鎂合金電子束焊技術(shù)研究進(jìn)展

黃文靜，吳志生，劉翠榮

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

·綜述·

鎂合金電子束焊技術(shù)研究進(jìn)展

黃文靜，吳志生，劉翠榮

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

文對(duì)鎂合金電子束焊接的工藝研究、力學(xué)性能、焊接接頭組織、焊接缺陷、鎂合金異種材料電子束焊接等幾個(gè)方面進(jìn)行了分析并介紹了目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)今后鎂合金電子束焊的前景進(jìn)行了展望。

鎂合金;電子束焊;研究進(jìn)展;影響因素；焊縫成形

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視和輕量化結(jié)構(gòu)需求的日益增長(zhǎng)，鎂合金的應(yīng)用受到各界廣泛的重視，然而鎂合金焊接性能較差，例如易與氧結(jié)合，焊后形成夾雜，熔點(diǎn)較低，粗晶，導(dǎo)熱率較高等，使得鎂合金的焊接較一般材料更加困難，從而限制了鎂合金的工業(yè)應(yīng)用[1]。電子束焊接能量密度高，其穿透性能強(qiáng)，焊縫深而窄，焊接過(guò)程可在真空狀態(tài)下不受氧等氣體干擾，熱輸入量比常規(guī)焊接方法小，因而熱影響區(qū)小，接頭性能較好。并且電子束精確可調(diào)，均適用于鎂合金薄件、厚件的焊接[2]。

由于電子束焊接有可彌補(bǔ)鎂合金焊縫成形差的優(yōu)點(diǎn)使得電子束焊成為了焊接鎂合金最重要的技術(shù)之一，并且已廣泛應(yīng)用到航空航天、3C產(chǎn)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域，在核工業(yè)、航空宇航工業(yè)、機(jī)密加工工業(yè)及重型機(jī)械等重要部門起著重要的金屬件連接作用。

自1897年，研究者生產(chǎn)了第一支電子束管，至今已經(jīng)有100多年的歷史，早期在示波器、顯現(xiàn)管等成像技術(shù)上被應(yīng)用，隨著工業(yè)高能束焊的發(fā)展，在表面熱處理、焊接、打孔、氣相沉積、熔煉等領(lǐng)域也開(kāi)始廣泛使用。電子束焊的概念首次被德國(guó)物理學(xué)家K.H.S t e i g er w a l d在1948年提出。1954年，法國(guó)原子能研究機(jī)構(gòu)對(duì)核反應(yīng)堆燃料外殼成功地進(jìn)行了電子束焊接。1957年，電子束焊在國(guó)際原子能大會(huì)上得到技術(shù)認(rèn)可，電子束焊接金屬得到廣泛的關(guān)注。隨著該項(xiàng)技術(shù)長(zhǎng)期的研究與發(fā)展，電子束焊主要的技術(shù)突破產(chǎn)生于21世紀(jì)初，2001年B an h ar t使用電子束焊焊接直徑15 n m的碳納米管。這項(xiàng)工作打開(kāi)了焊接技術(shù)的新時(shí)期，這對(duì)電子束焊的未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用具有重大的影響[3,4]。本文對(duì)近年來(lái)鎂合金的電子束焊的幾個(gè)主要方面對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹和分析。

1 鎂合金電子束焊的工藝

影響焊件質(zhì)量的主要因素包括加速電壓、電子束流、焊接速度、聚焦電流、真空度和聚焦在焊件表面的電子束光斑尺寸。電子束設(shè)備一般在高真空操作，因此散射造成的電子能損失是非常少的。相應(yīng)的，電子束焊的輸入可表示為：

其中：η——轉(zhuǎn)換率；

P——電子束的總輸出量；

φ——束斑尺寸[5]。

電子束的能量轉(zhuǎn)變效率，通常在焊接方法是最高的，但仍然不是100%的轉(zhuǎn)化，這是由于一部分熱輸入加熱鄰近焊接接頭的區(qū)域，使得融合區(qū)的液態(tài)金屬過(guò)熱和蒸發(fā)，而焊接接頭能否完全熔透取決于電子束焊的熱轉(zhuǎn)變效率。熔融態(tài)鎂合金與其他結(jié)構(gòu)材料相比較，有較高的蒸汽壓以及更大的流動(dòng)性，焊縫表面很容易振動(dòng)。提高焊速可減小焊縫的晶粒尺寸，降低鎂合金的蒸發(fā)，但也會(huì)引起焊縫根部形成很多氣孔、焊縫面不平整。與此同時(shí)，焊接過(guò)程中降低焊速或使用略微散焦的光束能幫助形成良好的焊縫[6]。綜上所述，鎂合金焊接參數(shù)范圍可能會(huì)比其他工程材料的參數(shù)范圍小。參數(shù)的不完整以及不合適元素的增加引起的焊縫缺陷能顯著的影響生成焊接的質(zhì)量。

文獻(xiàn)[7]得出結(jié)論，A Z系列鎂合金電子束焊工藝參數(shù)的影響焊接接頭性能，其影響因素的強(qiáng)弱排序可能依次為：電子束擺動(dòng)、焦點(diǎn)位置、應(yīng)力釋放、材質(zhì)的不同、電子束流、焊接速度、加速電壓。在焊接過(guò)程中無(wú)電子束的擺動(dòng)、在底部聚焦、無(wú)應(yīng)力釋放的焊接件通常焊接效果是最好的，焊接性能好壞遵循A Z61A,A Z91D,A Z31B的排序。

電子束焊屬于熔化高能密度焊的一種，電子束轟擊焊接表面使金屬熔化形成焊接接頭，具有焊接熱影響區(qū)小、焊接速度快、加熱功率密度大、焊接變形小等特點(diǎn)。相比較普通電弧焊（深寬比一般難以達(dá)到2∶1），電子束焊的深寬比一般在5之上，可達(dá)到60∶1，極大的節(jié)省了能量及填充材料，對(duì)焊接薄厚板的焊縫成形質(zhì)量有很大的優(yōu)勢(shì)。

王亞榮等人[8]對(duì)2mm厚的M B2鎂合金板材進(jìn)行了18組正交實(shí)驗(yàn)，探究各參數(shù)對(duì)接頭熔深熔寬的影響規(guī)律。結(jié)果顯示：表面聚焦得到焊縫熔深最大，下聚焦和上聚焦時(shí)熔深皆會(huì)減小，散焦時(shí)，熔深減小熔寬增加。掃描圖形為直線時(shí)，深寬比最大；為無(wú)窮圖形時(shí)，深寬比最小。加速電壓越大、束流越高時(shí)，熱輸入也相應(yīng)增大，熔深熔寬都會(huì)一同增加，深寬比在電壓100 k V、束流為25m A時(shí)達(dá)到最大。而焊接的最佳工藝參數(shù)組合在電壓為100 k V時(shí)，根據(jù)熱輸入計(jì)算公式，束流值和焊接速度值進(jìn)行匹配來(lái)定，圖形為圓，散焦焊接，頻率為2 000 Hz.焊接M B2的力學(xué)性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的92%，屈服強(qiáng)度可達(dá)到母材的68%.

2 不同鎂合金電子束焊焊接組織及其力學(xué)性能

通過(guò)電子束焊連接鎂合金，由于高的冷卻速率，小尺寸的等軸晶可能出現(xiàn)在焊縫區(qū)（無(wú)柱狀晶），鎂合金電子束焊焊接接頭晶粒較母材得到了細(xì)化，力學(xué)性能較傳統(tǒng)焊法得到提高。閆忠琳等人[9]采用優(yōu)化工藝對(duì)10mm厚A Z61鎂合金電子束焊焊接接頭微觀組織、相結(jié)構(gòu)和硬度分布進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：焊縫深寬比可達(dá)10∶1，為典型的上寬下窄的釘狀形貌，焊縫晶粒為尺寸5μm～10μm細(xì)小晶粒，較母材等軸晶粒100μm～200μm晶粒大大細(xì)化，且焊縫區(qū)有白色粒狀β相分散于晶界處，較母材處沿晶界分布的塊狀和片層狀β（M g17A l12）相相比，第二相的大小變小且形貌已發(fā)生改變，焊縫中相結(jié)構(gòu)主要為α-M g和M g17A l12，焊縫的硬度約為75 H V～78 H V，母材硬度僅為55 H V，熱影響區(qū)硬度與母材硬度接近，此參數(shù)下A Z61鎂合金焊接接頭力學(xué)性能良好。

C hi等人[4]對(duì)A Z系列的鎂合金進(jìn)行了大量3 000W-5 00 0W熱輸入值的電子束焊試驗(yàn)，結(jié)果表明，焊后鍛造鎂合金結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殍T造鎂合金結(jié)構(gòu)，焊件最初的擇優(yōu)取向已經(jīng)消失。沉淀相在熔合區(qū)聚集，且其A l、Z n含量高于附近基體，γ相隨A l含量的增加由散射粒子變?yōu)槊芗臉?shù)枝晶。隨A l含量增加A Z系列鎂合金的強(qiáng)度及顯微硬度增加，延展性下降。A Z31鎂合金斷裂模式一般為非常規(guī)斷裂-焊縫區(qū)斷裂，A Z91為常規(guī)斷裂-熱影響區(qū)斷裂，A Z61鎂合金二者皆有。A Z91鎂合金的工藝范圍最佳。

文獻(xiàn)[10]對(duì)純鎂和A Z31進(jìn)行了不同焊速下組織及性能的研究，可以看出，純鎂在焊縫穿透處比A Z31合金的寬度略寬；純鎂焊縫區(qū)晶界不明顯，熱影響區(qū)與熔合區(qū)界面模糊，熔合區(qū)晶粒比基體大，有孿晶的存在，柱狀晶沿焊接方向生長(zhǎng)，隨焊速的增加長(zhǎng)度略微減小，且焊縫區(qū)晶粒粗大，熔融區(qū)柱狀晶較大。A Z31焊縫橫截面處熔融區(qū)面積小，且中心區(qū)域隨焊速的增加寬度稍微減小并有分層結(jié)構(gòu)，焊縫表面波鱗紋間隔隨焊速的增加而減小，其熔融區(qū)晶粒為淬火組織，同基體組織皆為等軸晶且更加細(xì)小。熱影響區(qū)和熔融區(qū)界面清晰可見(jiàn)，有晶界結(jié)合。純鎂熔融區(qū)、基體的晶粒尺寸均比A Z31的小。純鎂的拉伸性能、沖擊性能基本不隨焊速的變化而變化，基本與母材相當(dāng)。而A Z31合金在5.00mm/s、5.83mm/s時(shí)拉伸與沖擊性能優(yōu)良。

朱智文等人[11]在束流30 m A、焊速18mm/s、加速電壓60 k V，不添充材料的情況下，研究聚焦電流的改變對(duì)10mm A Z31鎂合金組織及力學(xué)性能的影響，分別進(jìn)行了焊縫區(qū)和熔合線附近金相觀察及顯微硬度測(cè)試、拉伸斷口掃描，結(jié)果顯示：聚焦電流為460m A時(shí)，鎂合金板未焊透，熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大速度過(guò)慢；為470m A時(shí)，熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大速率慢，但已焊透成形良好；聚焦電流為480m A時(shí)，熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大速度快，出現(xiàn)細(xì)微裂紋。母材的硬度值約為52 H V，焊縫區(qū)硬度值約為75H V，其拉伸斷口均為韌窩斷裂，力學(xué)性能優(yōu)良。

3 鎂合金電子束焊缺陷分析

鎂合金由于其特殊的物理特性，在焊接過(guò)程中易于產(chǎn)生缺陷，這也是鎂合金電子束焊接研究的一大重點(diǎn)，其常見(jiàn)的缺陷有凹陷、下榻、起弧、氣孔等等。

鎂合金電子束焊接時(shí)蒸汽壓低，易于產(chǎn)生起弧現(xiàn)象，進(jìn)而在焊接過(guò)程中中斷[12]。增加焊速可避免起弧的產(chǎn)生。由于這種焊接方法能量密度很高，合金會(huì)即刻產(chǎn)生鎂蒸氣，從而產(chǎn)生金屬氣流。金屬氣流產(chǎn)生的沖壓力使液態(tài)金屬凹陷，逐漸形成細(xì)長(zhǎng)的孔洞，熔融金屬會(huì)進(jìn)入所產(chǎn)生的孔洞中去。鎂合金熔點(diǎn)低、蒸汽壓高，所形成的孔洞較大，易在焊縫的根部形成氣孔，與此同時(shí)，熔穿的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。降低焊速、采用圓形擺動(dòng)或采用略微散焦的電子束都能減小氣孔的產(chǎn)生。在實(shí)際操作中及很多文獻(xiàn)中可看出，在焊縫背面采用銅質(zhì)或同種材料作為襯墊貼合都可以有效的減少下榻和氣孔的產(chǎn)生。

真空電子束焊焊接可通過(guò)添絲彌補(bǔ)焊縫縮孔、氣孔的焊接缺陷，得到的焊接接頭靜載荷與母材相差不多，抗腐蝕性能更優(yōu)于母材[13]。有研究顯示非真空室在焊接鎂合金可能更有優(yōu)勢(shì)，得到的焊縫成形良好，疲勞性能優(yōu)良[14,15]。

譚兵等人[2]對(duì)10mm A Z31鎂合金板進(jìn)行了真空電子束對(duì)接焊，焊縫正面形貌美觀未出現(xiàn)斷弧、咬邊、凹陷等缺陷，焊縫背部焊透，但出現(xiàn)了間斷性凹陷。原因如下所示：（1）鎂熔化狀態(tài)的表面張力小，根部液態(tài)金屬易發(fā)生下榻；（2）鎂沸點(diǎn)為1 107℃，焊接過(guò)程中非常容易汽化，背面蒸汽逸出時(shí)會(huì)產(chǎn)生的較大的沖擊力，從而對(duì)液態(tài)金屬產(chǎn)生影響，造成凹陷；（3）電子束焊速快，氣體難以排出集聚在焊縫根部，液態(tài)金屬難與焊縫相結(jié)合，產(chǎn)生氣孔。焊縫由于各元素蒸發(fā)燒損，與母材成分相比較M g、Z n百分含量減少，A l、Mn元素百分含量增加；焊縫區(qū)硬度均值為54.7 H V，略高于母材均值52.2 H V；斷于焊縫區(qū),焊縫抗拉強(qiáng)度均值為233M P a低于母材強(qiáng)度值250M P a，斷口為混合斷裂形貌.

文獻(xiàn)[16]研究了鎂合金M g、A l、Z n各元素的蒸發(fā)燒損率，當(dāng)電子束焊加速電壓60k V，電子束流10m A，電子束能量密度為7.64×104，鎂元素的蒸發(fā)時(shí)間約為3.65m s，A l為10.99m s，當(dāng)加速電壓為60 k V,電子束流為30m A,電子束能量密度為2.29×105W·cm-2，鎂元素的蒸發(fā)時(shí)間為1.22m s，A l為3.66m s，電子束焊能量密度影響越高，元素蒸發(fā)時(shí)間越短，這將產(chǎn)生更多的強(qiáng)烈的金屬燒損率，結(jié)果顯示：在高能電子束的作用下，各主要元素M g、Z n、A l的蒸發(fā)時(shí)間依次增加，即元素?zé)龘p率大小依次為M g、Z n、A l，M g元素的蒸發(fā)比Z n元素多；合金的蒸發(fā)時(shí)間不完全取決于金屬的沸點(diǎn)，還依靠熱擴(kuò)散的程度，還與汽化潛熱密切相關(guān)；鎂合金M g是主要元素，孔洞中的主要蒸發(fā)的合金元素是鎂元素，由合金元素蒸發(fā)形成的孔洞僅使用幾毫秒，這表明鎂合金真空電子束焊參數(shù)在短時(shí)間內(nèi)將獲得深熔焊的效果。聚焦電流的轉(zhuǎn)變將影響實(shí)際熱輸入，合金元素的蒸發(fā)，焊接接頭顯微結(jié)構(gòu)。

YiLuo，Hong Ye等人[17]研究了A Z91D鑄造鎂合金真空電子束各元素蒸發(fā)燒損現(xiàn)象，在真空度3.8-6.0×10-2P a，熱輸入為183.6 J/mm、聚焦電流為329m A的集聚聚焦?fàn)顟B(tài)，及熱輸入為219.6 J/mm、聚焦電流為342m A的散焦?fàn)顟B(tài)下對(duì)其焊縫外觀形貌、顯微組織和合金元素幾方面來(lái)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：兩試件外觀形貌無(wú)明顯的不同，束斑作用在工件上更小，能量密度更高，聚焦?fàn)顟B(tài)下焊縫寬度更窄；試件焊縫中心都有較大數(shù)量的第二相分布；焊縫截面從上到下2mm區(qū)域內(nèi)分析A l元素分布，聚焦?fàn)顟B(tài)下焊件A l元素含量大于散焦?fàn)顟B(tài)下焊件A l元素含量，也就是說(shuō)，雖在聚焦?fàn)顟B(tài)下熱輸入較小，但其M g元素的氣化燒損較散焦?fàn)顟B(tài)下M g元素?zé)龘p更大；聚焦?fàn)顟B(tài)下熔合線附近基點(diǎn)M g元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.28%、75.07%、85.85%時(shí)，相對(duì)應(yīng)A l元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.75%、21.94%、13.58%，而散焦?fàn)顟B(tài)下熔合線附近基點(diǎn)M g為95.12%、77.67%、87.49%，A l相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.88%、20.26%、12.16%，表明聚焦?fàn)顟B(tài)下比散焦?fàn)顟B(tài)下焊接鎂合金會(huì)有更高的電子束能量密度分布，M g元素氣化燒損較大，焊接接頭合金元素的分布將產(chǎn)生變化。因此，聚焦電流大小在估計(jì)鎂合金電子束焊熱輸入值是不可忽略的重要因素。

4 鎂合金異種材料電子束焊

目前對(duì)鎂合金異種焊接的研究尚少，由于兩種合金流動(dòng)性不好接頭質(zhì)量會(huì)受到影響，引起裂紋，微孔等缺陷，塑韌性都會(huì)下降。C hi等人[18]研究了A Z31B-A Z61A，A Z31B-A Z91D,A Z61A-A Z91D的電子束焊接，結(jié)果可知，高的A l元素含量有更好的流動(dòng)性，可減少持續(xù)能量和快速冷卻的熔池所造成的缺陷，根部凹陷深度隨A l元素含量的增加而減少，接頭抗拉強(qiáng)度升高，顯微硬度也隨之增高。

除了異種鎂合金之間的連接，世界各地研究機(jī)構(gòu)對(duì)鎂/鋁、鎂/鋼、鎂/銅等異種材料的焊接進(jìn)行了探索，除了各金屬在焊接過(guò)程中熔化不同步外，鎂與一些金屬不發(fā)生反應(yīng)，僅形成有限固溶體，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)連接，另外，鎂合金較低的電位會(huì)與其他金屬形成電偶腐蝕，形成氣孔裂紋等缺陷。但鎂合金與異種金屬焊接性差最主要原因在于鎂合金與其他金屬的焊接會(huì)形成金屬間化合物，其高硬高脆的特點(diǎn)使得結(jié)構(gòu)件的性能明顯下降[19]。

5 鎂合金電子束焊展望

鎂合金作為21世紀(jì)綠色環(huán)保材料，在各行各業(yè)應(yīng)用前景廣泛，潛力巨大，然而鎂合金的連接方面的許多技術(shù)問(wèn)題還沒(méi)得到解決，理論基礎(chǔ)還需更多的實(shí)踐來(lái)完善。高能束焊鎂合金焊接發(fā)展起步較晚，在很多方面如熱處理工藝、焊后處理、焊接溫度場(chǎng)、改善強(qiáng)度等等都有待研究，關(guān)于數(shù)值模擬、電子束焊焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將會(huì)得到更廣泛的關(guān)注。另外，由于電子束焊、深熔焊的特點(diǎn)，使得焊接大型厚焊件有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，也是未來(lái)的走勢(shì)，而由于其焊接精準(zhǔn)，薄焊件的實(shí)踐焊接也會(huì)逐漸完善。改善設(shè)備緩解焊件的熱應(yīng)力，也是未來(lái)研究的一大重點(diǎn)。最后，關(guān)于鎂合金異種材料焊接國(guó)內(nèi)外研究尚少，但在大型結(jié)構(gòu)件連接不可避免的會(huì)遇到異種金屬如鎂合金與鋁合金等連接問(wèn)題，此類問(wèn)題還有待研究者們進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。

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Research and Development of M agnesium Alloy Electron Beam Welding Technology

HUANGWen-jing，WU Zhi-sheng，LIU Cui-rong
（Material Science and Engineer College，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi030024，China）

In this paper，magnesium alloy electron beam welding process，such as the welding process，mechanical property，welding joint organization，welding defects and dissimilar materials welding were analyzed.The research development at home and abroad were presented and the prospects ofmagnesium alloy electron beam weldingwere put forward.

magnesium alloy，electron beam welding，research progress，influencing factor，appearance ofweld

TG456

A

1674-6694（2015）06-0044-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.06.015

2015-08-30

黃文靜（1988-），女，山西省太原市人，漢族，碩士生，研究方向：重型設(shè)備焊接工藝及自動(dòng)化。

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（2013022005-03）；山西省自然科學(xué)基金（青年）項(xiàng)目（2015021130）