浅析镁合金焊接技术的研究现状及应用

浅析镁合金焊接技术的研究现状及应用

发表时间：2019-07-16T17:13:21.213Z 来源：《基层建设》2019年第12期作者：闫鹏华

[导读] 摘要：镁合金是金属结构材料中最轻的一种，具有密度小、比强度高、储量丰富、减震性好、可回收利用等优点，近年来受到广泛关注。

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摘要：镁合金是金属结构材料中最轻的一种，具有密度小、比强度高、储量丰富、减震性好、可回收利用等优点，近年来受到广泛关注。随着焊接技术的发展进步，镁合金在航空航天、轨道交通、核电、军工等领域的应用日益增多，镁合金材料也被誉为“最有发展前景的结构材料”，其开发应用对于实现友好环保型社会具有重要的意义。目前，镁合金的加工技术主要以铸造为主，而其焊接技术发展相对缓慢，包括焊接冶金原理、焊接工艺控制、焊接材料生产技术等尚不成熟，因此深入开展镁合金焊接技术的研究是拓展镁合金材料应用的有效途径。文中主要对镁合金焊接技术研究现状及发展趋势进行阐述。

关键词：镁合金；焊接技术；研究现状；应用

引言

焊接是金属材料加工技术中一种重要的方法，目前镁合金成形研究还主要集中在压铸上。若要加工出尺寸更大、结构更复杂的镁合金零件，只能采用焊接成形。由于镁合金结晶温度区大、熔点低、化学活性大、导热系数和线膨胀系数高，致使在焊接的过程中容易出现气孔、热裂纹、夹杂、晶粒粗大等焊接缺陷。镁合金的焊接成为了制约镁合金应用的一大瓶颈，因此镁合金焊接技术成为了国内外很多学者研究的主要方向之一。本文主要介绍了镁合金材料的焊接技术发展的近况，并展望了未来的发展趋势。

1.镁合金焊接的特点

由于镁合金密度低，熔点低，热导率和电导率大，热膨胀系数大，化学活泼性很强，易氧化，且氧化物的熔点很高，使镁合金在焊接过程中会产生一系列的困难。

1.1粗晶问题

由于热导率大，故焊接镁合金时要用大功率热源、高速焊接，易造成焊缝和近缝区金属过热和晶粒长大，这是焊接镁合金时的主要特点之一。

1.2氧化和蒸发

由于镁的氧化性极强，在焊接过程中易形成氧化膜，氧化膜熔点高，密度大，易在焊缝中形成夹杂，降低了焊缝性能。在高温下，镁还容易和空气中的氮化合生成镁的氮化物，使接头性能变坏。镁的沸点不高，在电弧高温下很易蒸发。

1.3热应力

镁及镁合金热膨胀系数较大，约为铝的1.2倍，在焊接过程中会易产生大的焊接变形，引起较大的热应力。

1.4夹渣

镁合金化学性质活泼，在焊接高温下极易形成熔点高（2500度）密度大的MgO，它不易从密度较小的合金溶液中排出，从而形成片状的夹渣。

1.5气孔

镁合金的焊接过程中，气孔是最主要的缺陷之一。水分子在焊接过程中分解产生大量的氢，氢在镁合金溶液中的溶解度随着温度降低而减小，使熔池在凝固过程中析出大量氢，从而形成气泡且溢出熔池表面困难，从而在焊缝中形成较多的气孔。

1.6热裂纹

镁合金易与其它金属形成低熔共晶体，在焊接接头中易形成结晶裂纹。当接头处温度过高时，接头组织中的低熔点化合物在晶界处会熔化出现空穴，或产生晶界氧化等，产生所谓的过烧现象。此外，镁合金易燃烧，所以在熔化焊接时需要惰性气体或焊剂的保护。

2.镁合金焊接技术

2.1钨极惰性气体保护焊

钨极惰性气体保护焊法即是在惰性气体的保护下，根据钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝，使用钨极惰性气体保护焊法来进行焊接，不会轻易融于金属，并且不会和金属发生反应，并且此焊法还有一个优点，就是能够在焊接过程中自动清除工件表面的氧化膜，并且能够很好的将化学性质较为活泼的有色金属、不锈钢、合金等进行焊接，适当调整电流的话，还能够将超薄的镁合金进行焊接而不会出现熔化。

2.2电子束焊

电子束焊接是利用高电场产生的高速电子，经汇聚形成的高速电子流撞击被焊金属的接缝，使其动能转化为热能，从而令金属熔化而形成焊接的一种方法。镁合金因具有较低的熔点、较高的化学活性及高的热导率，镁合金焊件接头强度一般低于母材。电子束焊接是在真空下进行，焊接过程不受氧气等气体的影响，热损失很小，加热速度快，电子束焊无论是对镁合金薄件还是厚件均可一次焊透。采用电子束焊时，由于镁合金的蒸汽气压较高，因而所形成的小孔尺寸比其它金属大，易在焊缝根部形成气孔。因此，要求在焊接中密切监控操作工艺以防止熔融金属过热产生气孔。采用诸如使电子束沿着圆周震动和减少电子束聚集度等操作工艺，将有助于获得良好的焊接质量。此外，熔融镁的表面张力很小，比铝小50％，因此在焊接过程中很容易发生焊缝下榻。研究表明，与激光焊相比，使用电子束焊得到的镁合金接头质量更好，焊接速度更高。

2.3搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。使用此法来进行镁合金焊接可以作为一种固相焊接方法，能够用于熔点较低的金属（如铝、镁等）焊接，并且在焊接之前不用进行严格的表面清理，也不会造成较大的环境污染，是一种较为环保绿色的焊接方法。

2.4激光焊接

激光焊接是一种高能密度的焊接工艺，在焊接时，激光器产生激光束照射到待焊区域，待焊区材料汽化并在束流压力和蒸汽压力的共

同作用下形成一个细长的小孔，小孔中的汽化金属被电离并将摄入的能量完全吸收，然后将热量传递给周围材料使之熔化，在小孔附近形成熔池。与其他熔焊方法相比，激光焊焊速高、质量好、无变形、焊道宽度和热影响区窄、无需真空条件且容易实现自动化焊接等优点。焊接镁合金可以有效地减少焊缝中的内应力、裂纹和气孔等缺陷，焊接接头组织明显细化，焊缝力学性能显著提高。

3.镁合金焊接技术的应用

镁合金是一种能够满足各种行业需求、发展前景可观的轻质材料，与铝和钢相比，镁合金材料具有以下特点：第一，镁合金作为一种轻质金属结构材料，其密度仅为1700kg/m3，是铝合金的2/3，钢的1/4，因此结构件的轻量化，采用镁合金较合适。第二，镁合金的比强度和比刚度都高于铝合金和钢，在不降低零部件强度的前提下，镁合金零部件的质量比铝合金或钢的轻很多，而且镁合金的刚度随厚度的增加呈立方比增加，用镁合金制造刚性好的整体构件十分有利。第三，镁合金具有良好的抗冲击性，是塑料的20倍；拥有优良的尺寸稳定性与良好的能量吸震性。在20MPa应力水平下镁合金AZ91D的衰减系数为20%，而铝合金A38只有1%，是制造抗震的好材料，对于用作设备机壳减少噪音传递、提高防冲击与防凹陷损坏十分有利。第四，镁合金的传热和热膨胀系数较大，弹性模量在常用金属中是最低的。第五，镁合金具有良好的可回收性能，使镁合金比许多塑胶材料更具有吸引力。塑料类零件废弃时不利于环境保护，镁合金废料回收利用率高达85%以上。这种可再生利用的特性能够达到汽车节能、降低成本、可持续发展、减少排放、容易回收等目的。第六，镁合金是常用金属中容易加工的材料，具有比铝合金及钢的切削阻力小、机械加工速度快、刀具使用寿命长等优点。第七，镁合金还具有良好的焊接性能，焊接接头的强度约为其自身强度的95%，可以制造复杂结构零件。

4.结束语

对镁合金焊接技术的研究应该针对镁合金本身的特性，通过结合不同焊接方式的特点，开展具有针对性和系统性的研究，对焊接过程中的基础理论问题开展深入研究，才能最终从根本上解决镁合金焊接的技术难点。

参考文献：

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