镁合金焊接修复技术研究进展

杨红军，江宏亮，梁 涛，刘 维，唐字强，薛 原

（中国人民解放军32256 部队，湖南郴州 423026）

0 引言

镁合金是最轻的工程结构材料，具备储量丰富、比强度高、电磁屏蔽性好、可回收性强、导热性好、磁导率高等优点[1-2]。但是由于镁合金特殊的晶体结构，使其铸造性能和冷加工性能较低，使镁合金零部件的制造工艺变得复杂，尤其在几何形状复杂的汽车以及航天工业中。镁合金在工业中的大量应用需要可靠的连接技术，因为许多零部件都需要连接到同种或异种材料上，以获得更复杂的几何形状。为了实现这一目标，焊接技术受到了特别的关注，而且焊接技术的发展也是扩大镁合金在结构件制造中应用的关键因素。但是由于镁合金熔点低、与氧元素、氮元素亲和力强、热膨胀系数大等特点，导致其在焊接过程中易形成热裂纹、气孔、夹渣等各种缺陷[3]。

依据焊接过程中母材是否熔化，焊接修复方式可分为熔焊和固相焊，熔焊过程中母材部分熔化，固相焊焊接时母材不熔化。本文将对镁合金熔焊修复和固相修复研究现状进行综述，指出各种修复方法的优缺点，为镁合金焊接修复技术的深入研究提供参考。

1 熔焊修复研究进展

1.1 钨极氩弧焊

TIG（Tungsten Inert Gas，钨极氩弧焊）在惰性气体保护下进行，通过电弧热量熔化母材和焊丝。该方法热影响区小，焊缝质量好；设备简单，使用简便，成本低，易实现自动焊接[4]。

印度Rose 等[5]结合脉冲TIG 焊脉冲电流、基值电流、脉冲频率和脉冲开启时间等工艺参数，利用方差分析和回归分析等统计工具建立了预测脉冲TIG 焊AZ61A 镁合金抗拉强度的经验关系式，该关系式在95%置信水平下可有效预测脉冲TIG 焊焊接AZ61A 镁合金接头的抗拉强度。脉冲电流对拉伸强度的影响最大，其次是脉冲开启时间、脉冲频率和基值电流，最大抗拉强度达母材的73.6%。印度Subravel 等[6]研究脉冲频率对AZ31B镁合金脉冲TIG 焊焊接接头拉伸和组织特征的影响，试验中使用2～6 Hz 不同水平的脉冲频率制作了5 个接头。研究发现，脉冲频率对AZ31B 镁合金接头的抗拉强度、晶粒度和熔合区硬度有显著影响，采用5 Hz 脉冲频率制备的接头具有较高的拉伸性能，熔合区晶粒细小，硬度较高，析出物分布均匀。加拿大Peter 等[7]对双道次TIG 焊焊接前后ZE41 镁合金的组织、力学性能和疲劳强度进行了研究，以了解焊接工艺与焊缝组织和机械强度的关系。结果表明，焊接接头基体、热影响区和焊缝区分明，焊缝区组织是均匀等轴晶，硬度高于基体，热影响区因晶粒粗化导致硬度稍有降低。王向杰等[8]对压铸AZ91D 镁合金TIG 焊气孔的形成机制进行研究，探讨热输入与焊缝气孔形成关系。结果显示，自熔焊气孔缺陷较多，宏观气孔集中于焊缝中部，微小气孔集中于焊缝近表皮和熔合线附近。焊接过程中添加稀土元素Nd 或者挤压态镁合金能够明显降低焊缝气孔率和气孔尺寸，但不能彻底消除气孔。苟军等[9]考察了添加锡对TIG 焊焊接AM60镁合金板材组织及力学性能的影响。结果表明：向AM60 镁合金中添加1%的锡后，其焊缝的硬度和接头效率均提高，抗拉强度接近母材，断裂位置发生在熔合区。

1.2 熔化极氩弧焊

MIG（Metal Insert Gas，熔化极惰性气体保护焊）以焊丝为熔化极，在惰性气体保护下进行焊接[10]。MIG 焊作为最常用的焊接技术之一，具有搭桥能力强、焊缝成形美观、易于实现自动化控制、焊接质量好等优势。

Rethmeier 等[11]较早对镁合金MIG 焊开展试验，结果表明镁合金的MIG 焊实用可行。但是在焊接过程中，必须夹紧工件以避免熔池突然晃动；金相分析表明，元素分布均匀，焊接过程中无元素损失，焊缝熔敷稀释度为50%；焊接接头的静强度与母材基本相近。Viswanathan 等[12]采用交流脉冲惰性气体保护焊（AC-P-MIG）对AZ31B 镁合金板材开展了焊接试验，研究了镁合金焊接接头的宏观形貌、抗拉强度、显微硬度和腐蚀速率。结果表明，在一定的工艺参数下，采用脉冲MIG 焊可以成功地焊接镁合金板材，接头的平均抗拉强度为81.34 N/mm2，显微硬度平均为67.62 HV，接头在焊缝区中部发生脆性断裂，焊接接头的腐蚀速率为11.2 μm/年。王鹏等[13]使用脉冲MIG 焊焊接技术，对AZ31B 镁合金板材的焊接性展开研究。结果显示，在最佳工艺参数下，应用脉冲MIG 焊技术可以在无坡口的情况下，实现镁合金单面焊接双面成形，得到良好无缺陷的焊缝。焊缝区组织大部由均匀细小等轴晶构成，硬度值显著高于母材，接头抗拉强度可达母材的95%以上。刘佩叶等[14]探讨了工艺参数对AZ31镁合金MIG 焊焊接熔滴过渡、焊缝成形、组织和性能的影响。结果显示，当电流大于180 A 时，焊缝成形良好。当电流增大时，电压减小，熔宽、熔深、余高均增加，但深宽比减小。焊缝的晶粒远小于热影响区的晶粒，随着线能量增大，焊缝以及热影响区晶粒尺寸增大，硬度降低。王誉静[15]采用激光－MIG 复合焊技术对AZ33 镁合金薄板开展了焊接试验，研究了焊接工艺参数与焊缝成形的关系。对接试验表明，选择优化后的工艺参数可以获得良好的焊缝，从焊缝中心到熔合线，组织依次为细小等轴晶、柱状晶，且由于镁合金散热快，热影响区晶粒粗化不明显；同时用AZ63 焊丝进行对接试验，结果发现由于焊丝中Al 元素含量的升高，接头强度有所增加。

1.3 电子束焊

电子束焊接（Electron beam welding，EBW）是利用高加速电压将电子加速到0.5～0.7 倍光速，并在电子枪中将电子汇聚成能量密度高达106W/cm2以上的电子束，聚焦的高能电子熔化焊件进行连接的方法，属熔焊中高能束焊的一种[16]。电子束焊能量密度高，焊缝深宽比大，可准确地控制焊接参数，稳定性高重现性好，广泛应用于航空航天领域和国防工业。

中国台湾学者Chi 等[17-18]对不同AZ 系列的镁合金开展EBW焊接试验，研究聚焦电流、加速电压、焊接速度和聚焦位置与焊接形貌、显微组织和焊接接头抗拉强度的关系。应力集中和无应力集中情况下抗拉强度分别可达母材的78%和91%。束流振荡、焦点位置、应力消除、材料属性、束流、焊接速度和加速电压的大小对焊缝成形影响从大到小。其中非振荡光束、底部聚焦和无应力消除通常是最佳选择。其可焊接性遵循AZ61A、AZ91D、AZ31B 的顺序，主要由沉淀物和缺陷的分布决定。研究表明，焊缝缺陷的危害程度依次为裂纹（空洞）、咬边（根部凹陷）和气孔。王文先等[19]对10 mm 厚的AZ31B 镁合金板材开展了真空电子束焊接试验，结果表明，焊缝区域为单相α－Mg且晶粒明显细化，焊接接头的抗拉强度和屈服强度均略高于母材，疲劳强度达到母材78.4%。王雅仙等[20]用真空电子束焊接方法焊接85 mm 厚的AZ80－Ce0.9 铸态镁合金，研究表明，该工艺可以获得良好的焊接接头，焊缝区晶粒尺寸为5～10 μm，晶内存在点状Al3Ce 相，其尺寸和数量都比母材小，且焊缝区硬度显著高于母材，焊接接头拉伸断裂均发生在母材位置，抗拉强度、伸长率都优于母材。陈金秋等[21]通过改变加速电压、电子束流、聚焦电流和焊接速度等参数研究了电子束焊接11 mm 厚AZ31 镁合金挤压板焊缝宏观形貌的影响规律。研究显示，保持其他参数不变，规律提高加速电压或电子束流时，焊缝的熔深和熔宽逐渐增大，且电子束流对其影响效果更加明显。随着焊接速度增大，焊缝的熔深和熔宽均减小。热输入量对接头的组织和性能有重要影响，焊接线能量增大，α－Mg 晶粒尺寸增大，β 相在晶内和晶界处析出量逐渐增多。焊接接头硬度值分布为焊缝区高于部分熔化区和母材，增大焊接线能量，焊缝区硬度值呈下降趋势变化。

1.4 激光焊

LBW（Laser Beam Welding，激光焊接）以高能量密度的激光束作为热源实现快速焊接[22]。激光焊接热量集中、热输入低、热影响区窄、焊后变形小，是当今先进的制造技术之一。

Abderrazak 等[23]结合各种模型和概念，研究了AZ91 镁合金Nd:YAG 激光焊接过程中气孔的形成和焊缝的形状。结果表明，随着焊接速度的提高，焊缝宽度和熔合面积都减小。在部分熔透的情况下，熔深与焊接速度呈负相关。此外，还建立了回归模型预测了激光功率的过度降低或离焦距离的增加会降低表面功率密度，从而使焊接模式从完全穿透的小孔转变为部分穿透的小孔，然后转变为传导模式。Padmanaban 等[24]设计了激光功率、焊接速度和焦点位置三因素的正交试验制作了9 个焊接接头。并对焊接接头的拉伸性能展开研究，并与焊缝区组织和硬度进行了关联。结果表明，采用2500 W 激光功率，焊接速度为5.5 m/min，焦点位置为-1.5 mm 得到的焊接接头抗拉强度达到212 MPa，屈服强度达170 MPa。焊缝区细小晶粒的形成、较高的熔合区硬度和均匀分布的细小析出相是这些接头具有优异拉伸性能的主要原因。陈宏[25]通过焊接试验获取了最佳的ZM5 铸造镁合金的堆焊修复工艺参数，研究了工艺参数与焊缝成形关系，成功实现了薄壁铸件缺陷的有效修复；在焊接过程中添加Gd 元素能使晶粒尺寸从13.5 μm 细化到4.8 μm，涂层的高温服役性能显著增强。王鑫等[26]考察了AZ33M 变形镁合金激光焊接工艺及焊缝接头的组织和性能，结果表明，通过调整焊接功率、焊接速度和离焦量可以获得力学性能与母材基本一致的焊接接头；焊接接头的焊缝边缘晶粒形态大部分为柱状晶；焊缝中含有α－Mg，Mg17Al12，MgZn，MgZn2，Mg7Zn3等5 种物相；中等功率焊接的焊接接头抗拉强度均能超过母材的95%，该变形镁合金焊接性能较优异。文献[27－29]研究了超声辅助激光焊接，结果表明超声辅助会引发空化效应、声流效应和机械搅拌熔池，尤其是在焊接速度较小时有非常好的细化晶粒改善力学性能作用，当焊接速度较大时，熔池冷却速度较快，熔池内气体来不及逸出，此时对改善缺陷效果不大。

2 固相修复研究进展

2.1 搅拌摩擦焊

FSW（Friction stir welding，搅拌摩擦焊）是一种高效的固相连接工艺，具有快速、精确、能避免熔焊因液相存在导致的气孔、裂纹、夹渣等，目前广泛应用于造船、铁路运输、汽车、小部件制造等领域[30-31]。该技术利用一个带有轴肩的搅拌针，焊接过程中搅拌针插入工件并沿着焊缝中心线移动，轴肩与工件表面摩擦产生温升同时向熔池施加压力形成自封闭焊区。焊接过程中材料同时经历强化和动态再结晶的现象，而且母材不会熔化，从而能以相对较低的温度并产生低残余应力的高质量焊缝。Kouadrihenni 等[32]研究了FSW 焊焊接AZ91D 镁合金，并沿焊缝中心向两侧分别为焊核区、热力影响区、热影响区。焊缝区主要由α-Mg 相组成，β-Mg17Al12沉淀于晶界附近，平均晶粒尺寸为14～16 μm 左右。热影响区的共晶相（α-Mg+β-Mg17Al12）均衍变为α-Mg 相，沉淀主要集中在基体中的晶界附近。研究结果表明，焊接主要是由于动态再结晶现象导致焊缝区晶粒大幅度减小，同时没有织构的母材在热力影响区和搅拌焊接区出现晶体学织构，后者具有基面和棱锥面两组分明显的纹理特征。FSW 焊不仅可应用于同种镁合金板焊接，还可以应用于相异牌号镁合金焊接。文献[33-35]均成功实现了低铝镁合金和高铝镁合金搭接，分析了搭接方式和工艺参数对焊缝成形的影响。在优化的工艺参数下，熔核区内含有细小晶粒和分布β-Mg17Al12相，获得了良好的冶金接头。异种牌号镁合金焊接时，一般应将含铝量高的镁合金放在前进侧，这样更容易获得高质量的接头，主要是因为金属从前进侧流向后退侧更为容易，但是后退侧的接头比前进侧更为光滑。刘冬冬[36]对10 mm 厚Mg-Gd-Y 镁合金板材开展FSW 单面焊和双面焊焊接，通过调整焊接工艺参数，成功实现该牌号镁合金FSW 对接单面焊和双面焊，抗拉强度和屈服强度均达母材84%以上，相对而言，双面焊力学性能高于单面焊；同时成功实现12 mm 厚AZ31 镁合金搅拌摩擦T 形焊，接头的抗拉强度达母材的73.4%，抗弯强度均超过母材的72%，力学性能较好。侯晶等[37]研究了1.5 mm 厚AZ31B 镁合金高转速搅拌摩擦焊接工艺以及组织性能，结果表明，转速稳定为6000 r/min 时，当焊接速度从600 mm/min 降低至100 mm/min，焊接接头隧道型孔洞缺陷消失；焊接速度稳定为600 mm/min 时，在2000～4000 r/min 转速区间内可获得无缺陷的接头。拉伸测试结果表明，6000 r/min～100 mm/min 焊接工艺下接头的抗拉性能最优，达到母材强度的87.92%。王向杰等[38]以铸造固溶态ZK60 镁合金为研究对象，探讨FSW 焊焊接ZK60 镁合金的微观组织演变与接头弯曲性能和断裂行为的关系。结果表明，焊接后焊缝区晶粒尺寸显著减小，平均晶粒尺寸从59 μm 降低至4 μm。FSW 焊接头的弯曲性能远高于母材样品，且面弯样品的弯曲强度高于背弯样品。经过大挠度弯曲变形后ZK60 母材及面弯试样都发生开裂，但背弯样品中未见裂纹的萌生和扩展。

2.2 钎焊

钎焊（Brazing）用比母材熔点低的金属材料作为钎料，通过加热使温度介于母材和钎料熔点之间，钎料熔化润湿母材、填充接头间隙，并与母材相互扩散而实现焊件连接的方法，属于固相/液相焊接[39]。与熔焊相比，钎焊具有能耗低、接头残余应力小、母材焊后变形小、结构适应性强等一系列优点。日本Watanabe 等[40]研制出了熔点低于490 ℃含CaCl2、LiCl、NaCl 的镁锡系钎料，在钎焊之前使用含卤素离子的水溶液中浸泡板材表面，可提高镁合金的可焊性。通过表面处理，钎焊可以得到与母材相当的高强度钎焊接头。7 年之后，Watanabe 等[41]采用超声振动法成功在空气中钎焊镁合金，得到焊接接头抗拉强度达母材86%，部分拉伸试样在基体位置断裂。这是因为在超声钎焊过程中，熔化的钎料渗入到接合面氧化膜的裂纹中，基体与氧化膜摩擦分离，导致氧化膜从接合面上脱落。合理选择超声振动时间可以高效地分离和去除结合面上的氧化膜。但是超声波振动作用时间过长，会造成钎焊层空洞等缺陷，降低接头强度。王立志[42]研发了用于钎焊AZ31B 镁合金的Mg－Al－Zn 钎料，并且设计了钎焊装置，而后开展钎焊试验并对显微组织和接头性能分析，钎料润湿性和铺展性好，耐蚀性高于母材，但是抗拉强度较低。谷勤霞[43]设计了钎料合金系统，研制了钎焊镁合金的钎料合金，试验结果表明：最佳工艺参数为温度380 ℃，保温时间15 min。钎缝中Al 多以固溶体的形式存在，母材中Mg 和钎料中的Zn 发生了相互扩散并形成共晶组织。辛本宝[44]研制了AZ31B 镁合金低熔点钎剂，通过进行钎料铺展试验，完成钎剂组元的筛选、钎剂配方的设计和优化，成功研制了适用于镁合金低温钎焊的低熔点钎料。

表1 是镁合金典型焊接修复方法焊接接头室温力学性能对比。如表1 所示，熔焊开发应用较早，但是易产生凝固裂纹、液化裂纹和应变时效裂纹；搅拌摩擦焊成本较高，对复杂结构焊接适应性差；钎焊低熔点共晶相的形成降低高温性能。因此，针对不同焊接修复需求选择合适的焊接修复方法和工艺参数非常重要。

表1 典型焊接修复方法焊接接头室温力学性能 MPa

3 结论与展望

开展镁合金先进焊接修复技术的研究和应用，可以提高其焊接接头性能、使用寿命，扩展应用领域。国内外学者针对多种镁合金开展了焊接试验，分析了不同焊接方法和工艺参数下的焊缝成形、宏观组织、界面形貌，以及金属间化合物的厚度、种类、形态以及分布特征等，测试了接头的硬度、拉伸性能和断口形貌。在此基础上，一些学者尝试通过在水中[45]或液氮[46-47]中开展焊接试验，或采用施加激光或者超声振动等的改型方法，均有一定效果。然而，镁合金的常规焊接和改型焊接仍存在一些亟待解决的问题，同时也面临着新的发展机遇，未来应在以下4个方面开展深入研究。

（1）截至目前，试验仍然是开展镁合金焊接修复研究的重要手段。未来应充分考虑镁合金焊接特点，建立完善的多物理场耦合模型。通过采用数值模拟等方法，定量分析工艺条件和参数对焊接过程和焊接质量的影响规律和机制，深入研究镁合金焊接的机理。在此基础上建立系统完整的镁合金焊接工艺和参数数据库系统，实现组织焊缝质量的准确预测与精确调控。

（2）目前评价镁合金焊缝组织性能主要集中于金相成分、硬度、抗拉强度等，未来的研究还应着重开展对其耐腐蚀性、耐磨性以及疲劳强度等性能的系统分析，以建立更为客观完善的焊接质量评价体系。

（3）焊缝的组织性能与焊缝金属的塑性流动状态直接相关，目前金属组织流动机制的研究较少。因此应加强对塑性流动机制的研究，总结塑性流动规律。

（4）超声振动已在镁合金焊接过程中展现出了突出的作用。未来应着重深入研究超声振动能场与镁合金焊接热力过程的耦合机制，获得超声功率与镁合金焊接热力参数的最佳匹配范围，将超声能量的作用发挥到最大，以达到最佳的接头组织与性能。