一文讀懂鎂合金焊接

鎂合金應用於汽車製造中，可滿足汽車行業低排量、低油耗的發展需求。要想進一步推廣鎂合金在汽車領域的大量使用，需要對焊接技術進行更深一步的創新研究。 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，焊接性較為特殊。由於鎂合金密度低、熔點低、熱導率和電導率大、熱膨脹係數大、化學活潑性很強、易氧化且氧化物的熔點很高，因此，鎂合金在焊接過程中會產生一系列困難，主要表現在：1.氧化和蒸發

由於鎂的氧化性極強，在焊接過程中易形成氧化膜（MgO），MgO熔點高（2500℃）、密度大（3.2g/cm3），易在焊縫中形成夾雜，降低了焊縫性能。在高溫下，鎂還容易和空氣中的氮發生化學反應生成鎂的氮化物，弱化接頭的性能。鎂的沸點不高，這將導致在電弧高溫下很容易蒸發。2.晶粒粗大

由於熱導率大，故焊接鎂合金時要用大功率熱源、高速焊接，易造成焊縫和近焊縫區金屬過熱和晶粒長大。3.熱應力

鎂合金熱膨脹係數較大，約為鋁的1～2倍，在焊接過程中易產生大的焊接變形，引起較大的殘餘應力。4.焊縫金屬下塌

由於鎂的表面張力比鋁小，焊接時很容易產生焊縫金屬下塌，影響焊縫成形質量。5.氣孔

與焊接鋁合金相似，鎂合金焊接時易產生氫氣孔。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形成氣孔。6.熱裂紋

鎂合金易與其他金屬形成低熔點共晶組織，在焊接接頭中易形成結晶裂紋。當接頭處溫度過高時，接頭組織中的低熔點化合物在晶界處會熔化出現空穴，或產生晶界氧化等，即所謂的「過燒」現象。此外，鎂及鎂合金易燃燒，所以在熔化焊接時需要惰性氣體或焊劑的保護。二、鎂合金的焊接現狀及發展趨勢

鎂合金適用於很多焊接方法，如鎢極氬弧焊、電子束焊、激光焊、攪拌摩擦焊、爆炸焊和電阻點焊。無論哪種焊接方法，鎂合金焊接後的微觀組織大多同時包含樹枝晶和等軸晶。一種普遍接受的觀點認為等軸晶的性能優於柱狀晶或樹枝晶，所以金屬凝固組織中希望得到小尺寸的等軸晶，同時儘可能減小柱狀晶/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。由於鎂合金容易氧化，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需要採用多層多道焊或者雙面施焊，增加了施焊難度，而且降低了生產效率。

鎂合金氬弧焊存在的主要缺陷是氣孔和疏鬆。在焊接過程中通過增加保護氣體的流量可以顯著減小氣孔的數量、體積，並能減小焊縫中鎂含量的損失，從而提高接頭的力學性能。另外，對於氣孔的防治，還可以通過焊接時盡量壓低電弧（2mm左右），以充分發揮電弧的陰極破碎作用並使熔池受到攪拌，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、保護氣體種類和填充材料等方面。

採用Nd：YAG激光器和CO2激光器對6種鑄造鎂合金和4種擠壓鎂合金進行激光焊接性研究，結果發現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，並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等。經過工藝優化，如調整聚焦位置到根部，優化焊接參數等，焊縫的極限抗拉強度可以達到母材83%（有表面應力集中）和96%（無應力集中）。

電子束焊接通常為真空焊接，金屬氣體的揮發對真空室的污染很大。研究發現非真空電子束非常適用於鎂合金的焊接。AZ31變形鎂合金和AM50A以及AZ91D鑄造鎂合金在適當的焊接工藝下均可得到良好的接頭。相對較高的能量密度可以允許焊接速度達到15m/min，這樣熱輸入較小，焊接效率高。通過填絲可以得到無疏鬆、縮孔和氣孔等缺陷的焊縫，接頭的靜載荷可以與母材相當，接頭的抗腐蝕性能甚至好於母材。高速、高效且可以實現高自動化的非真空電子束焊接為鎂合金的大面積應用提供了新的途徑。4.電阻點焊

電阻點焊因其成本極低、工藝穩定成為汽車工業中最主要的焊接方法。鎂合金導熱率高、電阻值小，電阻點焊鎂合金時需要在短時間內通很高的電流，使產熱速率遠大於散熱速率。這個性能與鋁合金性能相似，因此能夠焊接鋁合金的點焊設備也能夠焊接鎂合金。電焊機的成本與變壓器次級線圈電流負荷成正比。

相同板厚下，電阻點焊鋼所需的電流遠小於鎂合金，因此鎂合金的焊接設備昂貴。焊接電流、焊接時間及電極壓力是電阻點焊鎂合金最重要的三個參數。這三個參數能夠有效控制熔核大小和接頭強度。鋁合金熱導率和電導率都很高，所需焊接電流是鋼的2～3倍。

鎂合金的熔核生長分為3個階段：孕育、長大和穩定。在第一個周波內熔核便完成孕育，接著開始長大。隨著熔核長大，導電通道增加，電流密度降低；電極-板材接觸面積增大，散熱增加。這兩點導致長大速率逐漸變緩。當產熱和散熱達到平衡，熔核趨於穩定。數值模擬比較的鋼、鋁和鎂的動態電阻和熔核生長如圖所示。

鋁合金與鎂相似，孕育時間很短，幾乎在第一個周波就出現熔化；鋼直到第5個周波才開始熔化，模擬結構說明，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、鎂產熱更為集中，有利於熔核的形成。

鎂合金點焊接頭通常分為４個區域：母材、熱影響區、塑性環和熔核。熱影響區有再結晶和晶粒長大發生。和鋁合金類似，鎂合金焊接熱影響區也容易產生野花裂紋。塑性環在熱影響區的貼合面處，是電阻點焊的特有區域。由於該區域的高溫高壓（電極壓力），塑性環處經常發生動態再結晶。通常熔核有兩種組織：柱狀樹枝晶和等軸晶。

文章來源：焊接切割聯盟