镁合金激光焊的研究现状及发展趋势_全亚杰(3)

］采用了在搭接界面加中间层的方法。文献［用Ｃ虽然Ｃ４２ｅ箔作中间层，ｅ的加入没有阻止金属间化合物的

形成，但可使熔化区的组织均匀，并消除了镁铝过渡区域的裂纹。文献［采用加Ｆ４３］ｅ中间层的方法来抑制

］但会形成有害的Ｆ则采用热固化的环氧树脂作中间层，Ｍｌ金属间化合物的形成，ｅｌ化合物。文献［４４－Ａ－Ａｇ

研究结果表明焊缝熔深比激光焊有所增加，原因为：粘接剂的存在增加了铝合金对激光的吸收；粘接剂分解产生的气体可以沿激光扫描方向压紧底板；Ｏ元素改变了液态金属的表面张力从而影响了熔池金属的流动。３．４　镁合金－其他材料

镁和钢熔点差异大，钢的熔点（约为１比镁的沸点（还高，所以这两种金属很难同时达到５００℃）１１０７℃）

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熔融态。而且镁是密排六方结构，钢在熔融态是体心立方结构，它们在液态下极难互溶。另外，镁铁之间也不能形成化合物。因此，要实现镁合金与钢之间的熔化焊几乎不可能。目前只有文献［采用激光－氩弧复４５］

在焊接过程中Ｆ合热源焊接工艺对ＡＺ３１Ｂ变形镁合金与３０４钢进行了直接的搭接熔化焊试验，ｅ被激光脉

、冲瞬间的高能量密度及其搅拌作用熔化，从而由在Ｍ竹节状”连续的Ｆｅ过渡区域形成的“ＭＯ相、ｇｇ

钢异种金属间的有效连接，接头连续、表面成形良好。文献［则采用ＮＭｅ４６］ｉ作ｇｘＦｚ复合相等实现了镁、ｙＯ

中间层，利用Ｎ从而ｉ与Ｍｉ金属间化合物、Ｎｉ能固溶于Ｆｅ的特性改变接头的形成机理，ｇ之间能生成Ｍｇ２Ｎ

／实现了Ａ目前的研究还采用了一种所谓的“激光钎焊”方法，即利用两种Ｚ３１ＢＱ２３５之间的搭接焊。另外，

材料的熔点差，尽量保持熔点高的Ｆ而仅熔点低的Ｍ就ｅ为固态，４７］ｇ熔化后凝固形成焊缝金属。如文献［

／采用激光束向镁合金侧偏置（图７）来限制钢的熔化（仅在焊缝上部出现了Ｆ是在ＡＺ３１ＢＱ２３５对接焊时，ｅ

，的少量熔化，中、下部均未熔）从而由熔融的镁合金充当填充材料凝固实现焊接。文献［采用的也是激４８］

光－Ｔ实现了ＡＩＧ复合热源向镁合金侧偏置的方法，Ｚ３１Ｂ和３０４Ｌ钢之间的焊接

。

））图７（激光钎焊结构示意图及（接头形貌ａｂ

））ｍｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｏｉｎｔＦｉ．７（ａＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｌａｓｅｒｂｒａｚｉｎａｎｄ（ｂａｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅ　　　　　　　　ｐｊｇｇｇ　

［６］除此之外，更是实现了镁合金和非金属材料之间的连接，他们采用半导体激光直接对镁合Ｗａｈｂａ等１

搭接接头成功地进行了连接，但是对焊接工艺要求较复杂，金ＡＺ９１Ｄ和非晶态聚对苯二甲酸乙二酯（ＰＥＴ）

尤其要注意ＰＥＴ受热分解产生的气体的影响。

４　接头性能

４．１　力学性能

镁合金通过焊接制成结构件要真正用于实际生产，首先其力学性能应达到使用要求。目前的研究表明，同质镁合金激光焊接头的力学性能较好，即使在不加填充金属的情况下，抗拉强度基本可达到母材的９０％

４９，５０］以上，显微硬度接近或高于母材。王红英等［的研究结果显示，即使不加填充金属，ＡＺ３１和ＡＺ６１镁合

金薄板激光焊接头的力学性能也很好，焊缝区域的显微硬度和抗拉强度都出现了明显高于母材的情况。文

］献［的研究结果表明，断裂源自熔合边界附近的焊缝５１ＡＺ３１镁合金激光自熔焊接头的抗拉强度接近母材，

区产生的缩颈部位，然后裂纹沿焊缝金属－ＨＡ而加ＡＺ扩展；Ｚ６１焊丝的激光焊接头断裂发生在远离焊缝的

如文献［报道Ａ母材区。但深入的研究发现焊缝的力学性能表现出明显的各向异性，２４］Ｚ３１Ｂ镁合金Ｎｄ…

与板材轧制方向一致）屈服强度和抗拉强度与母材相当，但伸长率低于母材；而ＹＡＧ激光焊在焊接方向上（

抗拉强度与母材相当，伸长率也低于母材。在垂直于焊接方向上接头的屈服强度明显下降，

异质镁合金焊接接头的力学性能也较好。当Ｚ接头的抗拉强度略低于Ｋ６０与另外两种镁合金连接时，

３６］。文献［其中一种母材为Ａ接头的抗拉强度高于母材［的研究结果显示，ＺＫ６０母材；Ｚ３１时，３７］ＡＺ９１－

而静态弯曲试验表明接头的塑性ＡＭ５０激光焊接头拉伸试验时断裂发生在远离熔化区的ＡＺ９１母材一侧，

接头力学性能不仅与焊接参数有关，应介于母材ＡＺ９１与ＡＭ５０之间。对于镁合金与其他材料之间的焊接，

］而且与工艺方法有很大关系。文献［采用热固化的环氧树脂作中间层实现的镁合金与铝合金之间的焊接４４

研究表明，接头的拉剪强度明显高于单一激光焊或胶接的接头，Ｔ型剥离强度也高于胶接接头。

４．２　腐蚀性能

众所周知，镁合金对应力腐蚀开裂（很敏感，这也是限制镁合金工程应用的主要问题之一。因此，ＳＣＣ）

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作为焊接结构，镁合金激光焊接头的Ｓ的对ＣＣ问题也不容忽视。目前已有研究者在关注此问题。文献［２３］比研究结果显示：且在腐蚀介质中，试样的破ＡＺ３１镁合金激光焊试样在腐蚀环境下具有高的ＳＣＣ敏感性，

而在空气中，试样的破坏出现在焊缝或母材区。图８给出了不同环境下破坏试样的形坏发生在焊缝边界；

［１］貌。Ｓ的研究表明，在慢应变速率拉伸（试验中，加或ｒｉｎｖｉｖａｓａｎ等５ＳＳＲＴ）ＡＺ３１母材和两种激光焊接头（

不加填充金属）在Ａ且焊接接头比母材更严重。应力腐蚀裂纹的形成主ＳＴＭ　Ｄ１３８４溶液中都对ＳＣＣ敏感，

／氧化镁层在拉应力作用下造成局部损伤而导致的。盐要是由于试样暴露在腐蚀环境中，表面形成的氢氧化镁

雾试验表明，焊接接头中的焊缝金属区耐蚀性更好，而加ＡＺ６１填充金属时在焊缝金属中形成的Ａｌ富集会造成

］熔合边界附近的ＨＡ的研究则发现等离子电解氧化处理（可以使母材和接Ｚ产生电化学破坏。文献［５２ＰＥＯ）

］、、改善其抗Ｓ对Ａ头的断裂延迟，ＣＣ性能。文献［５３Ｚ３１ＡＺ９１母材及ＡＺ３１Ｚ３１ＡＺ３１Ｚ９１激光－ＴＩＧ复合焊－Ａ－Ａ

接头的抗腐蚀性能开展了对比研究，发现焊缝金属由于晶粒细化使耐蚀性得到了改善，且ＡＺ３１Ｚ９１异种材－Ａ

质接头的耐蚀性要好于Ａ这主要是由于连续分布的网状β相可以起到降低腐蚀速率、Ｚ３１Ｚ３１同种材质接头，－Ａ

改善接头耐蚀性的作用

。

）（）图８Ｓ空气中；ＳＲＴ破坏的激光焊ＡＺ３１试样宏观形貌。（ａｂＡＳＴＭ　Ｄ３８４溶液中

）；（）Ｆｉ．８ＭａｃｒｏｒａｈｓｏｆＳＳＲＴｌａｓｅｒｗｅｌｄｅｄＡＺ３１Ｍｓａｍｌｅｓｆａｉｌｉｎ．（ａｉｎａｉｒｂｉｎＡＳＴＭ　Ｄ１３８４ｓｏｌｕｔｉｏｎ　　　　　　　　ｇｇｐｇｐｇ　

５　冶金缺陷

由于镁合金熔点低，线膨胀系数及导热率高，与氧、氮的结合力强，虽然采用激光焊可以解决部分熔化冶金问题，但仍然在焊缝金属中存在一些冶金缺陷。

５．１　气孔

在镁合金激光焊的试验中发现，气孔是其产生的主要缺陷之一。目前，关于铝合金激光焊气孔产生机理的研究相对较为成熟，根据其产生原因的不同可分为氢气孔、不稳定匙孔坍塌引起的气孔、熔池表面紊流捕获气体导致的气孔等几种。而镁合金与铝合金的性质相近，其激光焊工艺和过程也基本类似。因此，对于镁合金激光焊气孔的产生原因也可以从上述几方面来考虑。但是镁是低熔点高蒸汽压的元素，相比铝合金激光焊来说，形成的小孔更加稳定，所以匙孔形气孔并不是造成镁合金激光焊气孔的主要原因。而熔池表面紊流捕获的气体是可以通过保护方式的完善避免的。因此，镁合金激光焊中的气孔主要是氢气孔。镁合金中

［４］，溶解度降低６即在镁合金凝固的过程中，当氢氢的溶解度在镁由液态转向固态的过程中有一个突变，０％５

的析出量达到一定程度的时候，就会以气泡的形式析出，同时激光焊的冷却速度很快，凝固前气泡来不及浮出就会导致气孔产生。另外在特定牌号及工艺下可能会出现镁、锌等低熔点、高蒸气压元素蒸发导致的气１３］。孔［

熔池中的氢主要来源于母材中原始含氢量（原始小气孔、扩散氢以及母材表面吸附水）及焊接过程中由

。后者可以通过工艺调整和参数优化（周围气氛中溶入的氢（取决于焊接工艺）激光功率、焊接速度、正背面

５５］。也就是说，气保护角度及流量、焊前预热等）得到控制［镁合金激光焊的气孔倾向程度主要取决于母材中

的原始含氢量。因此，在工艺参数合适的条件下，变形及砂型铸造镁合金均可获得气孔很少甚至无气孔的焊缝，而压铸镁合金的气孔问题仍然严重。针对此问题，文献［的研究发现，压铸镁合金激光焊时获得低气５６］

５７］孔率的关键是抑制焊缝金属中原子氢的析出，使其继续以原子形式固溶于焊缝中。单际国等［提出了如下

措施：随焊加热使焊缝及周围区域温度梯度减小，导致最后凝固的熔池金属中氢聚集程度减小而使气孔率降

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低；使用含气量低的填充材料对焊缝中的氢进行“稀释”以及提高氢固溶度，可以在较大程度上降低焊缝中的

［８］［９］。Ｚ气孔率。利用合金中的氢与Ｚ提出的ｒ反应形成稳定化合物ＺｒＨ２可以显著抑制气孔的产生５ｈａｏ等５