汽车、轨道客车等的轻量化、节能、环保和安全已成为当今发展的必然趋势。高强钢是主要的汽车轻量化材料,其次是铝合金、镁合金、复合材料及塑料等。由于镁合金具有密度低,比强度、比刚度高,减震性好的优点,在汽车设计和制造中增加镁合金的使用量是实现汽车轻量化最直接有效的方法。随之而来的镁/钢异种金属的焊接便成为亟待解决的问题。由于镁与钢的物理、力学及冶金性能存在显著的差异,导致镁/钢异种金属的焊接性极差,严重恶化了接头的使用性能。这已成为制约汽车、轨道客车等轻量化技术发展的关键科学技术问题之一。因此,开展镁/钢异种金属MIG焊的研究具有重要的科学意义和实用价值。本文较系统地研究了镁/钢异种金属MIG焊接头的微观组织特点及力学行为,焊接工艺参数和合金元素对镁/钢接头的微观组织及力学性能的影响规律。研究结果表明,AZ31B镁合金/Q235低碳钢异种金属MIG焊接头具有熔-钎焊特点,接头主要包括:镁合金焊缝区(WZ)、镁/钢界面区(IZ)、镁合金熔合区(FZ)、镁合金热影响区(HAZ1)和钢热影响区(HAZ2)。镁合金WZ的微观组织主要为α-Mg固溶体和β-Al12Mg17金属间化合物,β-Al12Mg17主要分布于晶界处,少量的β-Al12Mg17析出于α-Mg晶内,且镁合金焊缝易产生气孔缺陷;镁/钢IZ由靠近镁合金焊缝的过渡层I和靠近钢基体的过渡层II组成,过渡层I的相组成主要包括Fe Al金属间化合物和α-Mg固溶体,过渡层II主要为α-Fe(Al,Mg)固溶体,IZ易产生未焊合、裂纹等缺陷;镁合金FZ主要为α-Mg粗晶和细晶的混合;HAZ1的突出特点是α-Mg晶粒粗化;HAZ2主要由贝氏体、珠光体和铁素体组成。镁/钢MIG焊接头的硬度分布是不均匀的,在镁/钢IZ显微硬度明显升高,这主要归因于该区存在大量的Fe Al金属间化合物。在拉伸应力作用下,镁/钢MIG焊接头裂纹主要在镁/钢界面区萌生、扩展,直至最后断裂,具有脆-韧性混合断裂特征,接头抗拉强度较低(120.2MPa),界面区过渡层的脆性Fe Al金属间化合物和未焊合等缺陷是影响接头力学性能的主要因素。焊接工艺参数对镁/钢接头成形、微观组织及力学性能具有明显的影响。镁合金坡口角度30°、钢坡口角度45°;焊丝指向钢坡口面中下部;成形槽尺寸为10mm×1.2mm,有利于改善焊缝成形促进镁/钢界面反应。随着焊接电流的增加,焊缝α-Mg晶粒粗化,晶界β-Al12Mg17相增多,界面区过渡层厚度增加,未焊合缺陷减少,镁/钢接头抗拉强度有增加的趋势。但是过大的焊接电流(140A),恶化焊缝成形,界面层出现氧化物夹杂,使接头强度降低。随着焊接速度增加,焊缝α-Mg晶粒细化,界面区过渡层厚度减小,未焊合缺陷增多,镁/钢接头抗拉强度降低。焊接电流130A~135A、焊接速度600mm/min~650mm/min、焊接线能量2100J/cm~2200J/cm时,有利于改善焊缝成形、接头组织及力学性能。金属(合金)中间层的研究结果表明,合金元素(Cu、Ni、Al)对镁/钢接头的微观组织及力学性能具有明显的影响。添加适量的Cu(Cu中间层厚度100μm),有利于改善液态镁合金在固态钢表面的润湿、铺展性,焊缝主要由α-Mg和Mg2Cu组成,Cu降低了液固相转变温度,延长了界面反应时间,促进了界面层的生长,减少了未焊合缺陷,因此明显提高了镁/钢MIG接头的抗拉强度(180.1MPa)。此外,添加Cu形成(Fe,Cu)Al金属间化合物,使界面层的脆性降低,对接头强度的提高也是有利的。但是,当Cu过量添加时(Cu中间层厚度200μm、300μm),界面附近出现大量的α-Mg+Mg2Cu共晶组织,脆性明显增加,形成大量的微裂纹,导致接头强度明显降低。添加适量的Ni(Ni中间层厚度100μm),也有利于改善液态镁合金在固态钢表面的润湿、铺展性,焊缝主要由α-Mg和Ni Al相组成,镁/钢界面过渡层的相组成主要为Ni Al、α-Mg和Fe-Ni固溶体,界面过渡层连续均匀且宽度增加,未焊合缺陷减少,也明显提高镁/钢接头的抗拉强度(184.9MPa)。由于Ni Al的性能优于Fe Al且形成了Fe-Ni固溶体,使界面层的脆性降低,对接头强度的提高也是有利的。但是,当Ni过量添加时(Ni中间层厚度200μm),由于部分未熔化的Ni中间层与过渡层结合不紧密,存在裂纹,因此明显降低了镁/钢接头的抗拉强度。采用AZ61镁合金焊丝的研究结果表明,增加Al含量有利于改善镁/钢MIG接头的组织及力学性能。焊缝主要由α-Mg固溶体和β-Al12Mg17金属间化合物组成,与AZ31镁合金焊丝相比,镁/钢界面层厚度增加,接头抗拉强度提高(136.8MPa)。根据合金元素(Cu、Ni、Al)对镁/钢接头组织及性能的影响规律,本文提出了Al-Cu合金中间层设计思想,研究了Al-Cu中间层厚度对接头微观组织及力学性能的影响规律,优化了中间层厚度,明显提高了镁/钢异种金属MIG焊接头的力学性能。接头抗拉强度可达193.5MPa,接头强度达到AZ31B镁合金母材强度(230MPa)的84.1%。因此,为了明显提高镁/钢接头的力学性能,选用厚度为100μm Al-Cu合金中间层是更为有利的。基于以上研究结果,进一步研究了镁/钢MIG焊接头的热循环特点及焊接参数对热循环的影响规律,通过热力学、动力学分析,研究揭示了镁/钢界面过渡层的生长机制,建立了合金元素作用下界面过渡层的生长模型。为改善镁/钢焊接性、提高接头力学性能及研发镁/钢焊接技术提供必要的理论依据和试验数据。