镁合金焊接技术的现状及最新进展


机械  2005 年第4 期 总第32卷                                           综  述                                                                       ?1?

镁合金焊接技术的现状及最新进展
吴安如 1,2,夏长清 2 (1.湖南工程学院 机械电子工程系,湖南 湘潭 411101;2. 中南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙 410083) 摘要:综述了镁合金常用焊接方法、工艺特点及应用情况,着重介绍了搅拌摩擦焊接技术的原理、工艺及设备。对搅拌 摩擦焊在镁合金中的应用作了比较详尽的总结,展望了镁合金焊接的前景。 关键词:镁合金;焊接方法;搅拌摩擦焊 中图分类号:TG453 文献标识码:A 文章编号:1006-0316(2005)04-0001-03

Welding process and new development of magnesium alloys WU An-ru1,2,XIA Chang-qing2 (1. Dept.of Elect.and Mech.Eng, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101 ,China; 2. School of Material Science and Engineering , Central South University , Changsha 410083 , China.) Abstract: The objective of this paper was to introduce the traditional welding process and the new development of magnesium alloys. The principle, technical characteristics, welding tools of friction stir welds are discussed in detail .At the end of the paper, the aftertime of magnesium alloys welding is viewed. Key words: magnesium alloy;welding procedure;friction stir welding

镁及镁合金是目前工业应用中最轻的结构材 料,它们具有较高的比强度、比刚度和较好的加工 性能。镁合金尤其在航空、汽车、电子工业中应用 前景广阔,年增长速度达到 20%以上,但与铝合金 尤其是钢铁相比,目前的应用现状还不容乐观,主 要受制于如下原因: (1)镁合金塑性较差,挤压、 轧制性能不好,大多数镁合金零件局限于压铸这一 单一的成型方式; (2)用作结构材料时,镁合金因 为其特殊的热、电性能及易氧化的特点很难突破焊 接性差这一瓶颈; (3)镁合金耐蚀性能较差,尤其 是传统的焊接方法引起的焊后残余应力大,应力腐 蚀开裂敏感。针对以上问题,国内外对此进行了大 量探索研究,镁合金塑性加工成形及镁合金焊接成 形是其研究的重点之一。本文对传统的焊接方法在 镁合金中的应用作了简要综述,展望了搅拌摩擦焊 接技术在镁合金中的应用前景
[1~7]

镁的密度只有 1.738 g/cm3, 是常用结构材料中 最轻的,镁及镁合金的比强度和比刚度位居所有金 属材料及非金属材料中第二位,仅次于钛合金。镁 及镁合金在潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、有 机酸、甲醇等介质中均含引起不同程度的腐蚀。在 室温下,镁的表面能与空气中的氧起作用,生成比 较薄、脆且疏松的氧化镁薄膜,故其耐蚀性很差, 镁在空气中加热时会迅速氧化。在焊接、硬钎焊或 软钎焊过程中,这种氧化物会阻碍润湿和漫流。同 时,镁的氧化膜在焊接过程中容易破碎。氧化镁 (MgO)熔点极高,在液相及固相里均难以溶解, 熔焊时极易形成夹渣。因此,必须用惰性气体或者 焊剂保护,以防止在高温停留阶段产生氧化。

2 镁及镁合金常用的焊接方法
2.1 电弧焊



1 镁及镁合金焊接性基础
———————————————

钨极气体保护电弧焊 (TIG) 及熔化极气体保护

收稿日期:2004-11-23 作者简介:吴安如(1964-) 男,湖南平江人,博士生,研究方向:镁合金及其焊接。 ,

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电弧焊(MIG)是焊接镁合金工件最常用的焊接方 法。这些方法都要求用惰性气体进行保护,防止过 分氧化及氧化物夹在焊缝金属中。使用覆盖焊剂的 焊接方法不能有效地保护焊接熔池及邻近的母材, 已很少采用。 采用 TIG 和 MIG 焊接时,对母材及填 充金属的表面处理、接头设计、焊前预热都有要求: 表面准备:镁合金工件及填充金属的任何表面 污染都会在焊接时妨碍润湿和熔合。供货状态的镁 合金通常表面带油膜、 酸浸膜或铬酸钝化处理涂膜。 待连接的表面和坡口面,必须在临焊前进行清理, 以去除表面保护膜以及任何污物或氧化物。 接头设计:对镁合金使用电弧焊时,因为焊接 溶敷速度高,要求根部留有间隙,或者是接头带坡 口,或者兼用这二者,以便为熔敷金属提供空间。 焊前预热:工件焊前是否需要预热主要由产品 形状、壁厚及接头的拘束度决定。厚壁但接头拘束 度不大时可不预热。薄壁但接头拘束度大时常要求 预热,焊接高 Zn 的镁合金时一般要求预热。
2.2 电阻焊 3.1

束焊接。两种方法都要采用相同的焊前和焊后处理 工艺。采用真空电子束焊时,合金里镁和锌在真空 里的蒸气压很高,促进了气孔的产生。镁合金的含 锌量大于 1%时,很难形成致密的焊缝,而非真空的 电子束焊也因保护措施的复杂很难实际使用。
2.4 钎焊

和所有其它金属一样,待钎焊的工件均应彻底 地清理和去除毛刺,用机械清理或化学清理去除表 面膜,准备工作复杂,故应用不广泛,一般采用炉 中硬钎焊、火焰硬钎焊和浸沾钎焊三种工艺。所用 钎剂以氯化盐为主, 接头质量取决于表面处理程度, 所选工艺、钎剂及接头装配等。而软钎焊的方法焊 接镁合金则不推荐使用。

3 镁合金搅拌摩擦焊接技术现状及发展
搅拌摩擦焊原理

搅拌摩擦焊 FSW(friction stir welding)是由英国 焊接研究所(The welding institute)于 1991 年发明 并申请专利的,主要是针对焊接性较差的铝合金、 镁合金而开发的一种固相成形技术, FSW 焊接过 程如图 1 所示,工件固定在刚性背垫上,搅拌头高 速旋转并将焊针插入待焊工件接缝处,搅拌头的轴 肩与工件紧密接触。焊针旋转产生的热及轴肩与工 件摩擦产生的热将焊针周围的金属转变成塑性状 态,使接缝处的材料产生塑性流度,搅拌头一边高 速旋转一边沿工件的接缝与工件相对移动,塑性金 属流在挤压下重新结合形成固相焊缝[8,9]。
ND WD TD Tool rotation

2.2.1 点焊及缝焊 厚度为 0.5~3.3 mm 的镁合金薄板和挤压件常用 点焊来联接,推荐使用的合金是 MIA、AZ31B、 AZ61A、HK31A、HM21A、HM31A 及 ZK60A。点 焊前要求对工件实行严格的焊前清理以获得尺寸稳 定及优质的焊点。镁合金点焊对设备要求苛刻,因 为它的热导率和电导率高,故要求焊接电流大,焊 接时间短。要求焊机电极有快速移动系统。这样, 当金属快速软化和变形时,可以维持焊点熔核上的 压力不变。故应采用低惯性焊机。镁合金也可进行 缝焊,所用设备及工艺要求与点焊相似。能进行点 焊的镁合金也能进行缝焊。 2.2.2 闪光焊 镁合金闪光焊时要求电流密度要高、闪光和顶 锻速度要非常快。顶锻后,顶锻电流应持续约 5~10 个周波(50Hz 时) 。焊接过程不需要保护气氛,焊 前接头的清理也不要求严格,但仅限于形状简单, 尺寸较小工件间的对接。

Section plane

图 1 搅拌摩擦焊示意图 3.2 搅拌摩擦焊用于镁合金的现状及其展望

2.3

电子束焊

镁合金由于其特殊的电、热性能,耐蚀性差、 一般来说,能用电弧焊接的镁合金也能用电子 易氧化及低熔点等特性,采用熔焊法工艺过程复杂

机械  2005 年第4 期 总第32卷                                           综  述                                                                       ?3?

且难得到质量满意的焊接接头。电阻焊也局限于工 件尺寸、接头型式。采用钎焊时所得到的接头强度 与母材相比差别较大,不适宜结构件的焊接。而搅 拌摩擦焊是一个固相连接的过程,母材不熔化,接 头区金属呈塑性状态,在压力作用下重新结合,所 得到的组织相当于锻造组织,不同于电弧焊和电阻 焊的铸态组织,因而几乎可得到与母材等强度接头
[10,11]

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。镁合金在搅拌摩擦焊时对工件的清洁度要求

不高,因而准备工作简单,另外镁合金因为熔点低, 对搅拌头的材质性能要求也不高,一个普通的高速 钢材质搅拌头可以焊接长度为 1000 m 以上的焊缝。

4 结束语
镁合金的焊接是它工程应用的前提条件,搅拌 摩擦焊技术被誉为“继激光焊后最为先进的连接技 术” ,可以取代电阻点焊和铆焊,在国际上已成功应 用于航空、航天、舰船、高速列车等产品的焊接, 取得了巨大的技术和经济效益。FSW 工艺能较好的 保持镁合金微细晶粒的强度和塑性,并能保证焊缝区 的微细晶粒组织。还可以应用于镁合金超塑性成型 (Super plastic Forming)领域。随着焊接设备的发展, 可应用 FSW 焊接镁合金工件更多,同时 FSW 可优化 接头性能,降低生产成本,而且可以很容易实现自动 化生产。 搅拌摩擦焊技术以其熔焊和电子焊所无法比拟 的优势,将对镁合金连接技术的发展产生巨大的冲 击和推动。
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