丁 健，包國連

（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧沈陽 110167）

0 引言

隨著科技的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，節(jié)能、環(huán)保是當(dāng)前及未來較長一段時(shí)間的主要發(fā)展課題。新型材料，尤其是某些有色金屬合金材料，如：鎂合金，在強(qiáng)度、剛度、制造性、加工方式、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性等方面，與傳統(tǒng)材料相比都具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)[1]。因此，鎂合金在航空、軍事、民用器械等制造加工領(lǐng)域應(yīng)用越來越普及，如航空航天的飛機(jī)變速箱、天蓬框架、發(fā)動(dòng)機(jī)箱體，以及人們體育運(yùn)動(dòng)使用的網(wǎng)球拍、辦公使用的打印機(jī)滾筒、核電站使用的核燃料零件箱等，都廣泛使用了鎂合金結(jié)構(gòu)材料[2]。目前，鎂合金已經(jīng)成為除鋼鐵、鋁合金之外的第三大金屬結(jié)構(gòu)材料[3]。

1 鎂合金的特點(diǎn)與常見焊接工藝

1.1 鎂合金的特點(diǎn)及分類

鎂是化學(xué)元素周期表中比較靠前的金屬元素，具有非常強(qiáng)的化學(xué)活性和氧化性[4]。純鎂為銀白色，表面容易與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化鎂薄膜。鎂的密度很小，相應(yīng)地鎂合金密度也比較小，是比鋼鐵、鋁合金更輕的輕型結(jié)構(gòu)材料[5]。主要特點(diǎn)如下：

（1）鎂合金的密度很小，相當(dāng)于鋁合金的35%左右，鋼鐵的25%左右。

（2）鎂合金穩(wěn)定性強(qiáng)，可以進(jìn)行快速切削加工，且能夠保持較高的鑄造尺寸精度和機(jī)械加工尺寸精度。

（3）鎂合金具有很強(qiáng)的抗電磁干擾屏蔽性，在生產(chǎn)加工與使用過程中具有很強(qiáng)的適用性。

（4）鎂合金的化學(xué)性質(zhì)活潑，熱加工性較弱，在熔煉鑄造與焊接過程中容易產(chǎn)生缺陷。

鎂合金與鋼鐵、鋁合金一樣，都屬于金屬結(jié)構(gòu)材料，都可以通過機(jī)械加工、熔煉鑄造鍛壓、焊接熱處理等方式進(jìn)行生產(chǎn)加工[6]。一般地，鎂合金按照合金系的不同主要分為五大類：Mg-Al 系合金、Mg-Zn 系合金、Mg-Mn 系合金、Mg-RE 系合金、Mg-Li 系合金。按照生產(chǎn)加工方式的不同分為兩大類：鑄造鎂合金、變形鎂合金[7]。

1.2 鎂合金的常見焊接工藝

鎂合金作為一種重要性僅次于鋼鐵、鋁合金的結(jié)構(gòu)材料，在生產(chǎn)加工過程中最常見的加工方式就是焊接。鎂合金的物理性質(zhì)與鋁合金相差不太大，適用于鋁合金的焊接方式基本上都能用于鎂合金生產(chǎn)加工[8]。鎂合金的焊接工藝多種多樣，比較常見的有六種，具體是：鎢極惰性氣體保護(hù)焊、激光焊、攪拌摩擦焊、電子束焊接、復(fù)合焊接、熔化極惰性氣體保護(hù)焊，但都存在一定的缺點(diǎn)與不足，尤其是針對(duì)鎂合金鑄造鍛件的補(bǔ)焊過程中，缺點(diǎn)與不足尤為突出[9]。

1.2.1 鎢極惰性氣體保護(hù)焊

鎢極惰性氣體保護(hù)焊是在鎂合金焊接過程中使用最多的焊接方法。但仍存在一定的缺點(diǎn)與不足，如：焊接接頭的力學(xué)性能、伸長率、疲勞強(qiáng)度明顯低于母材；焊接熔深較淺，僅適用于鎂合金薄板焊接。

1.2.2 激光焊

激光焊的發(fā)展時(shí)間較晚，屬于新型焊接技術(shù)，相較于其他焊接技術(shù)還不成熟，但突出優(yōu)勢(shì)是鎂合金激光焊焊接的焊縫成形質(zhì)量較好，存在的缺點(diǎn)與不足主要有：焊接穩(wěn)定性相比其他焊接方法稍差；焊接過程中能量轉(zhuǎn)化率較低；在熔深較深時(shí)使用激光焊，對(duì)激光器的要求比較高；焊接過程中對(duì)焊件的位置準(zhǔn)確性要求較高；焊接過程中焊道凝固較快，容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等焊接缺陷。

1.2.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是一種清潔環(huán)保焊接技術(shù)，熔池溫度相較于其他焊接方法屬于低溫焊接，氣孔、裂紋、渣質(zhì)等缺陷問題情況較少，且焊接接頭的力學(xué)性能較好，在焊接方式選擇過程中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但在鎂合金焊接過程中，仍存在關(guān)鍵性缺點(diǎn)與不足，如：焊接速率慢，焊接效率低；焊件固定夾持要求高，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件難以實(shí)施焊接，適用性弱；焊接攪拌頭是根據(jù)母材材質(zhì)、焊件結(jié)構(gòu)、開口形式等進(jìn)行設(shè)計(jì)，通用性弱；在進(jìn)行鑄造鎂合金補(bǔ)焊時(shí)，由于無需填充金屬，會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)焊焊道末端出現(xiàn)空洞缺陷，仍需采用其他焊接方式進(jìn)行再次補(bǔ)焊處理。

1.2.4 電子束焊接

電子束焊接極少出現(xiàn)焊接裂紋缺陷，在避免焊道焊縫裂紋缺陷方面具有突出優(yōu)勢(shì)，但仍存在需高度重視的缺點(diǎn)與不足，如：焊道焊縫較窄，成形較差，接頭力學(xué)性能較差，不能用于高精設(shè)備補(bǔ)焊過程。并且，電子束焊接設(shè)備投入成本較高，經(jīng)濟(jì)效益較弱。

1.2.5 復(fù)合焊接

復(fù)合焊接是一種比激光焊接發(fā)展還要晚的新型焊接技術(shù)，主要通過將兩種及以上的焊接方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜诤鲜褂?，以達(dá)到優(yōu)劣勢(shì)互補(bǔ)增強(qiáng)焊接性能的作用。常見的復(fù)合焊接有激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)，通過將激光焊接和電弧焊接的熱源合并使用，可以綜合或加強(qiáng)激光焊接和電弧焊接的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，減弱各自焊接方式的缺點(diǎn)與不足，能夠有效避免焊接缺陷的出現(xiàn)。但是，復(fù)合焊接的焊接設(shè)備、工藝過程、焊接參數(shù)控制等都比常規(guī)焊接方式復(fù)雜很多，對(duì)焊接人員的要求非常高，實(shí)施過程比較復(fù)雜，難度比較大，焊接有效利用率偏低。

1.2.6 熔化極惰性氣體保護(hù)焊

熔化極惰性氣體保護(hù)焊在進(jìn)行中厚板材焊接過程中，可以進(jìn)行填充金屬的高效填充添加，能夠及時(shí)填充焊縫，補(bǔ)充鎂合金母材燒損，改善焊接質(zhì)量，增強(qiáng)焊縫力學(xué)性能。在焊接過程中，對(duì)焊件的固定夾持要求較低，適用性更強(qiáng)。并且，熔化極惰性氣體保護(hù)焊在焊接過程中焊絲同時(shí)具有電極和填充焊材的作用，針對(duì)鑄造鎂合金補(bǔ)焊方面相較于其他焊接方法具有突出優(yōu)勢(shì)。因此，熔化極惰性氣體保護(hù)焊廣泛應(yīng)用于鎂合金中厚板材焊接、鑄造鎂合金補(bǔ)焊過程中。

但是，在實(shí)施鎂合金熔化極惰性氣體保護(hù)焊過程中，需要重點(diǎn)控制以下幾個(gè)方面：穩(wěn)定控制焊接熱輸入量與焊絲熔化量，避免出現(xiàn)焊接熱輸入量過大導(dǎo)致焊縫缺陷，焊接熱輸入量過小熔池蒸發(fā)飛濺等問題；穩(wěn)定控制焊絲角度，保證熔滴過渡有效速率，避免由于熔滴重力小、推動(dòng)力小而出現(xiàn)熔滴脫離遲滯，以及焊絲質(zhì)軟，送絲穩(wěn)定性差等問題，影響焊接質(zhì)量[10]。

2 鑄造鎂合金的焊接技術(shù)

以稀土Nd 作為強(qiáng)化元素的鎂合金，具有一般鎂合金所共有的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，如：密度小、穩(wěn)定性強(qiáng)、力學(xué)性能好等，以及蒸汽壓高、易氧化、導(dǎo)熱性強(qiáng)等一般性特點(diǎn)，但同時(shí)也存在容易出現(xiàn)縮孔、縮松等結(jié)構(gòu)缺陷，只能通過補(bǔ)焊進(jìn)行修復(fù)處理，補(bǔ)焊方式優(yōu)先選用熔化極惰性氣體保護(hù)焊。

2.1 鎂合金板材熔煉鑄造

鎂合金板材是通過砂型熔煉鑄造而成，具體的熔煉原料配比如表1 所示。

表1 鎂合金板材熔煉鑄造原料配比 w/%

具體的熔煉鑄造過程分六步：

（1）配料：按爐化5kg 鎂合金，根據(jù)鎂合金板材熔煉鑄造原料配比表進(jìn)行計(jì)算，確定各組分的用量，然后進(jìn)行稱量取材，再放入烘箱進(jìn)行烘干處理后備用。

（2）裝料熔煉：給熔爐進(jìn)行加熱，裝入稱取的合金原料，待爐溫升至650℃時(shí)，輕輕加入爐料35%Mg，并同時(shí)輸入保護(hù)氣體，再繼續(xù)給熔爐緩慢加熱升溫熔煉。

（3）合金化：待爐溫升至700℃時(shí)保持溫度確保合金原料完全熔化，然后加入配料5%Zn，以及強(qiáng)化元素稀土Nd，再進(jìn)行連續(xù)攪拌約150s，確保熔爐內(nèi)原料完全熔化，再繼續(xù)給熔爐緩慢加熱升溫，直至熔爐內(nèi)溶液溫度達(dá)到730℃時(shí)進(jìn)行變質(zhì)處理。

（4）變質(zhì)處理：熔爐內(nèi)溶液溫度達(dá)到730℃時(shí)，逐漸加入變質(zhì)劑并同時(shí)進(jìn)行攪拌操作，防止溶液飛濺和混合不均，然后靜置保溫約5min，以確保溶液進(jìn)行充分變質(zhì)處理。

（5）靜置澆注：撇去熔爐內(nèi)溶液浮渣，并繼續(xù)靜置15min，然后將熔爐內(nèi)溶液緩緩澆注到鎂合金板材模具中，保持模具水平靜置。

（6）冷卻取用：待模具內(nèi)鎂合金板材完全成形冷卻，再從模具中取出進(jìn)行切割處理，長寬厚尺寸分別為180mm×50mm×8mm，以留作焊接試驗(yàn)使用。

2.2 鑄造鎂合金板材焊接技術(shù)

（1）將前期準(zhǔn)備好的焊接試驗(yàn)用鎂合金板材進(jìn)行對(duì)接，開75°角的V 形坡口，并保持中間有1mm 間隙，具體如圖1 所示。

圖1 焊接試驗(yàn)用鎂合金板材接頭形式

（2）采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接試驗(yàn)。選用鎂合金焊絲，型號(hào)為WE-33M，規(guī)格為?1.6mm；使用歐地希焊機(jī)，型號(hào)DP-400；采用純度為99.99%的氬氣為保護(hù)氣體。

（3）使用鋼絲刷對(duì)焊絲、鎂合金板材開口周圍30mm 附近區(qū)域進(jìn)行機(jī)械清理，取出表面氧化膜，以保證焊接效果。

（4）在鎂合金板材底部墊上表面平整的銅墊板，長×寬×厚尺寸為200mm×200mm×20mm，避免在焊接過程中出現(xiàn)底部燒穿或塌陷缺陷。

（5）設(shè)置焊接電流230A，電壓24V，焊接速度370 mm/min，氣流量20L/min。并在焊接過程使用行走小車控制焊槍位置及行進(jìn)速度，以保證焊接速度、焊槍高度、角度等的穩(wěn)定性，進(jìn)一步保證整體焊接效果。

（6）對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理，具體為首先保持在（530±5）℃固溶12h，然后保持在（250±5）℃時(shí)效18h，最后再逐漸自然冷卻至室溫。

2.3 焊接接頭測(cè)試分析

通過對(duì)焊接過程及結(jié)果的直觀判定，鎂合金焊接接頭質(zhì)量良好，飛濺小，沒有出現(xiàn)凹陷、鼓包、未焊透等問題。具體的焊接接頭力學(xué)性能及硬度測(cè)定如下。

（1）拉伸試驗(yàn)測(cè)定焊接接頭的力學(xué)性能。在室內(nèi)常溫情況下，選用拉伸試驗(yàn)DNS100 型試驗(yàn)機(jī)，設(shè)置拉伸速度為1mm/min，觀察記錄并測(cè)定焊接接頭力學(xué)性能。結(jié)果顯示：鎂合金板材母材的抗拉強(qiáng)度為150MPa，伸長率為2.4%；鎂合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為144MPa，伸長率為3%。焊接接頭斷裂在熔合線附近，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的96%。

（2）維氏硬度計(jì)測(cè)定焊接接頭的維氏硬度。試驗(yàn)采用型號(hào)DHV-1000 維氏硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭的維氏硬度。采用金剛石壓頭，試驗(yàn)載荷0.98N，保壓時(shí)間為20s。結(jié)果顯示：鎂合金焊接接頭中硬度最低為48HV，位于熔合線附近；硬度最高為67HV，位于焊縫中心區(qū)域；鎂合金板材母材的平均硬度為59HV，表明焊縫中硬度稍高于母材，薄弱區(qū)域在熔合線附近。

綜上，鎂合金根據(jù)上述焊接技術(shù)進(jìn)行焊接操作，可以取得良好的焊接效果。

3 結(jié)論

本文首先闡述了鎂合金的性能優(yōu)勢(shì)及廣泛的適用性，并通過對(duì)鎂合金的常見焊接技術(shù)進(jìn)行比較研究分析，然后選用較適于鑄造鎂合金的熔化極惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行試驗(yàn)研究驗(yàn)證，具體記錄了試驗(yàn)用鎂合金板材的熔煉鑄造細(xì)節(jié)，以及焊接過程中接頭對(duì)接形式、焊絲選用、焊接電流設(shè)置、焊接速度、氣流量、焊后熱處理等焊接關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)焊接接頭的外觀、力學(xué)性能及硬度進(jìn)行測(cè)定，綜合分析后表明鎂合金根據(jù)文中焊接關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行焊接操作，可以取得良好焊接效果。