高性能鎂合金焊接材料關(guān)鍵制備技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應用

劉迎軍（曾用名劉勝利）

（河南維可托鎂合金科技有限公司，河南 焦作 454002）

摘 要 針對鎂合金焊接特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，對鎂合金焊接材料、焊絲制備工藝進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，實(shí)現了系列高性能鎂合金焊接材料的工業(yè)化生產(chǎn)，并批量應用于航空航天、兵器、汽車(chē)、軌道交通、自行車(chē)、建筑、物流設備等領(lǐng)域，可以為鎂合金的鎢極惰性氣體保護焊、熔化極惰性氣體保護焊、激光焊、鑄件堆焊修復、電弧熔絲增材制造等提供絲材的成套解決方案。

關(guān)鍵詞 鎂合金焊接；鎢極惰性氣體保護焊；熔化極惰性氣體保護焊；電弧熔絲增材制造

鎂合金具有高的比強度、比剛度，優(yōu)異的導熱、減震和電磁屏蔽性能，良好的可鑄性、機械加工性和可回收性，在減重和節能方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，作為輕的金屬結構材料，在航空航天、兵器、軌道交通、汽車(chē)、建筑、自行車(chē)、民用消費類(lèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域有廣闊的應用前景，被譽(yù)為“21世紀綠色工程材料”。

鎂合金大量應用還有待克服一系列缺點(diǎn)和不足，尤其是由于材料自身的物理特性的原因，其焊接性能差，制約著(zhù)鎂合金的發(fā)展。焊接技術(shù)是現代工業(yè)生產(chǎn)的一項重要加工藝, 鎂合金結構件的大量應用離不開(kāi)焊接技術(shù)的發(fā)展，但迄今為止獲得可靠的鎂合金焊接工藝難度大，鎂合金結構件焊接以及鎂合金與其他材料結構件之間的焊接成為制約鎂合金應用的技術(shù)瓶頸和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 鎂合金熔焊冶金過(guò)程與焊接方法

當前，有關(guān)鎂合金焊接材料、焊接冶金、焊接工藝以及焊接接頭測試等方面的研究和應用都還處于初級階段，雖然近幾年來(lái)取得了一些進(jìn)展，但在鎂合金焊接過(guò)程中仍存在很多亟待解決的問(wèn)題，包括：提高焊接接頭的疲勞強度、發(fā)展的熔化極焊接、鎂合金與其他金屬的異種焊接等方面。因此深人開(kāi)展相關(guān)技術(shù)的研究，實(shí)現鎂合金焊接材料的系列化、焊接工藝的規范化、焊接設備以及焊接質(zhì)量檢測的標準化尤為重要和迫切。

1.1 鎂合金熔焊的冶金過(guò)程

熔焊，又叫熔化焊，是指焊接過(guò)程中，將聯(lián)接處的金屬在高溫等作用下加熱至熔化狀態(tài)而完成的焊接方法。在焊接接頭處，熔化的熔體在溫度場(chǎng)、重力等作用下發(fā)生混合，并發(fā)生較為復雜的冶金現象。由于伴隨焊接過(guò)程的進(jìn)行，將產(chǎn)生高溫相變過(guò)程，在焊接區域就會(huì )形成熱影響區（HAZ）。

鎂合金熔化焊的母材是局部加熱的，存在著(zhù)溫度高，熱影響區大，焊后變形大、殘余應力大等共性問(wèn)題。在熔焊過(guò)程中，熔池中因合金元素不同還會(huì )發(fā)生各種復雜的冶金反應。由于鎂的物理性能與鋁有很大的不同，因此無(wú)法將鋁合金焊接的相關(guān)知識直接移植到鎂合金中。

鎂合金的熔化區間相對較寬（約為 420–620℃），由于有低熔點(diǎn)共晶相的存在，該處產(chǎn)生熱裂的傾向很大。與鋁合金相比，熔化相同體積的鎂合金僅需60%的能量，由于導熱率低，焊接所需的能量則更少，為所需能量的1/3。另外，鎂合金的汽化溫度約1100℃，只有鋁合金的一半，在某一溫度焊接時(shí)鎂的蒸發(fā)壓力遠高于鋁。鎂的這些特性使填充金屬在加熱熔化過(guò)程中容易產(chǎn)生嚴重的飛濺。而且鎂合金的熱膨脹系數是低碳鋼的兩倍多，比鋁合金高10%左右，焊接時(shí)極易產(chǎn)生焊接變形，因此焊件要提供足夠的夾持。

由于鎂的物理特性，鎂合金熔化焊接頭易產(chǎn)生裂紋、氣孔、固體夾雜、元素燒損等缺陷。焊接裂紋一類(lèi)是焊接熱裂紋，另一類(lèi)是凝固收縮裂紋；而固體夾雜一類(lèi)是熔池內焊接冶金反應產(chǎn)生的非金屬夾雜物，另一類(lèi)是由外界帶入的夾雜物。

1.2 鎂合金熔焊工藝及特點(diǎn)

研究和實(shí)踐證明，鎂合金部件可通過(guò)多種焊接方法連接，包括：鎢極惰性氣體保護焊（TIG）熔化極惰性氣體保護焊（MIG）、激光焊（LBW）、等離子弧焊（PAW）、電子束焊（EBW）、電阻點(diǎn)焊（RSW）、電磁脈沖焊（MPW）、擴散焊（DFW）、攪拌摩擦焊（FSW）以及激光復合焊等，這里僅敘述鎂合金熔化焊的的方法及其特點(diǎn)。

采用TiG焊接鎂合金時(shí)，母材表層的氧化物有穩定電弧的作用，因此在焊前不要立即去除氧化層。在焊接時(shí)，為了達到即可破壞母材表面氧化層而又不使鎢電極過(guò)熱的目的，鎂合金TIG焊交流焊。鎂合金TIG焊可通過(guò)控制保護氣體中氦氣比例控制熔深，通過(guò)調整焊接參數，焊接接頭的抗拉強度可以達到母材的80-90%。綜合而言，鎂合金TIG焊具有焊接速度低、熱影響區寬、焊接應力大以及蒸發(fā)嚴重等缺點(diǎn)。 

鎂合金和鋁合金的MIG焊有顯著(zhù)區別，主要表現在輸入到填充金屬的熱量有很大的不同。對于鎂合金而言，熱量輸入的溫度區間非常小(700~900°C)，如果填充金屬的溫度超過(guò)900°C，則會(huì )產(chǎn)生嚴重的飛濺損失(> 50%)。因此，輸入到填充金屬的熱量必須非常低而且要精確。雖然延長(cháng)短路電弧的時(shí)間間隔可以實(shí)現低熱量輸入，但在填充金屬的易出現大量熔滴，從而無(wú)法保證焊縫具有足夠的熔深。為了獲得更好的焊縫熔深，必須使用脈沖電弧焊，而能夠形成觸發(fā)短路電弧或脈沖疊加短路電弧、具有短路控制功能的脈沖電弧焊機可以初始化電流的增加和減小，從而可以有效控制熱量輸入，進(jìn)而達到減少飛濺的目的。MIG焊接接頭的抗拉強度可以達到母材的80%以上，甚至接近母材的強度，而焊接接頭的疲勞強度可達到母材的75%左右。

高能束焊（包括：激光焊、等離子弧焊和電子束焊）具有能量密度高、功率輸入低以及冷卻快等特點(diǎn)，焊接時(shí)易獲得深的穿透、小的HAZ和細小的微觀(guān)組織。通過(guò)優(yōu)化參數，可以獲得無(wú)裂紋、無(wú)氣孔、外觀(guān)令人滿(mǎn)意的精細焊縫，而且大部分焊縫的抗拉強度接近于母材。高能束焊的特點(diǎn)是高能束和材料表面之間的相互作用區很窄，因此自動(dòng)化和過(guò)程控制潛力很大，是特別適合鎂合金焊接的方法。與MIG焊相比，高能束焊并不復雜，但當使用填充金屬時(shí)，良好的焊接效果取決于填充金屬的進(jìn)給以及高能束、填充金屬和母材之間的協(xié)調。實(shí)踐證明，由于激光和電弧相互有益的作用，激光焊與TIG可以結合在一起，稱(chēng)為混合激光-TIG焊，可以提高焊接熔深、焊接速度和焊縫質(zhì)量，這種方法適用于鎂合金的高質(zhì)量焊接。

2 鎂合金焊接填充材料及其制備關(guān)鍵技術(shù)

Al、Zn、Th、RE是鎂合金中的主要合金元素，含鋁的三元合金主要包括：AZ系（Mg-Al-Zn）、AM系（Mg-Al-Mn）以及AS系（Ag-Al-Si），另外還有含Mn和含Zr的三元合金。在合金化元素中，單獨或一起加入的Al和Zn主要用于普通合金，而RE和Th則主要用于耐熱合金。針對不同種類(lèi)的鎂合金，鎂合金焊接材料的設計和制備要充分考慮鎂合金自身的物理特性、熔焊的冶金特點(diǎn)、成型加工工藝以及所采用的焊接方法。

2.1 鎂合金焊接材料制備技術(shù)

為了滿(mǎn)足鎂合金焊材規?；I(yè)生產(chǎn)的需求，材料制備方面的工作主要集中在熔體處理、在線(xiàn)檢測、微量元素控制等方面：

（1）變質(zhì)細化處理技術(shù)：采用合成法制備出含有金屬間化合物的系列變質(zhì)細化添加劑（例如C、稀土元素），與當前溶劑類(lèi)、中間合金類(lèi)變質(zhì)細化劑相比，具有無(wú)污染、添加量少、工藝可控性好等優(yōu)點(diǎn)，是制備晶粒細小、組織均勻、高質(zhì)量合金坯料的理想選擇。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)熔體變質(zhì)處理及新型鑄造結晶器的應用，半連鑄坯料宏觀(guān)晶粒度可控制在80μm以下。

（2）熔體精煉技術(shù)：開(kāi)發(fā)出熔體復合處理技術(shù)，通過(guò)批量生產(chǎn)跟蹤分析（氯離子含量、斷面白度值、鹽霧試驗、力學(xué)性能實(shí)驗）可知，該技術(shù)能夠滿(mǎn)足批量生產(chǎn)條件下有效控制材料純度的需求。另外，研發(fā)團隊已經(jīng)在材料純度在線(xiàn)檢測方面取得進(jìn)展。

需要特別注意的是，鎂合金當前采用無(wú)熔劑熔煉難度比較大，大多數情況仍然需使用熔劑精煉。熔劑精煉首先要選擇合適的熔劑，另外還要考慮熔劑加入合金熔體后要有良好的分散性以及控制熔劑加入量等方面的內容，這樣就可以大限度地減少熔劑夾雜或Cl^-1含量。

由于富鋯氯化物雜質(zhì)不能被一般熔劑完全去除，所以Mg-Zr合金不適于采用Mg-Al合金推薦的熔劑。為防止殘留在熔體中微粒傳輸到鑄造產(chǎn)品中，Mg-Zr合金應采用專(zhuān)門(mén)配置的高密度熔劑，并在精煉時(shí)要加強攪拌。另外，需要注意的是，含鋯鎂合金要著(zhù)重去除熔體中的氫。在熔煉Mg-Al-(堿土金屬)、Mg-Mn和Mg-RE類(lèi)合金時(shí)，使用2號熔劑或5號熔劑易出現熔劑夾渣，應盡量避免使用。在熔化含有Y、Ce、La、Nd、Th的鎂合金時(shí)，由于在熔劑覆蓋下熔化時(shí)貴重的Y及Ce損失很多，為減少損失推薦使用無(wú)氯化物熔劑，或采用無(wú)熔劑熔煉。以此為基礎，研發(fā)團隊開(kāi)發(fā)出適用于不同種類(lèi)合金、標準化、系列化的精煉熔劑，這也是獲得優(yōu)質(zhì)鎂合金材料的關(guān)鍵因素之一。

（3）微量雜質(zhì)元素控制：在合金制備過(guò)程中，微量雜質(zhì)元素的爐前控制對于鎂合金焊材是必不可少的手段。通過(guò)特殊處理手段，可對鎂合金熔體中的微量雜質(zhì)元素進(jìn)行有效控制。在Mg-Zr合金中，做到了盡量減少與鋯形成穩定高熔點(diǎn)化合物的金屬元素，包括：Al、Si、Fe、Ni、Mn、Sn、Co 和 Pb，尤其是Al、Si、Mn；在Mg-RE合金中，則使Fe、Si和Al等雜質(zhì)小化。

（4）提高材料的熔焊性能及擠壓加工性能：鎂是一種十分活潑的金屬，在熔焊時(shí)極易產(chǎn)生氧化、燃燒或飛濺。開(kāi)發(fā)鎂合金焊接材料除了考慮對常規合金元素燒損補償之外，還要添加微量的Ca、Be或稀土等元素，以提高合金的熔焊性能，從而達到穩定熔焊工藝的目的。另外，在不同合金中添加微量的Ce、Sr、Y、Gd、Nd等元素，可以改善其塑性及擠壓性能。

總之，鎂合金焊接材料的批量生產(chǎn)和應用得益于企業(yè)在冶金控制、微量元素控制、微小夾雜物控制以及半連鑄坯料晶粒度控制等方面的進(jìn)步。

2.2 鎂合金焊接材料成形加工

（1）擠壓：將表面微晶化處理技術(shù)、激光表面處理技術(shù)以及硬質(zhì)合金應用于鎂合金擠壓模具，采用一模多出技術(shù)、等溫擠壓技術(shù)，生產(chǎn)出圓整度高、表面質(zhì)量良好的高質(zhì)量鎂合金絲材，見(jiàn)圖1。其中，Ф1.0和Ф1.2的盤(pán)絲實(shí)現了整絲成形沒(méi)有接口，可以滿(mǎn)足MIG自動(dòng)焊和電弧熔絲增材制造連續性生產(chǎn)的要求。

（2）表面處理：采用自主開(kāi)發(fā)的環(huán)保型表面處理工藝，將鎂合金焊接材料制品處理至用戶(hù)要求。

2.3 產(chǎn)品系列化和標準化

迄今為止，不同牌號的鎂合金焊接用絲材已實(shí)現了標準化、系列化生產(chǎn)，可以滿(mǎn)足不同熔焊工藝的要求。與此同時(shí)，也專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)出應用于大型鎂合金鑄件修復、高強韌鎂合金電弧熔絲增材制造等特殊領(lǐng)域的系列產(chǎn)品，見(jiàn)圖2。另外，異質(zhì)材料焊接用材料也正在開(kāi)發(fā)之中。

圖1 鎂合金絲擠壓生產(chǎn)

圖2 各種規格的鎂合金焊絲

以大量工作為基礎，針對鎂合金焊接用材料制定出系列操作規范和企業(yè)標準，包括：鎂合金熔體處理規范、特種熔劑標準、爐前檢測規范、半連續鑄錠標準、鎂合金擠壓操作規范、鎂合金熱處理規范及鎂合金絲材產(chǎn)品標準等。

為了進(jìn)一步開(kāi)拓市場(chǎng)和滿(mǎn)足未來(lái)大批量生產(chǎn)的要求，質(zhì)量管理體系的建立和完善也同時(shí)提到議事日程上來(lái)。

3 市場(chǎng)推廣和應用

利用自主開(kāi)發(fā)的高性能鎂合金材料及絲材制備成套技術(shù)實(shí)現了鎂合金焊絲以及電弧增材用高強韌鎂合金絲工業(yè)化生產(chǎn)。高性能鎂合金焊絲系列產(chǎn)品已應用于不同領(lǐng)域的數百家企業(yè)；電弧增材用高強韌鎂合金絲系列產(chǎn)品已應用于上海精密機械研究所、航天二院、航天四院、中船重工以及30余家985/211高校研發(fā)團隊，獲得廣泛認可，見(jiàn)圖3~圖7。

圖3 AZ61擠壓板激光填絲焊

圖4 鎂合金擠壓車(chē)架（左）和壓鑄車(chē)架的焊接

圖5 某航空器的焊接及修復                                圖6 出口俄羅斯的鎂基復合材料焊絲

圖7 衛星部件CMT增材制造

4 結束語(yǔ)

隨著(zhù)技術(shù)和價(jià)格瓶頸的不斷突破，鎂合金的應用領(lǐng)域及市場(chǎng)規模將持續擴大，我國鎂產(chǎn)業(yè)也必將迎來(lái)爆發(fā)式增長(cháng)。在此形勢下，我們在鎂合金焊接材料及鎂合金增材制造領(lǐng)域要加強各種資源的有效整合，讓技術(shù)創(chuàng )新與應用創(chuàng )新深度融合，鍛造“國之利器”，為解決鎂行業(yè)發(fā)展所面臨的重大挑戰發(fā)揮重要作用。