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摘要：近年来，随着镁合金在交通运输、航空航天、3C等领域的广泛应用，焊接技术成为制约其应用的瓶颈。本文针对镁合金的特点及焊接性进行了分析，对钨极氩弧焊、熔化极惰性气体保护焊、激光焊、电子束焊、搅拌摩擦焊在镁合金焊接中的研究现状进行了介绍，并对镁合金焊接未来的发展方向进行了展望。
关键字：镁合金 焊接 焊接技术
中图分类号：TG333.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-379-02
0引言
进入21世纪以后，资源和环境的平衡以及可持续发展已经成为人类的首要问题，节能和环保己经成为现代产业的突出特点[1]。镁作为所有金属结构件中最轻的金属，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振降噪能力强、易于回收利用等优点，在汽车、摩托车等交通工具、仪器仪表、电子电器、化工冶金、航空航天、国防军工、生物医用材料等领域获得了广泛的应用。镁合金作为一种结构材料，在工程实际应用上就要考虑其连接的问题， 焊接是最常用的连接方法。镁合金自身特性决定了焊接性能较差， 难以實现可靠连接。目前镁合金焊接技术已成为了一个世界性的技术问题，各国都在这一领域投入了大量的人力、财力、物力[3]。镁合金的可靠焊接成为制约其更大范围应用的瓶颈。
1镁合金特点及其焊接性
镁合金的密度小，是钢的23%，铝的67%，塑料的170%，是金属结构材料中最轻的金属。镁合金的屈服强度与铝合金大体相当，只稍低于碳钢，是塑料的4～5倍；其弹性模量更远远高于塑料，是它的二十多倍[4]。镁合金的比强度最高，比刚度接近铝合金和钢，但是远高于工程塑料。镁合金的传热性好，其传热系数比铝小但是比钢大。镁合金熔点比铝合金熔点低，压铸成型性能好。镁合金与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷[4]。
镁合金由于密度低，熔点低，热导率和电导率大，热膨胀系数大，化学活泼性很强，易氧化，且氧化物的熔点很高，使镁合金在焊接过程中会产生一系列的困难[5]。由于镁合金的热导率大，因此焊接时需要用大功率的热源高速焊接，容易造成焊缝及近缝区金属的过热和晶粒长大。镁及其合金的氧化性极强，在焊接的过程中容易形成氧化膜进而造成焊缝夹渣。镁的沸点不是很高，在电弧高温下很容易蒸发。镁及其合金的热膨胀系数比较大，大约是铝的1.2倍，在焊接过程中会产生比较大变形并引起较大的热应力。同时由于镁的表面张力较小，焊接时很容易产生金属的下塌。由于氢在镁中的溶解度会随温度变化骤变，而且镁的密度小，致使气体不易逸出，容易在焊缝中形成氢气孔。而且镁合金易与其它金属形成低熔共晶体，在焊接接头中容易形成结晶裂纹。
2镁合金的焊接方法
镁合金的焊接技术，和其他成形技术相比，发展比较缓慢，但是随着汽车、航空领域需求的大力推动，镁合金焊接技术的研究开发必将得到迅速发展。目前镁合金焊接常用的方法有钨极氩弧焊（TIG）、熔化极惰性气体保护焊（MIG）、激光焊、电子束焊、搅拌摩擦焊等。
2.1钨极氩弧焊
钨极氩弧焊是目前镁合金最常用的焊接方法，也是最早用于镁合金焊接的方法之一[2、7]。氩弧焊本身具有焊缝成形良好、钨极电弧稳定、氩弧焊设备简单、价格便宜等优点[8]。由于镁合金表面极易被氧化，因此大多采用交流或者直流反极性进行焊接。
姚军[9]等人，采用TIG焊焊接2mm厚的AZ31B镁合金板。选用45～60A的焊接电流，快速填丝进行焊接可以使焊接接头的力学性能达到母材的90%以上，拉伸实验中断裂发生在晶粒粗大的热影响区，对拉伸端口进行SEM分析，发现为韧—脆混合断裂。张广柱[10]等人，采用TIG焊焊接5mm厚的AZ91，并在其中加入了纵向交流磁场，外加的纵向磁场通过旋转电弧对熔池进行搅拌，这样可以使焊缝晶粒细化，进而使焊接接头的显微组织和力学性能得到改善；当磁场电流 Im=1 A 时，焊缝中的晶粒组织细化程度最大，并且第二相明显的被球化，弥散的分布在基体之间，焊接接头抗拉强度达到最大值 269.3 MPa，焊缝硬度达到最大硬度为88.09HV。
2.2熔化极惰性气体保护焊（MIG）
MIG焊与TIG焊相比具有熔深大、焊接速度快、不需预热、可产业化，但是必须以焊丝做电极，焊接的过程中，焊接电流、焊接速度不同会存在不同的熔滴过渡形式。
Zhao-dong ZHANG[12]等人，采用DC-PMIG技术焊接3mm和8mm厚的AZ31B镁合金板材。表明使用DC—PMIG焊接的镁合金的熔滴过渡形式为射滴过渡和喷射过渡，飞溅少，而且可以得到高品质的焊接接头，填充焊丝的线能量为242-271J/cm2时，熔滴直径为1.6～0.9mm，过渡频率为30-69Hz，焊接接头的平均极限抗拉强度为母材的94.2%。王鹏[13]等人，采用脉冲MIG焊接工艺焊接3.5mm厚的AZ31B镁合金板材，实验发现通过优化焊接工艺参数，采用PMIG 焊接工艺可以在不开坡口并且不需背面强制成形的条件下，实现镁合金的单面焊双面成形。而且焊接接头的热影响区较窄，晶粒略有长大；焊缝区组织均匀晶粒细小，硬度值高于母材；焊接接头的抗拉强度达到母材的95% 以上。
2.3激光焊
激光焊具有高能量密度、高焊速、无需真空条件、小变形、深穿透、高效率、高精度及适应性强等优点，在航空航天、汽车制造、轻工电子等领域得到广泛应用[11]。
P. B. SRINIVASAN[14]等人，使用Nd-YAG激光焊接AZ31HP镁合金，实验发现激光焊接中用或不用填充金属，晶粒的平均尺寸大约都为12μm，焊接接头的显微硬度和抗拉强度与母材的接近。使用ASTM D1384方案中的SSRT实验评估焊接接头的SCC行为，发现略逊于母材，发现不用填料的裂纹起源于焊缝而用填料的起源于热影响区。L.D. Scintilla[15]等人，使用最大功率2Kw的Nd：YAG激光，进行3.3mm厚的AZ31镁合金的平板对焊。静态拉伸试验表明没有填充材料的焊接试件的屈服强度会增加。当热输入低于阈值时，即使有足够的硬度，焊接接头的抗拉强度和延伸率也会大幅降低。局部应变分析表明，断裂发生在焊道表面的缺陷处即定位焊的变形。金相分析发现焊缝内没有明显的晶粒长大、没有夹杂和裂纹等缺陷。 2.4电子束焊
电子束焊接（EBW）是利用电子枪所产生的电子在阴阳极间的高电场作用下被拉出，并加速到很高速度，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击在工件接缝处，其动能转化为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的[16]。电子束焊在真空中进行，焊接过程中焊件不会受氧气、氮气的影响；焊接的热输入很小，因此热影响区很小；焊接熔区小，焊件的变形可以忽略；能量密度很高，因此焊接速度可以很高。
对纯镁和AZ31镁合金进行电子束焊接时，为保证使电子束能熔透母材又不熔穿，选择焊接参数要比铝合金小[17]。对试件进行分析，发现焊后的融熔区面积要比TIG焊时小很多，而且熔融区的中心部位宽度会随焊接速度增加而稍微减小并且在熔融区内发现有分层结构，这是因为熔融金属快速熔化和冷却，加上熔池振动，发生了不连续凝固，并发生淬火。纯镁熔融区的晶粒比母材要大而AZ31镁合金的熔融区晶粒却非常细小。焊后纯美的拉伸强度和冲击性能基本与母材相同而AZ31的略有下降，对于两种母材焊后的延伸率均明显下降。
2.5搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是英国焊接研究所 1991 年针对焊接性差的铝合金和镁合金等轻质有色金属开发的一种新型固态连接技术[11]。进行搅拌摩擦焊时，不需要填充材料，而且没有飞溅、烟雾、弧光和有害气体等。它属于一种固相连接，加热温度低，焊后的残余应力和变形都非常小，而且接头内不易出现气孔和热裂纹等缺陷。
YU Sirong[19]等人，使用搅拌摩擦焊焊接添加了0.5%Ce的AZ31B镁合金板材。研究发现，焊缝的晶粒均匀并且有细小的等轴晶，热影响区和热机影响区的晶粒比母材和焊缝区的晶粒粗大。FSW接头的极限抗拉强度是237.97±2.53Mpa，其延伸率是6.63±0.60%。拉伸试验时断裂发生在热影响区，而且主要是韧性断裂。沿焊缝方向的试样的极限抗拉强度是270.02±1.45Mpa，延伸率是17.08±0.39%。母材的显微硬度最高，而热机影响区和热影响区的最低，从焊缝根部到表面显微硬度逐渐增加。L. Commin[18]等人，对搅拌摩擦焊的温度变化和AZ31镁合金的残余应力场进行研究，发现增加轴肩的直径或者刀具的转速或者减小焊接速度会增加这个过程中的热输入以促进晶粒的长大。在前进侧和后退侧的温度分布不同，后退侧的应力水平明显比较高。
3结束语
镁合金具有巨大的发展潜力和应用优势，随着其应用范围的不断扩大，对镁合金焊接技术的研究就显得更加的关键与紧迫。TIG焊、MIG焊、激光焊等用与焊接镁合金均有其优势和弊端，把两种热源复合进行焊接，将会是未来镁合金焊接的研究方向之一。而且随着镁合金应用范围的不断扩大，将会出现镁合金与铝合金、钢、镀锌板等异种金属的连接，因此镁合金的异种金属的焊接问题也将会是一个研究方向。
参考文献
[1] 佟国栋.高性能镁合金的研究及其在汽车工业中的开发应用.吉林大学，2011
[2] 张书权，胥锴.镁合金焊接技术的研究进展[J].现代焊接，2010，12：J3～J6
[3] 胡耀波，赵冲，邓娟.镁合金焊接技术的研究现状展望[J].金属铸锻焊技术，2010，39（13）：124～127
[4] 赵文洁.镁合金的应用及展望[J].山西冶金，2012，2（35）：1～3
[5] 冯吉才，王亚荣，张忠典.镁合金焊接技术的研究现状及应用.中国有色金属学报，2005，2（28）
[6] 李键.镁及镁合金若干腐蚀问题的研究.哈尔滨工程大学，2011
[7] 袁择，李德全，付涛.镁合金焊接技术的现状和发展趋势.现代焊接，2008，3：J1～J5
[8] 马骋，周建桃，屈站.镁合金焊接技术研究.工业技术，2010（15）：113
[9] 姚军，魏鑫.AZ31B镁合金焊接接頭组织特征及力学性能.Welding Technology，2012，41（1）：17～19
[10] 张广柱， 鲁海龙. AZ91 镁合金 TIG 焊接接头组织性能的磁场控制. Hot Working Technology， 2013，42 （1）：210～214
[11] 孟保战.镁合金焊接技术的研究发展现状.金属铸锻焊技术，2012，4：168～170
[12] Zhao-dong ZHANG， Li-ming LIU， Gang SONG. Welding characteristics of AZ31B magnesium alloy using DC-PMIG welding. Trans. Nonferrous Met. Soc. China ，2013，23：315?322
关键字：镁合金 焊接 焊接技术
中图分类号：TG333.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-379-02
0引言
进入21世纪以后，资源和环境的平衡以及可持续发展已经成为人类的首要问题，节能和环保己经成为现代产业的突出特点[1]。镁作为所有金属结构件中最轻的金属，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振降噪能力强、易于回收利用等优点，在汽车、摩托车等交通工具、仪器仪表、电子电器、化工冶金、航空航天、国防军工、生物医用材料等领域获得了广泛的应用。镁合金作为一种结构材料，在工程实际应用上就要考虑其连接的问题， 焊接是最常用的连接方法。镁合金自身特性决定了焊接性能较差， 难以實现可靠连接。目前镁合金焊接技术已成为了一个世界性的技术问题，各国都在这一领域投入了大量的人力、财力、物力[3]。镁合金的可靠焊接成为制约其更大范围应用的瓶颈。
1镁合金特点及其焊接性
镁合金的密度小，是钢的23%，铝的67%，塑料的170%，是金属结构材料中最轻的金属。镁合金的屈服强度与铝合金大体相当，只稍低于碳钢，是塑料的4～5倍；其弹性模量更远远高于塑料，是它的二十多倍[4]。镁合金的比强度最高，比刚度接近铝合金和钢，但是远高于工程塑料。镁合金的传热性好，其传热系数比铝小但是比钢大。镁合金熔点比铝合金熔点低，压铸成型性能好。镁合金与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷[4]。
镁合金由于密度低，熔点低，热导率和电导率大，热膨胀系数大，化学活泼性很强，易氧化，且氧化物的熔点很高，使镁合金在焊接过程中会产生一系列的困难[5]。由于镁合金的热导率大，因此焊接时需要用大功率的热源高速焊接，容易造成焊缝及近缝区金属的过热和晶粒长大。镁及其合金的氧化性极强，在焊接的过程中容易形成氧化膜进而造成焊缝夹渣。镁的沸点不是很高，在电弧高温下很容易蒸发。镁及其合金的热膨胀系数比较大，大约是铝的1.2倍，在焊接过程中会产生比较大变形并引起较大的热应力。同时由于镁的表面张力较小，焊接时很容易产生金属的下塌。由于氢在镁中的溶解度会随温度变化骤变，而且镁的密度小，致使气体不易逸出，容易在焊缝中形成氢气孔。而且镁合金易与其它金属形成低熔共晶体，在焊接接头中容易形成结晶裂纹。
2镁合金的焊接方法
镁合金的焊接技术，和其他成形技术相比，发展比较缓慢，但是随着汽车、航空领域需求的大力推动，镁合金焊接技术的研究开发必将得到迅速发展。目前镁合金焊接常用的方法有钨极氩弧焊（TIG）、熔化极惰性气体保护焊（MIG）、激光焊、电子束焊、搅拌摩擦焊等。
2.1钨极氩弧焊
钨极氩弧焊是目前镁合金最常用的焊接方法，也是最早用于镁合金焊接的方法之一[2、7]。氩弧焊本身具有焊缝成形良好、钨极电弧稳定、氩弧焊设备简单、价格便宜等优点[8]。由于镁合金表面极易被氧化，因此大多采用交流或者直流反极性进行焊接。
姚军[9]等人，采用TIG焊焊接2mm厚的AZ31B镁合金板。选用45～60A的焊接电流，快速填丝进行焊接可以使焊接接头的力学性能达到母材的90%以上，拉伸实验中断裂发生在晶粒粗大的热影响区，对拉伸端口进行SEM分析，发现为韧—脆混合断裂。张广柱[10]等人，采用TIG焊焊接5mm厚的AZ91，并在其中加入了纵向交流磁场，外加的纵向磁场通过旋转电弧对熔池进行搅拌，这样可以使焊缝晶粒细化，进而使焊接接头的显微组织和力学性能得到改善；当磁场电流 Im=1 A 时，焊缝中的晶粒组织细化程度最大，并且第二相明显的被球化，弥散的分布在基体之间，焊接接头抗拉强度达到最大值 269.3 MPa，焊缝硬度达到最大硬度为88.09HV。
2.2熔化极惰性气体保护焊（MIG）
MIG焊与TIG焊相比具有熔深大、焊接速度快、不需预热、可产业化，但是必须以焊丝做电极，焊接的过程中，焊接电流、焊接速度不同会存在不同的熔滴过渡形式。
Zhao-dong ZHANG[12]等人，采用DC-PMIG技术焊接3mm和8mm厚的AZ31B镁合金板材。表明使用DC—PMIG焊接的镁合金的熔滴过渡形式为射滴过渡和喷射过渡，飞溅少，而且可以得到高品质的焊接接头，填充焊丝的线能量为242-271J/cm2时，熔滴直径为1.6～0.9mm，过渡频率为30-69Hz，焊接接头的平均极限抗拉强度为母材的94.2%。王鹏[13]等人，采用脉冲MIG焊接工艺焊接3.5mm厚的AZ31B镁合金板材，实验发现通过优化焊接工艺参数，采用PMIG 焊接工艺可以在不开坡口并且不需背面强制成形的条件下，实现镁合金的单面焊双面成形。而且焊接接头的热影响区较窄，晶粒略有长大；焊缝区组织均匀晶粒细小，硬度值高于母材；焊接接头的抗拉强度达到母材的95% 以上。
2.3激光焊
激光焊具有高能量密度、高焊速、无需真空条件、小变形、深穿透、高效率、高精度及适应性强等优点，在航空航天、汽车制造、轻工电子等领域得到广泛应用[11]。
P. B. SRINIVASAN[14]等人，使用Nd-YAG激光焊接AZ31HP镁合金，实验发现激光焊接中用或不用填充金属，晶粒的平均尺寸大约都为12μm，焊接接头的显微硬度和抗拉强度与母材的接近。使用ASTM D1384方案中的SSRT实验评估焊接接头的SCC行为，发现略逊于母材，发现不用填料的裂纹起源于焊缝而用填料的起源于热影响区。L.D. Scintilla[15]等人，使用最大功率2Kw的Nd：YAG激光，进行3.3mm厚的AZ31镁合金的平板对焊。静态拉伸试验表明没有填充材料的焊接试件的屈服强度会增加。当热输入低于阈值时，即使有足够的硬度，焊接接头的抗拉强度和延伸率也会大幅降低。局部应变分析表明，断裂发生在焊道表面的缺陷处即定位焊的变形。金相分析发现焊缝内没有明显的晶粒长大、没有夹杂和裂纹等缺陷。 2.4电子束焊
电子束焊接（EBW）是利用电子枪所产生的电子在阴阳极间的高电场作用下被拉出，并加速到很高速度，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击在工件接缝处，其动能转化为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的[16]。电子束焊在真空中进行，焊接过程中焊件不会受氧气、氮气的影响；焊接的热输入很小，因此热影响区很小；焊接熔区小，焊件的变形可以忽略；能量密度很高，因此焊接速度可以很高。
对纯镁和AZ31镁合金进行电子束焊接时，为保证使电子束能熔透母材又不熔穿，选择焊接参数要比铝合金小[17]。对试件进行分析，发现焊后的融熔区面积要比TIG焊时小很多，而且熔融区的中心部位宽度会随焊接速度增加而稍微减小并且在熔融区内发现有分层结构，这是因为熔融金属快速熔化和冷却，加上熔池振动，发生了不连续凝固，并发生淬火。纯镁熔融区的晶粒比母材要大而AZ31镁合金的熔融区晶粒却非常细小。焊后纯美的拉伸强度和冲击性能基本与母材相同而AZ31的略有下降，对于两种母材焊后的延伸率均明显下降。
2.5搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是英国焊接研究所 1991 年针对焊接性差的铝合金和镁合金等轻质有色金属开发的一种新型固态连接技术[11]。进行搅拌摩擦焊时，不需要填充材料，而且没有飞溅、烟雾、弧光和有害气体等。它属于一种固相连接，加热温度低，焊后的残余应力和变形都非常小，而且接头内不易出现气孔和热裂纹等缺陷。
YU Sirong[19]等人，使用搅拌摩擦焊焊接添加了0.5%Ce的AZ31B镁合金板材。研究发现，焊缝的晶粒均匀并且有细小的等轴晶，热影响区和热机影响区的晶粒比母材和焊缝区的晶粒粗大。FSW接头的极限抗拉强度是237.97±2.53Mpa，其延伸率是6.63±0.60%。拉伸试验时断裂发生在热影响区，而且主要是韧性断裂。沿焊缝方向的试样的极限抗拉强度是270.02±1.45Mpa，延伸率是17.08±0.39%。母材的显微硬度最高，而热机影响区和热影响区的最低，从焊缝根部到表面显微硬度逐渐增加。L. Commin[18]等人，对搅拌摩擦焊的温度变化和AZ31镁合金的残余应力场进行研究，发现增加轴肩的直径或者刀具的转速或者减小焊接速度会增加这个过程中的热输入以促进晶粒的长大。在前进侧和后退侧的温度分布不同，后退侧的应力水平明显比较高。
3结束语
镁合金具有巨大的发展潜力和应用优势，随着其应用范围的不断扩大，对镁合金焊接技术的研究就显得更加的关键与紧迫。TIG焊、MIG焊、激光焊等用与焊接镁合金均有其优势和弊端，把两种热源复合进行焊接，将会是未来镁合金焊接的研究方向之一。而且随着镁合金应用范围的不断扩大，将会出现镁合金与铝合金、钢、镀锌板等异种金属的连接，因此镁合金的异种金属的焊接问题也将会是一个研究方向。
参考文献
[1] 佟国栋.高性能镁合金的研究及其在汽车工业中的开发应用.吉林大学，2011
[2] 张书权，胥锴.镁合金焊接技术的研究进展[J].现代焊接，2010，12：J3～J6
[3] 胡耀波，赵冲，邓娟.镁合金焊接技术的研究现状展望[J].金属铸锻焊技术，2010，39（13）：124～127
[4] 赵文洁.镁合金的应用及展望[J].山西冶金，2012，2（35）：1～3
[5] 冯吉才，王亚荣，张忠典.镁合金焊接技术的研究现状及应用.中国有色金属学报，2005，2（28）
[6] 李键.镁及镁合金若干腐蚀问题的研究.哈尔滨工程大学，2011
[7] 袁择，李德全，付涛.镁合金焊接技术的现状和发展趋势.现代焊接，2008，3：J1～J5
[8] 马骋，周建桃，屈站.镁合金焊接技术研究.工业技术，2010（15）：113
[9] 姚军，魏鑫.AZ31B镁合金焊接接頭组织特征及力学性能.Welding Technology，2012，41（1）：17～19
[10] 张广柱， 鲁海龙. AZ91 镁合金 TIG 焊接接头组织性能的磁场控制. Hot Working Technology， 2013，42 （1）：210～214
[11] 孟保战.镁合金焊接技术的研究发展现状.金属铸锻焊技术，2012，4：168～170
[12] Zhao-dong ZHANG， Li-ming LIU， Gang SONG. Welding characteristics of AZ31B magnesium alloy using DC-PMIG welding. Trans. Nonferrous Met. Soc. China ，2013，23：315?322