鎂合金的焊接及其在汽車上的應用＊

張林陽 宋慶軍 陳學罡 邵亮 鄭虹

（中國第一汽車集團有限公司 研發總院，長春 130013）

主題詞：鎂合金 焊接技術 材料屬性 輕量化

1 引言

隨著乘用車“雙積分”政策的推出，在傳統發動機節油技術無法實現大幅提升、新能源汽車電池技術沒有得到跨越式發展的前提下，汽車整車裝備質量的輕量化無疑將成為各大整車廠獲取燃油消耗正積分的一項重要與關鍵舉措。汽車輕量化目標的實現與達成，是產品設計、輕量化材料技術以及輕量化制造工藝技術高效協作、配合的結果[1]，并貫穿整個產品開發與生產制造過程。在汽車輕量化開發過程中涉及到的金屬材料主要包括鎂合金、鋁合金以及高強鋼三大類。其中，鋁合金、高強鋼等材料在汽車輕量化制造中均得到了較為廣泛的應用，鎂合金的應用相對較少，但其應用量在逐年增加。按照我國《節能與新能源技術路線圖》規劃，從2020年到2030年，鎂合金在單一乘用車制造中的用量將由15 kg提升至45 kg，可以預測其未來應用前景將十分廣闊。

鎂合金的密度值約為鋁合金的2/3，高強鋼材料的2/9[2]，因而其對汽車輕量化帶來的效果也更為明顯。但是由于鎂合金材料的強度低（＜300 MPa），一般常用于非重要承載部件的制造中；其材料塑性差（＜10%），當用于成形復雜構件時，難度系數較大；其材料耐熱性及抗腐蝕性較差，相關部件無法長期用于高溫及易腐蝕的環境下；加之其制造成本偏高，導致其應用量增長一直比較緩慢。隨著材料設計與工藝開發能力的不斷提升，關于鎂合金材料基礎性能方面的問題將逐漸解決。伴隨著多材料混合車身的開發以及鎂合金用量的逐年提升，受制于其自身物理、化學屬性的影響，鎂合金的焊接問題將變得日益突出[3]，主要涉及不同類型的鎂合金材料之間以及鎂合金與其他金屬材料間的焊接。

基于以上原因，本文將對汽車用鎂合金材料的焊接性展開系統性分析，對鎂合金的主流焊接工藝及其特點進行闡述，對鎂合金材料在汽車中的應用情況及未來發展趨勢進行預測與展望，旨在為更好地利用與開發鎂合金材料提供有力參考與依據。

2 鎂合金的焊接性分析

與鋼、鋁合金等金屬材料相比，鎂合金的各項材料屬性特點明顯，如表1所示，因而其焊接性也表現出了相應的特殊性。從物理屬性上講，鎂合金的熔點、沸點和密度比較低，熱導率、電導率以及熱膨脹系數比較大；從化學屬性上講，其金屬的活性比較高，容易與空氣中的氧發生化學反應并形成熔點很高的MgO，高溫下又會與空氣中的氮發生化學反應生成Mg3N2以及與氧結合發生燃燒反應。基于以上原因，鎂合金材料在焊接實施過程中表現出了更大的難度并引發出了一系列的焊接性難題。為適應鎂合金材料在未來汽車制造中的應用，對其焊接技術進行更深入和富有創新性的研究顯得格外重要。下面對鎂合金在焊接過程中容易產生的缺陷種類及其原因進行詳細闡述、分析，主要體現在以下7個方面。

表1 鎂合金、鋁合金以及鋼之間的材料屬性對比

2.1 焊縫夾渣

焊縫中形成夾渣缺陷的MgO主要有兩個來源：一是來自于焊接前母材表面固態鎂合金的氧化，二是來自于焊接過程中熔池表面液態鎂合金的氧化。MgO的熔點高達2 500oC，在焊接過程中其將一直以固態形式存在，且其密度（3.2 g/cm3）遠大于液態鎂合金的密度，因而在凝固過程中，其將會在焊縫內部形成細小的、呈片狀的固態夾渣缺陷。同理，高溫下鎂合金與空氣中的氮結合形成的Mg3N2也是以類似的夾渣形式存在于焊縫中。這些夾渣缺陷的存在，一方面對焊縫的成形不利，另一方面還會降低焊縫的塑性，并導致接頭綜合性能指標的下降。

2.2 晶粒粗化

鎂合金材料的熱導率比較大，為了確保焊接效果，則要求其在焊接時需要更大的熱輸入、更高的焊接速度，并匹配高功率的焊接熱源。受焊接規范的影響，鎂合金焊接接頭的焊縫金屬區、熱影響區非常容易產生過熱、晶粒長大和粗化的現象。一般情況下，晶粒的過分長大和粗化都將帶來焊接接頭力學性能的下降。

2.3 焊接變形

鎂合金材料的熱膨脹系數遠大于鋼，在較大的焊接熱輸入條件下，很容易產生熱變形，從而影響產品的最終制造精度，并在其焊接接頭附近形成很大的內應力。若接頭內部存在微裂紋，在交變載荷和內應力的綜合作用下，接頭將很容易產生疲勞斷裂破壞。

2.4 表面下塌

鎂合金液態金屬的表面張力比較小，因而其在凝固過程中很容易產生下凹，并最終形成表面下塌，影響最終焊縫的外觀成形質量。加之鎂合金材料的沸點比較低，在焊接過程中會產生一定的蒸發，這無疑將進一步增加其焊縫表面下榻的程度。

2.5 焊接裂紋

鎂合金接頭中的裂紋以熱裂紋為主，其產生原因主要與焊接過程中鎂合金與其他金屬形成的低熔共晶有關。這些低熔共晶主要存在于接頭區域處焊縫組織的晶界處，在較高的溫度下，這些低熔共晶會產生二次熔化，有時甚至會產生晶界氧化現象，在受到變形內應力作用時非常容易引發微裂紋和裂紋擴展現象，并最終導致接頭的斷裂。

2.6 焊接氣孔

與鋁合金焊接相似，鎂合金焊縫中氣孔的種類主要以氫氣孔為主。在惰性氣體保護良好的前提下，氫的來源主要受母材表面的清潔度以及焊料的狀態影響，涉及材料表面的油污、銹蝕以及水分等。由于鎂合金的密度比鋁合金小，焊縫中的氫在凝固過程中將更不容易析出，并最終以氣孔的形式存在于焊縫中。

2.7 氧化燃燒

在無惰性氣體保護的環境下焊接時，鎂合金很易發生氧化燃燒反應。因而，在熔焊時需要采用惰性氣體或者焊劑對焊接熔池進行保護，從而避免焊縫金屬的過度燒損。

基于上述關于鎂合金材料焊接性的分析與討論，對鎂合金焊接過程中產生的缺陷及與之對應的材料屬性進行總結，如表2所示。

3 鎂合金的主流焊接工藝

由于鎂合金在焊接過程中的熱輸入量比較大，其接頭區域處的組織一般為樹枝晶+等軸晶組成的混晶組織。一般情況下，尺寸更小的等軸晶的力學性能要優于樹枝晶。因而，在鎂合金焊接過程中，通過控制工藝參數，希望獲得更多的等軸晶或者盡可能地提高等軸晶的百分比。雖然鎂合金的焊接性比較差，但在有保護氣體的前提下，通過采取必要的、嚴格的工藝措施和規范，常規的電弧焊、熔化焊等工藝均可適用于鎂合金的焊接。其中，應用相對較廣的焊接方法主要有以下6種。

表2 鎂合金典型焊接缺陷與材料屬性間的對應關系

3.1 鎢極惰性氣體保護焊（Tungsten Inert.Gas,TIG）

鎢極惰性氣體保護焊（TIG）為當前鎂合金材料焊接最常用的一種連接工藝，其是在高純氬氣的保護下，借助鎢電極產生的電弧熱來實現母材間的連接。焊接的時候，可根據具體情況選擇是否添加焊接材料。由于鎂合金表面有一層氧化膜，為了避免夾渣缺陷的產生，通常采用直流電源反接或者采用交流電源進行焊接，目的是借助陰極霧化作用去除母材表面的氧化膜。相比于直流TIG焊，交流TIG焊工藝應用較為廣泛。但由于交流TIG焊的熱輸入相對較低，鎂合金材料的熱導率又比較大，實際獲得的焊縫深度比較淺，因而其更適合于比較薄的鎂合金零件的連接。

采用TIG焊進行鎂合金連接時，經常會出現氣孔、焊瘤及焊縫表面不平整等缺陷[4-5]。通過調整焊接工藝參數，采用大電流、快速焊和剛性固定等措施可獲得理想的焊接接頭，并且其強度可達到母材基體強度的80%以上。

3.2 熔化極惰性氣體保護焊（Melt Inert.Gas,MIG）

熔化極惰性氣體保護焊（MIG）在進行鎂合金焊接時，是以特定的鎂合金焊絲作為電極，依靠電弧熱熔化焊絲以及兩側母材并形成有效的可靠連接。與TIG焊相比，其焊接速度更快，也更適合大規模生產。但是，由于以鎂合金焊絲作為電極且鎂合金焊絲相對比較軟，其送絲穩定性較差，與之對應的工藝參數范圍也比較窄。此外，由于鎂合金的表面張力比較小，電極前端的熔滴過渡與脫離比較困難，增大焊接電流提升過渡能力時，又會導致熔滴的爆炸飛濺以及接頭組織的粗化。

鎂合金MIG焊時的熔滴過渡形式主要有短路過渡和噴射過渡兩種。在焊接過程中加入脈沖電流，可實現一種特殊的噴射過渡形式—脈沖噴射過渡。短路過渡時的線能量較小，更適合薄板的焊接；噴射過渡時的能量較大，常用于厚板的焊接；脈沖噴射過渡的線能量小于噴射過渡，其更適用于中厚板的焊接。通過選擇合適的焊接參數與熔滴過渡形式，可有效避免焊接過程中的裂紋、氣孔、飛濺等缺陷的產生，獲得的接頭強度可達母材基體強度的75%以上。

3.3 激光焊（Laser Beam Welding,LBW）

鎂合金的激光焊（LBW）是借助高能量密度激光束來實現母材間連接的一種精密焊接方法，在焊接的過程中可根據需要確定是否添加焊絲。與其他熔焊方法相比，具有變形小、接頭殘余應力小、焊縫組織細化以及接頭性能好等優點。此外，激光焊無需在真空條件下進行焊接，并且激光束靈活性高，易于實現復雜工件的多維度自動化焊接。當前，鎂合金激光焊接采用的激光器主要有CO2氣體激光器、光纖激光器以及Nd:YAG固體激光器三種。其中，CO2氣體激光器產生的激光束的波長為10.6 mm，另外兩種激光器產生的激光束的波長為1.06 mm。鎂合金對波長為1.06 mm吸收率更高，因而采用光纖激光器以及Nd:YAG固體激光器焊接鎂合金厚板更容易獲得理想的熔深。

氣孔、熱裂紋、疏松是鎂合金激光焊接時非常容易形成的缺陷形式[6]。此外，鎂合金對激光束的高反射率也是鎂合金焊接應當關注的一個重要問題。在焊縫質量良好的情況下，鎂合金激光焊縫接頭強度可達到與母材基體強度相當。近年來，有學者將激光焊與TIG焊、MIG焊進行復合用于鎂合金的焊接，同樣獲得了高質量的焊接接頭[7]。

3.4 電子束焊（Electron Beam Weam Welding，EBW）

與激光焊類似，鎂合金的電子束焊（EBW）也是一種高能量密度的精密連接工藝，所不同的是其借助的是高能量密度的電子束作為熱源。為了避免電磁場對焊接的影響，電子束焊通常在真空室下進行。鎂合金在進行電子束焊接時，會產生大量的鎂蒸氣，這將會對真空室產生一定的污染，從而一定程度上限制了其應用。目前，真空室下鎂合金的焊接仍然主要集中在科學研究上，實際應用較少。近年來，非真空電子束焊接技術取得了長足的進步，在進行鎂合金焊接時，可以獲得較好的焊縫成形，并且焊縫強度也比較高。

電子束焊接鎂合金較常見的缺陷為氣孔和縮孔，通過添加合適的焊絲可進行有效地減少和避免。一般情況下，電子束焊在焊縫中形成的是大量的、尺寸細小的等軸晶，因而其焊縫強度比較高，也可以達到與母材基體強度相當。

3.5 電阻點焊（Resistance Spot Welding，RSW）

迄今為止，電阻點焊仍是汽車制造中最為主要和最常見的一種連接工藝。由于鎂合金導熱率高、電阻率小，為了保證有效焊核的形成，這就需要鎂合金的電阻點焊在很短的時間內施以極高的焊接電流，以保證焊接時接頭區域處的產熱量大于散熱量。這一特性和鋁合金的電阻點焊極為相似。在相同板厚條件下，鎂合金電阻點焊所需的焊接電流約為鋼板焊接時的2～5倍。通過控制焊接電流、焊接時間以及焊接壓力可以有效得控制熔核尺寸的大小和接頭的強度。與鋼的電阻點焊不同，鎂合金的焊核孕育時間非常短，一般在第一個點焊周波時就出現熔化。鎂合金點焊接頭的熱影響區常伴有晶粒長大現象，并且非常容易產生碎花形的微裂紋，因而其常用于一些非承載或者受力不大的構件的制造中。

3.6 攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）

受到基體殘余微氣孔的影響，采用熔化焊工藝連接壓鑄鎂合金很難獲得優質的焊接接頭。采用攪拌摩擦焊可有效得解決上述技術難題，其是借助攪拌針的旋轉摩擦和攪拌作用，將母材接頭區域處金屬從固態轉換至塑性態，再借助一定的擠壓力實現材料間的有效連接。采用該方法獲得的接頭表面光滑并且無裂紋、氣孔等缺陷，且焊縫強度也比較高，并可達到較弱一側母材強度的75%以上。除了可以實現鎂合金材料之間的焊接，攪拌摩擦焊還可用于鎂合金與其他金屬材料間的連接。其缺點是其對零部件的形狀和剛度要求比較高，一般用于厚板零件的對接與搭接。對于復雜構件而言，其焊接實施比較困難，較大程度上制約了其大規模應用。

4 鎂合金在汽車上的主要應用

鎂合金應用于汽車零部件的制造中，可最大程度地降低汽車的整車裝備質量，其綜合降重效果比鋁合金還要高出15～20%。鎂合金最早由德國引入到汽車制造中。截止到目前，鎂合金在汽車零部件制造中的主要應用可以歸納為以下2大類：（1）殼體類零件，包括離合器殼體、閥蓋類零件、變速器殼體以及發動機前蓋等；（2）支架類零件，包括方向盤、轉向管柱、中控骨架以及座椅骨架等。圖1為鎂瑞丁公司自1985年至2010年期間設計、開發與制造的汽車鎂合金總成及零部件應用情況。可見，在2010年之前，鎂合金材料就已經在汽車上得到了較多的重視和應用。

圖1 汽車鎂合金總成及零部件應用情況

鎂合金是汽車工業中最有應用潛力的工程材料之一，也是當前最有效的汽車輕量化金屬材料。表3為汽車零部件采用鎂合金制造后的輕量化效果。在鎂合金的消費領域中，汽車行業基本占到了70%。由于鎂合金具有良好的鑄造成形性，至今鎂合金鑄件仍是其在汽車上的主要應用形式。但同時，鎂合金也可通過擠壓、鍛造、沖壓、軋制等其他工藝手段生產所需要的汽車零部件。

當前，Mg-Al系列鎂合金是汽車行業中應用最廣的一類鑄造鎂合金。為了提升其韌性、耐腐蝕以及耐高溫性能，在其原有成分基礎上又衍生出了AZ（Mg-Al-Zn）、AM（Mg-Al-Mn）、AS（Mg-Al-Si）以及 AE（Mg-Al-RE）等多個系列鎂合金。在產品設計選材過程中，可根據材料的特性、零部件的性能及使用要求選擇合適的鎂合金材料牌號。未來隨著變形鎂合金材料及工藝技術的逐步成熟，鎂合金型材及板材類零部件的開發與應用將逐漸增多。相應地，其對焊接技術的需求也會越來越迫切。

表3 鎂合金替代鋼后汽車零部件的輕量化效果

5 結束語

隨著汽車輕量化技術的不斷發展，可以預測在未來一段時間內，鎂合金在單一汽車中的用量將大幅提升。當前，鎂合金的應用也正在由單一的鑄造結構件向著薄壁高強復雜成形件、輕質框架結構件以及高性能鎂合金板材沖壓件等多個方向發展。框架式結構件以及板材類零件的應用與開發一定程度上促進了鎂合金連接技術的創新與發展。由于鎂合金的焊接性非常差，鎂合金的焊接技術將成為制約其大量推廣應用的一項難題。為了適應鎂合金材料的應用需求，未來加大對鎂合金焊接技術的創新性開發與研究是十分必要的。