鎂/鋼異種金屬焊接研究綜述

張超　單琪

摘要：鎂/鋼復合結構在航空航天、船舶和汽車等領域有著廣闊的應用前景。然而，鎂/鋼之間的物理化學性質差異巨大，難以實現兩者的可靠焊接。本文主要從鎂鋼的焊接方法入手，介紹國內外的發展現狀，指出各種焊接方法的優缺點，提出目前鎂/鋼焊接領域的研究熱點及難點，同時探討未來鎂/鋼異種金屬焊接技術的發展趨勢。

關鍵詞：鎂合金;鋼;焊接方法;界面組織

鎂及鎂合金具有密度小、比強度高和易加工等優點，在工程應用中有著廣闊的應用前景。因此鎂合金被譽為“21世紀綠色工程金屬材料”。在交通運輸工具的生產中采用鎂合金替代大密度的鋼結構既能滿足結構強度，又能減輕結構重量，對于節能減排有著巨大的意義，且中國是鎂資源大國，研究鎂合金的工程應用對中國的經濟發展有著深遠的意義。因此，對于鎂鋼異種金屬焊接領域的研究越發重要。然而，鎂/鋼之間的物理化學性質差別巨大，難以實現兩者的可靠焊接。首先，Mg的熔點為650℃，Fe的熔點為1538℃，兩者的熔點差異巨大，傳統熔焊時鎂剛剛熔化，然而鋼還處于固態，鋼熔化時鎂早已汽化，兩者不能同時以液相存在發生互溶，形成良好的熔池。其次，Mg和Fe之間的固溶度非常低，難以形成金屬間化合物，所以很難實現鎂和鋼的冶金連接。同時由于鎂/鋼之間的導熱系數差別較大，焊接接頭容易存在較大的殘余應力。因此，為了實現鎂鋼的可靠連接，鎂鋼之間的新型焊接方法成為了研究重點。

本文主要從鎂鋼的焊接方法入手，指出各種焊接方法的優缺點，介紹國內外鎂/鋼焊接技術的發展現狀，提出目前鎂/鋼焊接領域的研究熱點及難點，同時探討未來鎂/鋼異種金屬焊接技術的發展趨勢。

1 鎂/鋼的攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（FSW）使鎂/鋼等熔點差距較大的異種金屬焊接時較為常見的焊接方法，利用攪拌針對工件金屬不斷攪拌前進，摩擦產生一定的熱量使焊縫金屬塑性化連接在一起，實現鎂/鋼的可靠焊接[1]。

焊接工藝對鎂鋼攪拌摩擦焊接頭性能影響極為重要，M.Jahazi等[2]研究了焊接速度對接頭的影響，發現在較低的熱輸入下，攪拌區的晶粒尺寸隨著焊接速度的增加而減小，同時焊接速度越高，攪拌區的硬度就越高。當焊接速度增大時，焊接接頭的抗拉強度會先增大然后在一定范圍內保持不變。攪拌摩擦焊的優點很多，然而由于焊接時要求工件必須剛性固定，單道焊時，焊接速度不是很高等原因，攪拌摩擦焊的應用仍然有很大的局限性。

2 鎂/鋼的擴散焊

擴散焊一般在真空下進行，在一定的高溫下緊壓工件，使工件表面產生一定的微觀塑性變形，使接觸面金屬原子相互擴散，從而實現可靠焊接。

重慶大學的袁新建等[3]在鎂/鋼的焊接中研究了一種以純銅作中間層的新型的兩步式擴散釬焊方法。先將不銹鋼在850℃下與銅進行擴散焊，再與鎂合金在495℃和520℃下進行釬焊。研究發現鎂合金和銅之間形成了CuMg金屬間化合物，不銹鋼和銅之間形成了FeCu擴散界面，隨著焊接時間越長，CuMg金屬間化合物層的厚度越大，銅層的厚度越小。

卡爾加里大學的Waled Elthalabawy等[4]研究了316L不銹鋼與AZ31鎂合金擴散焊的液相連接界面層原理，發現Cu和Ni中間層均會與Mg形成共晶相，隨著焊接時間的增加，金屬間化合物的形成和Mg的擴散會導致共晶相等溫凝固。三元金屬間相的形成和等溫凝固階段結束時共晶相的消失極大削弱了接頭剪切強度。

3 鎂/鋼的熔釬焊

3.1 激光熔釬焊

鎂/鋼激光熔釬焊既可以不許填充材料直接焊接，也可以添加焊絲，加入Zn、Ni等中間層來實現鎂/鋼界面的冶金結合。滑鐵盧大學的AliM.Nasiri等[5]使用FactSage熱化學軟件預估AZ92鎂合金和鍍鎳板之間形成界面相的過程，發現加入Ni中間層后，沿鋼/熔合區界面會形成AlNi、Mg2Ni和Al3Ni2金屬間化合物，其中AlNi和Mg2Ni最有可能在激光熔釬焊的非平衡條件下形成。哈爾濱工業大學的檀財旺等[6]通過焊絲中的微量Al元素和Cr元素調控焊縫中生成的金屬化合物層，在激光連接快速熱循環條件下，選取了以Cr元素輔助3%Al含量焊絲的最優參數進行焊接，解決了熔釬焊時Al元素的擴散，極大地提高了鎂/鋼焊接接頭的抗拉強度。

3.2 電弧熔釬焊

鎂/鋼的電弧熔釬焊主要包括CMT熔釬焊、TIG熔釬焊和MIG熔釬焊。哈爾濱工程大學的苗玉剛等[7]對Q235鍍鋅鋼和AZ31鎂合金進行了旁路分流MIG電弧熔釬焊試驗，研究發現熔滴過渡時長的增加使鎂在鋼側的潤濕鋪展性能提高，減少了鎂/鋼金屬化合物層的厚度，同時保證了界面層元素的充分結合，焊接接頭的抗拉強度達到了母材的70%。江蘇科技大學的靳廣勝[8]采用CMT電弧熔釬焊技術研究了不同焊接速度對鎂/鋼電弧熔釬焊微觀組織以及性能的影響。焊接速度越快，在釬焊區越容易產生MgAl相和MgZn相，反應層厚度為6～8μm;焊接速度較小時，釬焊區會產生FeAl相和MgAl相，反應層厚度為1～4μm。在最優參數下，焊接接頭的拉剪強度可達到4.76kN。

3.3 激光電弧復合熔釬焊

激光電弧復合熔釬焊具有熱源能量密度集中，可精確控制熱輸入的優點。Tan等[9]通過激光鎢極惰性氣體復合焊，以搭接的形式完成了鎂合金和鍍鋅鋼的焊接。發現在界面處產生了Fe3Al相和MgZn共晶組織。某些情況下，在FeAl反應層處還形成了Al6Mn相。鎂合金中的元素Al擴散到固/液界面，與鋼中的Fe元素和Mn元素反應，有助于界面處的冶金結合。搭接接頭的最大拉剪強度達到68MPa。宋剛等[10]通過添加CuZn過渡層，實現了鎂/鋼的可靠焊接，研究表明利用激光電弧復合熱源能量密度梯度分布特征，結合添加過渡層，獲得良好的多組元液相共存環境和條件，是獲得鎂/鋼焊接高質量接頭的重點。

4 電阻點焊

電阻點焊成本低廉，在汽車行業中應用廣泛，研究鎂/鋼電阻點焊技術有助于實現汽車的輕量化，節能環保。天津大學的袁濤[11]等在鎂/鋼的電阻點焊中加入了不同成分的粉末鋁熱劑，研究發現鋁熱劑可以作為異質形核點，促進了等軸樹枝晶的形核和長大，降低了熔核中心周圍區域溫度梯度，相較于不采用鋁熱劑，點焊接頭的拉剪強度最大提升了34.6%。

5 超聲波點焊

超聲波點焊是利用超聲波振動，將振動能量轉變為工件的摩擦能，促進金屬原子擴散實現連接的一種固相焊接方法。加拿大的Patel VK等[12]進行了鎂/鍍鋅鋼的超聲波電焊，發現在焊接接頭處產生了大量Mg7Zn3、Mg2Zn11和MgZn2金屬化合物層（IMC）使接頭失效。在加入Sn夾層參與反應后，接頭的剪切強度顯著高于鎂/鋼和鎂/鍍鋅鋼接頭。Sn元素的充當Mg和Fe結合的中間介質，界面處產生了復合狀的Sn和Mg2Sn共晶結構，極大提高了焊接接頭強度，同時Sn夾層的加入使焊接時達到最大接頭強度所需的焊接能量從1750降低到1500J，更加節能。

6 鎂/鋼焊接技術展望

鎂/鋼在汽車、船舶和航天等領域有著廣闊的應用前景，對于實現結構輕量化，節能減排有著重大現實意義。然而鎂/鋼異種金屬焊接研究仍然有許多問題亟待解決。

（1）鎂/鋼界面反應、金屬化合物層厚度難以精確控制。在鎂/鋼反應中通過鍍層、涂層、夾層、焊絲等方式添加合金元素或提高鎂在鋼表面的潤濕鋪展雖然在一定程度上提高了焊接接頭強度，然而在實際操作中難以精確控制反應量，需要開發更加精準的實驗工藝或方法來控制元素在接頭界面的反應，使焊接效果更加穩定。

（2）現有焊接設備和技術仍有許多不足之處，難以完全滿足鎂/鋼的焊接需求。例如攪拌摩擦焊需要工件的剛性固定;擴散焊對工件的尺寸有一定要求，生產效率較低，難以投入大規模工業生產;激光焊或激光復合焊焊接效果好然而成本高，難以推廣;電弧熔釬焊焊縫成型不好，接頭強度不能滿足工業需求。未來還需大力開發新型的復合焊接技術，集合多種焊接技術的優點，盡量降低生產成本，才能為鎂/鋼復合材料進入大規模生產鋪平道路。

參考文獻：

[1]黃勇兵.鎂/鋼異種金屬攪拌摩擦焊工藝及性能研究[D].南昌航空大學，2013.

[2]M.Jahazi，X.Cao.Effect of welding speed on the quality of friction stir welded butt joints of a magnesium alloy[J].Materials & Design，2009，30（6）.

[3]袁新建，盛光敏，羅軍，李佳.純銅作中間層的鎂合金與不銹鋼擴散釬焊接頭區的微觀結構特征（英文）[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2013，23（03）：599604.

[4]Waled Elthalabawy，Tahir Khan.Liquid Phase Bonding of 316L Stainless Steel to AZ31 Magnesium Alloy[J].Journal of Materials Science & Technology，2011，27（01）：2228.

[5]Ali M.Nasiri，Patrice Chartrand，David C.Weckman，Norman Y.Zhou.Thermochemical Analysis of Phases Formed at the Interface of a Mg alloyNiplated Steel Joint during Laser Brazing[J].Metallurgical and Materials Transactions A.2013（4）.

[6]檀財旺.鎂/鋼激光熔釬焊接特性及界面合金調控技術研究[D].哈爾濱工業大學，2014.

[7]苗玉剛，吳斌濤，韓端鋒，徐向方，李小旭.旁路分流MIG電弧熔釬焊接鎂/鋼異種金屬接頭特性[J].焊接學報，2014，35（01）：2528+114.

[8]靳廣勝，張超，許欣，劉穎.鎂合金與鋼CMT電弧熔釬焊微觀組織及性能研究[J].熱加工工藝，2019，48（03）：7072+79.

[9]Caiwang Tan，Liqun Li，Yanbin Chen，et al.Lasertungsten inert gas hybrid welding of dissimilar metals AZ31B Mg alloys to Zn coated steel.2013，49：766773.

[10]Song G，AnG Y，Liu L M.Effect of gradient thermal distribution on butt joining of magnesium alloy to steel with CuZn alloy interayer by hybrid lasertungsten inert gas welding[J].Materials and Design，2012，35：323329.

[11]袁濤，張禹，李洋，羅震，王證茗，談輝.不同鋁熱劑對鎂/鋼點焊接頭組織和性能的影響[J].上海交通大學學報，2016，50（S1）：106109.

[12]Patel V K，Bhole S D，Chen D L.Formation of zinc interlayer texture during dissimilar ultrasonic spot welding of magnesium and high strength low alloy steel[J].Materials & Design，2013，45：236240.

基金項目：江蘇高校“青藍工程”資助（蘇教師〔2019〕3號）;江蘇省住房和城鄉建設廳項目（2018ZD045003）

作者簡介：張超（1987—），男，江蘇南京人，博士在讀，講師，研究方向：焊接技術。