镁合金焊接技术研究进展

镁合金焊接技术研究进展

丁文斌,蒋海燕,曾小勤,姚寿山

(上海交通大学材料科学与工程学院,上海200030)

摘要:介绍了镁合金先进焊接工艺,包括A2TIG焊、电子束焊、激光焊、激光2电弧复合焊和搅拌摩擦焊。针对镁合金焊接的特点,提出了有效的焊接工艺。实践表明,上述几种焊接方法均具有独特的优越性,可有效地解决镁合金焊接所面临的难点。

关键词:镁合金;A2TIG焊;电子束焊;激光焊;激光2电弧复合焊;搅拌摩擦焊

中图分类号:TG457.19　　文献标识码:A　　文章编号:1007-7235(2005)08-0001-06

ProgressinWeldingTechnologyofMagnesiumAlloyDINGWen2bin,JIANGHai2yan,ZENGXiao2qin,YAOShou2shan

(SchoolofMaterialScienceandEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)

Abstract:Severaladvancedweldingtechniquesofmagnesiumalloywereintroduced:A2TIGwelding,electronbeamwelding,laserwelding,laser2archybridweldingandfrictionstirwelding.Accordingtothecharacteristicofmagnesiumalloy,someeffectiveweld2ingtechnicswereputforward.Comparedwiththetraditionalarcweldingtechnique,theyaresuperiorintheweldingofmagnesiumalloy.Itwasindicatedthatthesemethodscouldeffectivelyovercomethedifficultiesintheweldingofmagnesiumalloy.

Keywords:magnesiumalloy;A2TIGwelding;electronbeamwelding;laserbeamwelding;laser2archybridwelding;frictionstirwelding

　　镁合金的密度小,约为1178g/cm3,是铝的2/3,钢的1/4。同时,镁合金还具有高的比强度、比刚度、减震性和导热性,较好的可切削性和可回收性,因而被称为21世纪的“绿色”工程材料。随着镁合金的冶炼技术不断提高和人们对能源、环保的高度重视,镁合金成为迅速崛起的一种工程材料,用量每年以15%的速率保持快速增长。采用镁合金结构件可以大大减轻结构重量,降低生产成本。因此它在汽车、摩托车、航空航天等领域具有巨大的应用前景。镁合金作为一种新型高性能结构材料,在实际应用中不可避免地采用连接结构,而焊接无疑是优先选择的连接方法之一。由于镁合金的熔点低,线膨胀系数和导热率高,与氧、氮的亲和力强,焊后易形成夹杂和脆性相,易产生焊接变形和热裂纹,使焊接接头的力学性能下降,因此,焊接已成为制约镁合金结构　　收稿日期:2005-04-02　　第一作者简介:丁文斌(1974-),男,上海人,博士。

件广泛应用的障碍之一。

针对镁合金焊接的特点和难点,应采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度快的高效焊接方法。近些年来出现的新工艺,如A2TIG焊、真空电子束焊、激光焊、激光2电弧复合焊以及搅拌摩擦焊等,这些方法在石化、汽车、航天、航空等领域得到了一定程度的应用,较好地解决镁合金焊接的难点,焊后能获得性能良好的焊接接头。

1　镁合金的A2TIG焊接

由于常规的TIG焊(惰性气体保护钨极电弧焊)的单道焊缝熔深较浅,熔敷率低,一般都用于镁合金薄板的焊接。对于焊接镁合金中厚板,一般都要采用大功率的焊接电源或专门的工艺方法,如焊前预热、多层多道焊、双面同时施焊等,但这些都导致了

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施工难度和焊接成本的提高和生产效率的降低。为了满足人们对高质量高效率焊接的追求,一种全新的焊接方法—A2TIG焊接法(ActivatingFluxTIG)越来越引起了人们的注意,如图1所示。这种方法是在传统的TIG焊前,将很薄的一层表面活性剂(简称A2TIG焊活性剂)涂敷在施焊工件表面,焊接时活性剂引起焊接电弧收缩或熔池内金属流态发生变化,使得焊接熔深显著增加[1]。A2TIG焊与传统TIG焊相比具有三大突出优点:

(1)焊接熔深大,生产效率高;

(2)对施焊材料中所含的微量元素不敏感,焊接熔深稳定;

(3)成本低,应用领域广,易实现自动化焊接。目前应用在镁合金的A2TIG活性剂主要是一些金属氯化物,例如:LiCl,CaCl2,CdCl2,PbCl2和CeCl3等

[2]

为焊接热源的突出特点是功率密度高、穿透能力强、精确、快速、可控、保护效果好。电子束能量可达气体保护焊电弧能量的60～1000倍,与另外一种高能量密度焊接工艺———激光焊接相当。被电子束流轰击部位瞬间气化,形成小孔。电子束这种独特的焊接方式具备如下特征:

(1)焊接时,小孔壁上只有少量金属熔化,焊缝热输入量小可以改善焊缝力学性能;

(2)穿透力强,可对厚工件进行一次穿透焊接;

(3)束流对工件线型加热,焊缝上下表面受热均

匀,工件角变形小;

(4)焊缝缺陷少,且易于修复;

(5)电子束焊要求在真空条件下完成,真空是最

好的保护手段,在这种条件下可以获得纯净的焊缝金属,避免了空气或保护气体的污染,这一点对于易氧化的镁合金尤其重要。电子束焊接镁合金在真空重熔时,焊缝中杂质含量甚微,焊缝塑性和韧性可大大提高[8]。

由于电子束能量密度高,因此热影响区很窄,焊接接头强度明显提高。电子束的穿透性能优越,可对大厚度的镁合金工件进行焊接。镁合金焊缝的抗裂性能随着焊接能量密度的增加和热输入量的减少而增加,所以镁合金电子束焊接接头的抗裂性能要比采用传统焊接方法的焊接接头高很多,一般要比氩弧焊焊缝高出1～115倍。采用电子束焊接镁合

。与常规TIG焊相比,采用A2TIG活性剂能够使焊缝熔深增加一倍。焊接实时检测表明,上述氯化物能使电弧温度和电弧电压明显升高[3]。

图1　镁合金A2TIG焊示意图

金,焊后残余应力小,薄板镁合金焊后几乎没有变形。电子束可控性好,可以方便地进行扫描、偏转、跟踪等操作,易于实现焊接过程的自动化,并且通过电子束扫描熔池可以消除焊接缺陷,提高焊接接头质量。然而,电子束焊接镁合金也存在一些典型的焊接缺陷,如焊缝成型不良、冷隔等。电子束焊焊缝虽然比TIG焊焊缝窄,但焊缝形状特别是焊根的余高与母材过渡较陡峭,这对要求精密的装配是不允许的。冷隔是电子束焊焊缝特有的一种缺陷,粗看起来和焊接裂纹很相似,一般无损检测方法很难将其测出,但对焊缝力学性能有很大影响。冷隔形成原因是由于电子束对焊缝热输入量小,恢复冷却速度快,束流过后,小孔孔壁在周围液态金属未将小孔填满前已部分凝固,导致流入小孔的金属不能和孔壁很好地融合,形成冷隔缺陷。镁合金电子束焊接时,由于其蒸气压较低,容易产生起弧现象,焊接过

程易中断[9]。另外,镁合金表面的氧化膜(主要成分是MgO),容易吸收水分,是镁合金焊缝中气孔的主要来源。MgO密度与镁合金基体接近,容易进入焊

关于熔深增加机理的研究,尽管利用活性剂增加TIG焊熔深已在实践中得到了应用,但对活性剂增加熔深的机理仍然不清楚[4]。自从20世纪60年代中期GvrevichSM发表第一篇关于焊接钛合金时使用活性剂的文章以来,对熔深增加机理的研究一直没有间断,目前已成为国际上A2TIG焊领域的一个研究热点,先后出现了不少理论,其中最有代表性的是“电弧收缩理论”和“表面张力梯度改变理

[5～7]论”。将A2TIG焊接法引入到镁合金焊接中,开

展镁合金用A2TIG焊活性剂的研制,并对镁合金A2TIG焊中的电弧行为进行分析,研究活性剂增加镁合

金A2TIG焊熔深的机理是非常必要的。

2　镁合金的电子束焊接

电子束焊(ElectronBeamWelding)是在真空条件下,利用会聚的高速电子流轰击工件焊缝处产生的热能,使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束作

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缝产生夹杂、气孔。镁合金采用TIG焊时,通常采用大的热输入量并在较低的焊接速度下焊接,熔池中的氢能够有一定时间逸出;而电子束焊接镁合金时速度快,热输入量小,氢来不及从熔池中逸出,在焊缝凝固过程中形成气孔。

　　为了避免上述焊接缺陷,对刚刚用电子束焊过的焊缝进行扫描是电子束焊接获得优良的焊缝的有效方法,如图2所示。采用电子束扫描焊接,可减少合金元素的烧损,细化焊缝组织,使之变为细小的等轴晶,因此电子束扫描焊接可以提高焊缝硬度[10]。通常用电子束焊镁合金时,采用表面下聚焦和较窄的焊缝以及扫描重熔的方法来防止气孔的产生。

进行远距离的传输,从而使工艺适应性好,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。

常用的激光器有CO2激光器和Nd:YAG激光器。CO2激光器功率较大,适用于厚板工件的焊接。但镁合金表面对CO2激光束的吸收率比较小,在焊接过程中能量损失严重。Nd:YAG激光器的功率比较小,镁合金表面对Nd:YAG激光束的吸收率相对CO2激光束的要高,而且可用光导纤维传导,适应性强,工艺简单[12]。激光焊接技术热输入量极少,加工速度较快,焊缝质量好,生产效率高。在焊接厚度较大的镁合金工件时,传统的TIG焊接方法根本不可能单道焊透,而采用激光深熔焊时形成大深度的小孔,产生小孔效应,则可以实现一次焊透。激光焊接时的小孔形状如图3所示。深熔焊时,激光功率密度较大,镁合金在激光的照射下被迅速加热,其表面温度在极短的时间内升高到沸点,使合金熔化和汽化。当金属汽化时,所产生的金属蒸汽以一定的速度离开熔池,金属蒸汽的逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力,使熔池金属表面向下凹陷,在激光光斑下产生一个小凹坑。当光束在小孔底部继续加热汽化时,所产生的金属蒸汽一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深;另一方面,向坑外飞出

图2　镁合金电子束扫描焊接示意图

由于电子束焊结构复杂,设备投资和运行成本比电弧焊的要高许多倍,而且电子束焊接一般要在1022Pa～1024Pa的高真空室中进行,真空室尺寸了焊件的大小,所以对镁合金大型结构件施焊较困难。同时电子束斑细微,要求焊接接头间隙加工、装配十分严格,焊缝对准十分困难。此外,在电子束焊接过程中,容易激发X射线,对人体和其他仪器产生损害。以上弱点了电子束焊接的广泛应用。

的蒸汽将熔化的金属挤向熔池四周。这个过程继续

进行下去,便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当激光能量所产生的金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔不在继续加深,形成一个深度稳定的孔而进行焊接[13]。

3　镁合金的激光焊接

与传统焊接工艺相比,激光焊LBW(LaserBeamWelding)具有热输入量少、焊接速度快、焊缝组织细

化、接头强度高、焊道宽度和热影响区窄等优点,同时激光焊焊接变形小,在同等热输入量下可获得大熔深焊道,易于实现工业自动化。此外,激光焊无需真空条件,与普通电弧焊一样可以在大气中进行焊接,且保护气体及其流量可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生X射线。与电弧焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本[11]。可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接,激光可用光导纤维

图3　激光焊接时的小孔示意图

　　虽然激光焊接能够成功地应用在镁合金的焊接领域,但是其难点在于:应用深熔焊焊接镁合金时,

激光功率必须达到一个特定的阈值,这就对激光器提出一定的要求。镁合金的电离能低,焊接过程中导致等离子体易于过热和扩散,导致焊接稳定性差。在激光焊接的快速凝固过程中,镁合金容易产生热

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裂纹。激光焊接熔池深宽比大,熔池中的气泡不易上浮逸出,容易产生气孔。液态镁合金的流动性较好,表面张力低,焊接过程的不稳定造成焊接熔池剧烈震荡,易产生咬边、焊缝成形不连续,严重时造成焊接过程中的小孔突然闭合而在焊缝中产生直径较大的工艺孔洞,或小孔在闭合前由向外喷发的等离子体将液态金属吹出熔池形成喷射孔洞。镁合金对激光辐射能的吸收率小,导热率高。例如,对波长为1016μm的CO2激光束,表面初始吸收率在117%左右;对波长为1106μAG激光束,表面初始m的Nd:Y吸收率在5%左右。因此,在实际的镁合金焊接过程中,一定要采用高功率密度的高能激光束,并保证良好的光束聚焦。

[14]

光与电弧相互作用造成的干扰,从而使电弧燃烧更加稳定;

(2)熔化的镁合金表面对激光的吸收率要比固态镁合金表面的高得多,所以当激光束冲击到镁合金TIG焊接熔池时,熔池对激光的吸收率大大提高,可获得高能量密度的热输入,熔深也相应增加;

(3)采用激光2电弧复合焊接工艺,能使两种热源功率有机匹配,焊接电流和激光功率显著降低,能够获得高质量、成形好的镁合金焊接接头,很好地解决了常规焊接方法能源消耗大、生产效率低的问题。减少总的热输入量,显著提高焊接速度[18]。　　目前,镁合金激光2电弧复合焊技术的研究还处于起步阶段,实际应用中的控制参数较多,例如:激光功率、电弧的电流和电压、激光脉冲频率和宽度、焊接速度、激光与电弧中心的距离、激光与电弧配合方式、填充材料、保护气体成分及流速等。因此,焊接过程比较复杂,不便调节和控制。采用激光2电弧复合焊焊接镁合金薄板变形比较严重,所以需采用一些防止变形的措施。在激光的高温作用下,钨极烧损比较严重。电弧与激光束作用比较复杂,高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动,起弧后不稳定。

4　镁合金的激光2电弧复合焊接

激光2电弧复合焊接技术是由伦敦皇家学院于20世纪70年代末提出的,采用Laser2TIG(TungstenInertGasArcWelding)复合焊接方法[15],其原理如图4所示。该技术综合了激光与电弧的优点,将激光的高能量密度和电弧的较大加热区组合起来,同时通过激光与电弧的相互作用,来改善激光能量的耦合现象(焊件表面受能量激发产生的等离子体吸收光子能量,使到达焊缝的能量减少)和电弧的稳定性,以获得一种综合的焊接效果[16]。

5　镁合金的搅拌摩擦焊接

搅拌摩擦焊FSW(FrictionStirWelding)是一种新型的固相塑性连接技术,在20世纪90年代由英国焊接研究所TWI(WeldingInstitute)首先提出并进行研究[19]。在FSW焊接过程中,金属不熔化,焊接时温度相对较低,因而可以避免其他焊接方法所产生的焊接缺陷,可获得优良的焊接接头,对镁合金的焊接具有独特的优势。同时,FSW焊接过程无飞溅,无烟尘,不需要添加焊丝和保护气,是一种清洁的加工技术。搅拌摩擦焊原理如图5所示[20]。其工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位,通过搅拌头高速旋转与工件之间产生的摩擦热使焊缝金属处于热塑性状态,并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动,从而使焊件压焊在一起。由于搅拌摩擦焊过程不存在金属的熔化,是一种固态连接过程,故焊接时不存在熔焊的各种缺陷[21]。目前搅拌摩擦焊在镁合金的焊接方面研究应用较多,已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的镁合金包括AZ系列(Mg2Al2Zn)、AM系列(Mg2Al2Mn)等。　　镁合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成,焊接接头不产生与熔化焊和凝固冶金有关的一些焊接缺陷和焊接脆化现象,如粗大的

图4　激光2电弧复合焊接原理示意图

在镁合金焊接领域,为了改善焊接过程的稳定

性和焊缝成形,已经开始了激光2电弧复合焊接工艺的研究工作。激光2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,同时降低了单独采用激光焊深熔焊时对阈值的要求。与传统焊接工艺相比,激光2电弧复合焊接能量密度大大增加,焊后接头力学性能明显提高,焊缝成形较好[17]。采用激光2电弧复合技术焊接镁合金有以下优点:

(1)激光束不采用同轴气体保护,这样避免了在激光和电弧两种焊接热源单独进行气体保护时对激

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合金搅拌摩擦焊接时焊接速度低于熔化焊;焊件夹

持要求高,焊接过程中对焊件要求加一定的压力,反面要求有垫板,必须把焊件刚性固定,从而使搅拌摩擦焊的工艺柔性受到;焊缝末端形成一个搅拌头残留的孔洞,一般需要补焊或机械切除;搅拌头适应性差,不同厚度镁合金板材要求不同结构的搅拌头,且搅拌头磨损快;工艺还不成熟,目前限于用在结构简单的构件,如平直的结构、圆形结构等。

图5　搅拌摩擦焊接原理示意图

6　结束语

(1)采用A2TIG焊接工艺能够使镁合金焊缝熔树枝晶、偏析、夹渣、裂纹和气孔等,组织细密,热影

响区比熔化焊的窄。由于压力和扭矩共同作用于焊材表面及其近区,产生了一些力学冶金效应,如晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布,以及搅拌摩擦焊接对表面的清理作用等[22]。焊缝区晶粒细化,无熔化焊的树枝晶,无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷,综合性能良好。与传统熔化焊方法相比,搅拌摩擦焊接过程中不产生火花、飞溅、烟雾、弧光、高频和有害气体等对环境和人体产生影响的污染源,是一种清洁的生产工艺。搅拌摩擦焊不需要特殊的焊接电源,所需能量仅为传统焊接工艺的20%左右,也不需要填加焊接材料,如焊条、焊剂、电极和保护气体等,因此是一种节能、低耗的焊接方法[23]。由于是固相焊接工艺,加热温度较低,焊接热影响区显微组织变化小,焊后的残余应力和变形非常小,对于薄板镁合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比,搅拌摩擦焊可以不受轴类零件的,可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接镁合金要求对表面进行去除氧化膜,并在焊件清理后48h内进行焊接,而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可,并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、减少污染。搅拌摩擦焊工艺参数简单,主要包括搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度(焊接速度)、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。

搅拌摩擦焊接过程中,在搅拌区域形成了具有高密度位错的细化再结晶晶粒结构。在镁合金板材表面可观察到规则的指向焊接方向的年轮线状结构,由此表明由摩擦热引起塑化金属的流线除了具有水平分量以外,还具有垂直分量,导致材料的有效混合。焊缝力学性能对外界不敏感,与母材的相当。微观组织结构观察表明,搅拌摩擦焊具有相对均匀的结晶尺寸和位错密度[24]。此外,在搅拌区外部也产生具有高密度位错的再结晶晶粒结构。

搅拌摩擦焊镁合金也存在一定的缺点,例如:镁

深显著增加,非常适合焊接镁合金厚板工件。但是,目前对活性剂增加熔深的机理仍然没有统一的定论。将A2TIG焊接工艺引入到镁合金焊接中,开展镁合金用A2TIG焊活性剂的研制,并对镁合金A2TIG焊中的电弧行为进行分析,深入研究活性剂增加镁合金A2TIG焊熔深的机理是非常必要的。

(2)电子束焊是一种高能密度的焊接工艺,焊接镁合金可以得到优质的焊接接头,同时电子束焊的穿透性能好,可以对镁合金厚板进行焊接,但是电子束焊要求在真空环境下进行,而且,电子束焊结构复杂,设备投资和运行成本比电弧焊要高许多倍,对焊接接头装配要求严格,焊接时容易激发X射线,对环境产生危害。以上弱点了电子束焊接的广泛应用。

(3)激光焊接是另一种高能密度的焊接工艺,焊接镁合金可以有效防止传统焊接工艺产生的缺陷,焊接接头组织明显细化,焊缝力学性能显著提高。但激光器功率一般都比较小,镁合金表面对激光束的吸收率很低,而且深熔焊时存在阈值问题,故在工艺上有一定难度。

(4)镁合金激光2电弧复合焊工艺很好地解决了激光焊接的功率、镁合金表面对激光束的吸收率以及深熔焊的阈值问题,是极具前景的镁合金焊接工艺之一。但是,控制参数较多,焊接过程比较复杂,不便调节和控制,目前工艺还不成熟,电弧与激光束作用比较复杂,相互作用的机理尚不清楚,处于研究的初步阶段。

(5)搅拌摩擦焊是一种新型的固相塑性连接工艺,焊接镁合金时不会出现熔化焊的各种缺陷,接头性能良好,对镁合金可以有效地进行焊接。但是,镁合金搅拌摩擦焊的工艺柔性较多,搅拌头适应性差,且磨损较快,工艺还不成熟,目前限于用在结构简单的构件。

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