镁合金的密度只有1.74一1.859/c耐,比铝合金 轻36%左右,是实际应用中最轻的金属结构材料。镁 的铸 纪90 的价 镁合 为一 车工 前应 用的镁合金部件主要是利用其良好的铸塑性生产的 鬓攀停滋贷 是灌裂瞬粼霖粼粼巴寒黎 裂粼票舞套缥咒粼靡 工艺。 表1镁合金的发展应用及焊接性能- Tab.IDeveloPmentan面ddabilitsofma:nesi咖alloy 年代 镁合金发展及应用情况 镁合金的可焊性 1808年 份27年 1930年 1935年 20世纪80年代 19夕6年 20世纪90年代 英国化学家H.Dav-y在实验室制得镁 高强度镜合金M薛19znl(Azg户诞生 德国Alder工厂将镁合金用子汽车制造 苏联飞机设计师将镁合金用于飞机制造 开发出高纯度压铸镁合金AzglD 镁合金用于摄录机机壳和笔记本电脑外壳 祥会奈井拾君丫,’$产品卜丈量应用 蒸照黛鲜 第3期 刘红伟等:镁合金焊接的研究现状及进展 1镁合金的熔焊连接 1.1钨极氦弧焊(TIG) 钨极氢弧焊是典型的惰性气体保护焊,是最常用 的镁合金焊接方法。焊接时镁合金作为负极,利用其 在母材表面上产生的阴极点破坏,蒸发去除母材表面 上的氧化膜。由于交流法熔深大,电极消耗小,所以应 用比较广泛‘’〕。由于镁合金热膨胀系数大,易产生焊接 裂纹、焊后变形等缺陷,需要采用夹具系统固定、坡口 预处理、焊前焊后热处理等措施,以保证获得性能良好 的焊接接头。 曲广学等对AZ3 IB镁合金薄板进行了TIG焊接 研究{2’,分析了焊件缺陷产生的原因和避免产生缺陷 的措施。实验结果表明,选用TIG焊方法,采用大电流、 快速焊工艺参数和刚性固定等措施,可以获得较好的 镁合金焊接接头,接头强度可达母材的80%以上。 苗玉刚等采用光学显微镜、X射线衍射仪和电子 探针等分析测试手段,对AZ3lB镁合金TIG焊后接头 的微观组织形态、相组成及焊缝区的成分分析等问题 进行了深人的研究l’J。实验发现焊缝区由细小的等轴 晶组成,热影响区的晶粒较粗大,易造成接头断裂;对 焊缝区的成分分析表明,Mg、Al、Zn元素存在偏析现 象,Al和Zn偏析于晶界,Mg富集于晶内,而Mn元素 却不存在偏析现象。 张兆栋、刘黎明采用活性剂焊接(A一TIG)方法研 究AZ3 IB镁合金焊接性14〕,研究了活性剂Tio:对镁合 金焊接后接头的微观组织形态、元素分布的影响。发 现在待焊材料表面涂敷单一活性剂TIOZ,可以使焊缝 熔深比常规的TIG焊增加2倍,镁合金涂敷活性剂后 焊缝接头的微观组织与未涂敷时焊缝接头的微观组织 没有明显区别,焊缝的熔合线两侧结合良好,没有裂 纹、气孔、夹杂等焊接缺陷。 T.Asahina和H.Tokisue研究了TIG焊接AZ31镁 合金凝固裂纹的敏感性「51。实验采用交直流两用TIG 焊机,研究了脉冲频率对裂纹敏感性的影响,发现采用 交流TIG焊比用直流TIG焊时的裂纹要少,因为交流 焊时熔池要稍大一些。除了脉冲频率对裂纹敏感性有 影响外,凝固裂纹的长度还与焊核区的晶粒尺寸有关, 如果焊核区是细小的等轴晶粒,应力会均匀分散在晶 粒上,致使裂纹不易扩展。 1.2熔化极惰性气体保护焊(MIG) 熔化极惰性气体保护焊比钨极氢弧焊焊接速度要 快,全自动焊每分钟可高速焊lm左右。 Miehael Rethenleier和Stuart Wiesner研究了MIG 焊接镁合金过程中填充金属的热输人量对焊缝成形质 量的影响‘“’。由于镁合金本身固有的物理特性(熔点 600℃,沸点1 100℃),焊接时要求输人的热量既能 保证填充金属熔化,又不会使填充金属蒸发。在MIG 焊接镁合金过程中,选用合适的热输人量,可以使焊后 试件的抗弯曲强度达母材的50%,焊缝经过处理后, 强度可达母材的75%。 Fujie Msatsugu等用MIG焊对1.6 mm厚Az3z镁 合金板材进行了成功的焊接「7」。实验采用直流MIG 焊,填充金属为 AZ61,焊速3m/min。试验发现焊接电 流和焊接速度对焊缝的外貌和宏观组织形态至关重 要,接头的抗拉强度为250 MPa,为母材的98%,与母 材接近,而延伸率为6%,远低于母材的延伸率。 1.3真空电子束焊接(EBW) 真空电子束焊接是利用真空中高速运动的聚焦电 子束冲击工件,电子动能直接转化为热能进行熔化焊 接的方法。真空电子束焊接具有焊接速度快,热影响 区小,焊接变形小,焊缝深宽比大,焊缝纯洁度高等优 点,但由于电子束设备复杂,费用较高,使其在镁合金 的焊接应用上受到限制,所以这方面的研究不多。 日本科技人员对AZ31镁合金的电子束焊接机理 和力学性能进行了研究18」。采用合适的焊接参数进行 焊接,所得AZ31镁合金焊缝表面质量良好,焊核区晶 粒细小,抗拉强度与基体接近,冲击性能为基体的 87%,但延伸率明显下降。 Toshikatsu Asahina和Hiroshi Tokisue采用高能电 子束对4 mm厚的AZ31镁合金板材进行了成功的焊 接「9」。实验采用对接接头,不需填充金属。作者研究了 焊接速度对接头力学性能和显微组织的影响。发现 AZ31镁合金焊后接头晶粒细小,焊核区和热影响区的 硬度与基体金属相近。 A.Munit:和C.Cotle:用高能电子束对AZ91D镁 合金板材进行了焊接l’“」,借助于x射线和超声波进行 了无损检测,并用光学显微镜和扫描电子显微镜观察 了焊缝的组织。分析表明,由于电子束焊接热输人量 小,热影响区小,组织变化不大,力学性能损失较小,可 以用该方法焊接AZ91D镁合金。 1.4激光焊接(LBW) 激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的 一种高效精密焊接方法,激光焊接与真空电子束焊接 相比,也具有热输人量低,焊接变形小,焊缝深宽比大 等优点,而且免去了真空电子束焊接时需要抽真空的 程序,在许多场合具有不可替代的作用。 Hiraga Hitoshi等研究了激光波长和保护气体对 镁合金板材焊接的影响L川。 H.zhao和T.Debroy分析了激光焊接AM60B镁 兵器材料科学与工程 第28卷 粼赞淤麟 从户…{ 法,些瑟款架髦瑞艇漂簇寥亨 薰…溉薰燃巍患鬓梦燮 2镁合金的固相连接_ - 2.1超声波焊接- 斗井 缪爵镖忽{瓢黯路滚瓣 {烈烹茸 弃 鬓爵豪套势影响区,断裂娜卿姗蜘韧性断 ,与未处理试样相比,可使样品温度在焊接过程中升 1 30K以上,温度的升高增加了镁合金的可焊性,使 接头强度提高约2倍,而_宜提高了焊接速度。 2.2搅拌摩擦焊 龄滩蒸淤) 子束焊、钎焊和扩散连接等传统焊接方法相比,搅拌摩 3存在何题及今后工作的重点 介红 醇高 电子束焊(EBW)和激光焊(LBW)具有较高的能 束密度,焊接时不用开坡口,焊缝深宽比较大,接头质 量较高,但也会出现类似于TIG焊或MIG焊的问题, 而且LBW焊接头容易形成气孔,EBW焊必须在真空 下进行,设备也较昂贵。 搅拌摩擦焊的出现为镁合金的焊接提供了合理的 解决方案,但搅拌摩擦焊焊接需要相对较大的顶锻压 力和向前的驱动力,所以设备一般较复杂和笨重,导致 设备成本较高,限制了其在镁合金焊接中的应用。 3.2今后开展工作的重点 ①继续开展镁合金熔焊工艺的基础性研究,如镁 合金焊丝的选择,镁合金焊接活性剂的研制,焊接过程 变形的控制及减少焊接应力,优化工艺方案设计和焊 接缺陷的减少及避免工艺方案设计等。 ②加大对镁合金搅拌摩擦焊工艺研究的力度,对 搅拌摩擦焊工艺优化、搅拌头设计及搅拌摩擦焊接头 力学性能、成型机理、冶金性能、破坏机理等方面都有 必要进行深人系统的研究。 ③为充分发挥搅拌摩擦焊在镁合金焊接上的优 势,研究搅拌摩擦焊与其它热源复合焊接的镁合金焊 接工艺(如激光辅助搅拌摩擦焊),而搅拌摩擦焊与其 它热源复合参数的结合一也有待于进一步优化。 4结束语 由于镁合金有巨大的发展潜力和应用优势,在工 业生产中受到高度重视,随着镁合金应用的发展,镁合 金的连接问题必然是广大科研工作者今后关注的热 点。在当前镁合金焊接的几种方法中,搅拌摩擦焊属 固相连接,避免了熔焊时存在的焊接缺陷,具有焊后接 头综合性能好,无烟尘飞溅,无电磁辐射,焊接过程操 作简单,高效低成本等优点,是镁合金连接中最具应用 前景的焊接方法。此外,新兴的激光辅助搅拌摩擦焊 工艺,采用激光辅助加热的方法,搅拌头的作用仅仅是 完成搅拌和挤压,需要较小的力即可实现焊接,既可以 减少搅拌头的损耗,提高焊接速度,又可以改变搅拌摩 擦焊设备笨重的现状。然而对于激光和FSW工艺参数 的结合及其对接头力学性能的影响,都还需要作进一 步的研究,这也是材料工作者以后开展工作的努力方 向。镁合金焊接的研究现状及进展@刘红伟$中国兵器科学研究院宁波分院!浙江宁波315103
@周琦$中国兵器科学研究院宁波分院!浙江宁波315103
@朱军$中国兵器科学研究院宁波分院!浙江宁波315103镁合金;;焊接;;激光辅助搅拌摩 擦焊综述了近年来国内外镁合金在熔焊连接和固相连接两方面的研究现状与进展。分析了镁合金在 熔焊过程中存在容易产生气孔、裂纹及焊后变形量较大等问题。采用搅拌摩擦焊连接镁合金可以避 免熔焊时产生的焊接缺陷,且具有焊后变形小、残余应力小等优点。提出了镁合金焊接今后的研究方向与工作重点。<1>中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册--焊接方法及设备
.北京:机械工业出版社,2001.
<2>曲广学,刘庆忠,郭道厚.AZ31镁合金薄板的焊接.焊 接,2002(4):44-45.
<3>苗玉刚,刘黎明,等,变形镁合金熔
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