鎂合金冷金屬過渡焊接技術研究進展

江宏亮 ，楊紅軍 ，劉 維 ，胡佳俊 ，唐字強

（32256部隊，湖南 郴州 423026）

鎂合金是最輕的工程結構材料，兼具儲量豐富、比強度高、電磁屏蔽性好、可回收性強、導熱性好、磁導率高等優點，在航空航天、汽車、電子產品等領域具有廣闊的應用前景[1-3]。鎂合金在工業中的大量應用需要可靠的連接技術，因為許多零部件都需要連接到同種或異種材料上，以獲得更復雜的幾何形狀。為了實現這一目標，焊接技術受到了特別的關注，而且焊接技術的發展也是擴大鎂合金在結構件制造中應用的關鍵因素。然而，鎂合金熔點低，與氧元素、氮元素親和力強，熱膨脹系數大等特點，導致其在焊接過程中易形成熱裂紋、氣孔、夾渣等各種缺陷[4]。因此，焊接技術水平成為鎂合金大規模應用的重要瓶頸之一。

在焊接過程中，焊縫和母材的溫度變化對材料特性、殘余應力以及焊接產品的尺寸和形狀精度有重要影響[5]。冷金屬過渡焊接技術（Cold Metal Transfer，縮寫為CMT）具有熱輸入量低、焊接過程穩定等優點，適用于焊接鎂合金等低熔點金屬。近年來，各國學者從焊接工藝、焊縫組織和接頭性能、異種金屬連接等方面開展了大量的鎂合金CMT焊接研究工作。本研究從焊接原理、特點、工藝焊縫組織性能、異種金屬連接等方面對鎂合金CMT焊接技術進行綜述。

1 CMT焊接的原理及特點

CMT焊接技術是奧地利Fronius公司在2002年研發的短路過渡工藝的基礎上改進的MIG焊工藝，該工藝與MIG/MAG焊接工藝的區別僅在于熔滴過渡方式[6]。普通的短路過渡過程在熔滴掉落時因為電流縮頸產生大量飛濺，該技術熔滴過渡具有一定自適應控制能力[7]。CMT焊接在熔滴短路時，輸出電流接近于零，焊絲同步機械回抽促進熔滴脫落，從根本上消除了飛濺，熔滴過渡過程更為穩定[8]。

CMT過渡技術相比于MIG/MAG焊接，有以下3個優點：

1）送絲過程和熔滴過渡協調進行。普通MIG/MAG焊接送絲系統獨立，CMT焊接熔滴過渡過程由焊絲進給/回抽控制，其頻率高達70 Hz[9]。短路過渡瞬間電壓電流幾乎為零，從而避免了普通焊接方法熔滴縮頸處電流過大液滴爆橋造成的飛濺。

2）焊接熱輸入量低。CMT焊接系統數字化控制監控短路過渡的進程，當熔滴短路過渡時，電壓電流降到最低，焊接過程中電流和電壓的變化如圖1所示。

圖1 CMT短路過渡電流電壓波形圖

3）焊絲機械回抽助力熔滴脫落。焊絲的機械回抽使熔滴在慣性作用下脫落，減少熔滴飛濺。

2 CMT焊接技術研究進展

2.1 焊接工藝的研究

目前，鎂合金CMT焊接的控制方法主要包括常規CMT、脈沖CMT（CMT-P）、變極性CMT（CMTADV）、變極性復合脈沖CMT（CMT-PADV）4種控制方式[10]。穆森[11]在1.5 mm鎂合金薄板上分別采用4種工藝研究熔滴過渡特點以及對焊接接頭質量的影響。結果表明：在臨界電流區間，4種控制方法均可以實現平穩的熔滴過渡。但是帶脈沖工藝（CMT-P、CMT-PADV）出現排斥過渡特征，飛濺大；CMT焊接工藝相對普通焊接工藝可以提高焊縫拉伸強度，4種工藝下得到的焊縫拉伸強度均達到母材80%以上。張瑞英[12]在1.5 mm的AZ31B鎂合金板上分別開展交流CMT和直流CMT焊接試驗，研究顯示：兩種工藝均能成功焊接鎂合金薄板，焊縫熔寬均隨著焊接熱輸入的增加而增大，但是焊縫余高減小。直流焊接試驗發現，焊接速度對抗拉強度影響最大，直流CMT焊接最佳工藝參數為：電流55 A，弧長修正0，速度0.45 m/min。交流CMT焊接試驗表明，當焊接電流增加、焊接速度降低時，EN∶EP為1∶1時EN極性波數減少、EN+EP為14時EN極性波數減小，焊縫區晶粒不斷粗化，熱影響區組織粗化并且范圍逐漸擴大，同時會使余高減小、熔寬增大。交流CMT焊接的最佳工藝參數為：電流66 A、速度0.45 m/min、EN∶EP為7∶7，抗拉強度和斷裂延伸率同時達最大值，分別達到母材的96.7%和85.7%，斷裂位置在熱影響區。周方明等[13]采用CMT焊接ME21擠壓鎂合金，結果表明：采用下坡變速焊接工藝，在100 A～120 A焊接電流及合適焊接速度下，均能得到表面成形良好的焊接接頭；當焊接電壓12.4 V、焊接電流110 A、焊接速度0.6 m/min時，焊接質量好，焊縫區組織為等軸晶，晶粒明顯細化；試樣抗拉強度為176.5 MPa，焊縫區硬度平均值高于母材和熱影響區。Hu等[14]考察了AZ31鎂合金CMT焊接的電弧特性，試驗過程中采集了電弧圖像和電信號，對于DC-CMT，送絲速度小于5 m/min可獲得穩定的焊接過程；對于脈沖CMT，其焊接電弧在熔池和熔滴之間形成，呈不對稱的鐘形。熔滴的蒸發給了自己一個反沖力，把它推離了焊絲中心線。在中高功率區間內，觀察到了排斥液滴過渡過程。熔滴在熔滴蒸發的反沖力作用下偏離焊絲中心線，脫離焊絲尖端，落在熔池外，影響電弧穩定性。在脈沖CMT模式下，4 m/min的焊接速度可以獲得良好的焊縫和良好的接觸角，可以實現鎂合金的多道次熔覆。

試驗結果表明，CMT焊接在鎂合金焊接中相對于普通焊接方法具有顯著優勢，主要是因為熱輸入較低。但是對于鎂合金CMT焊接工藝參數還需要進行系統研究，擴大各牌號鎂合金焊接工藝參數窗口，并同步建立焊接工藝數據庫，以提高其應用價值。

2.2 焊接接頭的組織與性能研究

焊縫組織與性能CMT焊接質量息息相關，大量研究表明，力學性能優良的焊縫平整、致密、無缺陷，焊縫背面焊合良好。

趙云峰等[15]采用CMT焊接技術對3 mm厚AZ31B鎂合金板材開展CMT對焊試驗，研究顯示，母材、熱影響區和焊縫區的微觀組織存在顯著差異，焊縫區黑色析出物β-Al12Mg17最多，呈小顆粒狀彌散非均勻分布在α-Mg基體組織上。Zhang等[16]采用CMT焊接技術在AZ31B鎂合金薄板上開展堆焊試驗，研究顯示，熔合區由細小的枝晶α-Mg和分散的β-Al12Mg17組成。當焊接速度為14 mm/s時，焊縫區內出現氣孔，熱影響區出現晶粒粗化、β-Al12Mg17析出和局部熔化現象。隨著焊接速度降低，β相在晶界處積累并呈帶狀分布，熱影響區更容易發生液化裂紋。火巧英等[17]在6 mm厚的AZ31B鎂合金板材開展對接試驗，優化后的焊接參數可以獲得良好無缺陷的焊縫，焊接過程穩定。從母材到熱影響區再到焊縫區，析出的β-Al12Mg17相逐漸增多，且析出物多分布于晶界處呈彌散狀分布于基體上，焊接接頭的抗拉強度為212.9 MPa，但是接頭在2×106疲勞試驗次數后疲勞強度降低為其靜載抗拉強度的7.8%。薛海峰等[18]分別采用CMT焊接、MIG焊接和FSW焊接技術在3 mm厚的AZ31B鎂合金板上開展焊接試驗，并對焊縫的顯微組織、力學性能進行對比。結果表明，CMT焊焊接接頭金相組織白色部分為鎂合金基體組織α-Mg，黑色小顆粒狀物質為析出物β-Al12Mg17，黑色析出物是從基體上析出的第二相，從熱影響區到焊縫區，黑色析出物的數量增多，并且黑色析出物多分布在晶界處。CMT焊焊接接頭焊縫區的硬度最高平均約為86 HV，抗拉強度、斷后伸長率明顯高于其他焊接方式，十分接近母材，且斷裂位置發生于母材處。Yang等[19]以CMT焊接技術增材制造了AZ31薄壁墻，分析表明薄壁墻主要由柱狀枝晶組成，包括α-Mg基體、α-Mg和β-Al12Mg17和一些分散的η-Al8Mn5相。薄壁墻試樣平均初生枝晶間距從底部的17 μm增加到頂部的39 μm，枝晶間共晶的體積分數從52.1%減少到39.3%。除表層外，各層的顯微組織依次為垂直柱狀枝晶和變向柱狀枝晶。

在顯微組織上，CMT焊焊接焊縫組織一般均析出第二相β-Al12Mg17，且由于CMT焊熱輸入小，第二相組織尺寸較大；在顯微硬度上，相比于其他焊接方法，CMT焊焊縫組織硬度較高，且硬度分布較均勻，主要是因為焊縫組織均勻；在合適的工藝參數下，CMT焊接接頭抗拉強度高于其他焊接方式。綜上所述，CMT焊接在鎂合金焊接方面具有顯著優勢，具有廣闊的應用前景。

2.3 異種材料的CMT焊接技術研究

目前，對鎂合金、鋁合金CMT焊接技術研究較多，主要集中于焊接材料、焊接工藝以及填充焊絲成分。Madhavan等[20]采用CMT焊接技術將A6061-T6鋁合金與AZ31B鎂合金板進行搭接，分析了工藝參數與焊縫組織、鎂鋁界面及接頭力學性能的關系。微觀組織分析表明，熔深隨焊接電流的增加而增大，脈沖工藝與常規方法相比，接頭強度更高。Wang J等[21]研究表明使用CMT工藝焊接的鎂-鋁焊縫無明顯缺陷，并且添加Si元素可以有力地減少脆性金屬間化合物的產生。Wang P等[22]使用inconel625鎳基合金焊絲，采用CMT焊接技術制備了Mg/Al異種搭接接頭，結果表明焊件抗拉性能明顯優于鋁基焊絲所得焊件，主要是因為鎳元素可有效消除Mg/Al金屬件化合物[23]。陳劍虹等[24-25]分別使用AZ92、AZ61、MnE21焊絲對AZ31B鎂合金板和HDG60鍍鋅鋼板開展焊接試驗，結果表明通過調整焊接工藝參數，三種焊絲均可以獲得良好的焊縫。通過比較焊縫微觀組織、抗拉強度等發現AZ61焊絲在鎂-鋼異種金屬的焊接最為優異。王濤等[26]采用CMT焊接技術對1mm厚的AZ31B鎂合金及工業純鈦TA2薄板開展試驗，結果表明，鎂/鈦異種金屬焊接時，應將鎂合金板置于下層，同時需提供足夠的熱輸入量以保證鈦母材熔化以及促進鈦原子、鎂原子擴散，提高焊縫結合強度。王岑等[27]借助ABAQUS軟件構建了鎂/鈦異種金屬搭接接頭的有限元模型，對鎂/鈦異種金屬CMT焊接過程溫度場進行數值仿真，分析溫度場的變化規律，并將試驗數據驗證仿真結果。研究顯示，鎂/鈦兩側的溫度場分布不對稱，以焊縫為中心，鎂板側溫度迅速上升，峰值溫度高出鈦板側，且下降速度更快，主要是因為鈦合金的熱導率遠低于鎂合金。隨著送絲速度的增加，峰值溫度升高，達到鈦合金的熔化溫度，鈦的熔化量也就隨之增加，鎂鈦連接界面反應量增大，焊接結合越致密。景敏[28]采用CMT焊接技術對鎂合金及工業純銅進行搭接試驗，通過調整送絲速度、焊接電流、焊接電壓等工藝參數并考察其對焊接接頭微觀組織和力學性能的影響。送絲速度在8 m/min~ 10.5 m/min區間內，力學性能優異，強度達到Mg/Mg接頭的90%以上。曹睿等[29]采用CMT焊接技術開展了3 mm AZ31B鎂板和3 mm厚的Q235鋼板的對接試驗，獲得成形較好的焊縫，焊接接頭為釬熔焊接頭，靠近鎂側和鋼側分別為熔焊接頭、釬焊接頭，釬焊接頭有坡口面上的鎂與裸鋼板接頭和鍍鋅鋼板上表面的鎂/鍍鋅鋼的接頭。Zhang等[30-31]采用CMT技術實現了鎂合金與鍍鋅鋼的連接，研究了不同焊接熱輸入條件下鎂/鋼接頭在不同工藝參數下的焊縫形貌、微觀組織與力學性能。結果表明焊接接頭具有良好的焊縫外觀。當焊接熱輸入為141 J/mm時，Zn元素在富鋅區富集，界面層由大部分Mg-Zn相和少量Mg-Al相組成。焊縫區中的Zn元素隨著焊接熱輸入的增加而減少，界面層出現Fe/Al相，焊接接頭強度提高。當焊接熱輸入為159 J/mm時，接頭抗拉強度高達198 MPa。然而，當焊接輸入增加到181 J/mm時，焊縫區中的Zn元素燃燒揮發嚴重，導致鋼的界面區液相潤濕性和擴散性較差。

鎂合金與異種金屬焊接具有廣闊的工程應用價值，Mg-Al異種金屬之間的CMT焊接研究最先開展且最多[32-34]，其余金屬均有涉及。通過調整焊接工藝可以獲取較好的焊接形貌以及力學性能，異種金屬之間焊接最關鍵的制約因素是易產生金屬間化合物[35]，Mg-Al合金之間也不例外，目前的處理方法主要有選用鎳基焊絲、焊絲中添加Si元素等措施。關于鎂合金和其他金屬連接的研究尚處于實驗室階段，而且只能進行簡單結構焊接，對于復雜結構異種金屬的焊接還需深入研究與工程實踐。

3 結論與展望

近年來，鎂合金產品的開發和應用愈發廣泛，鎂合金的連接問題也受到廣大學者的關注，許多高效、便捷、環保的焊接方法也應運而生。CMT焊接技術，因其低熱輸入量和穩定過渡的焊接特點，已被廣泛用于軍工、航空航天和汽車制造等領域，尤其是在輕合金的焊接方面具有普通焊接無法比擬的優勢。鎂合金的CMT焊接技術有效地改善了焊縫成形效果，降低了焊接變形和焊接應力的程度，但是仍存在一些問題，以下幾個方面需要進行重點關注：

1）在CMT焊接工藝方面，研究主要集中于工藝對接頭組織性能的影響，以及通過各種方法對焊接接頭進行后處理以提高其力學性能，對CMT焊接機理的研究還比較少。未來的研究除了應該繼續完善焊縫組織的細化成形理論之外，還應著重開展對其抗腐蝕性、耐磨性以及疲勞強度等性能的系統分析，以找到更有效的提高鎂合金焊接接頭力學性能的方法。

2）接頭組織的各項性能與焊縫金屬的塑性流動狀態直接相關。目前，金屬組織的流動機制的研究還未有重大進展，因此，加強對塑性流動機制的探索，通過數值模擬與試驗分析相結合的分析塑性流動規律將是未來工作的重點。

3）金屬間化合物的存在，CMT焊縫熔深淺，對CMT Advance、CMT+Pluse和雙絲CMT的研究較少，因此還需要廣大科研工作者做進一步的研究。

4）超聲輔助焊接已在鎂合金焊接過程中展現出了突出的作用。但是目前關于超聲振動輔助CMT焊接鎂合金的報道較少，因此還需要進一步研究超聲輔助鎂合金焊接機理，將超聲能量的作用發揮到最大，以更好地發揮CMT技術在鎂合金焊接過程中的作用。