鎂合金應(yīng)用于汽車制造中，可滿足汽車行業(yè)低排量、低油耗的發(fā)展需求。要想進(jìn)一步推廣鎂合金在汽車領(lǐng)域的大量使用，需要對焊接技術(shù)進(jìn)行更深一步的創(chuàng)新研究。

一、鎂及鎂合金的焊接性分析

鎂合金的性能與其他材料相比具有顯著特點(diǎn)，焊接性較為特殊。由于鎂合金密度低、熔點(diǎn)低、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率大、熱膨脹系數(shù)大、化學(xué)活潑性很強(qiáng)、易氧化且氧化物的熔點(diǎn)很高，因此，鎂合金在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生一系列困難，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1.氧化和蒸發(fā)

由于鎂的氧化性極強(qiáng)，在焊接過程中易形成氧化膜（MgO），MgO熔點(diǎn)高（2500℃）、密度大（3.2g/cm3），易在焊縫中形成雜質(zhì)，降低了焊縫性能。在高溫下，鎂還容易和空氣中的氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鎂的氮化物，弱化接頭的性能。鎂的沸點(diǎn)不高，這將導(dǎo)致在電弧高溫下很容易蒸發(fā)。

2.晶粒粗大

由于熱導(dǎo)率大，故焊接鎂合金時(shí)要用大功率熱源、高速焊接，易造成焊縫和近焊縫區(qū)金屬過熱和晶粒長大。

3.熱應(yīng)力

鎂合金熱膨脹系數(shù)較大，約為鋁的1～2倍，在焊接過程中易產(chǎn)生大的焊接變形，引起較大的殘余應(yīng)力。

4.焊縫金屬下塌

由于鎂的表面張力比鋁小，焊接時(shí)很容易產(chǎn)生焊縫金屬下塌，影響焊縫成形質(zhì)量。

5.氣孔

與焊接鋁合金相似，鎂合金焊接時(shí)易產(chǎn)生氫氣孔。氫在鎂中的溶解度隨溫度的降低而減小，而且鎂的密度比鋁小，氣體不易逸出，在焊縫凝固過程中會(huì)形成氣孔。

6.熱裂紋

鎂合金易與其他金屬形成低熔點(diǎn)共晶組織，在焊接接頭中易形成結(jié)晶裂紋。當(dāng)接頭處溫度過高時(shí)，接頭組織中的低熔點(diǎn)化合物在晶界處會(huì)熔化出現(xiàn)空穴，或產(chǎn)生晶界氧化等，即所謂的“過燒”現(xiàn)象。

此外，鎂及鎂合金易燃燒，所以在熔化焊接時(shí)需要惰性氣體或焊劑的保護(hù)。

二、鎂合金的焊接現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

鎂合金適用于很多焊接方法，如鎢極氬弧焊、電子束焊、激光焊、攪拌摩擦焊、爆炸焊和電阻點(diǎn)焊。無論哪種焊接方法，鎂合金焊接后的微觀組織大多同時(shí)包含樹枝晶和等軸晶。一種普遍接受的觀點(diǎn)認(rèn)為等軸晶的性能優(yōu)于柱狀晶或樹枝晶，所以金屬凝固組織中希望得到小尺寸的等軸晶，同時(shí)盡可能減小柱狀晶/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的一種焊接方法。由于鎂合金容易氧化，TIG電弧焊接鎂合金通常利用交流電的陰極清理效應(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焊接的熱輸入較低，加之鎂合金導(dǎo)熱很快，焊縫熔深淺，使交流TIG焊接鎂合金厚板存在一定問題。因此，焊接鎂合金中厚板時(shí)需要采用多層多道焊或者雙面施焊，增加了施焊難度，而且降低了生產(chǎn)效率。

鎂合金氬弧焊存在的主要缺陷是氣孔和疏松。在焊接過程中通過增加保護(hù)氣體的流量可以顯著減小氣孔的數(shù)量、體積，并能減小焊縫中鎂含量的損失，從而提高接頭的力學(xué)性能。另外，對于氣孔的防治，還可以通過焊接時(shí)盡量壓低電弧（2mm左右），以充分發(fā)揮電弧的陰極破碎作用并使熔池受到攪拌，從而使氣體逸出熔池。

2.激光焊

激光焊接鎂合金是利用高能量密度的激光束作為熱源進(jìn)行焊接的一種高效精密加工方法，其研究主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、熔深、保護(hù)氣體種類和填充材料等方面。

采用Nd：YAG激光器和CO2激光器對6種鑄造鎂合金和4種擠壓鎂合金進(jìn)行激光焊接性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對相同成份和不同成份的鎂合金，厚度從2～8mm，均可利用激光焊接，并可得到很窄的焊縫和很大的熔深。

激光焊接鎂合金的缺陷主要為氣孔、熱影響區(qū)熱裂紋及凝固裂紋。另外，鎂合金對激光的反射率較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

電子束可以焊透30mm的鎂合金板，熔化區(qū)的組織幾乎都是10mm左右的等軸晶。電子束焊接可以避免很多焊接缺陷，如孔洞、咬邊、根部凹陷及較寬的熱影響區(qū)等。經(jīng)過工藝優(yōu)化，如調(diào)整聚焦位置到根部，優(yōu)化焊接參數(shù)等，焊縫的極限抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到母材83%（有表面應(yīng)力集中）和96%（無應(yīng)力集中）。

電子束焊接通常為真空焊接，金屬氣體的揮發(fā)對真空室的污染很大。研究發(fā)現(xiàn)非真空電子束非常適用于鎂合金的焊接。AZ31變形鎂合金和AM50A以及AZ91D鑄造鎂合金在適當(dāng)?shù)暮附庸に囅戮傻玫搅己玫慕宇^。相對較高的能量密度可以允許焊接速度達(dá)到15m/min，這樣熱輸入較小，焊接效率高。通過填絲可以得到無疏松、縮孔和氣孔等缺陷的焊縫，接頭的靜載荷可以與母材相當(dāng)，接頭的抗腐蝕性能甚至好于母材。高速、高效且可以實(shí)現(xiàn)高自動(dòng)化的非真空電子束焊接為鎂合金的大面積應(yīng)用提供了新的途徑。

4.電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊因其成本極低、工藝穩(wěn)定成為汽車工業(yè)中最主要的焊接方法。鎂合金導(dǎo)熱率高、電阻值小，電阻點(diǎn)焊鎂合金時(shí)需要在短時(shí)間內(nèi)通很高的電流，使產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)大于散熱速率。這個(gè)性能與鋁合金性能相似，因此能夠焊接鋁合金的點(diǎn)焊設(shè)備也能夠焊接鎂合金。電焊機(jī)的成本與變壓器次級線圈電流負(fù)荷成正比。相同板厚下，電阻點(diǎn)焊鋼所需的電流遠(yuǎn)小于鎂合金，因此鎂合金的焊接設(shè)備昂貴。焊接電流、焊接時(shí)間及電極壓力是電阻點(diǎn)焊鎂合金最重要的三個(gè)參數(shù)。這三個(gè)參數(shù)能夠有效控制熔核大小和接頭強(qiáng)度。鋁合金熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率都很高，所需焊接電流是鋼的2～3倍。

鎂合金的熔核生長分為3個(gè)階段：孕育、長大和穩(wěn)定。在第一個(gè)周波內(nèi)熔核便完成孕育，接著開始長大。隨著熔核長大，導(dǎo)電通道增加，電流密度降低；電極-板材接觸面積增大，散熱增加。這兩點(diǎn)導(dǎo)致長大速率逐漸變緩。當(dāng)產(chǎn)熱和散熱達(dá)到平衡，熔核趨于穩(wěn)定。鋁合金與鎂相似，孕育時(shí)間很短，幾乎在第一個(gè)周波就出現(xiàn)熔化；鋼直到第5個(gè)周波才開始熔化，模擬結(jié)構(gòu)說明，貼合面的接觸電阻是造成這種差別的主要原因。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(chǎn)熱更為集中，有利于熔核的形成。

鎂合金點(diǎn)焊接頭通常分為４個(gè)區(qū)域：母材、熱影響區(qū)、塑性環(huán)和熔核。熱影響區(qū)有再結(jié)晶和晶粒長大發(fā)生。和鋁合金類似，鎂合金焊接熱影響區(qū)也容易產(chǎn)生野花裂紋。塑性環(huán)在熱影響區(qū)的貼合面處，是電阻點(diǎn)焊的特有區(qū)域。由于該區(qū)域的高溫高壓（電極壓力），塑性環(huán)處經(jīng)常發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。通常熔核有兩種組織：柱狀樹枝晶和等軸晶。

鎂合金在汽車上的大量使用,使得鎂合金的連接技術(shù)成為解決鎂合金應(yīng)用的迫切問題,各種焊接方法的研究都會(huì)得到廣大研究者的進(jìn)一步關(guān)注。

聲明：本文來源新材智庫，版權(quán)歸原作者所有