本站原创摘 要：镁合金作为21世纪最具发展潜力的轻金属,对它的开发应用得到了广泛的关注,镁/铝异种金属的焊接是目前焊接领域的热点.文章概述了镁/铝异种金属焊接特点、常用焊接方法的研究现状及新研发的焊接方法,认为有效控制接头金属间化合物的形态、分布、大小将是未来对镁/铝异种金属焊接研究的主要方向.
关 键 词：镁合金；铝合金；异种金属焊接
中图分类号：TG456文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）16-0153-03
1概述
进入21世纪以后,资源和环境的平衡以及可持续发展已经成为人类的首要问题,节能和环保已经成为现代产业的突出特点.镁合金作为目前世界上最轻的金属工程结构材料,具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振降噪能力强、电磁屏蔽性能优异、抗辐射、切削加工和热成型性好、可焊接,对碱、煤油、汽油和矿物油具有化学稳定性,易于回收利用等优点.镁合金在汽车、摩托车等交通工具、仪器仪表、电子电器、化工冶金、航空航天、国防军工等领域获得了广泛的应用.镁合金作为一种结构材料,在工程实际应用上就要考虑其连接的问题,焊接是最常用的连接方法.镁合金自身特性决定了焊接性能较差,难以实现可靠连接.目前镁合金焊接技术已成为了一个世界性的技术问题.
铝合金具有比强高、延展性好、导电性好、抗腐蚀性好,又便于回收再利用等特点,在很大程度上满足了现代工业对轻质、高强、节能方面的要求,特别是航空航天、汽车制造等行业,铝合金已经成为应用最广泛的有色金属.铝合金作为应用广泛的轻金属其主要的连接技术是焊接,并且对常规焊接方法的研究已经比较成熟.
镁和铝作为两种最具有应用前景的有色轻金属,对它们交叉使用的研究是十分必要的,如果要实现镁/铝异种金属结构的有效连接,焊接将成为其主要的连接方法.这样也会扩大镁合金、铝合金结构件在高新技术领域的应用.
2镁/铝异种金属的焊接特点
在镁/铝异种金属的焊接过程中往往存在熔化和结晶的过程,而且生成的金属间化合物会对接头性能产生关键性的影响.镁/铝异种金属的焊接特点主要有下面的几点：
（1）镁和铝极易氧化.Mg和Al均属于活泼金属,很容易与氧结合形成MgO和Al2O3氧化膜,尤其是Al2O3结构致密且熔点很高（2050℃）,很难将其去除.这不仅阻碍两种金属的连接,而且使接头区容易产生夹杂、裂纹等缺陷,使接头结合性能变差.
（2）镁和铝液态时相互溶解度小.由于镁是密排六方结构,铝是面心立方结构,两者晶体结构的不同是两者之间相互溶解度差的主要原因之一.由于相互溶解度比较低使得两种金属很难形成熔合区,难以形成有效的结合.
（3）镁和铝在高温时气体溶解度大.镁和铝在高温时均能溶解一定量的气体,而在固态时溶解度则很低,这容易使得熔合区在凝固时氢来不及逸出而产生气体,使熔合区塑韧性降低.
总的来说,镁/铝之间的相互溶解度、熔点和线膨胀系数相差都较大,在两者之间很容易形成氧化膜,而且镁具有比较大的热脆性.采用一般的焊接工艺方法容易产生裂纹和气孔等焊接缺陷,而且在焊缝中易形成大量的镁/铝系的脆性金属间化合物,因此实现两者之间的焊接十分的
困难.
3镁/铝异种金属的焊接研究现状
目前对镁/铝异种金属的焊接研究,主要是对焊接方法、焊接参数、填充材料及接头组织性能的的研究.就目前而言主要使用的焊接方法是熔焊和固相焊,比如钨极氩弧焊、CMT焊、激光焊、搅拌摩擦焊及扩散焊.
3.1熔焊
使用熔焊的方法焊接镁/铝异种金属是目前最经济也是最实用的焊接方法.而且由于熔焊的灵活性比较强,可以根据被焊材料的不同而选择不同的熔焊方法.但是使用熔焊的方法焊接镁/铝异种金属时,在焊缝熔合区会形成高硬度的镁/铝系金属间化合物,它会使接头的脆性增加、力学性能降低,而且会在热影响区产生较大的变形和裂纹.
大连理工大学的刘飞、张兆栋等人采用普通的TIG焊电弧作为热源,对AZ31B镁合金/6061铝合金异种金属进行填加锌焊丝的对接试验.实验结果表明,锌的熔点低焊接过程中易蒸发,容易在焊缝正面形成少量凹陷或在焊缝中形成零散气孔,由于铝侧锌丝的蒸发损失更加严重,这样铝基焊缝的余高低于镁基.通过电子探针（EPMA）的分析发现焊缝主要是由MgZn2与少量的铝、锌的固溶体构成的,并且在焊缝和铝基之间不存在明显的过渡层,但是和镁基之间存在20～100μm的过渡层.通过显微硬度测试发现焊缝的硬度比铝合金和镁合金母材都要大,拉伸试验表明对接接头的抗拉强度达到了75MPa,断裂均发生在靠近镁基的一侧.
兰州大学的R.Cao、B.F.Wen等人采用冷金属过渡技术（CMT）,使用直径1.6mm的4047铝合金焊丝实现1mm厚的AZ31B镁合金与A6061-T6铝合金之间的焊接.CMT技术把焊丝的送进和熔滴过渡结合起来,依靠焊丝的回抽使得熔滴脱落,这样使得焊接热输入和飞溅均可控制,减少了IMP（脆性金属间化合物）的形成,进而可提高接头的强度.实验结果表明AZ31B与A6061-T6焊接会在接头区产生大量富镁的金属间化合物如γ-Al12Mg17和β-Al3Mg2.而焊缝金属和镁合金侧的熔合区主要有富镁的金属间化合物（γ-Al12Mg17）组成,它会使接头软化,而且它是降低接头强度的主要因素.如果要想改善接头的强度,减少接头处的富镁金属间化合物（γ-Al12Mg17）是至关重要的一点.
北京工业大学的李慧、钱鸣等人采用激光技术对AZ31B镁合金和6061铝合金进行了搭接焊接,在使用适当的激光加工参数的情况下可以得到没有裂纹的镁/铝异种金属的搭接焊缝.实验结果发现：在搭接接头的边缘会有不同的Mg/Al系金属间化合物在焊缝中弥散的分布,但是并不是以简单的金属间化合物层的状态存在的.由于镁元素在焊缝中浓度梯度的变化,在焊缝中各区域所形成的Mg/Al系金属间化合物的类型也是不同的.由于在焊缝中的Mg/Al系金属间化合物是不可避免的,因此焊缝的脆化现象还是存在.多种的金属间化合物在焊缝区的分布使得其成为焊接接头的薄弱部位.采用传统的熔焊方法焊接镁/铝异种金属时,容易产生热裂纹、合金元素烧损和焊缝区软化等问题.重庆大学的刘蒙恩、盛光敏使用瞬间液相过冷连接工艺连接AZ31镁合金和5083铝合金,过冷工艺通过在界面处产生的成分过冷,破坏了传统的TLP工艺的界面平衡状态,使凝固过程具有了不平衡结晶的特征,加快了等温凝固过程.研究了保温扩散时间对焊缝微观组织及力学性能的影响,研究发现：随着保温时间的延长,熔合扩散层逐渐增厚,并且扩散层的组织和成分更加均匀；采用2MPa恒压的情况下,随着保温时间的延长,抗拉强度逐渐增大,但抗拉强度的增长趋势逐渐的减小,当保温时间为30min时抗拉强度最高达到20.4MPa；通过SEM对拉伸断口进行分析,发现铝侧为准解离断口,有台阶和撕裂棱,镁侧为典型的沿晶断裂形貌,通过XRD分析发现接头过渡区存在MgAl等5种金属间化合物,这些金属间化合物是导致熔合扩散区硬度升高的主要原因,而且由于这些金属间化合物的存在,导致接头强度不高.
3.2固相焊
所谓固相焊,是利用摩擦、加压或热扩散等物理作用来克服两个连接表面的粗糙度,并且除去氧化膜或其他杂质,使两个连接表面上的原子可以相互接近到晶格距离,进而实现固态的连接.目前镁/铝异种金属焊接,常采用的固相焊方法是扩散焊和搅拌摩擦焊.
太原理工大学的于前、林飞等人,使用真空扩散焊对10mm厚的AZ91镁合金和7075铝合金进行了扩散连接.研究发现,焊接温度和保温时间会对接头的抗剪强度产生显著影响,在焊接温度470℃保温时间60min的时候,过渡层的宽度约是34.36μm,接头的最大抗剪强度可达49.8MPa,而且断裂常出现在铝基扩散层Mg2Al3和中间过渡层结合的部位.
大连交通大学的陈影、付宁宁等人,采用搅拌摩擦焊技术对5083铝合金和AZ31镁合金进行了搭接焊试验.发现在铝板置于上层、搅拌针长度小于铝板板厚的情况下,焊速50mm/min、旋转频率850～1350r/min的时候,镁/铝异种合金可以获得抗剪性能良好、界面结合紧密并且没有缺陷的搭接接头,这样通过在镁板和铝板之间形成由一定金属间化合物组成的界面区过渡层来达到良好的连接；接头的断裂位置都在界面的结合处,铝一侧由塑性撕裂导致的“小坑”组成,镁一侧主要是河流花样；由于在过渡区域产生超硬组织,显微硬度试验发现硬度分布呈“W”形
韩国的Woong-SeongChang、S.R.Rajesh等人,发展了搅拌摩擦焊技术,使用激光-搅拌摩擦焊混合焊接6061-T6铝合金和AZ31镁合金.使用激光-搅拌摩擦焊混合焊接的镁/铝异种金属接头与普通搅拌摩擦焊焊接的镁铝异种金属接头相比微观组织和力学性能均有不同,使用混合对接焊成功的实现了用Ni做填料的情况下焊接铝合金与镁合金,使用激光-搅拌摩擦焊中使用2kW的激光就可以实现无缺陷的连接.在使用混合焊并用Ni做填料的情况下产生少量的Ni基金属间化合物代替Al12Mg17,焊接接头的剪切强度可以达到镁合金母材的66%,比普通搅拌摩擦焊或不使用填料的情况下高的多.
太原理工大学的李线绒、梁伟等人采用高温加压,并且在纯铝/纯镁之间填加共晶合金（如铝镁合金粉末或镁锌合金粉末）连接剂进行纯镁/纯铝的连接,分别在450℃和360℃温度条件下以不同的压强和保温时间进行连接.发现镁/铝两侧均会发生扩散,并且在镁侧形成了连续的扩散层成分的变化梯度小,但是在铝侧连接界面上成分变化梯
度大.
4结语
镁、铝都属于轻金属材料,广泛应用于航空航天、汽车电子等领域,它们之间的焊接问题备受关注.在镁/铝焊接的过程中,无论是采用熔焊方法或是固相焊的方法或是在其中加入共晶层或使用复合热源,都不可完全避免金属间化合物的生成,只是通过改变它们的形态和分布状态来改善接头的性能.
固相焊虽在一定程度上可以避免金属间化合物的产生,但是它受工作位置、工件形状的影响较大；熔焊操作灵活、效率高但是容易产生金属间化合物、气孔等缺陷.因此进一步进行镁/铝异种金属的焊接工艺、填充材料和基础理论的研究,对于促进镁/铝异种金属的焊接接头的应用具有十分重要的意义.