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第36

卷第5期兵器材料科学与工程Vol.36 No.5 2013

年9月ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING Sept.， 2013 网络出版时间：2013-9-18 15:39网络出版地址：

http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1331.TJ.20130918.1539.009.html

AZ31B 镁合金焊接技术研究现状及发展方向

刘奋军，王憨鹰

（榆林学院能源工程学院，陕西榆林719000）

摘要分析镁合金的焊接特点，综述了近年来AZ31B镁合金的焊接方法，包括激光焊、钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊、TIG 焊、电子束焊等，展望了AZ31B镁合金的焊接研究方向。

关键词AZ31B镁合金；焊接技术；综述

文章编号1004-244X（2013）05-0129-04

中图分类号TG457 文献标志码Ａ

Research status and development tendency of welding technology of AZ31B magnesium alloy

LIU Fenjun，WANG Hanying

（College of Energy Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China）

Abstract Welding characteristics of magnesium alloy are analyzed，and welding processes of AZ31B magnesium

alloy are introduced，including laser welding，brazing，diffusion welding，friction stir welding，TIG，electron beam

welding and so on. The future directions of welding technology of AZ31B magnesium alloy are pointed out.

Key words AZ31B magnesium alloy；welding technology；overview

镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、传热性

好、导电性强以及良好的电磁屏蔽性和减振吸冲性等一系列优点，广泛应用于航天航空、电子与汽车等不同领域中，被誉为21世纪的绿色工程材料［1］。同时由于镁合金熔点低、热导率和电导率大、化学性质活泼、易氧化蒸发，使其在焊接过程中产生一系列焊接缺

陷，制约着镁合金作为结构材料的进一步发展与应用。AZ31B镁合金具有应用范围广的特点；因此，选

AZ31B 镁合金为例，综述了国内外研究现状及成果，探

讨AZ31B镁合金焊接质量提高的有效途径与方法。

1 特点

1.1 粗晶

镁的熔点低，纯镁的熔点为650℃，热导率高达

156 W/（m·K），焊接时需采用大功率的焊接热源，焊缝

及近缝区易产生过热、晶粒长大、结晶偏析等现象，降低接头性能。

点不高（1 100℃），在电弧高温下很易蒸发。

1.3 热应力和裂纹

镁及镁合金热膨胀系数较大，约为钢的2倍，铝的

1.2 倍，在焊接过程中易引起较大的焊接应力与变形。镁易与一些合金元素（如Cu、Al、Ni等）形成低熔点共晶体（如Mg-Cu共晶点温度为480℃，Mg-Al共晶点温度为437℃，Mg-Ni共晶点温度为508℃），脆性温度区

间较宽，易形成热裂纹。研究发现，当w（Zn）>1%会提高热脆性，并可能导致焊接裂纹。在镁中加入w （Al）≤10% ，可细化焊缝晶粒，改善焊接性。含少量Th 的镁合金具有良好的焊接性，无裂纹倾向。

1.4 焊缝下塌

焊接过程中由于高熔点的氧化膜覆盖熔池，温度不易控制（镁的表面张力小，氧化膜在熔化时与镁合金并无颜色区别，很难观察到熔化的程度），易造成焊接热影响区大块塌陷，破坏焊缝金属的形状及性能。

1.5 气孔

1.2 氧化与蒸发与焊铝一样，镁合金焊接时易产生氢气孔。氢在由于镁的氧化性极强，在焊接过程中易形成

氧化镁中的溶解度随温度的降低而减小，而且镁的密度比

膜MgO，MgO熔点高（2 500℃），密度大（3.12 g/cm3），铝小，仅为1 700 kg/m3，气体不易逸出，在焊缝凝固过易在焊缝中形成夹杂，降低了焊缝性能。在高温环境程中会形成气孔。

下，镁还容易和空气中的氮化合生成镁的氮化物此外，镁及其合金在空气环境中进行熔焊时易氧Mg3N2，使接头塑性性能下降，脆性性能增大。镁的沸化燃烧，需要惰性气体或焊剂的保护［2-4］。

收稿日期：2013-04-24；修回日期：2013-06-22基金项目：榆林学院高层次人才科研启动资金资助项目（12GK40）作者简介：刘奋军，硕士，助教；主要从事镁合金真空扩散连接及其表面改性和材料成型教学工作。E-mail：lfjxcmg@126.com。

130兵器材料科学与工程第36卷

2 方法

由于镁合金具有许多优异性能，作为结构件应用前景广阔，镁合金的上述焊接特点成为其作为结构件

深加工的瓶颈，近年来关于镁合金的焊接研究越来越多，对AZ31B镁合金的焊接研究也做了大量工作，主

要焊接方法有钎焊、电子束焊、TIG焊、激光焊、搅拌摩擦焊、扩散焊及多种焊接方法同时作用的复合焊等。

2.1 钎焊

与熔焊方法相比具有许多优点：接头平整光滑，外形美观，母材组织和性能受影响较小，可实现异种材料间的连接等。

高晨等［5］自制钎料分析了AZ31B镁合金超声波钎焊连接接头微观结构及力学特性。研究结果表明：超声振动时间为0.1 s，钎料与母材界面处没有形成明显的扩散层，振动时间为 3 s，结合界面处形成明显的扩散层；接头显微组织主要由α-Mg固溶体和Mg-Zn相组成。钎缝预留间隙为0.15 mm，超声振动时间为2~

4 s，钎焊接头抗剪强度可达80~90 MPa，接头断裂形式为沿晶脆性断裂。Ma Li等［6- 7］研究了氩气保护氛围下，中间分别添加铝基及Zn基钎料的AZ31B镁合金高

频钎焊。研究表明：两种钎料情况下钎焊区均形成了α-Mg固溶体及β-Mg17（Al，Zn）12，添加铝基钎料时，钎

焊接头平均抗剪强度为45 MPa，添加Zn基钎料时，搭接接头平均剪切强度为27 MPa，对接接头平均抗拉强度为42 MPa；断裂形式均为沿晶断裂，断裂主要产生在β-Mg17（Al，Zn）12硬脆相处。

钎焊易于实现异种金属连接，具有连接件尺寸精度高、应力集中小等优点，在轻金属连接研究领域前景较好，针对目前AZ31B镁合金钎焊研究现状可见，钎焊过程中接头处均形成了脆性化合物致使力学特性下降，抑制钎焊接头脆性相生成是提高AZ31B镁合

金钎焊接头力学特性的有效方法，因此钎焊工艺的改善及新型钎料的研制是改善AZ31B镁合金钎焊性能的重要途径。缝抗拉强度均值为223 MPa，均断裂在焊缝处，断口呈混合断裂形貌。文献［9］研究了挤压态AZ31B-F镁合

金电子束焊接特征及工艺参数，研究结果表明：最佳工

艺参数为功率4~5 kW，电子束电流100 mA，加速电压50 kV，焊接速度60.6 mm/s；有应力集中的焊接接头最大抗拉强度为234.1 MPa，无应力集中的焊接接头平均抗拉强度为270.5 MPa，分别为母材的78%和91%。

AZ31B 镁合金电子束焊接研究现状表明，电子束

焊接接头具有较好的力学特性，接头抗拉强度为230 MPa，较文献［5］钎焊接头抗拉强度值80~90 MPa 提高明显，电子束焊接AZ31B镁合金时，接头脆性组织和

应力集中影响综合力学性能，因此应用高纯保护气氛改善电子束焊接工艺，减小焊缝残余应力及变形是进

一步提高AZ31B镁合金电子束焊接接头性能的重要方式。

2.3 TIG焊

TIG 焊接是在惰性气体的保护下，利用钨电极与

工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（如果使用填充焊丝）的一种焊接方法，由于焊缝被保护得好，故焊缝金属纯度高、性能好；焊接加热集中，焊件变形小

且电弧稳定性好。

于思荣等［10］研究了TIG焊接5 mm厚AZ31B挤

压态板材，试样开X型坡口，双面焊双面成型。试验

结果表明：焊缝热影响区晶粒粗大，热影响区显微硬度

较母材下降严重；正反面焊接电流为145 A，接头抗拉

强度达到248.6 MPa，约为母材强度的84%，断裂位置

处于热影响区，断口存在大量韧窝，呈韧性断裂。N.K.

Babu［11］研究了交变电流脉冲对AZ31 镁合金钨极气

体保护焊（GTA）接头组织和性能的影响，研究发现，交

变电流脉冲细化了熔合区晶粒，形成了更多的等轴晶

组织结构，熔合区显微硬度提高，抗拉强度最高达230

MPa，是母材的91.6%。文献［12］研究发现，脉冲频率对AZ31镁合金钨极气体保护焊接头抗拉性能影响显

著，在脉冲频率6 Hz、50%脉冲时间条件下，最大抗拉强度达188 MPa。

2.2 电子束焊TIG焊接AZ31B镁合金，接头性能提高较大，文献电子束焊是一种高能量密度高的熔化焊方

法，焊［10-12］研究结果表明：抗拉强度达到母材80%以上，

接速度快、热影响区小、热变形小，可获得深宽比大的焊缝，焊缝质量高。

谭兵等［8］研究了电子束焊接10 mm厚AZ31B镁合金板材的接头组织和性能。结果表明：电子束焊接AZ31B 镁合金焊缝正面成形良好，背部出现轻微的凹陷，深宽比在8∶1以上，焊缝组织主要是Mg相以及少量的Al相及β- Mg17Al12相，焊缝热影响区宽80~120 μm，焊缝区为细小的等轴晶，晶粒尺寸为8~18 μm；焊

TIG 焊接工艺与参数研究、高纯保护气体应用及开发优质焊丝是提高AZ31B镁合金TIG接头性能的研究趋

势。

2.4 激光焊

激光焊接的焊速高、质量好、无变形、无需真空条

件且容易实现自动化焊接。

G. Padmanaban 等［13］研究了钨极氩弧焊（GTAW）、搅拌摩擦焊（FSW）和激光焊（LBM）连接AZ31B镁合

第5期刘奋军等：AZ31B镁合金焊接技术研究现状及发展方向131

金，对比分析了不同焊接方法对连接接头显微组织、度的提高，接头抗拉强度达到母材的70%以上，抗弯显微硬度和拉伸性能的影响。研究表明：LBM接头具强度最大能达到母材的近90%，表明搅拌摩擦焊较适有更高的强度，相对于GTAW接头提高了14%，相对于焊接AZ31B镁合金，改进搅拌摩擦焊工艺、拓宽搅于FSW接头提高了2%；而且LBM接头区域最高显微拌摩擦焊连接结构使其得到更好、更广的泛应用。硬度为76HV。R.S. Coelho等［14］研究了AZ31B镁合金 2.6 扩散焊

激光焊显微组织及力学特性。结果表明：焊接接头具扩散焊是在一定的温度和压力下，将两待连接工有窄的热影响区，焊缝组织为柱状晶和粗化的沉淀相件紧压在一起，加热至母材熔点以下温度，使两焊接

Mg17（Al，Zn）12，焊缝顶部与根部的残余应力分布相似，表面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接最大残余应力出现在焊缝区且低于母材的屈服应力。触，再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合用激光束作为热源来焊接镁合金时，焊缝易产生的一种连接方法。

气孔、蒸发与氧化、焊接变形及应力集中等。因此，应刘奋军［21］、杜正良［22］、孟庆森［23］等利用电场辅助改进激光焊接工艺、提高焊接设备质量、控制焊接过真空扩散连接了Mg/Al异种材料及中间添加铝粉连接程中接头组织的形核与成长，改善应力集中，提高接AZ31B 镁合金，发现接头组织由近缝区、过渡层和共头性能。晶层构成，而且施加电场显著加快了镁铝间的扩散溶2.5 搅拌摩擦焊解。施加电场时共晶层最高显微硬度为基体的2.3

搅拌摩擦焊是20世纪90年代初由英国焊接研究倍，电流密度为48 A/cm2时共晶层内晶粒尺寸约为未所（TWI）首先提出，是一种新型的固相连接技术［15］。施加电场的25%，接头抗剪强度最大达35 MPa，断口孙湄楠［16］研究分析了AZ31B镁合金搅拌摩擦焊呈颗粒状解理形貌，属镁合金典型的低塑性断裂。杜

接头组织及力学特性。研究表明：采用铣床改制的搅双明等［24］研究了520℃、1 MPa、保温10~30 min，

AZ31

拌摩擦焊设备及自制搅拌头实现了AZ31B镁合金连镁合金真空扩散钎焊连接接头组织结构及性能。分接，接头由细小等轴晶且呈“洋葱环”形貌的焊核区、析表明，以铜箔作为中间层的扩散钎焊接头组织为镁

晶粒分布不均且明显变形的热机械影响区和热影响基固溶体及Mg2Cu金属化合物，接头显微硬度为

（100~

区以及母材组成；焊接速度为23.5 mm/min，旋转速度500）HV。

为 1 180 r/min，焊缝组织致密，抗拉强度达173.67 镁合金扩散连接研究较少，成本高，设备性能要MPa，为母材抗拉强度的70.%，焊接接头断口为韧求高，对焊接环境真空度要求高，且接头性能与目前性断裂和脆性断裂的混合断裂。张华［17-18］等在焊接速钎焊、电子束焊、TIG焊、激光焊等研究结果相比均度为75~150 mm/min、旋转速度为900~1 500 r/min工低。AZ31B镁合金添加中间层真空扩散连接工艺及

艺条件下利用搅拌摩擦焊连接了2.5 mm厚AZ31镁合机理的研究对镁合金表面改性具有重要意义。

金并对接头力学特性进行分析测试。研究表明，接头 2.7 复合焊接

抗拉强度为175~240 MPa，可达母材抗拉强度的90% 激光-TIG复合焊结合了两种激光焊接加工方法以上，接头正面抗弯强度与背面抗弯强度为344 MPa 的优点，每一种焊接方法对另外一种焊接方法都是一

和320 MPa，分别为母材的.9%和83.5%，断口主要种互补并且可以稳定另外一种焊接方法。

是准解理断裂和韧窝断裂的组合。张彦军等［19］研究刘黎明等［25- 26］采用激光和钨极氩弧复合焊接了焊接速度为220 mm/min、旋转速度为600 r/min工AZ31B 镁合金，研究了复合热源对焊接熔深、表面成

艺条件下，AZ31搅拌摩擦焊接头组织及冲击性能。研型及焊接过程电弧稳定性的影响。结果表明，复合热究表明：接头焊核区组织明显细化为等轴晶，冲击韧源焊接镁合金焊缝熔深增加效果显著，是同等焊接规

性分析表明接头冲击韧性均高于母材，而且断口呈韧范下钨极氩弧焊单独焊接熔深的2倍左右，复合电弧

脆混合断裂。A. Forcellese等［20］研究了AZ31搅拌摩擦稳定性较好，复合热源电流稳定燃烧的最大速度比单焊塑性流行为及成型性。结果表明，母材和搅拌摩擦独电弧提高了1倍以上。激光-TIG复合热源缝焊镁

焊接头流动应力均随温度的增加和应变率的降低而合金接头抗剪强度最大达193.3 MPa，约为母材抗拉

强

降低，而且焊缝具有更低的流动应力。母材及焊缝的度的80.1%。

延展性均随温度的增加和应变率的降低而增加，而且复合焊接方法连接AZ31B镁合金，充分发挥各自母材的最大延伸率远大于焊缝。焊接方法的特点，对提高接头性能的相互作用机理研从目前关于AZ31B镁合金搅拌摩擦焊研究成果究是进一步改进复合焊接工艺和发展特种焊剂及焊看，连接接头性能较钎焊与激光焊接头性能有很大程丝的理论基础，也是今后研究的热门之一。

132兵器材料科学与工程第36卷

3 展望

镁合金作为结构件的广泛应用，对性能要求不断改善，引导镁合金材料的不断开发，镁合金焊接研究仍将是拓宽镁合金应用领域的重点之一。

采用电子束焊、TIG焊、搅拌摩擦焊及激光-TIG复合焊接技术均可得到焊缝成型美观、接头性能较好的焊接接头；但是焊接过程中脆硬相的生成及焊缝残余应力的存在均有害于接头性能。焊接过程中抑制焊缝区脆硬相生成以及焊后残余应力的去除或焊接过程中避免或减少残余应力的出现问题有待解决。焊缝区晶粒粗化、气孔形成等一系列焊接问题也是研究重点，同时，开发镁合金专用焊材及镁合金与其它金属连接的方法与原理也是研究的主要内容，对于提升镁合金的进一步应用意义重大。镁合金添加中间层的焊接研究较少，开展添加中间层的复合焊接工艺研究也将成为重要研究内容。

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