镁合金焊接技术的发展与展望
[ 编辑:admin | 时间:2012-02-04 22:38:25 | 浏览:844次 | 来源: | 作者: ] 【中国热加工网讯】我国镁合金贮备丰富，金属凭借自身特有的资源、性能、环境和价格优势使得镁合金称为“21世纪的绿色工程材料”，广泛应用于航空、航天、运输、化工等领域，也是目前工程应用中最轻的金属结构材料。随着镁合金应用范围的逐渐扩大，传统镁合金的成型技术已经不能满足实际使用及加工性能的要求，镁合金势必会遇到与其它异种金属或合金的连接，但是镁合金自身性能特点，决定了在镁合金焊接过程中存在很多现实的问题，使其焊接性能较差，很难获得性能可靠的焊接接头，因此镁合金焊接研究已成为国内外学者研究的主要方向之一。本文就镁合金焊接的特点及结合国内外的各类焊接方式对其进行了研究。 中国热加工网 1. 镁合金焊接存在的问题
由于镁合金的熔点较低，热导率高，在较高的焊接温度下会导致焊缝区域的组织变得较为粗大，在焊接的过程中易于空气中的氧发生反应，形成的片状固态夹渣沉积在焊缝中，从而影响焊接接头的力学性能。 中国热加工网
镁合金在焊接过程中易产生气孔，导致气孔的主要原因是由于在液态镁合金中，氢气的溶解度会随着焊接温度的降低而降低，当焊接熔池冷却速度过快时，氢气泡来不及逸出而停留在焊缝中，形成气孔，尤其是在潮湿的环境条件下，空气中所含的水分较多，焊接表面很容易形成氧化膜，生成的氧化膜使得保护气体对空气的排除能力减弱，所以析氢产生气孔的可能性就越大。同时由于镁合金属于典型的共晶型合金，在脆性温度区间内极易形成
热烈纹，而镁合金的热导率高、线膨胀系数大的特点，使得在焊接时的局部加热和冷却都会造成焊接件的不均匀膨胀，从而产生残余应力，引起裂纹的发生和扩展。 2. 镁合金的主要焊接方法及发展现状
由于镁合金自身的性能特点决定了其焊接技术较镁合金其他的成型技术相比发展的较为缓慢，在国内镁合金的主要成型方式主要是铸造，镁合金的焊接技术的研究还处于起步阶段。但是随着镁合金的广泛应用，镁合金的焊接今年来也得到了广泛的研究和关注，各类焊接技术在强大需求的推动下也在迅速的发展。 中国热加工网 2.1 钨极惰性气体保护焊
最初镁合金焊接主要采用钨极惰性气体保护进行焊接，即TIG焊，TIG焊仍然是目前实际生产过程中广泛使用焊接镁合金的主要方法[1]。
镁合金TIG焊也存在诸多的缺点，这主要体现在焊接的过程中钨极氩弧焊单道熔深较浅，焊接镁合金厚板时需要采用多道焊或者双面焊，不仅增加了焊接的难度，也降低了生产效率，同时由于镁合金的膨胀系数大，容易产生焊接裂纹、气孔等焊接缺陷。而钨电极承载电流能力有限，所以TIG一般适合薄板件的镁合金焊接。为进一步改善镁合金TIG焊的焊接质量，研究发现若在焊接件的表面涂敷氯化活性剂[2]，其作用机理主要是由于氯化物的添加增加了电弧电压和电弧温度，而且在焊接方向上增大了电弧的宽度，使得焊接过程中热量的输入量增加，进而增大了焊接熔池的深度，通过这种方法可以实践镁合金中厚板的焊接，加工成本低，生产率高，有较为广阔的应用前景。 中国热加工网
随着研究的日益深入及镁合金焊接的市场需求，今年来针对镁合金焊接的特点又出现了一些先进的焊接新技术。 中国热加工网 2.2 搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，而镁合金采用搅拌摩擦焊也是较为理想的焊接方
式，这是由于镁合金搅拌摩擦焊的焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成的，焊接接头不产生凝固冶金有关的焊接缺陷和焊接脆化现象，焊接接头内没有残余应力的存在，使得接头性能良好，镁合金不会因为实效析出沉淀相而使强度和其它力学性能有大的损失[3]。 搅拌摩擦焊不需要填充材料，所以在焊接过程中不产生火、飞溅、烟雾、弧光及有害气体。由于是固相焊接工艺，加热温度较低，焊接热影响区的显微组织变化较小，焊后残余应力和变形非常的小，对于薄板镁合金焊后基本不变形，其组织相当于锻造组织，接头强度几乎可能达到与母材相当。杨素媛[4]等对10mm厚板AZ31镁合金进行搅拌摩擦焊时发现，焊接接头成形良好，表面无裂纹、无气孔。进行力学性能测试发现，接头抗拉强度可达到母材的80%以上，冲击韧性高于母材，其硬度与母材相当。由于摩擦焊接过程中接头的形成不是通过金属的熔化形成的，所以原理上更接近扩散，所以镁合金与异种金属的焊接就得到了诸多学者的关注，Katoh[5]等人利用摩擦焊焊接了AZ31镁合金和1050铝合金，得到的焊接接头的组织为两种材料的混合层，组织较为细化，强度和韧性介于两种材料之间，也成功实现了镁合金与异种金属之间的连接。
但是搅拌摩擦焊也有其应用的瓶颈，在焊接过程中要施加较大的顶锻压力和向前驱动力，被焊零件需要有一定的刚性，同时搅拌摩擦焊多采用平板对接焊，难以实现一些复杂结构镁合金件的焊接。 2.3 电阻点焊
电阻点焊是镁合金连接方式中有较大应用潜力的一种方法，属于一种机械化程度较高的焊接方法。电阻点焊时熔核周围被高温塑性金属包围，与外界气体隔绝，能防止空气中的气体与熔核中的金属发生冶金反应，以保证核成分基本不变，从而实现在无保护条件下进行焊接。点焊镁合金得到的熔合组织完全为等轴晶，且大小均匀，由于镁合金的导热性好，降温速度极快，使得在融合中心液相的温度梯度较小，形成成分过冷区，结晶形核速率比
长大速率更强烈地依赖于过冷度，再加上焊点在压力状态下结晶，进一步提高了均匀形核率和异质形核率，使得熔合区形成了均匀分布的细小等轴组织。 中国热加工网
电阻点焊是汽车制造过程中应用较多的焊接方法之一，选择合适的焊接电流、电极压力、焊接时间等点焊工艺参数对镁合金薄板进行电阻点焊，焊接的力学性能能够达到的要求甚至可以超过某些铝合金，经过合理调整工艺还可以防止个别试件中裂纹、飞溅缺陷的产生，得到高质量的焊点。我国目前对镁合金电阻点焊的研究相对较多，主要的研究工作包括镁合金电阻点焊的工艺参数研究、焊点组织性能研究、焊点缺陷研究等几个方面。
镁合金电阻点焊的工艺参数决定了其点焊接头的组织和性能，从而决定了点焊接头的质量，这也是国内外的焊接工作者研究的主要方向。美国焊接研究所以电阻点焊的方法焊接了AZ91和AM60镁合金[6]，实验表明通过采用合理的焊接参数可以获得完美的纽扣状焊点，出现表面接触不良、电极造成缺口的现象极少。
在镁合金的电阻点焊过程中， 喷溅的产生会直接降低点焊接头的强度， 因此是最不希望出现的焊接缺陷。吴金杰、马天风、李兴霞[7]采用点焊机焊接了AZ91D 镁合金，分析了焊接裂纹产生的机理和影响因素。由于镁合金热脆性区间较大、导热性好，容易产生焊接热裂纹。而且熔核和热影响区都可能产生热裂纹。裂纹沿晶界开裂，为结晶裂纹。焊接热输入越大，热影响区产生裂纹的敏感性越大，偏析越严重，熔核产生裂纹的可能性越大。 中国热加工网
由于汽车制造业中，电焊的数量所占的份额较大，电阻点焊的质量会直接影响到汽车的质量，这也就使得镁合金电阻点焊的研究具有十分重大的意义。 2.4 复合焊接
由于镁合金本身所固有的物理化学特性，使得在单一的镁合金焊接过程中经常会伴随各种缺陷的产生，如果将两种不同的焊接方法结合到一起，充分发挥不同焊接方法的优势，形
成复合热源对镁合金进行焊接，可能会得到理想的焊接效果。激光-电弧复合焊就是在这种需求下利用激光与电弧两种复合热源对镁合金进行焊接的。激光-电弧复合焊接工艺克服了镁合金激光焊接时镁合金表面吸收率低的缺点。
宋刚等[8]等人采用激光-氩弧复合热源焊接技术对变形镁合金AZ31B进行了研究。结果发现，采用激光-氩弧复合焊充分利用了激光和电弧相互作用的优势，激光焊得热输入较小，焊接速度较快，温度梯度大，而电弧焊得热输入较大，热作用范围较大，温度梯度较小，两者的有机结合可以综合激光焊和电弧焊得优点，有效地提高焊接熔深，并减少焊接缺陷，所以得到的焊缝既突出了氩弧焊的焊缝表面成型性能好的优点，又体现了激光焊接接头深宽比大，不存在热影响区、组织细小等特点。在焊缝成型、工艺稳定性、力学性能上都具有明显的优势，是一种高质量、高效率的镁合金焊接工艺，可以满足镁合金的优质焊接的需求。
激光-电弧焊复合热源焊接可以实现在较宽的工艺参数范围内的工作，得到的接头成型美观，接头的拉伸强度、疲劳强度甚至可以达到母材的强度，但是也存在自身的缺点和不足，由于复合焊接的过程比较复杂，要尽量发挥两种不同焊接工艺的优势，必然会对焊接参数的调整和控制提出更高的要求，同时在焊接镁合金薄板时会发生比较严重的变形及起弧不稳定的缺点，目前的这种焊接还处于工艺不够完善的研究阶段。 3. 镁合金焊接技术的发展方向
随着镁合金在汽车、交通、民用产品等领域的广泛应用，使得镁合金的连接技术也成为解决镁合冲破应用瓶颈的迫切问题，也得到了国内外研究学者的进一步关注。尽管上述各种焊接技术都有各自的优点和潜力，但是迄今为止并没有形成较为成熟的工艺方法，所以针对目前的研究现状，为获得良好、可靠的焊接接头，今后镁合金焊接的研究重点应主要体现在如下几个方面：
(1)加强镁合金焊接理论性的研究，通过输入合理的焊接控制参数、控制熔池或电弧的特征来提高焊接接头的可靠性。
(2)深入研究有潜力的焊接方法，特别是复合热源焊接技术，通过调整适当的工艺，充分发挥各自优点，进一步提高焊接接头的综合性能。
(3)加强研制开发镁合金与异种材料的焊接技术，通过各种应用软件的研究，建立起对焊接过程温度场的模拟，以便更好的控制整个凝固过程。 中国热加工网
焊接方法及焊接材料选择 连续油管主要用于替喷、洗井、冲砂、清蜡、解堵及压井等作业。由于该油管在多种场合使用,且工作条件复杂,因此,对其焊接接头质量要求严格。故此,本文为获得连续油管最佳焊接接头对从美国I-tydr。ing公司购进的型号为HS一70 w似,规格为巾36.6 mm×2.65 mm钢管进行了如下试验及施焊。 HS一70 wTM钢成分及性能见表1。由于管壁较薄,在焊接中拘束程度较小,碳当量较低,冷裂倾向小,可在不预热条件下焊接。又因其薄壁而要求单面焊双面成形,故确定采用钨极氩弧焊,为保证焊接接头的综合机械性能,按照AWS A5.18—93中ER.70S—G和ER 70S一6的规定,选用直径为事1.6 mm的HS一50焊丝。表1 HS-.70WTM钢化学成分及性能2焊接工艺及工艺评定试验 调质钢焊接时存在着热影响区软化问题,从强度方面考虑,软化区是接头最薄弱环节。因此,制定焊接工艺时,主要考虑到线能量、加热及冷却速度对软化区宽度及软化程度的影响。通过金相分析发现,提高焊缝冷却速度,可以细化焊缝区及过热区组织,从而使焊接接头性能得到改善 、热处理、工业炉、理化检测最大信息