方法焊接鎂/鋁異種金屬時，容易產(chǎn)生熱裂紋、合金元素燒損和焊縫區(qū)軟化等問題。重慶大學的劉蒙恩、盛光敏使用瞬間液相過冷連接工藝連接AZ31鎂合金和5083鋁合金，過冷工藝通過在界面處產(chǎn)生的成分過冷，破壞了傳統(tǒng)的TLP工藝的界面平衡狀態(tài)，使凝固過程具有了不平衡結(jié)晶的特征，加快了等溫凝固過程。研究了保溫擴散時間對焊縫微觀組織及力學性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：隨著保溫時間的延長，熔合擴散層逐漸增厚，并且擴散層的組織和成分更加均勻；采用2MPa恒壓的情況下，隨著保溫時間的延長，抗拉強度逐漸增大，但抗拉強度的增長趨勢逐漸的減小，當保溫時間為30min時抗拉強度最高達到20.4MPa；通過SEM對拉伸斷口進行分析，發(fā)現(xiàn)鋁側(cè)為準解離斷口，有臺階和撕裂棱，鎂側(cè)為典型的沿晶斷裂形貌，通過XRD分析發(fā)現(xiàn)接頭過渡區(qū)存在MgAl等5種金屬間化合物，這些金屬間化合物是導致熔合擴散區(qū)硬度升高的主要原因，而且由于這些金屬間化合物的存在，導致接頭強度不高。

3.2 固相焊

所謂固相焊，是利用摩擦、加壓或熱擴散等物理作用來克服兩個連接表面的粗糙度，并且除去氧化膜或其他雜質(zhì)，使兩個連接表面上的原子可以相互接近到晶格距離，進而實現(xiàn)固態(tài)的連接。目前鎂/鋁異種金屬焊接，常采用的固相焊方法是擴散焊和攪拌摩擦焊。

太原理工大學的于前、林飛等人，使用真空擴散焊對10mm厚的AZ91鎂合金和7075鋁合金進行了擴散連接。研究發(fā)現(xiàn)，焊接溫度和保溫時間會對接頭的抗剪強度產(chǎn)生顯著影響，在焊接溫度470℃保溫時間60min的時候，過渡層的寬度約是34.36μm，接頭的最大抗剪強度可達49.8MPa，而且斷裂常出現(xiàn)在鋁基擴散層Mg2Al3和中間過渡層結(jié)合的部位。

大連交通大學的陳影、付寧寧等人，采用攪拌摩擦焊技術對5083鋁合金和AZ31鎂合金進行了搭接焊試驗。發(fā)現(xiàn)在鋁板置于上層、攪拌針長度小于鋁板板厚的情況下，焊速50mm/min、旋轉(zhuǎn)頻率850～1350r/min的時候，鎂/鋁異種合金可以獲得抗剪性能良好、界面結(jié)合緊密并且沒有缺陷的搭接接頭，這樣通過在鎂板和鋁板之間形成由一定金屬間化合物組成的界面區(qū)過渡層來達到良好的連接；接頭的斷裂位置都在界面的結(jié)合處，鋁一側(cè)由塑性撕裂導致的“小坑”組成，鎂一側(cè)主要是河流花樣；由于在過渡區(qū)域產(chǎn)生超硬組織，顯微硬度試驗發(fā)現(xiàn)硬度分布呈“W”形

韓國的Woong-SeongChang、S.R.Rajesh等人，發(fā)展了攪拌摩擦焊技術，使用激光-攪拌摩擦焊混合焊接6061-T6鋁合金和AZ31鎂合金。使用激光-攪拌摩擦焊混合焊接的鎂/鋁異種金屬接頭與普通攪拌摩擦焊焊接的鎂鋁異種金屬接頭相比微觀組織和力學性能均有不同，使用混合對接焊成功的實現(xiàn)了用Ni做填料的情況下焊接鋁合金與鎂合金，使用激光-攪拌摩擦焊中使用2kW的激光就可以實現(xiàn)無缺陷的連接。在使用混合焊并用Ni做填料的情況下產(chǎn)生少量的Ni基金屬間化合物代替Al12Mg17，焊接接頭的剪切強度可以達到鎂合金母材的66%，比普通攪拌摩擦焊或不使用填料的情況下高的多。

太原理工大學的李線絨、梁偉等人采用高溫加壓，并且在純鋁/純鎂之間填加共晶合金（如鋁鎂合金粉末或鎂鋅合金粉末）連接劑進行純鎂/純鋁的連接，分別在450℃和360℃溫度條件下以不同的壓強和保溫時間進行連接。發(fā)現(xiàn)鎂/鋁兩側(cè)均會發(fā)生擴散，并且在鎂側(cè)形成了連續(xù)的擴散層成分的變化梯度小，但是在鋁側(cè)連接界面上成分變化梯

度大。

4 結(jié)語

鎂、鋁都屬于輕金屬材料，廣泛應用于航空航天、汽車電子等領域，它們之間的焊接問題備受關注。在鎂/鋁焊接的過程中，無論是采用熔焊方法或是固相焊的方法或是在其中加入共晶層或使用復合熱源，都不可完全避免金屬間化合物的生成，只是通過改變它們的形態(tài)和分布狀態(tài)來改善接頭的性能。

固相焊雖在一定程度上可以避免金屬間化合物的產(chǎn)生，但是它受工作位置、工件形狀的影響較大；熔焊操作靈活、效率高但是容易產(chǎn)生金屬間化合物、氣孔等缺陷。因此進一步進行鎂/鋁異種金屬的焊接工藝、填充材料和基礎理論的研究，對于促進鎂/鋁異種金屬的焊接接頭的應用具有十分重要的意義。

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作者簡介：張瑞英（1987—），女，河北科技大學材料科學與工程學院在讀研究生，研究方向：鎂合金的CMT焊接。