鎂合金焊接修復技術研究進展

楊紅軍，江宏亮，梁 濤，劉 維，唐字強，薛 原

（中國人民解放軍32256 部隊，湖南郴州 423026）

0 引言

鎂合金是最輕的工程結構材料，具備儲量豐富、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[1-2]。但是由于鎂合金特殊的晶體結構，使其鑄造性能和冷加工性能較低，使鎂合金零部件的制造工藝變得復雜，尤其在幾何形狀復雜的汽車以及航天工業中。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。但是由于鎂合金熔點低、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[3]。

依據焊接過程中母材是否熔化，焊接修復方式可分為熔焊和固相焊，熔焊過程中母材部分熔化，固相焊焊接時母材不熔化。本文將對鎂合金熔焊修復和固相修復研究現狀進行綜述，指出各種修復方法的優缺點，為鎂合金焊接修復技術的深入研究提供參考。

1 熔焊修復研究進展

1.1 鎢極氬弧焊

TIG（Tungsten Inert Gas，鎢極氬弧焊）在惰性氣體保護下進行，通過電弧熱量熔化母材和焊絲。該方法熱影響區小，焊縫質量好；設備簡單，使用簡便，成本低，易實現自動焊接[4]。

印度Rose 等[5]結合脈沖TIG 焊脈沖電流、基值電流、脈沖頻率和脈沖開啟時間等工藝參數，利用方差分析和回歸分析等統計工具建立了預測脈沖TIG 焊AZ61A 鎂合金抗拉強度的經驗關系式，該關系式在95%置信水平下可有效預測脈沖TIG 焊焊接AZ61A 鎂合金接頭的抗拉強度。脈沖電流對拉伸強度的影響最大，其次是脈沖開啟時間、脈沖頻率和基值電流，最大抗拉強度達母材的73.6%。印度Subravel 等[6]研究脈沖頻率對AZ31B鎂合金脈沖TIG 焊焊接接頭拉伸和組織特征的影響，試驗中使用2～6 Hz 不同水平的脈沖頻率制作了5 個接頭。研究發現，脈沖頻率對AZ31B 鎂合金接頭的抗拉強度、晶粒度和熔合區硬度有顯著影響，采用5 Hz 脈沖頻率制備的接頭具有較高的拉伸性能，熔合區晶粒細小，硬度較高，析出物分布均勻。加拿大Peter 等[7]對雙道次TIG 焊焊接前后ZE41 鎂合金的組織、力學性能和疲勞強度進行了研究，以了解焊接工藝與焊縫組織和機械強度的關系。結果表明，焊接接頭基體、熱影響區和焊縫區分明，焊縫區組織是均勻等軸晶，硬度高于基體，熱影響區因晶粒粗化導致硬度稍有降低。王向杰等[8]對壓鑄AZ91D 鎂合金TIG 焊氣孔的形成機制進行研究，探討熱輸入與焊縫氣孔形成關系。結果顯示，自熔焊氣孔缺陷較多，宏觀氣孔集中于焊縫中部，微小氣孔集中于焊縫近表皮和熔合線附近。焊接過程中添加稀土元素Nd 或者擠壓態鎂合金能夠明顯降低焊縫氣孔率和氣孔尺寸，但不能徹底消除氣孔。茍軍等[9]考察了添加錫對TIG 焊焊接AM60鎂合金板材組織及力學性能的影響。結果表明：向AM60 鎂合金中添加1%的錫后，其焊縫的硬度和接頭效率均提高，抗拉強度接近母材，斷裂位置發生在熔合區。

1.2 熔化極氬弧焊

MIG（Metal Insert Gas，熔化極惰性氣體保護焊）以焊絲為熔化極，在惰性氣體保護下進行焊接[10]。MIG 焊作為最常用的焊接技術之一，具有搭橋能力強、焊縫成形美觀、易于實現自動化控制、焊接質量好等優勢。

Rethmeier 等[11]較早對鎂合金MIG 焊開展試驗，結果表明鎂合金的MIG 焊實用可行。但是在焊接過程中，必須夾緊工件以避免熔池突然晃動；金相分析表明，元素分布均勻，焊接過程中無元素損失，焊縫熔敷稀釋度為50%；焊接接頭的靜強度與母材基本相近。Viswanathan 等[12]采用交流脈沖惰性氣體保護焊（AC-P-MIG）對AZ31B 鎂合金板材開展了焊接試驗，研究了鎂合金焊接接頭的宏觀形貌、抗拉強度、顯微硬度和腐蝕速率。結果表明，在一定的工藝參數下，采用脈沖MIG 焊可以成功地焊接鎂合金板材，接頭的平均抗拉強度為81.34 N/mm2，顯微硬度平均為67.62 HV，接頭在焊縫區中部發生脆性斷裂，焊接接頭的腐蝕速率為11.2 μm/年。王鵬等[13]使用脈沖MIG 焊焊接技術，對AZ31B 鎂合金板材的焊接性展開研究。結果顯示，在最佳工藝參數下，應用脈沖MIG 焊技術可以在無坡口的情況下，實現鎂合金單面焊接雙面成形，得到良好無缺陷的焊縫。焊縫區組織大部由均勻細小等軸晶構成，硬度值顯著高于母材，接頭抗拉強度可達母材的95%以上。劉佩葉等[14]探討了工藝參數對AZ31鎂合金MIG 焊焊接熔滴過渡、焊縫成形、組織和性能的影響。結果顯示，當電流大于180 A 時，焊縫成形良好。當電流增大時，電壓減小，熔寬、熔深、余高均增加，但深寬比減小。焊縫的晶粒遠小于熱影響區的晶粒，隨著線能量增大，焊縫以及熱影響區晶粒尺寸增大，硬度降低。王譽靜[15]采用激光－MIG 復合焊技術對AZ33 鎂合金薄板開展了焊接試驗，研究了焊接工藝參數與焊縫成形的關系。對接試驗表明，選擇優化后的工藝參數可以獲得良好的焊縫，從焊縫中心到熔合線，組織依次為細小等軸晶、柱狀晶，且由于鎂合金散熱快，熱影響區晶粒粗化不明顯；同時用AZ63 焊絲進行對接試驗，結果發現由于焊絲中Al 元素含量的升高，接頭強度有所增加。

1.3 電子束焊

電子束焊接（Electron beam welding，EBW）是利用高加速電壓將電子加速到0.5～0.7 倍光速，并在電子槍中將電子匯聚成能量密度高達106W/cm2以上的電子束，聚焦的高能電子熔化焊件進行連接的方法，屬熔焊中高能束焊的一種[16]。電子束焊能量密度高，焊縫深寬比大，可準確地控制焊接參數，穩定性高重現性好，廣泛應用于航空航天領域和國防工業。

中國臺灣學者Chi 等[17-18]對不同AZ 系列的鎂合金開展EBW焊接試驗，研究聚焦電流、加速電壓、焊接速度和聚焦位置與焊接形貌、顯微組織和焊接接頭抗拉強度的關系。應力集中和無應力集中情況下抗拉強度分別可達母材的78%和91%。束流振蕩、焦點位置、應力消除、材料屬性、束流、焊接速度和加速電壓的大小對焊縫成形影響從大到小。其中非振蕩光束、底部聚焦和無應力消除通常是最佳選擇。其可焊接性遵循AZ61A、AZ91D、AZ31B 的順序，主要由沉淀物和缺陷的分布決定。研究表明，焊縫缺陷的危害程度依次為裂紋（空洞）、咬邊（根部凹陷）和氣孔。王文先等[19]對10 mm 厚的AZ31B 鎂合金板材開展了真空電子束焊接試驗，結果表明，焊縫區域為單相α－Mg且晶粒明顯細化，焊接接頭的抗拉強度和屈服強度均略高于母材，疲勞強度達到母材78.4%。王雅仙等[20]用真空電子束焊接方法焊接85 mm 厚的AZ80－Ce0.9 鑄態鎂合金，研究表明，該工藝可以獲得良好的焊接接頭，焊縫區晶粒尺寸為5～10 μm，晶內存在點狀Al3Ce 相，其尺寸和數量都比母材小，且焊縫區硬度顯著高于母材，焊接接頭拉伸斷裂均發生在母材位置，抗拉強度、伸長率都優于母材。陳金秋等[21]通過改變加速電壓、電子束流、聚焦電流和焊接速度等參數研究了電子束焊接11 mm 厚AZ31 鎂合金擠壓板焊縫宏觀形貌的影響規律。研究顯示，保持其他參數不變，規律提高加速電壓或電子束流時，焊縫的熔深和熔寬逐漸增大，且電子束流對其影響效果更加明顯。隨著焊接速度增大，焊縫的熔深和熔寬均減小。熱輸入量對接頭的組織和性能有重要影響，焊接線能量增大，α－Mg 晶粒尺寸增大，β 相在晶內和晶界處析出量逐漸增多。焊接接頭硬度值分布為焊縫區高于部分熔化區和母材，增大焊接線能量，焊縫區硬度值呈下降趨勢變化。

1.4 激光焊

LBW（Laser Beam Welding，激光焊接）以高能量密度的激光束作為熱源實現快速焊接[22]。激光焊接熱量集中、熱輸入低、熱影響區窄、焊后變形小，是當今先進的制造技術之一。

Abderrazak 等[23]結合各種模型和概念，研究了AZ91 鎂合金Nd:YAG 激光焊接過程中氣孔的形成和焊縫的形狀。結果表明，隨著焊接速度的提高，焊縫寬度和熔合面積都減小。在部分熔透的情況下，熔深與焊接速度呈負相關。此外，還建立了回歸模型預測了激光功率的過度降低或離焦距離的增加會降低表面功率密度，從而使焊接模式從完全穿透的小孔轉變為部分穿透的小孔，然后轉變為傳導模式。Padmanaban 等[24]設計了激光功率、焊接速度和焦點位置三因素的正交試驗制作了9 個焊接接頭。并對焊接接頭的拉伸性能展開研究，并與焊縫區組織和硬度進行了關聯。結果表明，采用2500 W 激光功率，焊接速度為5.5 m/min，焦點位置為-1.5 mm 得到的焊接接頭抗拉強度達到212 MPa，屈服強度達170 MPa。焊縫區細小晶粒的形成、較高的熔合區硬度和均勻分布的細小析出相是這些接頭具有優異拉伸性能的主要原因。陳宏[25]通過焊接試驗獲取了最佳的ZM5 鑄造鎂合金的堆焊修復工藝參數，研究了工藝參數與焊縫成形關系，成功實現了薄壁鑄件缺陷的有效修復；在焊接過程中添加Gd 元素能使晶粒尺寸從13.5 μm 細化到4.8 μm，涂層的高溫服役性能顯著增強。王鑫等[26]考察了AZ33M 變形鎂合金激光焊接工藝及焊縫接頭的組織和性能，結果表明，通過調整焊接功率、焊接速度和離焦量可以獲得力學性能與母材基本一致的焊接接頭；焊接接頭的焊縫邊緣晶粒形態大部分為柱狀晶；焊縫中含有α－Mg，Mg17Al12，MgZn，MgZn2，Mg7Zn3等5 種物相；中等功率焊接的焊接接頭抗拉強度均能超過母材的95%，該變形鎂合金焊接性能較優異。文獻[27－29]研究了超聲輔助激光焊接，結果表明超聲輔助會引發空化效應、聲流效應和機械攪拌熔池，尤其是在焊接速度較小時有非常好的細化晶粒改善力學性能作用，當焊接速度較大時，熔池冷卻速度較快，熔池內氣體來不及逸出，此時對改善缺陷效果不大。

2 固相修復研究進展

2.1 攪拌摩擦焊

FSW（Friction stir welding，攪拌摩擦焊）是一種高效的固相連接工藝，具有快速、精確、能避免熔焊因液相存在導致的氣孔、裂紋、夾渣等，目前廣泛應用于造船、鐵路運輸、汽車、小部件制造等領域[30-31]。該技術利用一個帶有軸肩的攪拌針，焊接過程中攪拌針插入工件并沿著焊縫中心線移動，軸肩與工件表面摩擦產生溫升同時向熔池施加壓力形成自封閉焊區。焊接過程中材料同時經歷強化和動態再結晶的現象，而且母材不會熔化，從而能以相對較低的溫度并產生低殘余應力的高質量焊縫。Kouadrihenni 等[32]研究了FSW 焊焊接AZ91D 鎂合金，并沿焊縫中心向兩側分別為焊核區、熱力影響區、熱影響區。焊縫區主要由α-Mg 相組成，β-Mg17Al12沉淀于晶界附近，平均晶粒尺寸為14～16 μm 左右。熱影響區的共晶相（α-Mg+β-Mg17Al12）均衍變為α-Mg 相，沉淀主要集中在基體中的晶界附近。研究結果表明，焊接主要是由于動態再結晶現象導致焊縫區晶粒大幅度減小，同時沒有織構的母材在熱力影響區和攪拌焊接區出現晶體學織構，后者具有基面和棱錐面兩組分明顯的紋理特征。FSW 焊不僅可應用于同種鎂合金板焊接，還可以應用于相異牌號鎂合金焊接。文獻[33-35]均成功實現了低鋁鎂合金和高鋁鎂合金搭接，分析了搭接方式和工藝參數對焊縫成形的影響。在優化的工藝參數下，熔核區內含有細小晶粒和分布β-Mg17Al12相，獲得了良好的冶金接頭。異種牌號鎂合金焊接時，一般應將含鋁量高的鎂合金放在前進側，這樣更容易獲得高質量的接頭，主要是因為金屬從前進側流向后退側更為容易，但是后退側的接頭比前進側更為光滑。劉冬冬[36]對10 mm 厚Mg-Gd-Y 鎂合金板材開展FSW 單面焊和雙面焊焊接，通過調整焊接工藝參數，成功實現該牌號鎂合金FSW 對接單面焊和雙面焊，抗拉強度和屈服強度均達母材84%以上，相對而言，雙面焊力學性能高于單面焊；同時成功實現12 mm 厚AZ31 鎂合金攪拌摩擦T 形焊，接頭的抗拉強度達母材的73.4%，抗彎強度均超過母材的72%，力學性能較好。侯晶等[37]研究了1.5 mm 厚AZ31B 鎂合金高轉速攪拌摩擦焊接工藝以及組織性能，結果表明，轉速穩定為6000 r/min 時，當焊接速度從600 mm/min 降低至100 mm/min，焊接接頭隧道型孔洞缺陷消失；焊接速度穩定為600 mm/min 時，在2000～4000 r/min 轉速區間內可獲得無缺陷的接頭。拉伸測試結果表明，6000 r/min～100 mm/min 焊接工藝下接頭的抗拉性能最優，達到母材強度的87.92%。王向杰等[38]以鑄造固溶態ZK60 鎂合金為研究對象，探討FSW 焊焊接ZK60 鎂合金的微觀組織演變與接頭彎曲性能和斷裂行為的關系。結果表明，焊接后焊縫區晶粒尺寸顯著減小，平均晶粒尺寸從59 μm 降低至4 μm。FSW 焊接頭的彎曲性能遠高于母材樣品，且面彎樣品的彎曲強度高于背彎樣品。經過大撓度彎曲變形后ZK60 母材及面彎試樣都發生開裂，但背彎樣品中未見裂紋的萌生和擴展。

2.2 釬焊

釬焊（Brazing）用比母材熔點低的金屬材料作為釬料，通過加熱使溫度介于母材和釬料熔點之間，釬料熔化潤濕母材、填充接頭間隙，并與母材相互擴散而實現焊件連接的方法，屬于固相/液相焊接[39]。與熔焊相比，釬焊具有能耗低、接頭殘余應力小、母材焊后變形小、結構適應性強等一系列優點。日本Watanabe 等[40]研制出了熔點低于490 ℃含CaCl2、LiCl、NaCl 的鎂錫系釬料，在釬焊之前使用含鹵素離子的水溶液中浸泡板材表面，可提高鎂合金的可焊性。通過表面處理，釬焊可以得到與母材相當的高強度釬焊接頭。7 年之后，Watanabe 等[41]采用超聲振動法成功在空氣中釬焊鎂合金，得到焊接接頭抗拉強度達母材86%，部分拉伸試樣在基體位置斷裂。這是因為在超聲釬焊過程中，熔化的釬料滲入到接合面氧化膜的裂紋中，基體與氧化膜摩擦分離，導致氧化膜從接合面上脫落。合理選擇超聲振動時間可以高效地分離和去除結合面上的氧化膜。但是超聲波振動作用時間過長，會造成釬焊層空洞等缺陷，降低接頭強度。王立志[42]研發了用于釬焊AZ31B 鎂合金的Mg－Al－Zn 釬料，并且設計了釬焊裝置，而后開展釬焊試驗并對顯微組織和接頭性能分析，釬料潤濕性和鋪展性好，耐蝕性高于母材，但是抗拉強度較低。谷勤霞[43]設計了釬料合金系統，研制了釬焊鎂合金的釬料合金，試驗結果表明：最佳工藝參數為溫度380 ℃，保溫時間15 min。釬縫中Al 多以固溶體的形式存在，母材中Mg 和釬料中的Zn 發生了相互擴散并形成共晶組織。辛本寶[44]研制了AZ31B 鎂合金低熔點釬劑，通過進行釬料鋪展試驗，完成釬劑組元的篩選、釬劑配方的設計和優化，成功研制了適用于鎂合金低溫釬焊的低熔點釬料。

表1 是鎂合金典型焊接修復方法焊接接頭室溫力學性能對比。如表1 所示，熔焊開發應用較早，但是易產生凝固裂紋、液化裂紋和應變時效裂紋；攪拌摩擦焊成本較高，對復雜結構焊接適應性差；釬焊低熔點共晶相的形成降低高溫性能。因此，針對不同焊接修復需求選擇合適的焊接修復方法和工藝參數非常重要。

表1 典型焊接修復方法焊接接頭室溫力學性能 MPa

3 結論與展望

開展鎂合金先進焊接修復技術的研究和應用，可以提高其焊接接頭性能、使用壽命，擴展應用領域。國內外學者針對多種鎂合金開展了焊接試驗，分析了不同焊接方法和工藝參數下的焊縫成形、宏觀組織、界面形貌，以及金屬間化合物的厚度、種類、形態以及分布特征等，測試了接頭的硬度、拉伸性能和斷口形貌。在此基礎上，一些學者嘗試通過在水中[45]或液氮[46-47]中開展焊接試驗，或采用施加激光或者超聲振動等的改型方法，均有一定效果。然而，鎂合金的常規焊接和改型焊接仍存在一些亟待解決的問題，同時也面臨著新的發展機遇，未來應在以下4個方面開展深入研究。

（1）截至目前，試驗仍然是開展鎂合金焊接修復研究的重要手段。未來應充分考慮鎂合金焊接特點，建立完善的多物理場耦合模型。通過采用數值模擬等方法，定量分析工藝條件和參數對焊接過程和焊接質量的影響規律和機制，深入研究鎂合金焊接的機理。在此基礎上建立系統完整的鎂合金焊接工藝和參數數據庫系統，實現組織焊縫質量的準確預測與精確調控。

（2）目前評價鎂合金焊縫組織性能主要集中于金相成分、硬度、抗拉強度等，未來的研究還應著重開展對其耐腐蝕性、耐磨性以及疲勞強度等性能的系統分析，以建立更為客觀完善的焊接質量評價體系。

（3）焊縫的組織性能與焊縫金屬的塑性流動狀態直接相關，目前金屬組織流動機制的研究較少。因此應加強對塑性流動機制的研究，總結塑性流動規律。

（4）超聲振動已在鎂合金焊接過程中展現出了突出的作用。未來應著重深入研究超聲振動能場與鎂合金焊接熱力過程的耦合機制，獲得超聲功率與鎂合金焊接熱力參數的最佳匹配范圍，將超聲能量的作用發揮到最大，以達到最佳的接頭組織與性能。