知識（shí）：鎂合金材料的焊接技術

鎂合金應用於汽車製造中，可滿（mǎn）足汽車行業（yè）低排量、低油耗的發展需求。要想進一步推廣鎂合金在汽車領域的大（dà）量使用，需要對焊接（jiē）技術進行更深一步（bù）的創（chuàng）新研究。

一、鎂及鎂合金的（de）焊接性分析

鎂合金的性能與其他材料相（xiàng）比具有顯著特點，焊接性較為特殊。由於鎂合金密度低、熔（róng）點低、熱導率和電導率大（dà）、熱（rè）膨脹（zhàng）係數大、化學活潑性很強、易氧化且氧化物的熔點很（hěn）高，因此（cǐ），鎂（měi）合（hé）金在焊接過程中會產生一係列困難，主要表（biǎo）現在以下幾方麵：

1.氧化和蒸發

由於鎂的氧化（huà）性（xìng）極強，在焊接過程中易形成氧（yǎng）化膜（MgO），MgO熔點（diǎn）高（2500℃）、密度大（3.2g/cm3），易在焊縫中形成雜質，降低了焊縫性能。在高（gāo）溫下，鎂還容易和空氣中的氮發生化學反應生成（chéng）鎂的氮（dàn）化物，弱化接頭的性能。鎂的沸點不高，這將導（dǎo）致在電弧高溫下很容（róng）易蒸發。

2.晶粒粗大

由於熱導率（lǜ）大，故焊（hàn）接鎂合金時要用大功率（lǜ）熱源、高速焊接，易（yì）造成焊（hàn）縫和近焊縫區金屬過熱和晶粒長大。

3.熱應力

鎂合金熱膨脹係數較大，約為鋁的1～2倍，在焊接過程中（zhōng）易（yì）產（chǎn）生大的（de）焊接變形，引起較大的殘餘應力。

4.焊縫金屬下塌

由於（yú）鎂的（de）表麵（miàn）張（zhāng）力比鋁小，焊接時很容易產生焊縫金屬下塌，影響焊縫成形質量。

5.氣孔

與焊接鋁（lǚ）合金相似，鎂合金焊接時易產生氫氣孔。氫在鎂中的溶解度隨溫（wēn）度（dù）的降低而減小，而且鎂的密度比鋁小，氣體不易逸出，在焊縫凝固過程中會形（xíng）成氣孔。

6.熱裂紋

鎂合（hé）金易與其他金屬形成低熔點共（gòng）晶組織，在焊接接頭中易形成結晶裂紋。當接頭處溫（wēn）度過高時，接頭組織中的低熔點（diǎn）化合物在晶界處（chù）會熔化出現空穴，或產生晶界氧化等，即所謂的“過燒”現象。

此外，鎂及鎂合金易燃燒，所以在熔化焊接時需要惰性氣體或焊劑的保護。

二、鎂合金的焊接現狀及發展趨勢

鎂合金適用於很多焊接方法（fǎ），如鎢極氬弧焊、電子束焊、激光焊、攪拌摩擦焊、爆炸焊和電（diàn）阻點焊。無論哪種焊接方（fāng）法，鎂合金焊接後（hòu）的微（wēi）觀組織大多同時包含樹枝晶和（hé）等軸晶（jīng）。一種普遍接受的觀點認為等軸晶的性能優於柱狀晶或樹枝晶，所以金屬凝固組（zǔ）織（zhī）中希望得到小尺寸的等軸晶，同時盡可能減小柱狀（zhuàng）晶/樹枝晶的百分比。

1.鎢極氬弧焊（TIG）

鎢極氬弧焊（TIG）是目前鎂合金最常用（yòng）的一種焊接方法。由於鎂合金容易（yì）氧化，TIG電弧（hú）焊接鎂合金通常利（lì）用交流電的陰極清理效（xiào）應去除氧化（huà）膜，直流TIG焊接鎂合金較少使用。然而與直流相比，交流TIG焊接的熱輸入較低（dī），加之鎂合金導熱很快，焊縫熔深淺，使交流（liú）TIG焊接鎂（měi）合金厚板存在一定問題。因此，焊接鎂合金中厚板時需（xū）要采用多層多道焊或者雙麵施焊，增（zēng）加了（le）施焊難度，而且降低了生產效率。

鎂合金氬弧焊存在的主要缺陷是氣孔和疏鬆。在（zài）焊接過程中通過（guò）增加保（bǎo）護氣體的流量可以顯著減小（xiǎo）氣孔的數量、體積，並能減小焊縫中鎂含量的損（sǔn）失，從（cóng）而提高接頭的力學性能。另外，對於氣（qì）孔的防治，還可以通（tōng）過焊接（jiē）時盡量壓低電弧（2mm左右），以充（chōng）分發（fā）揮電弧的陰極破碎作用（yòng）並（bìng）使熔池（chí）受到攪拌，從而使氣（qì）體逸出熔池（chí）。

2.激光焊

激光焊接鎂合金是利用高（gāo）能（néng）量密度的激光束作為熱（rè）源進行焊接的一種高效精（jīng）密加工方法，其研究（jiū）主（zhǔ）要集中在激光器的選擇（如CO2、diode、Nd：YAG及fiber激光器），激光功率、聚焦位置、焊接速度（dù）、熔深、保護氣體種類和填充材料等方麵（miàn）。

采用Nd：YAG激光（guāng）器（qì）和CO2激（jī）光器對6種鑄造鎂（měi）合金和4種擠壓鎂合金進行激光焊接性研究，結果發現對相同成份和（hé）不（bú）同（tóng）成份的鎂合（hé）金，厚度（dù）從2～8mm，均可利用激光焊接，並可得到很窄（zhǎi）的焊（hàn）縫和很大的熔（róng）深。

激（jī）光焊接鎂合（hé）金的缺陷主要為氣孔、熱影響（xiǎng）區熱裂紋（wén）及凝（níng）固裂紋。另外，鎂合金對激光的反射率較大（dà）也是鎂合金激光焊中需要注意的問題，這使激光焊接（jiē）鎂合金熔深較淺。相比而言，電子束焊接得到的熔深最大，且遠（yuǎn）超過激光焊接。

3.電子束焊（hàn）

電子束可以焊透（tòu）30mm的鎂合金板，熔化區（qū）的組織幾乎都是（shì）10mm左右的等軸晶。電子束焊接（jiē）可以（yǐ）避免很多焊接缺陷（xiàn），如孔洞、咬邊、根部凹陷及（jí）較寬（kuān）的熱影響區等。經過工藝優（yōu）化，如調整（zhěng）聚焦位置到（dào）根部，優化焊接參數等，焊縫的極限抗拉強度可以達到母材83%（有表麵應力（lì）集中）和96%（無（wú）應力集中）。

電子束焊接通常為真空焊接，金屬氣體的（de）揮（huī）發對（duì）真空室的汙染很大（dà）。研究發現非真空（kōng）電子（zǐ）束非常適用於鎂合金的焊接。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均可得到良好的接頭。相對較高的能量密度可以（yǐ）允許焊接速度（dù）達到（dào）15m/min，這樣熱輸入較小，焊接效（xiào）率（lǜ）高。通過填絲可以得到無疏鬆、縮孔和（hé）氣孔等缺陷的焊縫（féng），接頭（tóu）的靜載荷可以與母材相當，接頭的抗腐蝕性能甚至好於母材。高速、高效且可以實現高自動化的（de）非真空電子束焊接為鎂合金的大麵積應用提（tí）供了新的（de）途徑。

4.電阻點焊

電阻點焊因其成（chéng）本極（jí）低、工藝穩定成為汽車工業中最主要的焊接方法。鎂合金導熱率高（gāo）、電阻值小，電阻點焊鎂合（hé）金時需要在短時間內通很高的電流，使產熱速率遠大於散熱速（sù）率。這個性能與鋁合金性能相似，因此能夠焊接鋁合金的點（diǎn）焊設備也能夠焊接鎂合金（jīn）。電焊機的成本與變壓（yā）器（qì）次級線圈電流負（fù）荷成（chéng）正（zhèng）比。相同板厚下，電阻（zǔ）點焊鋼所需的電流遠小於鎂合（hé）金（jīn），因此鎂合金的焊接（jiē）設備昂貴。焊接電流、焊接時間及電極壓力是電阻點焊鎂合金最（zuì）重要的三個參數。這三個參數能夠有效控（kòng）製熔核（hé）大小和接頭強度。鋁合金熱導率（lǜ）和電導率都很高，所需焊接電流是鋼的2～3倍。

鎂合（hé）金的熔核（hé）生長分為3個階段：孕育、長大和（hé）穩定。在第一個周波內熔核便完成孕育，接著開始長大。隨著熔（róng）核長大，導電（diàn）通道增加，電流密度降低；電極（jí）-板材接觸麵積增大，散（sàn）熱增加。這兩點導致長大速率逐漸變緩。當產熱和散熱達到（dào）平衡，熔（róng）核趨於穩定（dìng）。鋁合金與鎂相似，孕育（yù）時間（jiān）很短，幾乎在第一個周波就出現熔化；鋼直到第（dì）5個周波才開始（shǐ）熔化，模擬結構說明，貼合麵的接觸電阻（zǔ）是造成（chéng）這種差別的主要原因。溫度沿徑向分布的差（chà）異（yì）也是原因之一，其中鋼較鋁、鎂平（píng）坦，因而鋁、鎂產熱更為集（jí）中，有利於熔核的形成。

鎂合金點焊接頭通常分為４個區域：母材、熱影響（xiǎng）區、塑性環（huán）和熔核。熱影響區有再（zài）結（jié）晶和晶粒（lì）長大發生。和鋁合金類似，鎂合金焊接熱影（yǐng）響區也容易產生野花裂紋。塑性環在（zài）熱影響（xiǎng）區（qū）的貼合麵（miàn）處，是電阻點焊的特有區（qū）域。由於該區域的高溫（wēn）高壓（電極壓力），塑性環處經常發生動態再結晶。通常（cháng）熔核有兩種組織：柱狀樹枝晶和等軸（zhóu）晶。

鎂（měi）合金在汽車上的大量使用,使得鎂合金的連接技術成為解決鎂合（hé）金應用的迫切問題,各種焊接方法的研究都會得到（dào）廣大研究者（zhě）的進（jìn）一步關注。

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