鎂/鋁異種金屬焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

王 創(chuàng)，張驍勇，魯一荻，王世清

(西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

引 言

為了減少能源損耗，航空航天和汽車工業(yè)一直致力于零部件質(zhì)量的減輕，而減輕構(gòu)件質(zhì)量的常見(jiàn)方法之一就是使用鎂合金、鋁合金。鎂(Mg)和鋁(Al)是兩種最輕的結(jié)構(gòu)金屬，它們的合金因其高強(qiáng)度與質(zhì)量比而在工業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。Mg及Mg合金因密度低、比強(qiáng)度高、彈性模量小等優(yōu)點(diǎn)，在交通、汽車等領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的關(guān)注[1-7]，同樣地，Al及Al合金具有材質(zhì)輕、無(wú)低溫脆性、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，也在日常生活中得到廣泛應(yīng)用[8-12]。

由于Mg、Al兩種合金的特殊性，在某些場(chǎng)合下，對(duì)Mg合金和Al合金進(jìn)行連接，不僅有利于解決環(huán)境污染問(wèn)題，提高機(jī)械性能，還使得Mg合金與Al合金各自優(yōu)良的特點(diǎn)因相結(jié)合從而得到發(fā)揮[13]。

Mg、Al合金在焊接過(guò)程中由于兩者存在化學(xué)成分和物理性能等差異會(huì)暴露許多缺陷。由于兩種金屬的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)不同，在冷卻過(guò)程中，會(huì)形成焊接殘余應(yīng)力，引起焊接變形甚至開(kāi)裂等缺陷的產(chǎn)生。其次，也會(huì)產(chǎn)生金屬間化合物導(dǎo)致焊接接頭的塑韌性降低，甚至?xí)鸷附恿鸭y的產(chǎn)生，另外，密度的差異也會(huì)嚴(yán)重影響二者充分接觸發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)的效果。

如何克服Mg/Al異種金屬焊接技術(shù)的瓶頸，更好地利用Mg/Al合金的性能特點(diǎn)，是Mg/Al異種金屬焊接技術(shù)需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。本文旨在總結(jié)Mg/Al異種金屬焊接的研究成果，探討提高M(jìn)g/Al異種金屬焊接接頭質(zhì)量的可行性，以便為進(jìn)一步開(kāi)展研究工作奠定基礎(chǔ)。

1 Mg/Al異種金屬焊接特點(diǎn)

Mg、Al異種金屬結(jié)構(gòu)具有密度小、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，能保證強(qiáng)度的同時(shí)大大降低Mg/Al結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)目的，緩解能源消耗的問(wèn)題，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和良好的經(jīng)濟(jì)效益。由于Mg和Al金屬的線性膨脹系數(shù)很大且不同，在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生變形，低熔點(diǎn)時(shí)容易出現(xiàn)焊接合金元素的蒸發(fā)損失，此外，他們具有不同的晶格類型，且Al和Mg的溶解度很小，Mg/Al異種金屬的焊接是很困難的。

Mg和Al的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。Mg和Al都是化學(xué)性質(zhì)非?；钴S的金屬，容易與氧元素結(jié)合形成MgO和Al2O3氧化膜，Al2O3具有更高的熔點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙了兩種金屬的連接，同時(shí)接頭區(qū)域容易產(chǎn)生夾雜物、裂縫，降低焊接接頭的性能。Mg的晶體結(jié)構(gòu)是密排六方，Al的是面心立方，二者溶解度很小，很難有效地結(jié)合。Mg/Al異種金屬焊接時(shí)，焊縫區(qū)很容易形成高硬度的金屬間化合物，致使脆性增加，降低了接頭的性能。因此，在大熱輸入焊接過(guò)程中，熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生更大的變形和裂紋。

表1 Mg和Al的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of Mg and Al

此外，在高溫下，Al合金和Mg合金會(huì)溶解成大量的氣體，液態(tài)時(shí)可溶解為大量氫，這不僅會(huì)削弱焊縫的有效工作面積，同時(shí)也會(huì)使接頭區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性。

2 Mg/Al異種金屬焊接現(xiàn)狀

2.1 擴(kuò)散焊

擴(kuò)散焊是在一定的溫度和壓力下，將兩個(gè)待連接工件緊緊壓在一起，加熱至母材熔點(diǎn)以下溫度，經(jīng)過(guò)保溫、原子之間相互擴(kuò)散而形成牢固的冶金結(jié)合的連接方法。

Mahendran G等[14]制備了AZ31B鎂合金和AA2024鋁合金擴(kuò)散焊接接頭，在焊接溫度460 ℃、焊接壓力16 MPa、保溫時(shí)間70 min下，接頭獲得了最大的抗剪強(qiáng)度和結(jié)合強(qiáng)度。此外可以利用中間層進(jìn)行擴(kuò)散焊。ZHAO等[15]獲得了添加鋅箔過(guò)渡層的AZ31B鎂合金和6061鋁合金，可以發(fā)現(xiàn)添加了鋅箔的接頭組織得到改善，同時(shí)接頭的強(qiáng)度提高到?jīng)]有添加之前的2倍。

2.2 氣體保護(hù)焊

由于氬氣的保護(hù)，可隔離空氣對(duì)熔化金屬的有害作用，所以，非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊(TIG)可用于Mg/Al異種金屬的焊接。

Liu等[16]研究了在TIG過(guò)程中給Mg、Al之間不加和加入不同厚度鋁箔中間層，研究結(jié)果表明，適當(dāng)添加Al元素可以提高鋅基鋁基固溶體混合物的含量，提高接頭的性能。但過(guò)量Al元素的加入則會(huì)導(dǎo)致Al6Mg11Zn11和MgZn2等金屬間化合物組成的部分富Al區(qū)的形成，使接頭的抗拉強(qiáng)度降低。

除此之外，還可以采用多種焊接方式相結(jié)合的方式，例如[17]：采用電磁脈沖鎢極氬弧焊(EMP-TIG)，通過(guò)增加電磁脈沖電流可以減少TIG焊在焊接接頭中形成的脆性區(qū)，從而達(dá)到削減脆性區(qū)進(jìn)而改善接頭性能的目的。

2.3 激光焊

由于激光具有折射、聚焦等光學(xué)性質(zhì)，使得激光焊非常適合于微型零件和可達(dá)性很差的部位的焊接。激光焊由于熱輸入低，焊接變形小，不受電磁場(chǎng)影響等特點(diǎn)而被應(yīng)用于異種材料焊接研究。

Mg/Al異種金屬激光焊接時(shí)，仍然以添加純金屬或者合金元素為主要手段，同時(shí)也可以通過(guò)調(diào)節(jié)合理的焊接參數(shù)來(lái)減少金屬間化合物，實(shí)現(xiàn)兩者連接[18]，并且有些激光焊接接頭的強(qiáng)度相比電弧焊接提高了一倍左右。雖然通過(guò)添加合金或者元素等方式可以在一定程度上提高接頭的強(qiáng)度，但也需注意到可能在焊接接頭會(huì)引入其他類型的金屬間化合物。

GAO M等[19]采用鈦箔作為中間層對(duì)2 mm厚AZ31B鎂合金和6061-T6鋁合金進(jìn)行了光纖激光焊接。Ti箔可以有效地阻止Mg、Al金屬混合，形成主要由Al3Ti和部分Al18Ti2Mg3組成的界面層。當(dāng)層間厚度小于0.12 mm時(shí)，會(huì)形成大量脆性Al12Mg17和Al3Mg2相及裂紋。麻丁龍等[20]采用激光焊技術(shù)對(duì)AZ318鎂合金和5083鋁合金進(jìn)行了添加Zn中間層的焊接，結(jié)果表明焊接接頭組織較為均勻，熱影響區(qū)不明顯，隨著Zn中間層厚度的增加，焊縫底部生成的Mg/Zn化合物數(shù)量增多，MgAl金屬間化合物數(shù)量明顯減少，斷裂方式由脆性解理斷裂向混合斷裂過(guò)渡，進(jìn)而改善其性能。

2.4 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊(FSW)是利用高速旋轉(zhuǎn)的焊具與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部熔化，當(dāng)焊具沿著焊接界面向前移動(dòng)時(shí)，被塑性化的材料在焊具的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的擠壓下形成致密的固相焊縫。這也是目前Mg/Al異種金屬焊接常采用的固相焊接方法之一。

研究者們通過(guò)選擇合適的工藝參數(shù)，改變攪拌針的偏移及材料相對(duì)位置，獲得了強(qiáng)度較高的、焊縫成形良好的Mg/Al異種金屬攪拌摩擦焊接接頭。但是，焊縫中存在的金屬間化合物依然是影響接頭力學(xué)性能的主要原因，因此研究人員也嘗試不同的焊接新工藝來(lái)控制接頭所經(jīng)歷的峰值溫度或者添加中間元素，從而減少金屬間化合物的生成，細(xì)化焊縫晶粒，以達(dá)到提高接頭承載能力的目的，并且也取得了一定的研究成果。

Paradiso V等[21]研究了ZE41A鎂合金與高強(qiáng)度2024-T3鋁合金的FSW不同連接方式。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為1 200 r/min，焊接速度為20 mm/min時(shí)，可獲得良好的焊接接頭。由于攪拌摩擦焊接過(guò)程中的最高溫度高于鎂鋁低熔點(diǎn)共晶的共晶轉(zhuǎn)變溫度，因此，局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)液化導(dǎo)致MgAl金屬間化合物的生成，所以嚴(yán)重削弱了接頭的力學(xué)性能。為了降低焊接熱輸入同時(shí)減少M(fèi)gAl金屬間化合物的生成，Mofid M A等[22]對(duì)3 mm厚AZ31鎂合金和AA5083 H34鋁板進(jìn)行了水下攪拌摩擦焊研究，由于峰值溫度的降低，在攪拌區(qū)域動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的Mg合金中，金屬間化合物的形成得到了顯著的抑制，并且晶粒的生長(zhǎng)不明顯。ZHEN等[23]研究組采用超聲波輔助攪拌摩擦焊(UaFSW)對(duì)3 mm厚6061-T6Al和AZ31B鎂合金進(jìn)行低溫連接，以減少金屬間化合物所造成的缺陷。

2.5 電阻焊

電阻焊通過(guò)控制電阻焊的電流和時(shí)間來(lái)改善工件接頭強(qiáng)度。電阻點(diǎn)焊(RSW)是航空航天等工業(yè)中的主流焊接技術(shù)[24]。PENNER等[25]采用純鎳和鍍金鎳中間層對(duì)AZ31B鎂合金和5754鋁合金進(jìn)行了電阻點(diǎn)焊，研究了兩種中間層對(duì)接頭組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，在16～24 kA的電流范圍內(nèi)，使用純鎳中間層不能產(chǎn)生良好接頭。

PENNER等[26]采用鋅箔和鍍鋅鋼中間層對(duì)2 mm的AZ31B鎂合金和5754鋁合金的電阻點(diǎn)焊進(jìn)行了研究。由于Al、Mg和Zn的混合作用，形成了帶有鋅箔中間層的劣質(zhì)焊縫，鋅箔中間層產(chǎn)生了強(qiáng)度差的接頭強(qiáng)度較差。采用鍍鋅鋼中間層來(lái)防止Al和Mg合金的混合，可以大大提高焊縫的強(qiáng)度。

使用鍍錫鋼作為中間層進(jìn)行Mg/Al異種合金的電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)[27]。若在焊接過(guò)程中減緩接頭冷卻速度可以有效減少氣孔的形成，與此同時(shí)，接頭的強(qiáng)度也有很大提高?；阱冨a鋼中間層的Mg/Al電阻點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度可以達(dá)到在相同熔核尺寸條件下AZ31鎂合金同種金屬電阻點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度最大值的88%左右[28]。

可以看出，電阻焊并不能防止化合物的形成，使用夾層后能改善接頭的性能，但是對(duì)焊接參數(shù)要求嚴(yán)格，參數(shù)過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)給接頭力學(xué)性能造成嚴(yán)重的影響，并且電阻點(diǎn)焊僅使用于薄板焊接，在實(shí)際生產(chǎn)中厚度和空間位置容易受到限制，很難推廣和應(yīng)用。

2.6 超聲波焊

超聲波焊接是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間熔合的一種焊接方法，超聲波點(diǎn)焊(USW)作為一種低熱量輸入的固相焊接技術(shù)，為解決Mg/Al異種金屬焊接問(wèn)題中的難點(diǎn)提供了一個(gè)新思路。

SHIN[29]等采用超聲波點(diǎn)焊連接了厚度為1 mm的AZ31B鎂合金和 A5052-H32鋁合金板材。Mg/Al接頭形成了一個(gè)明顯的變形區(qū)，與焊頭幾乎相同，且Mg/Al異種金屬焊接時(shí)能耗和所需功率較高。

王艷等[30]利用超聲波焊搭接了AZ31B鎂合金和6061鋁合金，在焊接能量為1 540 J時(shí)，焊縫界面出現(xiàn)熔化跡象，說(shuō)明金屬的高應(yīng)變率塑性變形在熱空位中引入了大量的過(guò)?？瘴?，接頭失效發(fā)生在界面處，斷口形貌呈現(xiàn)出解理斷裂特征并伴有大量二次裂紋。超聲波焊接時(shí)也可以采用添加夾層的方式，如Ag及Zn[31-32]等，改善焊縫界面金屬間化合物。

2.7 磁脈沖焊

磁脈沖焊接(MPW)是由脈沖電流產(chǎn)生的排斥磁場(chǎng)而產(chǎn)生的脈沖勞倫茲力，用來(lái)加速一種或兩種連接材料，從而導(dǎo)致高速碰撞和接頭的形成的一種固態(tài)焊接技術(shù)。BEN-ARTZY等[33]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在界面處快速凝固薄熔融層，在Al-Mg對(duì)焊接過(guò)程中產(chǎn)生了不同成分的金屬間化合物。根據(jù)MPW的能量平衡計(jì)算，存在足夠的能量來(lái)熔化一層薄的界面層并生成金屬間化合物。然而，使用較少的脈沖能量或減小工件的沖擊角可以避免金屬間化合物的產(chǎn)生。Kore等[34]還發(fā)現(xiàn)，在對(duì)Mg/Al異種金屬焊接的時(shí)候，沒(méi)有發(fā)生熔融后的組織也沒(méi)有金屬間化合物存在。

2.8 電弧輔助超聲波焊

通過(guò)對(duì)上述Mg/Al異種金屬焊接方法的研究，可以得知金屬間化合物的生成難以避免，那么如何避免或者抑制金屬間化合物的生成和長(zhǎng)大是目前的研究熱點(diǎn)。因此，相比于單一的傳統(tǒng)方法采用新型復(fù)合焊接工藝技術(shù)將有望獲得強(qiáng)度較高的Mg/Al異種金屬焊接接頭。

將鎢極氬弧焊(GTAW)引入超聲波焊接中，GTAW具有較低的熱輸入，通過(guò)GTAW對(duì)板材進(jìn)行預(yù)熱，從而提高了超聲波焊接性能。這大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單一的超聲波焊接由于其功率輸出能量較低而只能應(yīng)用于薄板箔材的焊接缺陷。

DAI X等[35]采用氣體保護(hù)鎢極氬弧焊輔助超聲波混合焊接成功地將1 mm厚的6061鋁合金和AZ31B鎂合金連接在一起，結(jié)果表明，在GTAW電流為30 A時(shí)，鋅中間層接頭的最大搭接強(qiáng)度為16.25 MPa，而無(wú)鋅中間層的接頭強(qiáng)度為12.5 MPa，比無(wú)鋅層的接頭提高了30%。

2.9 激光-攪拌摩擦焊

激光-攪拌摩擦焊接技術(shù)是一種將激光熱源與攪拌摩擦焊相互復(fù)合形成的新型連接技術(shù)。在攪拌摩擦焊過(guò)程中引入激光作為預(yù)熱源，可以增強(qiáng)材料在攪拌摩擦焊接過(guò)程中的流動(dòng)，因此該工藝已應(yīng)用于鎂、鋁等有色輕質(zhì)金屬的焊接研究中。

CHANG W S等[36]采用0.5 mm厚鎳箔中間層激光-攪拌摩擦焊工藝成功地連接了4 mm厚的A6061-T6鋁合金和AZ31B-H24鎂合金。脆性相Al-Mg金屬間化合物的形成受到抑制。所得的復(fù)合焊接頭抗拉強(qiáng)度相比單一攪拌摩擦焊接頭有所提高。

3 Mg/Al異種金屬焊接展望

Mg、Al作為重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件材料，因其具有的一系列優(yōu)異性能被廣泛應(yīng)用到航空、航天、交通工具等不同領(lǐng)域，并且交叉應(yīng)用趨勢(shì)越發(fā)突出。這就對(duì)Mg/Al異種金屬之間的連接加工技術(shù)要求越來(lái)越高，而提高M(jìn)g/Al異種金屬焊接接頭的質(zhì)量仍將是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

在Mg/Al異種金屬的焊接過(guò)程中，傳統(tǒng)的熔焊技術(shù)因其操作靈活、效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，雖然能提升生產(chǎn)效率達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)適用性的目的，但易生成金屬間化合物等一系列焊接缺陷問(wèn)題，焊接質(zhì)量依然是個(gè)大問(wèn)題，而利用先進(jìn)的激光焊接，通過(guò)添加合金元素或者新工藝輔助等方式減少或者避免金屬間化合物的生產(chǎn)，可能會(huì)成為未來(lái)熔化焊接Mg/Al異種金屬的主要研究方向。雖然固相焊在焊接工況適應(yīng)性有待提高，但其中的攪拌摩擦焊在避免生成金屬間化合物方面具有明顯的作用，因此攪拌摩擦焊接在Mg/Al異種金屬焊接中依然有不可低估的研究及應(yīng)用前景。

不管是熔焊方法、還是固相焊方法，總會(huì)有各自的局限性，如何在這兩種主流焊接方法中進(jìn)行平衡取舍也將成為一個(gè)值得探究的問(wèn)題，亦或可以考慮引入中間層或者使用輔助工藝等方法，通過(guò)控制金屬間化合物形成或改變其分布狀態(tài)，來(lái)進(jìn)一步改善焊接接頭的性能，但這又涉及到工業(yè)生產(chǎn)中所考慮的成本控制、焊接高效、質(zhì)量保證等一系列問(wèn)題。因此，在未來(lái)Mg/Al異種金屬焊接方向上，選擇適用的焊接方法、輔助工藝從而阻止金屬間化合物、控制其形態(tài)分布仍將是今后研究的熱點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)需求中引入既可以保證焊接質(zhì)量又能提高生產(chǎn)效率的新型焊接工藝也是該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。