浅析镁 铝异种金属的焊接

减小字体 增大字体 作者:张瑞英 王 波 张海彬  来源:本站整理  发布时间:2013-07-18 10:15:04

进入21世纪以后,资源和环境的平衡以及可持续发展已经成为人类的首要问题,节能和环保已经成为现代产业的突出特点。镁合金作为目前世界上最轻的金属工程结构材料,具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振降噪能力强、电磁屏蔽性能优异、抗辐射、切削加工和热成型性好、可焊接,对碱、煤油、汽油和矿物油具有化学稳定性,易于回收利用等优点。镁合金在汽车、摩托车等交通工具、仪器仪表、电子电器、化工冶金、航空航天、国防军工等领域获得了广泛的应用。镁合金作为一种结构材料,在工程实际应用上就要考虑其连接的问题,焊接是最常用的连接方法。镁合金自身特性决定了焊接性能较差,难以实现可靠连接。目前镁合金焊接技术已成为了一个世界性的技术问题。

铝合金具有比强高、延展性好、导电性好、抗腐蚀性好,又便于回收再利用等特点,在很大程度上满足了现代工业对轻质、高强、节能方面的要求,特别是航空航天、汽车制造等行业,铝合金已经成为应用最广泛的有色金属。铝合金作为应用广泛的轻金属其主要的连接技术是焊接,并且对常规焊接方法的研究已经比较成熟。

镁和铝作为两种最具有应用前景的有色轻金属,对它们交叉使用的研究是十分必要的,如果要实现镁/铝异种金属结构的有效连接,焊接将成为其主要的连接方法。这样也会扩大镁合金、铝合金结构件在高新技术领域的应用。

2 镁/铝异种金属的焊接特点

在镁/铝异种金属的焊接过程中往往存在熔化和结晶的过程,而且生成的金属间化合物会对接头性能产生关键性的影响。镁/铝异种金属的焊接特点主要有下面的几点:

(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。

(2)镁和铝液态时相互溶解度小。由于镁是密排六方结构,铝是面心立方结构,两者晶体结构的不同是两者之间相互溶解度差的主要原因之一。由于相互溶解度比较低使得两种金属很难形成熔合区,难以形成有效的结合。

(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,这容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。

总的来说,镁/铝之间的相互溶解度、熔点和线膨胀系数相差都较大,在两者之间很容易形成氧化膜,而且镁具有比较大的热脆性。采用一般的焊接工艺方法容易产生裂纹和气孔等焊接缺陷,而且在焊缝中易形成大量的镁/铝系的脆性金属间化合物,因此实现两者之间的焊接十分的

困难。

3 镁/铝异种金属的焊接研究现状

目前对镁/铝异种金属的焊接研究,主要是对焊接方法、焊接参数、填充材料及接头组织性能的的研究。就目前而言主要使用的焊接方法是熔焊和固相焊,比如钨极氩弧焊、CMT焊、激光焊、搅拌摩擦焊及扩散焊。

3.1 熔焊

使用熔焊的方法焊接镁/铝异种金属是目前最经济也是最实用的焊接方法。而且由于熔焊的灵活性比较强,可以根据被焊材料的不同而选择不同的熔焊方法。但是使用熔焊的方法焊接镁/铝异种金属时,在焊缝熔合区会形成高硬度的镁/铝系金属间化合物,它会使接头的脆性增加、力学性能降低,而且会在热影响区产生较大的变形和裂纹。

大连理工大学的刘飞、张兆栋等人采用普通的TIG焊电弧作为热源,对AZ31B镁合金/6061铝合金异种金属进行填加锌焊丝的对接试验。实验结果表明,锌的熔点低焊接过程中易蒸发,容易在焊缝正面形成少量凹陷或在焊缝中形成零散气孔,由于铝侧锌丝的蒸发损失更加严重,这样铝基焊缝的余高低于镁基。通过电子探针(EPMA)的分析发现焊缝主要是由MgZn2与少量的铝、锌的固溶体构成的,并且在焊缝和铝基之间不存在明显的过渡层,但是和镁基之间存在20~100μm的过渡层。通过显微硬度测试发现焊缝的硬度比铝合金和镁合金母材都要大,拉伸试验表明对接接头的抗拉强度达到了75MPa,断裂均发生在靠近镁基的一侧。

兰州大学的R.Cao、B.F.Wen等人采用冷金属过渡技术(CMT),使用直径1.6mm的4047铝合金焊丝实现1mm厚的AZ31B镁合金与A6061-T6铝合金之间的焊接。CMT技术把焊丝的送进和熔滴过渡结合起来,依靠焊丝的回抽使得熔滴脱落,这样使得焊接热输入和飞溅均可控制,减少了IMP(脆性金属间化合物)的形成,进而可提高接头的强度。实验结果表明AZ31B与A6061-T6焊接会在接头区产生大量富镁的金属间化合物如γ-Al12Mg17和β-Al3Mg2。而焊缝金属和镁合金侧的熔合区主要有富镁的金属间化合物(γ-Al12Mg17)组成,它会使接头软化,而且它是降低接头强度的主要因素。如果要想改善接头的强度,减少接头处的富镁金属间化合物(γ-Al12Mg17)是至关重要的一点。

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