［摘要］ 镁合金有很多优异的性能，如重量轻、比强度和比刚度高、优良的消震性能，在航空航天、汽车、电子等领域具有广阔的应用前景。本文简述了镁合金的性能特点和焊接特点，概括了镁合金焊接技术的研究现状，着重讨论了镁合金钨极氩弧焊、激光焊、电子束焊、激光-TIG复合焊、搅拌摩擦焊、电阻点焊的焊接特点。
［关键词］ 镁合金；焊接技术；TIG；MIG；搅拌摩擦焊
前 言
自20世纪90年代初开始，镁合金作为符合未来环保趋势和高强度比的合金材料，越来越受到世界各国的极大关注。镁在所有金属结构件中是最轻的，它的重量仅为铝的34%，为钛的50%。镁合金甚至比塑料还要轻，而它的强度却是塑料的20倍。作为一种更轻的结构材料，镁合金已越来越广泛地被应用[1]。
镁合金重量轻、比强度和比刚度好、减振性能好、电磁干扰屏蔽能力强等特点能满足军工产品对减重、吸噪、减震以及防辐射的要求。为此，世界各国高度重视镁合金的研究与开发，将镁资源作为21世纪的重要战略物资，并加强了镁合金在汽车、计算机、通讯及航空航天等领域的应用开发与研究[2]。
1 镁合金及其性能特点
镁是常用金属中最轻的一种，是地壳中最丰富的元素之一，约占地壳组成的2.5％，主要以白云石和菱镁矿形式存在；另外，在盐湖及海水中的含量则更多。镁的熔点为650℃，与铝相近；镁的密度为1.7g/cm3；镁的化学性能活泼，用作结构材料必须合金化, 以防止在空气中自燃。镁合金具有以下性能特点[3-5]：
1.1 密度小，是钢铁的2/9，铝合金的2/3，是最轻的结构合金；
1.2 比强度大，略低于比强度最大的纤维增强材料，远高于工程塑料；
1.3 阻尼性好，吸收能力强，具有极强的减震性，可用于震动剧烈的场合；
1.4 导热性好，膨胀系数较大，弹性模量低，是一般工程材料的300倍，且温度依赖性低；
1.5 镁合金是非磁性屏蔽材料，电磁屏蔽性能好，抗电磁波干扰能力强；
1.6 镁合金加工成型性好，线收缩率很小，尺寸稳定，不易因环境改变而改变。
2 镁合金的焊接特点
镁合金的铸造和塑性变形等零部件的制造都离不开焊接，铸件缺陷的修补也离不开焊接。与铝合金相比，镁合金在焊接时更易形成疏松、热脆性较大的氧化膜及夹渣，其焊接工艺更为复杂。由于镁合金密度低，熔点低，热导率和电导率大，热膨胀系数大，化学活泼性很强，易氧化，且氧化物的熔点很高，使镁合金在焊接过程中会产生一系列的困难。主要问题如下[6]：
2.1 粗晶。镁的熔点低，热导率高，焊接时应采用大功率的焊接热源，因而焊缝及近缝区金属易产生过热、晶粒长大以及结晶偏析现象，从而降低了接头性能。
2.2 氧化与蒸发。镁易同氧结合，在焊接过程中易形成氧化膜（MgO），MgO熔点高（250℃），密度大（3.2g /cm3），易在焊缝中形成夹杂，降低了焊缝性能。在高温下，镁还容易和空气中的氮化合生成镁的氮化物，使接头性能变坏。镁的沸点不高（1100℃）, 在电弧高温下极易蒸发。
2.3 薄件的烧穿与塌陷。因为镁的表面张力比铝小，焊接时很容易产生焊缝金属下塌。在焊接薄件时，由于镁合金的熔点较低，而氧化镁薄膜的熔点很高，两者不易熔合，焊接操作时难以观察焊缝的熔化过程。温度升高, 熔池的颜色没有显著变化，极易产生烧穿和塌陷现象。
2.4 热应力。镁及镁合金热膨胀系数较大，约为钢的2倍，铝的1.2倍，所以在焊接过程中易引起较大的焊接应力变形和焊接裂纹。
2.5 裂纹。镁易与一些合金元素（Cu, Al，Ni等）形成低熔点共晶体（Mg-Cu 共晶点为480℃，Mg-Al共晶点为430℃, Mg-Ni共晶点为508℃），所以脆性温度区间较宽，易形成热裂纹。
2.6 气孔。焊镁时易产生氢气孔，氢在镁中的溶解度也是随温度的降低而急剧减小。当氢的来源较多时，出现气孔的倾向较大。
镁及其合金在没有隔绝氧的条件下焊接时，易燃烧，熔化焊时需用惰性气体或焊剂保护。由于焊镁时要求用大功率的热源，当接头处温度过高时，母材将产生“过烧”现象。因此, 焊镁时必须控制好接头温度。
3 镁合金焊接方法
几乎与镁合金材料的研究开发同时，许多从事焊接研究工作的学者就对镁合金材料的焊接问题作了大量的研究，焊接方法有：钨极氩弧焊（TIG 焊）、激光焊、电子束焊、激光-TIG 复合焊、搅拌摩擦焊、电阻点焊，现将国内外这方面的研究工作综述如下：
3.1 钨极氩弧焊 （TIG焊）
钨极氩弧焊（TIG焊）是最早用于镁合金材料焊接的方法之一。采用TIG焊焊接AZ91D镁合金时发现，在临近熔合线处产生一较宽的热影响区，沿晶界可观察到连续的Al12Mg17相析出, 接头的主要缺陷是气孔和疏松。气孔的形成与焊缝中氢含量有关，与焊接过程中焊丝的成分及保护气体的纯度等有关，在熔池金属凝固时，氢在镁中的溶解度急剧下降，熔池冷却速度快，在焊缝金属中气泡来不及逸出而形成气孔，降低了接头的强度。因此, 在焊接过程中要严格控制气孔的形成[7-10]。
采用TIG焊焊接AZ31B镁合金，焊缝附近的纤维组织消失，焊缝区和热影响区的分界较为明显：热影响区是典型过热组织，晶粒较粗大；焊缝区由细小的等轴晶组成，晶粒明显比母材和热影响区的细小，是典型的铸造急冷组织；母材晶粒呈纤维状。这是由于镁合金的熔点低、导热快、焊接时需要大功率、电弧加热面积大、焊接速度慢、熔池金属液态停留时间短, 造成热影响区宽且晶粒粗大，焊接脉冲搅拌熔池的作用促进了焊缝区等轴晶粒的形成。拉伸试验时接头断裂发生在热影响区部位，这表明热影响区的晶粒严重粗化，成为导致镁合金焊接接头力学性能下降的主要原因[11]。
采用填丝TIG焊焊接变形镁合金AZ31B，与非填丝TIG焊相比，填丝TIG 焊的焊接工艺更加复杂，接头强度有了很大提高，组织更均匀，热影响区较窄，熔合线清晰。针对采用不同焊丝的焊接接头分析结果表明，随着焊丝含铝量的增加，热影响区及焊缝区的共晶相逐渐增多并有呈连续分布的趋势。该共晶体的逐渐增多对接头性能的影响较为复杂，一方面由于脆性相Al12Mg17的增多而降低了接头强度，另一方面又由于晶粒的细化及铝元素的固溶而提高了接头强度[12]。
3.2 激光焊
激光焊是利用高能量激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，具有高能量密度、高焊速、小变形、深穿透、高效率、高精度、强适应性等优点，在航空航天、汽车制造、轻工电子等领域得到广泛应用。
Weisheit A等人[13]采用CO2激光焊焊接镁合金，结果表明，采用激光焊可以焊接相同成分或不同成分的厚度为2.5~8mm的镁合金试样，对于铸造合金AZ61、ZW3和ZC71可以得到较窄的焊缝、熔融区和热影响区。由于激光焊的光束能量密度大，焊接速度高，熔池金属冷却速度大，接头组织晶粒细化，且熔深较深，对接头强度的提高较为有利。激光焊焊接镁合金时，由于激光与母材的作用时间短，熔融金属凝固快，金属气体和吸入的其它气体（如氢、氧等）来不及逸出，易形成气孔、热裂纹、疏松等缺陷，深熔焊时根部还可能出现空洞，降低了接头力学性能。
宋刚等人[14]采用激光焊焊接AZ31 变形镁合金，结果表明，激光脉宽是影响焊接接头性能的主要因素，通过控制激光脉冲宽度可以获得高质量的镁合金焊接接头。激光焊缝连续、狭窄、变形小、背面熔透均匀，无裂纹、气孔等缺陷。对组织进行观察发现，母材为粗大的等轴晶；焊接接头组织致密，晶粒细小；焊缝由细小的等轴晶组成，是因为激光焊接冷却速度快使晶粒细化；热影响区没有晶粒长大现象，是因为在焊接过程中激光能量高度集中，镁合金导热系数高，致使焊接接头处的温度梯度很大限制了晶粒长大。母材、热影响区、焊缝的硬度变化不大，邻近熔合线处的硬度值略有上升。
3.3 电子束焊
电子束焊是一种能量密度高、焊接效果好、适应范围广的焊接方法，在焊接过程中不受氧气等气体的影响, 在真空状态下热损失很小，加热速度快。
文献[15]采用电子束焊焊接纯镁和AZ31镁合金，结果表明，纯镁和AZ31 镁合金焊缝的表面无缺陷，未发现气孔和裂纹，在不同的焊接速度下也未出现起弧现象。纯镁的熔融区与热影响区界面模糊，晶界不明显，熔融区晶粒比母材粗大；AZ31镁合金的熔融区与热影响区的界面清晰可见，晶粒尺寸明显不同，熔融区的等轴晶远比母材组织细小。纯镁和AZ31镁合金熔融区的硬度与母材的硬度值基本一致, 在焊缝处硬度无明显变化。纯镁焊接接头的拉伸强度和冲击性能基本和母材相当，并与焊接速度无关；AZ31镁合金在焊接速度5mm/s和5.83mm/s时，接头拉伸强度和冲击性能优良。
Munitz A等人[16]采用电子束焊焊接AZ91D镁合金时发现，热影响区很小, 焊缝表面光滑，没有缺陷，由于高的冷却速度，晶粒细化，焊缝和热影响区的强度提高，获得了高的延伸率。焊接时增加电流可以增大熔融区和热影响区的宽度。
由于镁合金具有大的热传导性，对于纯镁、AZ31、AZ61、AZ91D合金, 随着含铝量和热输入量的增加，熔深变深。这是由于镁合金中铝熔入量的增加，使镁铝合金固液状态的温度更低、范围更宽，合金的导热性也更低。在相同的焊接热输入量条件下，随着铝熔入量的增加或镁熔解成分的减少, 焊缝的表面变得光滑，波纹也变得有规则。在以上4种材料的快速熔化状态下，熔融的液态变得稳定，飞溅减少，熔融区的晶粒均由等轴晶粒组成, 没有明显的长柱状晶颗粒，这是由快速熔化和冷却引起的，且随焊接热输入量的减小晶粒细化。由于熔融区的晶粒细化，熔融区的硬度值几乎与母材相同[17]。
3.4 激光-TIG复合焊
激光-电弧复合热源焊接是由英国的W.Steen在20世纪70年代末提出的，它是将能量传输机制、物理性质截然不同的两种热源同时作用在一个加工位置。激光-电弧复合热源焊接可以增大焊接熔深、提高焊接速度、增大装配间隙，并可以改变功率密度在时间和空间上的分布，改善母材热作用和热影响区域的温度分布，从而改善焊缝及热影响区的冷却条件、组织转变和应力状态[18,19]。
利用混合热源焊接的方法焊接镁合金是相对较新的方法，在激光-TIG 复合焊的方法中，TIG焊的喷嘴安装在激光束的轴线上，喷嘴和激光束与焊接方向排在一起，前面是TIG，这种焊接方法无方向性，焊接过程比较稳定, 焊接速度也大大增加。
文献[20-22]以AZ31B变形镁合金为研究对象，采用激光-TIG复合焊对其进行焊接，结果表明激光-TIG复合焊的焊接速度比TIG的焊接速度快，激光-TIG复合焊的熔深是TIG焊熔深的2倍，是激光焊熔深的4倍。与单独的TIG焊相比，特别是在焊接速度快、TIG焊接电流低的情况下，激光-TIG复合焊的电弧的稳定性提高。激光-TIG 复合焊的焊缝为明显的“图钉型”形貌，上部分为TIG电弧焊接成形，下部分为典型的激光焊接成形，其焊缝表面连续、平稳、深宽比大、热影响区窄、组织晶粒细小均匀、基本无下凹现象。采用激光-TIG复合焊焊镁合金能在较宽的工艺参数范围内焊接，得到质量良好的焊缝和抗剪强度较高的焊接接头。
3.5 搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是英国焊接研究所1991 年发明的一种新型固态连接技术[23]。它是利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，通过搅拌头与工件的摩擦产生热量，使该部位金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。在焊接过程中不需要填充材料，焊前没有复杂的准备工作，焊接时不存在熔焊时的各种缺陷，因而有利于镁合金的焊接[24,25]。
目前已实现了AZ61[26]、AZ81A[27]、AZ91D[28]等镁合金的搅拌摩擦焊接。焊接镁合金时不会产生与熔化有关的缺陷，如气孔、裂纹等，相反，由于焊接过程中的快速机械搅拌作用，塑化连接的接头有动态再结晶的过程，焊缝宽度均匀，表面成形美观无任何缺陷。观察接头组织发现，在接头处产生了一个椭圆形的搅拌区域，该区域由具有高密度的混乱微小的再结晶颗粒组成；焊缝中心晶粒细小，且在靠近焊缝的上表面和下表面晶粒更加细小，这是因为在搅拌头的作用下，产生变形和摩擦热导致该部位金属在较低温度下发生动态再结晶过程，从而形成细小的等轴晶粒；热影响区晶粒较粗短，逐渐向等轴晶、微细晶粒转变。整个接头的综合机械性能几乎与母材相同，接头抗拉强度达母材强度的90%左右，接头韧性与母材相比降低很少。
3.6 电阻点焊
电阻点焊是镁合金众多连接方法中具有较大潜力的一种，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，防止空气中气体与熔核中的金属发生冶金反应，以保证熔核成分基本不变，从而实现在无保护气体条件下进行焊接。
文献[29-31]对AZ31B镁合金的点焊进行了研究。结果表明，镁合金表面状态的不同对焊接质量的好坏有显著的影响。未经过表面处理的焊件由于表面氧化膜的存在使焊件与电极间的接触电阻增大或减小，产生裂纹或飞溅。为了获得良好的焊点，避免产生裂纹和飞溅等缺陷，必须对镁合金焊件进行焊前清理。由于镁合金的电阻率较低，导热系数较大，金属在非常短的时间内被熔化，且冷却速度快, 分析AZ31B镁合金交流点焊中的焊接电流、电极压力及焊接时间等工艺参数对接头拉剪力的影响规律，确定的最佳工艺参数为焊接电流17000A、电极压力2475N、焊接时间为10个周波、预压时间为20个周波，在这种条件下焊接接头的抗剪强度为1980N，可以得到质量较好的焊点和力学性能。
