镁与铝异种金属焊接研究现状及展望

镁与铝异种金属焊接现状及发展方向

摘要：镁合金和铝合金都具有优异的性能，二者应用具有广泛性和交叉性。镁与铝焊接成为研究热点。本文概述镁与铝焊接的特点，综述了近年来镁与铝异种金属焊接的方法，主要包括电子束焊、激光焊、钨极惰性气体保护焊（TIG）、搅拌摩擦焊、钎焊以及真空扩散焊等，对镁与铝异种金属焊接做出了展望。

关键词：镁合金，铝合金，焊接技术，发展方向

Research status and development tendency of welding technology of magnesium and aluminum dissimilar metals

Abstract: Magnesium alloys and aluminum alloys have excellent performance, of which the application is extensive and intersectant. It becomes a focus to weld magnesium and aluminum dissimilar metal together. Welding characteristics of magnesium and aluminum dissimilar metal are discussed, and welding processes were introduced including electron beam welding, laser welding, tungsten inert gas welding, friction stir welding, braze welding and vacuum diffusion welding and so on. And development tendency of welding technology of Mg/Al dissimilar metals were pointed out．

Key words: magnesium alloy, aluminum alloy, welding technology, development tendency

1 概述

随着工业技术的高速发展，合理的使用轻质材料可以有效的实现轻量化。铝及其合金以其轻、良好的导电和导热性能、高反射性和耐氧化等性能而被广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业等领域。镁合金由于比强度、比刚度高，导热、导电性能好，电磁屏蔽、阻尼性能好、对环境友好，且价格低廉，而成为新世纪最有发展潜力的金属材料[1]。作为新型的绿色环保工程材料，其近十年来逐渐从航空航天领域扩展到民用产品的开发应用上[2]。镁合金在汽车零部件、笔记本电脑、手机、照相机等3C产品上的用量也越来越大[3,4]。由于镁、铝应用具有广泛性和交叉性，以及在某些特殊场合的特殊要求，使得将两者进行焊接形成复合结构成为必要[5]。

2 镁与铝异种金属焊接特点

异种材料焊接过程中，由于材料物理化学性质(热膨胀系数、熔点、晶格类型、晶体常数)的差异，导致在焊接过程中较同种材料而言难焊接[6, 7]。同时Mg、Al作为两种非常活泼的金属，在焊接过程中又存在自身特有的问题[8, 9]：

(1)镁与铝易氧化。Mg与Al属于活泼金属，易与氧反应在基体表面生成氧化物MgO与Al2O3。MgO与Al2O3的熔点分别是2500℃和2050℃，阻碍两种金属的链接，而且容易在焊缝中形成氧化夹杂、裂纹的缺陷，使焊接接头结合性能变差。

(2)镁与铝高温时气体溶解度较大。气体在镁与铝晶体中的溶解度随温度的降低而减小，焊接区在冷却过程中溶解在金属中的气体来不及逸出，在焊缝处产生气孔等缺陷，降低了焊接接头的结合性能。

(3) 焊接过程中镁与铝较容易发生冶金反应，生成一系列的高硬度脆性镁铝系金属间化合物，导致焊接接头的力学性能较差。

总之，镁与铝之间熔点、热膨胀系数、晶格类型等物理化学性质有较大差异，同时在焊接接头易产生氧化夹杂以及生成高硬度脆性的金属间化合物，获得良好的焊接接头十分困难。

3 镁与铝异种金属焊接研究现状

目前对于镁与铝异种金属的焊接研究，主要是对焊接方法、焊接参数、填充材料及焊接接头组织性能的研究。按照焊接过程中焊接母材的聚集状态将焊接分为熔焊与固相焊。

3.1 熔焊

使用熔焊的方法焊接镁与铝异种金属是目前比较经济和实用的焊接方法。而且由于熔焊的灵活性较强，可以根据焊接材料的不同选择不同的熔焊方法。但是使用熔焊方法焊接镁与铝异种金属，焊缝熔合区形成高硬度脆性镁铝金属间化合物，使焊接接头力学性能降低，同时由于较大的残余应力，在热影响去产生较大的变形和裂纹。目前常用于镁与铝异种金属熔焊的方法有无极惰性气体保护焊（TIG）、电子束焊、激光焊等。

3.1.1 钨极惰性气体保护焊（TIG）

钨极惰性气体保护焊（TIG）是利用钨极与焊接件间产生的电弧熔化母材和填充焊丝（或不加焊丝），形成焊缝的焊接方法。TIG焊几乎可以适用于所有钢材、有色合金的焊接，特别适合与化学性质活泼的金属及其合金的焊接王恒[10]等人利用钨极气体保护焊(TIG)对AZ31B镁合金和6061铝合金进行了直接焊接。结果表明，镁合金与铝合金界面形成了明显的过渡区，生成了

Al12Mg17和Al-Mg金属间化合物，接头强度较低。

3.1.2 电子束焊

电子束焊是一种高能量密度的融化焊接方法，焊接速度快，热影响区小，热变形小，可获得深宽比较大的焊缝，寒风质量较高。

A.Ben-Artzy等[11]分别采用TIG焊和电子束焊对6063与AM50和AZ31进

行了焊接。研究表明:采用TIG焊时，接头熔合区附近存在共晶组织，熔合区中心部位主要是共晶相β-Mg17(Al,Zn)12相，接头性能较差；而采用电子束焊时，焊接接头虽然没有形成热影响区，但是在接头熔合区中仍存在β-Mg17(Al,Zn)12相，弱化焊接接头性能。

电子束焊接镁与铝异种金属时，接头产生的高硬度脆性金属间化合物是其性能恶化的主要原因，因此采用添加中间过渡层的电子束焊会成为研究内容之一。

3.1.3 激光焊

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接。激光焊接的焊接速度高，质量好，无变形，无需真空条件，且容易实现自动化焊接。

李慧[12]等研究了CO2激光中心搭接焊、边缘搭接焊和对焊三种接头形式焊接AZ31B和6061铝合金的焊接，结果表明：中心搭接焊缝内易出现凝固裂纹，边缘搭接和对接焊焊缝，近镁侧熔合区域内含有金属间化合物Mg 17 Al 12和Mg 2 Al 3，其余焊缝组织为Al固溶体和弥散分布的金属间化合物Mg 2 Al 3组成。对接接头抗拉强度31.84MPa，断在近镁侧，为解理和混合脆性断裂。

3.2 固相焊

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，并且去除氧化膜或其他杂质，是两个连接表面上的原子可以相互接近到晶格间距，进而实现固态的连接。目前用于镁与铝异种金属固相焊常用的方法有搅拌摩擦焊、钎焊、真空扩散焊等。

3.2.1 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊（FSW）是利用一种非耗损的特殊形状的搅拌头，旋转着插入被焊零件，然后沿着被焊零件的待焊界面向前移动，通过搅拌头对材料的搅拌、摩擦，使待焊材料加热至热塑性状态，在搅拌头高速旋转的带动下，处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压作用，在热—机联合作用下材料扩散连接形成致密的金属间固相连接。

Yutaka[13]等人利用搅拌摩擦焊(FSW)对1050纯铝和AZ31镁合金进行了焊接研究。结果表明，焊接接头焊缝区显微组织特征较焊接母材明显不同，并且由于共晶反应的发生，生成了Mg17Al12金属间化合物，导致焊缝处显微硬度明显地高于母材硬度，其值达到了225HV。王东等[14]研究了6061和AZ31镁合金异种金属搅拌磨床焊，研究表明焊合去形成少量的Mg 17 Al 12可略提高焊合区显微硬度，可是界面处形成的金属间化合物及孔洞，弱化了焊缝的接头性能。

3.2.2 钎焊

钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、但低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材填充接头间隙，并与母

材相互扩散而实现连接焊件的方法。钎焊具有加热温度较低，对木材组织和性能的影响较小，接头平整，焊件变形较小等优点。

大连理工大学谭锦红[15]通过添加Al-Si粉末、Sn、Zn等钎料对AZ31镁合金和6060铝合金进行了接触反应钎焊。研究了钎焊工艺参数(钎料层厚度、加热温度以及保温时间)对AZ31/6060焊接接头结构和性能的影响。实验结果表明，直接接触反应钎焊或采用Al-Si钎料进行连接获得的焊接接头性能较差，低于10 MPa。通过控制锌层的厚度能够有效地控制接头过渡区域的宽度，并在一定程度上提高接头力学强度。

3.2.3 真空扩散焊

真空扩散焊是在一定的真空度条件下，将两个平整光洁的焊接表面加热到一定的温度，在不加任何焊料或中间金属的情况下，在温度和压力的同时作用下，发生微观塑性流变后相互紧密接触，利用焊件接触表面的电子，原子或分子互相扩散转移，并且形成离子键，金属键或者共价键，经一段时间保温，使焊接区的成分，组织均匀化，达到完全的冶金连接过程。真空扩散焊具有能保持原有基体金属的物理、化学和力学性能，可焊接不同类型的材料，焊接残余应力小等优点。

许多学者对镁铝异种金属的直接扩散焊接做了相当多的研究，取得了一些成果，总体来说扩散焊接接头的强度并不高，在一定程度上限制了其应用。分析其原因，焊接时镁铝异种金属直接的接触，在接头界面形成大量的脆性Mg-Al金属间化合物，这是目前镁铝焊接存在的最大问题。近年来，一些学者开始对在焊接母材中间加中间层的方法进行研究，希望通过添加合适的中间层来获得更理想的结果。

Gao Ming[16]等人利用Ti作为中间层实现了AZ31B镁合金和6061铝合金的焊接连接。实验结果表明，Ti中间层的添加成功的组织了AZ31B/6061焊接接头界面区镁铝金属间化合物的生成，界面扩散区由Al3Ti和少量Al18Ti2Mg3组成，当Ti中间层厚度为0.12 mm时，接头剪切强度达到最大值78.2 MPa接头强度的提高得益于接头界面区生成Al3Ti而不是生成Mg-Al金属间化合物。

4 镁与铝异种金属焊接的小结与展望

镁与铝轻金属材料广泛应用于航空、航天、汽车、电子等领域，镁与铝之间的焊接是目前的研究热点。目前无论采用熔焊或者固相焊或是加入中间层或是使用复合热源，都不可能完全避免脆性金属间化合物的生成，只能通过改变金属间化合物的形态和分布来改善接头的性能。

加强镁与铝异种金属焊接基础理论和焊接工艺的研究，对现有的方法进行优化与完善，选择合适的焊接方法及填充材料阻止金属间化合物的生成，改善接头性能，以及如何将良好的焊接技术产业化是今后研究的重点方向。

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