镁锂合金焊接性能研究现状

镁锂合金焊接性能研究现状

胡少华，姜炳春

广东科技学院

1、引言

随着人类能源资源的日益枯竭，对汽车、航空航天等领域的机件轻量化要求越来越高。镁合金由于密度小，比强度、刚度高，绿色无污染等一系列优点[1]，使其在各个行业的应用日益广泛，并引起了普遍的研究和关注。镁是密排六方结构，室温下其滑移系很少，塑性变形能力较差[2]，绝对强度偏低，且强化相的析出与分布得不到有效的控制，严重阻碍了其加工成形性与深度应用[3]。镁的密度为1.738g/cm3，向镁中添加Li，不仅能使密度降低到1.3-1.6g/cm3，密排六方结构也随Li添加量增多转变为体心立方结构[4]，锂的添加在降低合金比重的同时明显改善了合金的成形性能，为超轻镁锂合金提供了广阔的应用前景[5]。镁锂合金在航空航天、汽车及武器装备等领域内的应用过程中往往涉及到很多焊接问题。镁锂合金母材虽然具有良好的机械性能、物理性能、化学性能，但在焊接过程中受到焊接热循环的影响，使得镁锂合金焊接出现焊缝气孔多、烧穿、焊接热裂纹倾向大、氧化、及焊接强度低等缺陷[6-8]，这些问题都降低了镁锂合金焊接接头的整体力学性能，严重影响了镁锂合金的发展。目前，国内外专家学者尝试的镁锂合金焊接方法有搅拌摩擦焊、TIG焊、电子束焊、激光焊、电焊、钎焊等。而现有的这些焊接方法都不能很好的解决上述镁锂合金在焊接过程中出现的问题，比如用激光焊接镁锂合金容易产生气孔，TIG焊则容易产生粗晶组织等[9]，因此深入开展镁锂合金焊接技术和焊接机理的研究是推广镁锂合金材料应用的重要环节。本文中主要对镁锂合金焊接技术研究现状及发展趋势进行阐述。

2、镁锂合金的焊接性能分析

镁锂合金分为三种类型[10]：第一种为密排六方结构的镁基α单相固溶体型镁锂合金（锂的质量分数＜5.7%）；第二种为镁基α+β双相固溶体型镁锂合金（5.7%≤锂的质量分数≤11.5%）；第三种为体心立方结构的镁基β单相固溶体型镁锂合金（锂的质量分数＞11.5%）。尽管镁锂合金包含较多的Li元素，但其仍然以镁为基，因此镁锂合金焊接工艺同镁合金相似，焊接镁合金的设备同样可以适用于镁锂合金的焊接[11-12]。比如，由于镁合金结晶温度区间较大，因此易于产生热裂纹和气孔；且镁对氧的亲和力大，其氧化物密度较大，容易形成夹杂[13]。镁的沸点较低，约为1100℃，温度进一步升高后，其蒸气压比在相同温度下的Al合金的蒸气压要高4~5倍，因而焊接时温度一旦过高，镁就会氧化，并产生爆炸形成飞溅。而Li元素的化学性质比镁还要活泼，因此镁锂合金的焊接是比较困难的。

3、镁锂合金焊接方法现状

3.1钎焊研究现状

镁合金的钎焊技术起源于上世纪六七十年代，当时主要有火焰钎焊等，到目前为止镁合金钎焊技术发展并不是很成熟，主要原因在于镁合金表面具有致密的氧化膜，钎焊的时候难以去除。近年来随着新材料、新工艺的出现，镁合金的钎焊技术也得到一定发展。大连理工大学吴忠辉[14]采用氩气保护筒式电阻炉对镁合金板材进行钎焊。钎焊AZ31B镁合金时，钎焊接头的抗剪切强度最终能达到80.42MPa；钎焊AZ61、AZ91镁合金时，钎焊接头抗剪切强度均在70MPa以上。北京工业大学马力[15]采用高频感应钎焊方法焊接AZ31B镁合金，自行设计感应线圈，通过选用合理的钎焊材料和工艺，钎焊对接接头的抗拉强度可以达到77MPa，搭接接头抗剪切强度达到56MPa。李敦运[16]采用真空炉中对AZ3镁合金进行钎焊焊接，发现在真空中镁合金会被氧化，得不到理想的接头。镁锂合金钎焊的下一步发展应着重于镁合金钎料的研发，如晶态三元镁基、铝基及锌基钎料等。

3.2TIG焊研究现状

钨极惰性气体保护焊(TIG焊)具有操作灵活，效率高，适应性强等很多优点，目前在镁锂合金焊接中应用比较广泛。董长富[17]等采用自动填丝TIG焊对变形镁锂合金AZ31B进行了焊接，结果表明，随着填丝TIG焊接中焊丝含铝量的增加，热影响区及焊缝区的白色共晶相逐渐增多并呈连续分布，同时晶粒趋于细小。Liu等[18]对２mm厚Mg-10.36Li-2.7Al-0.91Zn-0.81Ce合金采用TIG焊接，均未发现明显的焊接缺陷，而且发现焊后接头强度可达到母材的84%，拉伸断裂发生在热影响区。对镁锂合金焊接接头显微结构的控制，如晶粒尺寸、固溶强化相和析出强化相的种类及影响机制，是目前研究的弱点。

3.3电子束焊接研究现状

电子束焊接具有能量密度高、穿透性能强、热影响区窄、热输入量小、电子束精确可调等优点。王亚荣[19]等对2mm厚的MB2镁合金板材开展了18组正交实验，指出加速电压越大、束流越高，热输入也相应增大，熔深、熔宽一同增加，深宽比在电压为100kV、束流为25mA时达到最大。Chi等[20]对AZ系列的镁合金进行热输入为3000～5000W的电子束焊接试验，结果表明，焊件最初的择优取向特性消失，并由锻造镁合金结构向铸造镁合金结构发生转变。

3.4激光焊接研究现状

激光焊接因具有能量密度高和冷却速度快等优点，焊缝可形成明显的细晶组织，研究认为采用激光焊接更有利于实现镁锂合金的有效连接[21]。檀财旺等[22]对AZ31B镁合金采用光纤激光与CO2激光焊接，研究发现镁合金光纤激光焊接能够获得较好的焊缝成形，具有较好的工艺适应性，接头强度可达到母材的95%以上。对AZ60镁合金CO2激光焊接研究表明，焊后熔合区观察到树枝晶组织，热影响区较小，焊缝的显微硬度要高于母材[23]；于影霞等[24]研究了镁锂合金激光焊的工艺特点，分析了影响激光焊焊接接头的因素；吕俊霞等[25]采用CO2激光焊接Mg-9.8Li-2.9Al-Zn合金，结果表明，激光快速加热焊缝组织明显细化，焊缝的显微硬度（约105ＨＶ）高于母材的显微硬度（约85ＨＶ）。目前，镁锂合金激光焊的研究同样存在镁锂焊接类型单一的问题。

4、结论

镁锂合金是目前最具潜力的金属材料，其焊接技术的发展直接影响着其在航天、汽车、通信等各领域的广泛应用。现今阶段，镁锂合金的焊接技术还不够完善，其焊接方法还需要进一步的研究，主要体现在焊接理论的研究、焊丝开发的研究、镁合金焊接过程的控制、镁合金焊接接头疲劳失效分析、研制高质量的镁合金焊接材料、建立一套质量评价标准等。

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