Mg/Al异种金属焊接研究现状
    

山东大学材料科学与工程学院 许有肖 李亚江 王娟 张蕾

作者简介:许有肖(1986-),男,2005~2009年于山东大学修读本科学位,现为山东大学材料科学与工程学院材料连接技术研究所硕士研究生。专业为焊接方向。当前研究方向为Mg/Al异种金属氩弧焊接头区组织性能研究。

摘 要:镁合金和铝合金是当前广泛应用并具有良好前景的有色金属材料,而Mg/Al异种金属焊接是当前研究的热点问题。本文介绍了当前镁铝异种金属常用焊接方法的研究现状,分析了焊接中常出现的问题和解决方案。提出进一步开展镁铝焊接工艺和基础理论研究,对于推动镁铝异种金属焊接应用具有重要的意义。

关键词:Mg/Al异种金属;熔焊;固相焊;金属间化合物

前 言 镁合金由于比强度、比刚度高,导热、导电性能好,电磁屏蔽、阻尼性能好、对环境友好,且价格低廉,而成为新世纪最有发展潜力的金属材料[1]。因技术进步和成本降低,镁合金在汽车、国防军工、电子产品、民用产品等领域都得到了很大的利用[2, 3]。当前,越来越多的科技工作者对镁合金的连接问题予以了极大的关注。但是,镁合金的焊接性能不好,很难实现可靠连接。镁合金结构件以及镁合金与其它材料结构件之间的连接,成为制约镁合金应用的技术瓶颈和急待解决的关键技术之一。

铝和铝合金具有高比强度、良好的耐蚀性、导电性、延展性和外形美观等一系列性能优点。产量仅次于钢铁,位居第二位。近年来,铝合金广泛的应用于汽车制造、造船业、国防和航天航空、容器制造、娱乐和体育器材业等领域。焊接作为铝合金主要连接方法,受到了人们的重视,开展了深入的研究。当前铝合金的焊接研究较为成熟,常规焊接方法主要集中于改善创新,其他焊接方法也得到了广泛的研究和应用。

由于镁、铝应用具有广泛性和交叉性,以及在某些特殊场合的特殊要求,使得将两者进行焊接形成复合结构成为必要[4]。如果能够得到界面结合牢固的焊接接头,就能充分发挥异种材料各自的性能优势,减低结构重量, 节约材料,扩大两者的应用[5]。由于两者很难得到满意的焊接接头,Mg/Al异种合金焊接成为了当前研究的难点。

1 Mg/Al异种金属焊接特点

由于Mg/Al异种金属焊接中往往存在熔化结晶的过程,而生成的金属间化合物对于接头性能有着至关重要的影响,所以了解Mg-Al的合金相图十分必要。

Mg-Al二元合金状态图

Mg-Al二元合金状态图

如图1所示为Mg-Al二元合金状态图。从Mg-Al二元相图看出,在Al角有L→α(Al)+β(Al8Mg5)二元共晶反应,在共晶温度下,Mg在α(Al)中的最大固溶度为17.4%;100℃时Mg的溶解度为1.9%。因此含Mg量低于17.4% 的合金,平衡结晶时,只出现初生α(Al),不出现α(Al)+β(Al8Mg5)二元共晶组织;但在不平衡结晶时,将有L→α(Al)+β(Al8Mg5)共晶反应,形成α(Al)+β(Al8Mg5)二元共晶体。同时,在熔焊和固相焊过程中,还易形成Mg3Al2及MgAl等金属间化合物。

镁和铝异种材料焊接性特点主要有以下几个方面[6]。

1.1 镁和铝极易氧化。Mg和Al均属于活泼金属,很容易与氧结合形成MgO 和Al2O3氧化膜,尤其是Al2O3结构致密且熔点很高(2050℃),很难将其去除。这不仅阻碍两种金属的连接,而且使接头区容易产生夹杂、裂纹等缺陷,使接头结合性能变差。

1.2 镁和铝液态时相互溶解度小。由Mg-Al二元合金相图可知,Mg与Al在低温时彼此溶解度很小,因为Mg为密排六方结构而Al为面心立方结构,晶体结构的不同是Mg/Al间相互溶解度差的原因之一。较低的相互溶解度使两种金属形成熔合区十分困难,难以形成有效的结合。

1.3 镁和铝在高温时气体溶解度大。镁和铝在高温时均能溶解一定量的气体,而在固态时溶解度则很低,这易使得熔合区在凝固时氢来不及逸出而产生气体,使熔合区塑韧性降低。

总之,镁铝之间相互溶解度、熔点、线胀系数差别较大,两者之间很容易形成氧化膜,并且镁具有较大的热脆性。采用一般的焊接工艺易产生裂纹和气孔等焊接缺陷,并且在焊缝中极易形成大量的Mg-Al系脆性金属间化合物。所以两者之间的焊接十分困难。

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2 Mg/Al异种金属焊接研究现状

随着生产的发展,非铁金属越来越多的得到了应用,而非铁金属与钢铁以及非铁金属之间的焊接成为了当前的研究热点。如附表所示为21世纪常用异种金属接头的具体组合形式[7]。 由附表可知,随着异种焊接技术以及加工技术的发展,Mg/Al接头在工业生产中占据了将近2.9%的比重。由于镁和铝的优良性能以及广泛应用,研究镁铝异种金属焊接必将成为焊接领域的前沿课题。采用各种新型焊接方法以及工艺手段进行Mg/Al异种金属焊接,以及深入研究接头的组织性能与接头性能的关系,将会有力的推动镁合金和铝合金的应用。

目前,镁和铝焊接采用的焊接方法主要有熔焊和固相焊,如钨极氩弧焊、激光焊、电子束焊、搅拌摩擦焊、扩散焊、电阻点焊等。国内外对于各种焊接方法进行了研究。

2.1 熔焊

采用熔焊方法对镁和铝进行焊接时,焊缝熔合区附近形成的高硬度Mg -Al系金属间化合物会促使接头脆性增加,力学性能降低,并且由于焊接时较大的热输入,会使热影响区产生较大的变形和裂纹。所以,控制金属间化合物一直是镁铝焊接研究的难题和核心。

Ben-Artzy和Munitz等[8]采用了4种焊丝(Al-1050,Al-4043,Al-10%Sr以及AZ92)作为填充金属,分别采用钨极氩弧焊和电子束焊研究了Al-6063铝合金和两种铸造镁合金AM50和AZ31的焊接。研究发现,采用钨极氩弧焊时, 在熔合线附近有共晶合金出现,而熔合区中心以β-Mg17(Al,Zn)12组织为主。采用Al-10%Sr焊丝,还产生了包含Sr 元素的新相组织,如图2(a)所示。热影响区主要产生于靠近Mg的一侧,而在铝侧产生了含有Mg和Sr的强化晶界。在Mg侧形成了成形良好的热影响区,并在晶界处形成了连续的脆性相, 如图2(b)所示。采用电子束焊在熔合区产生了β-Mg17(Al,Zn)12组织,但没有产生热影响区。研究结果表明,采用合适成分的焊丝可以减少金属间化合物的形成,避免接头脆化和强度降低,获得良好的Mg/Al异种材料焊接接头。采用不产生熔化和再结晶的焊接方法,如磁脉冲焊接,也可以得到良好的焊接接头。

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山东大学的李亚江课题组[9]采用脉冲钨极氩弧焊(EMP-TIG)方法进行纯镁(Mg1)和纯铝(Al1060)板材焊接,选用焊丝为铝焊丝SAl-3。试验结果表明,Mg/Al焊接接头靠近镁一侧的热影响区组织较细小,焊缝组织形态为树枝状晶,如图3所示。Mg/Al熔合区存在三个界限明显的结晶区,显微组织的生长方向垂直于熔合区。熔合区的显微硬度变化不大,表明熔合区无明显高硬度脆性化合物产生。通过控制焊接工艺参数(如增加脉冲电流), 可以消除常规TIG焊方法在Mg/Al焊缝或熔合区处形成的脆性区,改善接头区域的组织性能。

Rattana Borrisutthekuld等人[10]采用激光对AZ3lB镁合金和A5052-O铝合金进行了搭接焊接。研究认为,由于金属间化合物的存在,镁铝间焊接很难获得满意的焊缝强度。而通过减小搭接焊缝熔深可以减小金属间化合物层的厚度,实现二者的搭接。

北京工业大学的李慧等[11]对AZ31B 镁合金和6061铝合金进行了异种金属激光搭接焊,并着重分析了焊缝中金属间化合物对焊接性的影响。结果表明,镁/铝异种金属中心搭接激光焊接接头易在铝板内的焊缝近缝区和镁、铝板界面的焊缝部位出现凝固裂纹。硬度测试表明该处涡流状组元中的金属间化合物呈不均匀分布。边缘搭接焊接头中多种Mg-Al系金属间化合物在焊缝中弥散分布,并非以简单的金属间化合物层的形式存在。采用适当的激光加工参数可以得到无裂纹的镁铝异种金属搭接焊缝。断裂易发生于含有Mg17Al12和Mg2Al3等金属间化合物的镁侧焊缝近缝区。

柳绪静[12]和刘黎明[13,14]等采用TIG 两种热源和激光-TIG复合热源进行对照,焊接异种金属镁和铝。结果表明, TIG焊接镁和铝形成连续的金属间化合物层,导致镁和铝接触的界面开裂,不能实现有效的连接。激光-TIG复合热源利用激光增加TIG能量利用率,同时利用TIG增加激光的吸收率,适于焊接对激光吸收率低、热导率高的镁、铝金属,焊接接头如图4所示[13]。研究结果表明,由于其焊接速度高和对熔池的快速搅拌作用,使镁和铝形成的金属间化合物由连续的层状变成弥散的状态,改善了异种金属镁和铝的焊接性。镁和铝激光-TIG复合热源焊接的焊缝成形均匀、美观。

此外,刘黎明[15]还采用胶层与激光焊相复合的方法进行Mg/Al异种金属焊接。研究发现,采用激光胶接焊,有效抑制了金属间化合物的形成,克服了气孔的产生。并且,对比激光焊和胶接,激光胶接焊强度和抗剥离性能显著提高,接头性能理想。

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2.2 固相焊

固相焊是利用摩擦、加压和热扩散等物理作用克服两个连接表面的粗糙度,并除去(挤走)氧化膜及其他污染物,使两个连接表面上的原子相互接近到晶格距离,从而实现固态连接。对于Mg/Al焊接,采用的固相焊主要包括扩散焊和摩擦焊。采用这两种方法焊接Mg/Al异种金属时,可以克服熔焊时产生的裂纹、变形、气孔等缺陷,获得性能优良的接头。

Yutaka S. Sato等人[16]采用搅拌摩擦焊对1050铝合金和AZ31镁合金进行了焊接。研究结果表明,在焊缝中心部位产生了金属间化合物Mg17Al12,该金属间化合物是导致焊缝硬度比母材硬度高的主要原因。经推测,该化合物是由于异种材料搅拌摩擦焊中结构液化产生的。焊缝区域的显微组织特征与两侧母材不同,并且在焊缝的不规则区域包含有一个凝固的共晶反应组织区,如图5所示。

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Y.C.Chen和K.Nakata[17]采用搭接形式对AC4C铝合金和AZ31镁合金薄板进行搅拌摩擦焊试验。试验证明,当搅拌头不接触镁合金底板表面时,对AC4C 铝合金和AZ31镁合金薄板采用搭接形式进行搅拌摩擦焊是可行的,两薄板通过界面的反应层进行连接。在焊接过程中发生了金属的液化,在界面间存在金属间化合物如图6所示,成分为Al12Mg17、Al13Mg2和Mg2Si。经分析,采用较低的焊接速度进行焊接时能够得到力学性能优良的焊缝。

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Adrian等人[18]对铝合金Al5754和镁合金AZ91D的搅拌摩擦点焊接头模型进行了分析和模拟,模拟结果表明,FSW点焊过程中母材金属的峰值温度为435℃, 接近于Mg-Al系固溶体Mg17Al12 的熔点437℃,并利用辅助CFD技术对焊接过程中的温度分布进行了模拟。

王东等[19]采用搅拌针置中(M4-A4)、向镁合金侧偏置2mm(M6A2)和向铝合金侧偏置2mm(A6M2)三种焊接方式,研究了6mm厚6061-T651铝合金和AZ31镁合金轧制板材的搅拌摩擦焊接。研究发现,三种焊接方式均在焊接界面处发现Mg17Al12相的生成和由于共晶相熔化和随后冷却所形成的孔洞,如图7所示。在M4A4和M6A2样品中,少量的Al搅入到镁合金侧形成金属间化合物Mg17Al12,而在A6M2样品中,少量的Mg搅入到铝合金中也形成金属间化合物Mg17Al12,在Mg17Al12与基体的界面处存在微小孔洞。由于焊核区仅有少量的Mg17Al12生成,其硬度变化不大。焊接界面处生成的金属间化合物及孔洞显著降低了接头拉伸性能。

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刘鹏等采用真空扩散焊对Mg/Al异种材料进行了焊接[20]。试验结果表明, Mg/Al异种材料真空扩散焊在严格控制的工艺参数(加热温度、保温时间和焊接压力)下能得到良好的扩散焊接头,最大抗剪强度可达到18.94MPa。Mg /Al扩散焊接头区由铝侧过渡区(Mg2Al3 相)、中间扩散区(MgAl相)、镁侧过渡区(Mg3Al2相)3个相层组成[21,22], 如图8所示。各相层硬度差别较大,对接头性能有较大影响。扩散焊界面过渡区形成了致密的新相化合物层,断口形貌呈粗糙暗灰色,以解理断裂为主并伴有脆性的混合型断口。

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赵丽敏等[23]采用锌夹层在356℃温度下对Mg/Al异种金属进行扩散焊连接, 并对接头的微观组织和力学性能进行分析。结果表明,利用镁与锌原子互扩散形成低熔点共晶液相区,能够实现镁铝材料的可靠连接。镁铝焊接接头界面区由铝锌反应层、未充分扩散锌层、锌镁反应扩散层组成。铝基体侧铝锌反应层是固溶体层,镁基体一侧锌镁反应扩散层主要是过饱和的固溶体基体及弥散析出的中间相,该区的中间相成分为Mg2Zn11及MgZn2。由图9焊缝电子探针成分分析可知,锌夹层的加入有效阻止了镁铝之间的互扩散, 该方法得到的接头抗剪强度远超过镁铝直接真空扩散焊接头的抗剪强度。

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Takehiko和Yoshitaka等人[24]采用电阻点焊对异种金属AZ31B镁合金板和1050铝板接头的十字抗拉强度及焊缝中加入Ag对接头强度的影响进行了研究。研究表明,由于Mg和Al的互溶性很差,Mg/Al异种金属接头的强度随着焊接电流的增加而增大,但是强度较低,约为同样焊接条件下Mg/Mg同种金属接头强度的1/4~1/5。随着添加Ag金属箔厚度的增加,在Mg和Ag之间形成的金属间化合物层厚度降低,而在Ag 和Al之间形成的共晶反应层增加,使Mg/Al的接头强度提高,Mg/Ag的接头强度降低。可见,电阻点焊焊缝添加物对于接头的强度有着直接的影响。

3 结束语

本文介绍了国内外各种焊接方法在Mg/Al异种金属焊接中的研究情况, 并指出了各种方法的优点和不足。熔焊本身具有高效、经济、灵活的优势, 是人们进行Mg/Al焊接的首要选择,但是不可避免的金属间化合物严重影响接头质量。而通过改善工艺参数、采用不同焊接材料,尤其是采用脉冲电流和复合热源,均可以有效的改善焊接接头的组织结构和力学性能。采用扩散焊和搅拌摩擦焊由于可以使基体在固态下焊接,并通过合金化和工艺控制方式控制金属间化合物的产生,所以在Mg/Al异种金属焊接中具有显著的优势。但是由于固相焊本身受到施焊环境、工件尺寸等局限,在实际应用推广中遇到了不小的困难。

综上所述,当前Mg/Al异种金属的焊接研究主要集中在焊接方法的选择、焊接参数、填充金属和焊接接头组织与力学性能等方面。采用常规熔焊和固相焊方法,Mg/Al异种金属焊接接头由于镁铝的直接接触,结合区均存在高硬度的脆性Mg-Al系金属间化合物, 这也是当前存在的最大问题。加强Mg /Al焊接基础理论和焊接工艺研究,对现有焊接方法进行改进和完善,在保证生产效率的同时提高接头性能,是焊接工作者当前和未来研究的重要课题。

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    收录时间:2013年09月08日 12:25:17 来源:未知 作者:匿名
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