鎂合金的焊接現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　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(wú)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(shù)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(shù)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(shù)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(wèn)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(guò)程中通過(guò)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(duì)于氣孔的防治，還可以通過(guò)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(lèi)和填充材料等方面。

　　采用Nd：YAG激光器和CO2激光器對(duì)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(duì)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(duì)激光的反射率較大也是鎂合金激光焊中需要注意的問(wèn)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大，且遠(yuǎn)超過(guò)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10?mm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(guò)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(wú)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(duì)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(duì)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(guò)填絲可以得到無(wú)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(chē)工業(yè)中主要的焊接方法。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(jí)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(zhǎng)分為3個(gè)階段：孕育、長(zhǎng)大和穩(wěn)定。在第 一 個(gè)周波內(nèi)熔核便完成孕育，接著開(kāi)始長(zhǎng)大。隨著熔核長(zhǎng)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(zhǎng)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。數(shù)值模擬比較的鋼、鋁和鎂的動(dòng)態(tài)電阻和熔核生長(zhǎng)如圖所示。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(kāi)始熔化，模擬結(jié)構(gòu)說(shuō)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(zhǎng)大發(fā)生。和鋁合金類(lèi)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(shù)枝晶和等軸晶。