知（zhī）識：鎂合金材（cái）料的焊接技術

鎂合（hé）金應用於汽車製造中，可滿足汽車行業低排量、低油（yóu）耗的發展需（xū）求。要想進一步推（tuī）廣鎂合金在（zài）汽車領域的（de）大量（liàng）使用，需要對焊接技術進行更深一（yī）步的創新研究（jiū）。

一、鎂（měi）及鎂合金（jīn）的焊接性分析

鎂（měi）合金的性能與（yǔ）其他材料相比具有顯著特點，焊接性較（jiào）為（wéi）特殊。由於鎂（měi）合金密度低、熔點（diǎn）低、熱導率和電導率（lǜ）大、熱膨（péng）脹係數大、化學活潑（pō）性（xìng）很強、易氧化且氧化物的熔點很高，因此，鎂合金在焊接過程中會產（chǎn）生一係列困難，主要表現在以下幾方麵：

1.氧化（huà）和蒸（zhēng）發（fā）

由於鎂的氧化性極強，在焊接過（guò）程中易形成氧化膜（MgO），MgO熔點高（2500℃）、密度大（3.2g/cm3），易在（zài）焊縫中形成雜質，降低了焊縫性能。在高溫下，鎂還容易和空氣中的氮發生化學反應生成鎂的氮化物，弱化接（jiē）頭的性能。鎂的沸點不高，這將導致在電弧高溫下很容易蒸發。

2.晶粒粗大

由於熱導率大，故焊接鎂合金時要用（yòng）大功率熱源、高速焊接，易造成焊縫和近焊縫區（qū）金屬過熱和（hé）晶粒長大。

3.熱應力

鎂合金熱膨脹係數較大，約為鋁（lǚ）的1～2倍（bèi），在焊接過程中易產生大的焊接變形（xíng），引起較（jiào）大的殘餘（yú）應力。

4.焊縫金屬下塌

由於鎂的表麵張力比鋁小，焊接時很容易（yì）產生焊縫金屬下塌，影響焊縫成形質量。

5.氣孔

與（yǔ）焊接鋁合金相似（sì），鎂合金焊接時易產（chǎn）生氫（qīng）氣孔。氫在鎂中的溶解度隨溫度的降低而減小（xiǎo），而且鎂的密度比鋁（lǚ）小，氣體不易逸出（chū），在焊縫凝固過程中會形成氣孔。

6.熱裂紋

鎂合金易與其他金屬形成低熔（róng）點共晶組織，在（zài）焊接（jiē）接頭（tóu）中易形成結晶裂紋。當接頭處溫度過高時（shí），接頭組織中的低（dī）熔點化合物在晶（jīng）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（de）保護。

二、鎂合金的焊接現狀及發展趨勢

鎂合（hé）金適用於很多焊接方法，如鎢極氬弧焊、電子束焊（hàn）、激光焊、攪拌摩擦焊、爆炸焊（hàn）和電阻點（diǎn）焊。無論哪種焊接方法，鎂合金焊接後的微觀組織大多同時包含（hán）樹枝晶和等軸晶。一（yī）種普遍接受的（de）觀點認為等軸晶的性能優於柱狀晶或樹枝晶，所以金屬凝固組織中希望得到小尺寸的等軸晶，同時盡可（kě）能減小柱狀晶/樹枝晶的（de）百分比。

1.鎢極氬弧焊（hàn）（TIG）

鎢極氬弧焊（TIG）是目前鎂（měi）合金最常用的一種焊（hàn）接（jiē）方法。由（yóu）於鎂合金容易氧化，TIG電弧焊接鎂合金通常利用交（jiāo）流（liú）電的陰極清理效（xiào）應（yīng）去除氧化膜，直流TIG焊接鎂合金較少使用。然而與直流相比，交流TIG焊接（jiē）的熱輸入較（jiào）低，加之鎂合金導熱很（hěn）快，焊縫熔深淺，使交流TIG焊接鎂合金厚板存在一定（dìng）問題。因此，焊接鎂合金中厚板（bǎn）時需要采（cǎi）用多層多道焊或者雙（shuāng）麵施焊，增加了施焊難度，而且降低了生產效率。

鎂（měi）合金氬弧焊存在（zài）的主（zhǔ）要缺陷是（shì）氣孔和疏（shū）鬆。在焊接（jiē）過（guò）程中通過增加保護氣體的流量可以顯著減小氣孔（kǒng）的（de）數（shù）量、體積，並能減小焊縫中（zhōng）鎂（měi）含量的損失，從而提高接頭的（de）力學性能（néng）。另外（wài），對於氣孔的防治，還可（kě）以通過焊接時（shí）盡量壓低電弧（2mm左右），以充分（fèn）發揮電弧的陰極破碎作用並使熔池受到攪拌，從而使氣體逸出熔（róng）池。

2.激光焊

激光焊接鎂（měi）合金是利用高能量密度的激光束（shù）作（zuò）為熱（rè）源進行焊接的一種高效精（jīng）密加工方法，其研究主要（yào）集（jí）中在激（jī）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、熔深（shēn）、保護氣體種類和填充材料等方麵。

采用Nd：YAG激（jī）光器和CO2激光器對6種鑄造鎂合金和（hé）4種擠（jǐ）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（chéng）份的鎂合金，厚度從2～8mm，均可利用激光焊接，並可（kě）得到很窄的焊縫和（hé）很大的熔（róng）深。

激（jī）光（guāng）焊接鎂合金的缺陷主要為氣孔、熱影響（xiǎng）區熱裂紋及凝固裂（liè）紋。另外，鎂合金對激光的反（fǎn）射率較（jiào）大也是鎂合金激光焊中需要注意的問題，這使激光焊接鎂合金熔深較（jiào）淺。相比而（ér）言，電子束焊接得到的熔（róng）深最大，且（qiě）遠超過激光焊接（jiē）。

3.電（diàn）子束焊

電子（zǐ）束可以（yǐ）焊透30mm的鎂（měi）合金板，熔化區的組織幾（jǐ）乎都是10mm左右的等軸晶。電子束焊接可以避（bì）免很（hěn）多焊接缺陷，如孔洞、咬邊、根部（bù）凹陷及較寬的熱影響區等。經過工藝優（yōu）化，如調整聚焦位置到根部，優化焊接（jiē）參數等，焊縫的極限抗拉（lā）強度可（kě）以（yǐ）達到（dào）母材83%（有表麵應力集中）和（hé）96%（無應力集中）。

電子束焊接通常為真空焊接，金屬氣（qì）體的揮發對真空室（shì）的汙染很大（dà）。研究（jiū）發現非（fēi）真空電（diàn）子束非（fēi）常適（shì）用於鎂合金的焊接（jiē）。AZ31變形鎂合金（jīn）和AM50A以及AZ91D鑄造（zào）鎂合金在適當的（de）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允許焊接速度達（dá）到15m/min，這樣熱輸（shū）入較小，焊接效率（lǜ）高。通過填絲可以得到無疏鬆、縮孔和氣孔等缺陷的焊縫，接頭的靜載荷可以與（yǔ）母材相當，接頭的抗腐（fǔ）蝕性能甚至好於母材。高速（sù）、高效且可（kě）以實現高自動化（huà）的非真空電子束（shù）焊接為鎂合（hé）金的大麵積應用提（tí）供了新的途（tú）徑。

4.電阻點焊

電阻（zǔ）點焊因其成本極低、工（gōng）藝穩定成為汽車工業中最主（zhǔ）要的焊接方法。鎂合金導熱率高、電阻值（zhí）小，電阻點焊（hàn）鎂合金（jīn）時需要在短（duǎn）時間內通很高的電流，使產熱速率遠大於散熱速率。這個性能與鋁（lǚ）合金性（xìng）能相似，因（yīn）此能夠焊接鋁合金的點焊（hàn）設備也能夠焊（hàn）接鎂合金。電（diàn）焊機的成本（běn）與變壓器次級（jí）線圈電（diàn）流負荷成正比。相同板厚下，電阻點焊鋼所需的電流遠（yuǎn）小於鎂合金，因此鎂合金的焊接設備昂貴。焊接電流、焊接時間及電極壓力是電阻點焊（hàn）鎂合金最重（chóng）要的（de）三個參數。這三個參數（shù）能夠有效控（kòng）製熔核大小和接頭強度（dù）。鋁合金熱導率和電（diàn）導率都很高，所需焊（hàn）接電流是鋼的2～3倍。

鎂合金（jīn）的熔（róng）核生（shēng）長分為（wéi）3個（gè）階段：孕育、長大和穩定。在第一個周波內熔核便完成孕育，接著（zhe）開始（shǐ）長（zhǎng）大。隨著熔核長大，導電（diàn）通道（dào）增加，電流密度降低；電極-板材接觸麵積增大，散熱增加（jiā）。這兩點導致長大速率逐漸變緩。當產熱和散熱達到平（píng）衡（héng），熔核（hé）趨於穩定。鋁合金（jīn）與鎂相似，孕育時間很短，幾乎在第一（yī）個周波就出現熔（róng）化；鋼直到第5個周波才（cái）開始熔化，模擬結構說明，貼合麵的接觸電阻是（shì）造成這種差（chà）別的主要原因。溫度沿徑向分布的差異也是原因之一，其中鋼較鋁、鎂平坦，因而鋁、鎂產熱更為（wéi）集中，有利於熔核的形（xíng）成。

鎂合金（jīn）點焊接頭通常分為４個區域：母材、熱影響區、塑性環和熔核。熱影響區有再結（jié）晶和晶粒長大發生。和（hé）鋁（lǚ）合金類似，鎂合（hé）金焊接熱影響區也容易產生野花裂紋。塑性環在熱影響區的貼合（hé）麵處，是電阻點焊的特有區域。由於該區域的（de）高溫高壓（電極壓力），塑性環（huán）處經常發生（shēng）動態再結晶。通常（cháng）熔（róng）核有兩種組織：柱狀樹枝晶和等軸晶。

鎂合金在汽車上的大量使用,使得鎂合金的（de）連接技（jì）術成為解決鎂合金應用的迫切問（wèn）題,各種焊接方法的研究都會得到廣大研究者的進一步關注。

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