镁合金焊接技术研究

镁合金是一种能够满足各种行业需求、发展前景可观的轻质材料, 由于其巨大的发展潜力和应用优势, 已在各类工业生产领域中受到高度重视。随着镁合金应用技术的发展和应用领域的拓展, 镁合金的连接问题必将成为广大冶金和制造科研及产业工作者今后关注的热点。因此, 对镁合金焊接进一步深入研究在学术方面和技术经济方面都具有十分重要的意义。

1 镁合金的焊接方法

镁合金的焊接方法很多, 如钨极氩弧焊、电子束焊、激光焊接等, 下面分别介绍镁合金的焊接现状。

1.1 钨极氩弧焊

钨极氩弧焊是目前广泛采用的焊接镁合金方法, 氩弧焊本身具有焊缝成型良好、钨极电弧稳定、氩弧焊设备简单、价格便宜等优点。但钨极氩弧焊单道熔深较浅、生产效率低, 而且镁合金热膨胀系数大, 容易产生焊接裂纹、焊后变形等缺陷。另外, 钨极氩弧焊的焊接参数对接头影响较大, 电流太小或太大都会在焊缝处产生一定的缺陷。在镁合金钨极氩弧焊的焊接接头组织研究方面, 由于镁合金的导热系数大, 散热快, 可以促进焊缝区金属的快速凝固, 细化晶粒, 所以一般得到的焊缝区晶粒细小, 属于典型的铸造急冷组织。但TIG焊时加热功率大, 热影响区吸收的热量多, 容易得到比较粗大的晶粒, 接头强度和延伸率都低于母材, 断裂主要发生在热影响区, 表明热影响区的粗大晶粒导致了镁合金焊接接头的断裂。

1.2 电子束焊

电子束焊接是在真空环境中利用会聚电子束流轰击焊件连接部位产生热能, 使被焊金属融合的一种新型熔焊方法, 但由于镁蒸气压高, 容易在焊点根部形成空洞。由于锌的蒸汽压更高, 对于含锌量高的镁合金, 一般不能采用电子束焊接。因此, 要严格控制工艺条件以防止产生这种空洞以及产生局部过热。当采用合适的焊接参数对镁合金进行电子束焊接时, 可以得到表面光滑、无缺陷、气孔和裂纹的焊缝, 由于电子束焊接输人热量小、热影响区小, 组织变化不大, 接头的拉伸性能和冲击性能优良。但是电子束焊接存在成本高、真空室限制工件尺寸等缺点, 使其在镁合金的焊接应用上受到很大限制。

1.3 激光焊接

激光焊以高能量密度的激光作为热源, 对金属进行熔化形成焊接接头。激光焊具有能量集中、热输入低、焊道宽度和热影响区窄、焊接变形小以及易于实现自动化等优点, 而且避免了在电子束焊接时不可在大气中进行焊接的缺点。激光焊接是一种高能密度的焊接工艺, 焊接镁合金可以有效地防止传统焊接工艺产生的缺陷, 焊接接头组织明显细化, 焊缝力学性能显著提高。激光焊接变形小, 而且接头强度几乎与基体相当, 适当地调整工艺参数可消除空洞及穿透现象。但激光器一般都比较小镁合金表面对激光束的吸收率很低, 深熔焊时存在问题, 在工艺上有一定的难度。同时, 激光焊生产工艺较复杂, 成本亦较高这成为其推广应用的障碍。

1.4 电阻点焊

电阻点焊是镁合金连接方法中有较大应用潜力的一种方法, 属于机械化程度及生产率较高的焊接方法。电阻点焊时熔核周围被高温塑性金属环包围, 与外界气体隔绝, 能防止空气中气氛与熔核中的金属发生冶金反应, 从而实现在无保护条件下进行焊接。由于镁合金的特点, 其在点焊过程中对焊接热输入和电极压力等工艺参数变化的敏感程度要远远高于其他金属, 而且电阻点焊接头质量对焊接部位的污染物非常敏感。所以在焊接镁合金薄板时一定要注意压力以及表面清洁度的控制。

1.5 激光-电弧复合焊接

激光-电弧复合焊接是利用激光与电弧两种复合热源焊接镁合金。激光-电弧复合焊接工艺克服了镁合金激光焊接时镁合金表面吸收率低的缺点。当激光束与熔融液态金属作用时, 激光90%左右的能量被材料吸收, 仅有少量激光束被反射掉。激光-电弧焊复合热源焊接将激光焊与氩弧焊有机结合起来, 充分发挥各自优点, 且进一步提高其综合性能。采用激光-电弧复合热源焊能在较宽的工艺参数范围内工作得到的接头成型美观, 接头的拉伸强度、疲劳强度甚至能达到母材强度。但其焊接过程比较复杂, 不便调节和控制, 且其还存在焊接镁合金薄板时变形比较严重以及钨极在高温下易烧损、起弧不稳定等缺点。

1.6 搅拌摩擦焊

镁合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成, 焊接接头不产生凝固冶金有关的焊接缺陷和焊接脆化现象。由于压力和扭矩共同作用于焊材表面及其近区, 产生了一些力学冶金效应, 如晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布, 以及搅拌摩擦焊接对表面的清理作用等、焊缝区晶粒细化, 无熔化焊的树枝晶, 无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷, 综合性能良好。焊接过程中不产生火花、飞溅、烟雾、弧光、高频和有害气体等对环境和人体产生影响的污染源。不需要特殊的焊接电源和填加焊接材料, 因此是一种节能、低耗的焊接方法。由于是固相焊接工艺, 加热温度较低, 焊接热影响区显微组织变化小, 焊后的残余应力和变形非常小, 对于薄板镁合金焊后基本不变形。焊缝力学性能对外界不敏感, 与母材的相当。

2 镁合金的焊接研究展望

镁合金在工业上的大量使用, 使得镁合金的连接技术成为解决镁合金应用的迫切问题, 各种焊接方法的研究都会得到广大研究者的进一步关注。从目前来看, 镁合金焊接的研究重点主要有这几个方面:加强镁合金焊接基础理论研究, 如何提取焊接过程的控制信号和根据熔池及电弧的特征控制焊接过程, 急需开发镁合金异种材料焊接技术, 研制高质量的镁合金焊接材料和建立一套质量评价标准并利用模拟技术对接头性能、使用寿命等进行预测等。

摘要：镁合金在航空航天、汽车、电子等领域具有广阔的应用前景, 但焊接技术已经成为制约其应用的技术关键。本文分析了镁合金焊接的主要问题和研究现状, 并对镁合金焊接研究及应用进行了展望。

关键词：镁合金,摩擦焊,激光焊,电子束焊

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