引言：镁及镁合金当前有近100万吨的产量，虽明显不及铝合金的产量，但镁合金在轻量化部件制造、医疗、农业以及能源存储等方向开展了大范围的研究和应用。随着镁合金应用需求不断增加，镁合金结构件与镁合金、铝合金、钢及非金属等结构件的连接成为镁合金研究和扩展应用的关键所在。本文展开论述镁合金的连接方式和技术，主要涉及焊接、搅拌摩擦焊等冶金连接，铆接、螺纹连接等机械连接和粘接。相比与钢、铝合金等金属材料，镁合金相对活泼，不仅容易与空气发生反应，而且可与其他金属发生电偶腐蚀，因此，镁合金在与同种/异种材料连接时往往需要独特的保护。为应对多样化的镁合金应用场景，镁合金结构件的连接问题日益凸显，镁合金连接技术需持续迭代更新。“文章内容来源于镁及镁合金文献和大量的推广应用报道。本公众号仅做汇总和阐述。在此感谢各位前辈在镁及镁合金行业的开拓和付出”。所述并不详尽（尤其缺乏国外相关单位信息），欢迎留言沟通，促成镁合金更广泛的研究和应用。焊接是金属材料连接工艺中最常用的连接方法。多数镁合金可以用钨极氩弧焊(TIG)、熔化极氩弧焊(MIG)、电阻点焊(RSW)、搅拌摩擦焊(FSW)、激光束焊(LBW)、电子束焊（EBW）、电磁焊接、扩散焊接、混合焊接等工艺进行焊接。氩弧焊工艺可分钨极（又称非熔化极）氩弧焊和熔化极氩弧焊。钨极氩弧焊（TIG）：采用高熔点的钨棒为电极，依靠电弧加热和氩气保护，使镁合金母材和填充焊丝（亦可不加入焊丝）融化，冷却后形成焊缝。采用大电流、快速焊和刚性固定等措施可以获得较好的焊接接头，接头变形小且热影响区较窄，接头的力学性能和耐腐蚀性能较高，接头强度可以达到母材的80%以上。适用于镁合金薄板和中厚板的焊接。
![]()
案例：6mm厚AZ31镁合金挤压板，研究者选择直径为3mm的镁合金挤压焊丝。使用WSME315型氩弧焊交直流焊机，保护气体为纯度99%的氩气。为顺利地实现6mm厚AZ31镁合金挤压板材的平板对接。焊接前，母材开60°的V型坡口。焊前先用丙酮清除板材表面油污，然后再用砂纸正反面打磨去除表面氧化膜。焊接过程采用双面填丝焊接工艺。镁合金的对接焊
对于镁合金中厚板的焊接，为了获得较大的熔深, 集中于使用活性钨极氩弧焊(A2-TIG)。这种方法是焊前在待焊材料表面涂敷单一活性剂TiO2或氯化物(LiCl,CaCl2,CdCl 2,PbCl2,CeCl3)，然后施焊，可以使焊缝熔深比常规TIG焊增加2倍，接头的微观组织与未涂敷时没有明显区别，焊缝熔合良好，没有裂缝、气孔、夹渣等缺陷。其原理是添加活性剂可提高电弧电压和电弧温度，而且在焊接方向上增加了电弧宽度，使得焊接过程中在增大热输入的同时伴随着热流的重新分布。熔化极氩弧焊（MIG）是以连续送给并不断熔化的焊丝作为电极的一种氩弧焊方法。在电弧焊的周围通上氩弧保护性气体，将空气隔离在焊区之外，防止焊区的氧化。适用于薄板和中厚板焊接。AZ31、AZ61板材的MIG焊接性能显示，接头的抗拉强度可达到母材的80-100%，弯曲应力下的疲劳强度为母材的50%。镁合金的MIG焊接方法具有以下特点 :① 与TIG焊相比，焊接速度快，生产率高，全自动焊速度高达1 m/min 左右；② 由于以焊丝作电极，适宜的焊接规范较窄；③ 由于熔融镁的表面张力小，电极丝前端的熔滴难以脱离且焊接电流过高时熔滴爆炸蒸发造成飞溅；④ 由于电极丝软，送丝稳定性差，在焊接过程中要采用推拉方式的特殊送丝装置；⑤ 虽然是一种非常方便的方法，但它的焊接。电子束焊(Electron beam welding, EBW)是利用密集的高速电子轰击工件电子动能转变为热能而使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气作用下，工件表面被迅速“钻”出一个小孔，也称之为“匙孔”，随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿小孔周围流向熔池后部，并冷却凝固形成焊缝。电子束焊具有很高的能量密度，能实现厚工件的焊接，焊缝深宽比大，焊缝热影响区小，焊接工艺参数容易精确控制，焊接变形小，重复性和稳定性好，焊接在真空状态下进行，焊缝纯洁度高，适合焊接镁合金这种活性材料。
![]()
电子束焊接示意图
采用电子束焊接10mm厚的AZ31镁合金板材，焊接接头优良，焊缝正面形成美观，截面呈上宽下窄的钉子状焊缝；电子束焊焊接接头热影响区晶粒较母材有所长大，但其范围非常窄，焊缝内部呈细小的枝晶和等轴晶组织。镁合金焊缝区，Mg、Zn元素的蒸发引起Al、Mn元素相对含量升高；焊缝区域为单相的Mg，由于电子束焊接能量密度高，高温停留时间短，焊接速度大，焊缝冷却速度大，抑制了Mg17Al12相低熔点脆性的生产。由于电子束焊接接头晶粒细化，该镁合金焊接接头的静载拉伸试验断在母材部位，抗拉强度为242MPa，屈服强度为144MPa，都略高于母材；疲劳实验结果表明，疲劳强度为91MPa，达到母材疲劳强度的78.4%(太原理工，2014）。此外，开展了AM50、AM60、AZ91镁合金板材的电子束焊接实验，焊缝组织晶粒细小，力学性能较好。一般情况下，焊缝强度达到母材的90%以上(中国兵器研究院宁波所，2008；Chi，2007等)。![]()
激光焊(LBW)是一种高能量密度焊接方法，激光束通过镁合金材料的表面，使其融化并形成焊缝。激光焊接用于焊接镁合金的薄板和复杂形状的零件，对焊接质量要求较高的场合。与其他熔焊方法相比，激光焊具有焊接速度快、热输入少、接头区残余应力和变形小、热影响区小、熔深大、焊缝组织细小、焊缝质量好等优点。此外，激光焊不需要真空条件，保护气体种类及压力范围可方便选择，可借助偏转棱镜或光导纤维将激光束引导到难以接近的部位进行焊接，操作灵活，可穿过透明材料聚焦焊接等。研究表明，通过选用适当的工艺参数可避免气孔与咬边的产生变形镁合金的激光焊焊缝强度可与母材的相近。![]()
激光焊接LBW示意图
当然，镁合金由于具有对激光束的吸收率低、氧化性强、导热系数高、热膨胀系数高、熔点和沸点温度低、凝固温度范围宽、凝固收缩率高、形成低熔点相、粘度低、表面张力低、液态对氢溶解度高、熔点温度下不发生颜色变化等固有特征，因此，在镁合金激光焊接中会遇到加工问题和焊接缺陷，如焊池不稳定、大量飞溅、大熔池有强烈的融透倾向、焊池凹陷（特别是对大熔池）、氧化物夹杂、合金溶质损失、孔洞过多形成、应力腐蚀开裂、液化开裂和凝固开裂等，需通过调节工艺进行改善。
![]()
压铸AM60B合金中的气孔缺陷和激光焊接后的焊缝气孔缺陷
激光-TIG复合焊：得益于激光技术以及弧焊设备的发展，尤其是激光功率和电流控制技术的提高，激光电弧复合对焊接效率的提高十分显著。这主要基于两种效应，一是较高的能量密度导致了较高的焊接速度，工件对流损失减小；二是两热源相互作用的叠加效应。焊接时，激光等离子体使电弧更稳定，同时，电弧也进入熔池小孔，减小了能量的损失。激光-TIG复合焊，可显著增加焊速，约为TIG焊接时的2倍；钨极烧损也大大减小，寿命增加；坡口夹角亦减小，焊缝面积与激光焊时相近。AZ31合金的激光-TIG复合焊接（LATIG）的焊接速度高于激光或TIG焊接。
激光-TIG复合焊(镁-镁)（Mechanical Properties and Microstructures of Laser–TIG Welded ME21 Rare Earth Mg Alloy）
![]()
激光-TIG复合焊(镁-钢)（Interfacial microstructure evolution in fusion welding of immiscible Mg/Fe system）
搅拌摩擦焊（FSW）：利用搅拌头，将其插入待焊材料的结合面进行摩擦搅拌，结合界面的金属在摩擦热的作用下处于热塑性状态，并在搅拌头的驱动下，从其前端向后部塑性流动，在压力作用下形成塑化连接。搅拌摩擦焊使工件搅拌区的温度升高到熔化温度的0.6-0.9，合金中的析出物会根据合金类型和峰值温度的不同而变粗或溶解到基体中。搅拌摩擦焊后工件的横截面上，可划分为搅拌区（SZ）、热机械影响区(TMAZ)和热影响区（HAZ）。搅拌摩擦焊过程中由于没有材料熔化，因此比熔焊工艺中具有更少的缺陷。搅拌摩擦焊可用于铝镁合金和复合材料之间的连接。
![]()
搅拌摩擦焊是英国焊接研究所的Wayne Thomas及其同事于1991年发明的一种固态连接工艺。其先前主要应用于铝合金，但现在被广泛应用于连接不同的金属，如铝、镁、铜和铁。FSW被认为是近20年来金属连接领域最重要的发展。航空航天领域应用的2系和7系高强铝合金，很难实现高强度、抗疲劳和抗断裂的焊缝的制备，这限制了焊接在连接航空航天结构件时的广泛应用。上述合金通常被归类为不可/很难焊接的，其焊缝的凝固组织较差和融合区有气孔，与母材相比，机械性能的弱化，导致焊接效果不佳。搅拌摩擦焊能通过熔焊工艺将难以连接的材料连接起来，材料在高温下经历严重的塑性变形，形成细小等轴晶的再结晶组织，因此具有良好的力学性能。![]()
搅拌摩擦焊AZ91镁合金横截面上的不同的组织形貌，AZ91镁合金母材的平均晶粒尺寸为150um，而搅拌区的平均晶粒尺寸约为10um
镁合金的搅拌摩擦焊过程通常不产生液相，搅拌区（SZ）的峰值温度约为380-550℃。在搅拌过程中，搅拌区温度较高，第二相发生可发生溶解，同时由于搅拌剪切的作用，第二相发生破碎。因此搅拌区发生再结晶，第二相溶解和细化。已成功地采用搅拌摩擦实现AZ61A、AZ60等镁合金的同种材质以及和铝材的焊接，实现材料的再结晶和细化晶粒效果。FSW能提高AZ91等铸造镁合金的焊缝的拉伸性能，而AZ31B-H24和Az61等变形镁合金的焊缝拉伸性能则有所下降。总体而言，搅拌摩擦焊对镁合金的连接效率能达到80-100%左右。搅拌摩擦焊适用于焊接镁合金的大型构件和形状的零件。
电阻点焊（Resistance spot welding，RSW）：是将两个或多个金属部件局部连接在一起的方法。焊接过程中金属部件之间维持一定的接触压力，通过短时脉冲电流对焊接接头加热，使金属材料融化并形成焊点。由于镁的高导电性和焊缝产热低，需要较高的焊接电流。适用于焊接镁合金的薄板和线材。电阻点焊一般用于承受低载荷的工件焊接，如某些镁合金框架、仪表舱、隔板等常采用电阻点焊。只要焊机功率能保证瞬时快速加热，直流脉冲点焊机及一般的交流点焊机均可适用于镁合金的点焊。镁合金电阻点焊的工艺特点:(1)镁合金具有良好的导电性和导热性，点焊时，须在较短的时间内通过大电流；(2)镁的表面易氧化，被焊面间的接触电阻较大，当通过大的焊接电流时，易飞溅；(3)由于导热性好及线膨胀系数大，断电后熔核冷却收缩快，易引起缩孔及裂纹等缺陷。电阻点焊的迭代工艺之电阻单元焊：在轻质板件（如铝合金、镁合金零件）中预先冲入一颗钢质元件，然后使用传统点焊机将“元件”与下层板件（如超高强钢热成形零件）焊接在一起的连接技术，称为自穿刺电阻单元焊。镁合金与钢之间的电阻单元焊(Resistance element welding of magnesium alloy and austenitic stainless steel in three-sheet configurations)
电阻单元焊的迭代工艺：用铆钉替代穿孔，电阻铆钉焊接实现镁和钢的连接技术(Study on the joint formation mechanism and performance of resistance rivet welding of Mg/steel dissimilar materials)
扩散焊接：是将两个待焊工件紧压在一起，并置于真空或保护气氛炉内加热，使两焊接表面微小的不平处产生微观塑性变形，达到紧密接触，在随后的加热保温中，原子间相互扩散而成冶金连接的焊接方法。扩散焊接过程有三个主要阶段：首先，材料表面发生接触。在第二阶段，晶界内的扩散占主导地位，从而消除了孔隙，保证了晶界的排列。在第三阶段，体积扩散占主导地位，固相扩散完成。![]()
扩散焊的机理模型：(a)初始粗糙接触，(b)第一阶段变形和界面形成，(c)第二阶段晶界迁移和孔隙消除，(d)第三阶段体积扩散和孔隙消除（Czerwinski, 2010）
对3mm板厚的AZ31B镁合金进行扩散连接实验，剪切强度平均为28.5MPa；在高纯氩气保护气氛下，开展AZ31B镁合金和0Cr18Ni9不锈钢的无中间层扩散连接，在450℃、压力25MPa、保温3h后，扩散连接接头剪切强度平均20.6MPa，界面处形成冶金结合。（Az31B镁合金的扩散连接研究）镁合金焊接时，一般可用与母材化学成分相同的填充金属。有时为了防止在近缝区沿晶界析出低熔共晶体，增大金属的流动性，减少裂纹倾向，可采用与母材不同的焊丝。一般采用热挤压成形的焊丝。
常用镁合金的焊接性比较及适用焊丝（镁合金及加工技术[M]）
焊接前，镁及镁合金需制作坡口，以免影响焊接的质量。
镁合金自身特性（熔点低、线膨胀系数及导热系数高等特点）决定了其焊接性能相对较差，在焊接过程中容易产生氧化、氮化、蒸发、裂纹、气孔、烧穿和热影响区晶粒粗大等问题，且易导致大的焊接变形和残余应力。相比于常见铝合金、钢等金属，镁合金实现可靠焊接的难度相对较高。
展望/观点
参考文献：
[1] 根据网络资料进行整理。
[2] 镁合金及其成形技术[M]
[3] Welding of Magnesium Alloys
[4]大型镁合金压铸件的冲铆连接技术及应用
[5] AZ31镁合金的自冲铆接工艺研究...
—————————————————————————————————
广告：镁合金挤压、铝合金挤压、高校挤压实验和批量生产（留言联系，杭州）
![]()
