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【摘 要】焊接是金属材料连接工艺中最简单、普遍的连接方式，焊接是同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程，是实用性很强的、最传统的连接技术之一。相对于钢铁材料及铝合金，镁合金焊接性能较差，焊接问题成为制约其广泛应用的首要问题。本文探讨了镁合金焊接技术的研究进展及应用。
【关键词】镁合金；焊接技术；发展；应用
镁合金是目前应用最广泛的合金，是理想的环保、节能材料，符合可持续发展的要求，被誉为21世纪绿色工程金属结构材料，并将成为21世纪重要的商用轻质材料。随着对镁合金的进一步研究和在各个领域中更加广泛的应用，开展镁合金焊接技术的研究工作显得尤为重要和迫切，提高镁合金的焊接性、获得优质焊接接头是进一步拓宽镁合金应用范围的重要条件。
一、镁合金的焊接特点
1、氧化、氮化和蒸发
镁易与氧结合，在焊接的高温下会生成MgO，易使焊缝形成细小片状的固态夹渣而降低性能。镁还与空气中的氮化合生成Mg3N2，导致焊缝的塑性降低，脆性变大。镁的沸点为1100℃左右，在焊接高温下容易蒸发。因此，镁合金焊接需要严格的保护措施。
2、热裂纹倾向
在焊接过程中，镁与一些合金元素（Cu、Al、Ni等）易形成低熔点共晶体，在脆性温度下容易形成热裂纹。镁熔点低，热导率高，较大的焊接热会导致焊缝及近缝区金属产生粗晶现象，降低了接头的性能。镁的热膨胀系数较大，是铝的1.2倍，焊接时易产生较大的热应力和变形，加剧裂纹的形成。
3、气孔和烧穿
氢在镁中的溶解度随温度降低而急剧减少，焊后随着温度下降，大量氢析出产生气孔。由于镁合金表面的氧化薄膜比合金熔点高，随着焊接温度升高，两者不能熔合，导致焊缝烧穿和塌陷，尤其在焊接镁合金薄板情况下容易出现这种情况。
二、镁合金焊接技術的应用
1、钨极惰性气体保护焊
镁合金焊接最初主要采用的钨极惰性气体保护焊（即TIG焊）仍然是目前实际生产过程中广泛使用的焊接方法。
镁合金TIG焊存在诸多缺点，主要体现在：钨极氩弧焊单道焊熔深浅，焊接镁合金厚板需要采用双面焊或多道焊，既增加了焊接难度，也降低了生产效率；而且镁合金的膨胀系数大，容易产生焊接裂纹、气孔等焊接缺陷。钨电极承载电流能力有限，TIG焊一般适合薄板件的镁合金焊接。为进一步改善镁合金TIG焊的焊接质量，研究发现在焊件的表面涂敷氯化活性剂（氯化物的添加增加了电弧电压和电弧温度，且在焊接方向上增大了电弧的宽度，使得焊接过程中热输入量增加，进而增加了焊道熔深），通过这种方法可以实现镁合金中厚板的焊接，加工成本低，生产率高，是一种有较为广阔应用前景的焊接技术。
2、搅拌摩擦焊
镁合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成，焊接接头不产生凝固冶金有关的焊接缺陷和焊接脆化现象。由于压力和扭矩共同作用于焊材表面及其近区，产生了一些力学冶金效应，如晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布，以及搅拌摩擦焊接对表面的清理作用等、焊缝区晶粒细化，无熔化焊的树枝晶，无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷，综合性能良好。焊接过程中不产生火花、飞溅、烟雾、弧光、高频和有害气体等对环境和人体产生影响的污染源。不需要特殊的焊接电源和填加焊接材料，因此是一种节能、低耗的焊接方法。由于是固相焊接工艺，加热温度较低，焊接热影响区显微组织变化小，焊后的残余应力和变形非常小，对于薄板镁合金焊后基本不变形。焊缝力学性能对外界不敏感，与母材的相当。
3、电子束焊
电子束焊接是在真空环境中利用会聚电子束流轰击焊件连接部位产生热能，使被焊金属融合的一种新型熔焊方法，但由于镁蒸气压高，容易在焊点根部形成空洞。由于锌的蒸汽压更高，对于含锌量高的镁合金，一般不能采用电子束焊接。因此，要严格控制工艺条件以防止产生这种空洞以及产生局部过热。当采用合适的焊接参数对镁合金进行电子束焊接时，可以得到表面光滑、无缺陷、气孔和裂纹的焊缝，由于电子束焊接输人热量小、热影响区小，组织变化不大，接头的拉伸性能和冲击性能优良。但是电子束焊接存在成本高、真空室限制工件尺寸等缺点，使其在镁合金的焊接应用上受到很大限制。
4、激光焊接
激光焊以高能量密度的激光作为热源，对金属进行熔化形成焊接接头。激光焊具有能量集中、热输入低、焊道宽度和热影响区窄、焊接变形小以及易于实现自动化等优点，而且避免了在电子束焊接时不可在大气中进行焊接的缺点。激光焊接是一种高能密度的焊接工艺，焊接镁合金可以有效地防止传统焊接工艺产生的缺陷，焊接接头组织明显细化，焊缝力学性能显著提高。激光焊接变形小，而且接头强度几乎与基体相当，适当地调整工艺参数可消除空洞及穿透现象。但激光器一般都比较小，镁合金表面对激光束的吸收率很低，深熔焊时存在问题，在工艺上有一定的难度。同时，激光焊生产工艺较复杂，成本亦较高这成为其推广应用的障碍。
5、电阻点焊
电阻点焊是镁合金连接方法中有较大应用潜力的一种方法，属于机械化程度及生产率较高的焊接方法。电阻点焊时熔核周围被高温塑性金属环包围，与外界气体隔绝，能防止空气中气氛与熔核中的金属发生冶金反应，从而实现在无保护条件下进行焊接。由于镁合金的特点，其在点焊过程中对焊接热输入和电极压力等工艺参数变化的敏感程度要远远高于其他金属，而且电阻点焊接头质量对焊接部位的污染物非常敏感。所以在焊接镁合金薄板时一定要注意压力以及表面清洁度的控制。
6、激光-电弧复合焊接
激光-电弧复合焊接是利用激光与电弧两种复合热源焊接镁合金。激光-电弧复合焊接工艺克服了镁合金激光焊接时镁合金表面吸收率低的缺点。当激光束与熔融液态金属作用时，激光90%左右的能量被材料吸收，仅有少量激光束被反射掉。激光-电弧焊复合热源焊接将激光焊与氩弧焊有机结合起来，充分发挥各自优点，且进一步提高其综合性能。采用激光-电弧复合热源焊能在较宽的工艺参数范围内工作，得到的接头成型美观，接头的拉伸强度、疲劳强度甚至能达到母材强度。但其焊接过程比较复杂，不便调节和控制，且其还存在焊接镁合金薄板时变形比较严重以及钨极在高温下易烧损、起弧不稳定等缺点。
三、镁合金焊接技术的发展方向
随着镁合金在汽车、交通、民用产品等领域的广泛应用，镁合金的连接技术也成为冲破应用瓶颈的迫切问题，受到国内外研究学者的进一步关注。尽管各种焊接技术都有各自的优点和潜力，但是迄今为止并没有形成较为成熟的工艺方法，所以针对目前的研究现状，为获得良好、可靠的焊接接头，今后镁合金焊接的研究重点应主要体现在如下几个方面：
1、加强镁合金焊接理论性的研究。通过输入合理的焊接控制参数、控制熔池或电弧的特征来提高焊接接头的可靠性。
2、深入研究有潜力的焊接方法，特别是复合焊接技术。通过调整适当的工艺，充分发挥各自优点，进一步提高焊接接头的综合性能。
3、加强研制开发镁合金与异种材料的焊接技术，通过各种应用软件的研究，建立起对焊接过程温度场的模拟，以便更好地控制整个凝固过程。
综上所述，虽然镁合金焊接性能优良，但对于实际应用来说，如何克服镁合金焊缝处明显的脆性，气孔、裂纹的产生，热影响区晶粒粗大等方面的问题，是镁合金焊接技术发展的关键。
参考文献：
[1]张新恩，周吉学，詹成伟，等.AZ31镁合金氩弧焊接接头组织与力学性能研究[J].山东科学，2012，25（3）：92-94.
[2]徐琦，梁永政.镁合金焊接技术的研究现状[J].湖南有色金属，2012，28（4）院45-49.
[3]刘珍良.镁合金熔化极气体保护焊焊接工艺与性能分析研究[D].南京院南京理工大学，2010.
【关键词】镁合金；焊接技术；发展；应用
镁合金是目前应用最广泛的合金，是理想的环保、节能材料，符合可持续发展的要求，被誉为21世纪绿色工程金属结构材料，并将成为21世纪重要的商用轻质材料。随着对镁合金的进一步研究和在各个领域中更加广泛的应用，开展镁合金焊接技术的研究工作显得尤为重要和迫切，提高镁合金的焊接性、获得优质焊接接头是进一步拓宽镁合金应用范围的重要条件。
一、镁合金的焊接特点
1、氧化、氮化和蒸发
镁易与氧结合，在焊接的高温下会生成MgO，易使焊缝形成细小片状的固态夹渣而降低性能。镁还与空气中的氮化合生成Mg3N2，导致焊缝的塑性降低，脆性变大。镁的沸点为1100℃左右，在焊接高温下容易蒸发。因此，镁合金焊接需要严格的保护措施。
2、热裂纹倾向
在焊接过程中，镁与一些合金元素（Cu、Al、Ni等）易形成低熔点共晶体，在脆性温度下容易形成热裂纹。镁熔点低，热导率高，较大的焊接热会导致焊缝及近缝区金属产生粗晶现象，降低了接头的性能。镁的热膨胀系数较大，是铝的1.2倍，焊接时易产生较大的热应力和变形，加剧裂纹的形成。
3、气孔和烧穿
氢在镁中的溶解度随温度降低而急剧减少，焊后随着温度下降，大量氢析出产生气孔。由于镁合金表面的氧化薄膜比合金熔点高，随着焊接温度升高，两者不能熔合，导致焊缝烧穿和塌陷，尤其在焊接镁合金薄板情况下容易出现这种情况。
二、镁合金焊接技術的应用
1、钨极惰性气体保护焊
镁合金焊接最初主要采用的钨极惰性气体保护焊（即TIG焊）仍然是目前实际生产过程中广泛使用的焊接方法。
镁合金TIG焊存在诸多缺点，主要体现在：钨极氩弧焊单道焊熔深浅，焊接镁合金厚板需要采用双面焊或多道焊，既增加了焊接难度，也降低了生产效率；而且镁合金的膨胀系数大，容易产生焊接裂纹、气孔等焊接缺陷。钨电极承载电流能力有限，TIG焊一般适合薄板件的镁合金焊接。为进一步改善镁合金TIG焊的焊接质量，研究发现在焊件的表面涂敷氯化活性剂（氯化物的添加增加了电弧电压和电弧温度，且在焊接方向上增大了电弧的宽度，使得焊接过程中热输入量增加，进而增加了焊道熔深），通过这种方法可以实现镁合金中厚板的焊接，加工成本低，生产率高，是一种有较为广阔应用前景的焊接技术。
2、搅拌摩擦焊
镁合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成，焊接接头不产生凝固冶金有关的焊接缺陷和焊接脆化现象。由于压力和扭矩共同作用于焊材表面及其近区，产生了一些力学冶金效应，如晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布，以及搅拌摩擦焊接对表面的清理作用等、焊缝区晶粒细化，无熔化焊的树枝晶，无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷，综合性能良好。焊接过程中不产生火花、飞溅、烟雾、弧光、高频和有害气体等对环境和人体产生影响的污染源。不需要特殊的焊接电源和填加焊接材料，因此是一种节能、低耗的焊接方法。由于是固相焊接工艺，加热温度较低，焊接热影响区显微组织变化小，焊后的残余应力和变形非常小，对于薄板镁合金焊后基本不变形。焊缝力学性能对外界不敏感，与母材的相当。
3、电子束焊
电子束焊接是在真空环境中利用会聚电子束流轰击焊件连接部位产生热能，使被焊金属融合的一种新型熔焊方法，但由于镁蒸气压高，容易在焊点根部形成空洞。由于锌的蒸汽压更高，对于含锌量高的镁合金，一般不能采用电子束焊接。因此，要严格控制工艺条件以防止产生这种空洞以及产生局部过热。当采用合适的焊接参数对镁合金进行电子束焊接时，可以得到表面光滑、无缺陷、气孔和裂纹的焊缝，由于电子束焊接输人热量小、热影响区小，组织变化不大，接头的拉伸性能和冲击性能优良。但是电子束焊接存在成本高、真空室限制工件尺寸等缺点，使其在镁合金的焊接应用上受到很大限制。
4、激光焊接
激光焊以高能量密度的激光作为热源，对金属进行熔化形成焊接接头。激光焊具有能量集中、热输入低、焊道宽度和热影响区窄、焊接变形小以及易于实现自动化等优点，而且避免了在电子束焊接时不可在大气中进行焊接的缺点。激光焊接是一种高能密度的焊接工艺，焊接镁合金可以有效地防止传统焊接工艺产生的缺陷，焊接接头组织明显细化，焊缝力学性能显著提高。激光焊接变形小，而且接头强度几乎与基体相当，适当地调整工艺参数可消除空洞及穿透现象。但激光器一般都比较小，镁合金表面对激光束的吸收率很低，深熔焊时存在问题，在工艺上有一定的难度。同时，激光焊生产工艺较复杂，成本亦较高这成为其推广应用的障碍。
5、电阻点焊
电阻点焊是镁合金连接方法中有较大应用潜力的一种方法，属于机械化程度及生产率较高的焊接方法。电阻点焊时熔核周围被高温塑性金属环包围，与外界气体隔绝，能防止空气中气氛与熔核中的金属发生冶金反应，从而实现在无保护条件下进行焊接。由于镁合金的特点，其在点焊过程中对焊接热输入和电极压力等工艺参数变化的敏感程度要远远高于其他金属，而且电阻点焊接头质量对焊接部位的污染物非常敏感。所以在焊接镁合金薄板时一定要注意压力以及表面清洁度的控制。
6、激光-电弧复合焊接
激光-电弧复合焊接是利用激光与电弧两种复合热源焊接镁合金。激光-电弧复合焊接工艺克服了镁合金激光焊接时镁合金表面吸收率低的缺点。当激光束与熔融液态金属作用时，激光90%左右的能量被材料吸收，仅有少量激光束被反射掉。激光-电弧焊复合热源焊接将激光焊与氩弧焊有机结合起来，充分发挥各自优点，且进一步提高其综合性能。采用激光-电弧复合热源焊能在较宽的工艺参数范围内工作，得到的接头成型美观，接头的拉伸强度、疲劳强度甚至能达到母材强度。但其焊接过程比较复杂，不便调节和控制，且其还存在焊接镁合金薄板时变形比较严重以及钨极在高温下易烧损、起弧不稳定等缺点。
三、镁合金焊接技术的发展方向
随着镁合金在汽车、交通、民用产品等领域的广泛应用，镁合金的连接技术也成为冲破应用瓶颈的迫切问题，受到国内外研究学者的进一步关注。尽管各种焊接技术都有各自的优点和潜力，但是迄今为止并没有形成较为成熟的工艺方法，所以针对目前的研究现状，为获得良好、可靠的焊接接头，今后镁合金焊接的研究重点应主要体现在如下几个方面：
1、加强镁合金焊接理论性的研究。通过输入合理的焊接控制参数、控制熔池或电弧的特征来提高焊接接头的可靠性。
2、深入研究有潜力的焊接方法，特别是复合焊接技术。通过调整适当的工艺，充分发挥各自优点，进一步提高焊接接头的综合性能。
3、加强研制开发镁合金与异种材料的焊接技术，通过各种应用软件的研究，建立起对焊接过程温度场的模拟，以便更好地控制整个凝固过程。
综上所述，虽然镁合金焊接性能优良，但对于实际应用来说，如何克服镁合金焊缝处明显的脆性，气孔、裂纹的产生，热影响区晶粒粗大等方面的问题，是镁合金焊接技术发展的关键。
参考文献：
[1]张新恩，周吉学，詹成伟，等.AZ31镁合金氩弧焊接接头组织与力学性能研究[J].山东科学，2012，25（3）：92-94.
[2]徐琦，梁永政.镁合金焊接技术的研究现状[J].湖南有色金属，2012，28（4）院45-49.
[3]刘珍良.镁合金熔化极气体保护焊焊接工艺与性能分析研究[D].南京院南京理工大学，2010.