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。
I、镁合金的冶金连接（补充超声焊接介绍）
镁合金-铝合金超声焊接的示意图
目前大型镁合金铸件的主要生产工艺是压铸，铸件内部不可避免的含有少量气体，加之考虑到镁合金易于氧化的特性及较低的电极电位，采用焊接方式进行连接难以实现。机械连接成为镁合金部件主要的连接方式，如何合理的选择连接方式以获得良好的连接强度并避免连接电偶腐蚀问题成为目前开发的重点。机械连接可用于镁合金零部件之间或者镁合金与其他异种材料之间的简单的连接方法，常见的有镁-镁连接、镁-钢连接、镁-铝连接等。机械连接包括铆接和螺纹连接。
拉铆：是冷铆（不需要加热的铆合工艺）的一种铆接方式。它利用手工或压缩空气为动力，通过专用工具使铆钉与被铆件铆合。拉铆用到的主要材料和工具是抽芯铆钉和风动（电动、手动）拉铆枪。拉铆时的钉孔直径一般比铆钉直径大0.1mm左右。
自冲铆接（Self-piercing rivet，SPR）：铆钉在铆鼻中推杆的下压作用下，刺穿上层板或者上面两层板，最后在铆模的作用下铆钉空心部分在底层板中张开，与底层板形成自锁结构，整个连接过程底层板只发生塑性变形。
SPR操作现场图（左）和铝-钢自冲铆接截面示意图（右）
AZ31镁合金自冲铆接接头的剪切强度
镁-镁铆接、镁-钢铆接、铝-钢铆接、镁-钢铆接粘接复合接头的剪切强度
搅拌摩擦自冲铆接(Friction Self-piercing Riveting，F-SPR )，是以传统SPR为基础，结合搅拌摩擦焊原理，使半空心铆钉在轴向进给的同时高速旋转，通过摩擦软化、进给顶锻两阶段完成整个连接过程。在摩擦软化阶段，铆钉高速旋转产生的摩擦热软化金属，解决传统SPR连接低延展性材料变形难、易开裂的问题；在进给顶镦阶段，通过铆钉停转并快速进给，避免热量在铆钉附近过度累积，提升铆接力、增大机械自锁。通过铆接力和摩擦热的协调匹配，实现对机械连接质量的有效调控，同时精确控制异种材料界面的摩擦热和温度，形成固相连接，实现了低延展性轻合金的机械-固相复合连接。 搅拌摩擦自冲铆接AZ31镁合金板材，与自冲铆对比，具有更高的剪切强度和疲劳性能。镁合金AZ31B与铝合金AA6061-T6摩擦自冲铆焊接头剪切强度达镁合金母材的83%，与自冲铆接工艺相比接头强度提升了63%，韧性提高了402%。
没检索到清晰的镁合金与铝合金FSPR截面信息，用铝合金截面替代（类似）
AZ31镁合金与碳纤维增强聚合物CFRP板材的搅拌摩擦自冲铆接，剪切强度为3-5kN，疲劳寿命也较高 (Mechanical joint performances of friction self-piercing riveted carbon fiber reinforced polymer and AZ31B Mg alloy, 2022)
搅拌摩擦单面铆接（Friction Stir Blind Riveting，FSBR）：铆钉旋转并接近铆接平面，然后铆钉在摩擦作用下穿透铆接平面，随后抽出铆钉的芯轴完成铆接。该铆接技术保留了铆焊技术的变形缩合以及固相焊接特征（Friction Stir Blind Riveting for Dissimilar Cast Mg AM60 and Al alloy Sheets）
铝合金和AM60镁合金的FSBR后的接头强度和宏观拉断形貌
旋锤铆接技术：利用旋锤铆接技术可实现以AZ31镁合金作为铆钉的铆接AZ31和CFRP/AA7055板材的过程。铆接过程中，不需要预热，大量的压剪塑性变形被引入镁合金，同时“旋锤”与铆钉之间的摩擦引起了铆钉顶部温度的快速升高，进而触发了镁合金的孪晶以及动态再结晶。AZ31/CFRP板材接头的失效载荷范围为1.2-2.2kN，断裂发生在CFRP板材接头处；AZ31/AA7055板材接头的失效载荷范围为2.5-2.6 kN，断裂主要发生在AZ31镁铆钉处。铆接强度与铆钉截面积、板材厚度密切相关。(Friction-based riveting technique for AZ31 magnesium alloy) 。
AZ31镁合金与CFRP/AA7055板材通过旋锤工艺连接（AZ31镁合金铆钉）
螺纹连接的基本类型
在螺栓头或螺母下方使用直径合适的5052Al或6061Al垫圈可以减弱电偶腐蚀，减小转矩而不使连接件变形。此外，螺纹垫圈可以压入或热装到镁合金工件上，但拧入式垫圈应用的较多。为使螺纹孔与垫圈配合更好，可采用一次攻丝后再精攻。拧入式垫圈有两种类型：其中一种为管状，螺纹在其外表面，它被拧入到工件的螺纹孔中，这种垫圈可以起到轴承和轴瓦的作用。螺纹也可攻在里面，从而与螺杆、螺栓或其他螺纹紧固件连接。另一种类型是由弹簧线圈精确螺旋而成的螺纹衬套，它用于攻丝孔与螺栓、螺钉或螺杆的配合，螺纹与美国标准系列类似。(镁、铝异种金属激光胶接焊工艺的研究）
依上所述，按照一般部件的连接方式考虑，螺纹连接可以通过在铸件上加工螺纹孔的方式形成连接；通过在铸件上焊接螺柱的方式形成螺柱连接。然而，对大型镁合金铸件进行螺纹加工，不仅容易出现加工废品，而且会显著增加生产成本。由于镁合金铸件的可焊接性相对较差，焊接螺柱很难实现。
因此，可通过在铸件上预设孔，并应用带有螺纹的弹簧夹片的方式解决螺纹连接问题。高压压镁铸件的铸态孔与螺纹成型紧固件连接在一起，可为装配过程，总体成本优势和接头完整性提供显着优势。设计带有铸件孔的螺纹成形紧固件时，应遵循加工孔设计的一般规则，包括仔细设计变量，例如装配扭矩范围，螺纹啮合长度，孔直径和所需的失效模式。此外，需要特别注意压铸工艺所需的镁铸造部件的拔模斜度（这与螺纹连接的凸台强度有关）。
研究案例：
案例1：螺纹紧固在镁合金压铸工艺中有着重要的作用。有实验对AZ91D和A380铝合金材质的传统攻丝螺纹和型芯孔自动成形螺纹紧固进行比较研究，表明对于传统攻丝螺纹孔紧固的螺纹长度，SAE8级螺栓应比ADCI标准参考值增加15%；对于自动成形螺纹紧固，推荐孔啮合部分的尺寸比ADCI标准小3%，总长度比啮合部分长25%。
案例2：研究者利用螺纹扭拉实验，测试了镁合金的螺纹抗扭强度、扭拉关系、轴向承载性能。螺栓为30CrMnSiA材质，安装到镁合金基体中。轴向载荷拉伸过程中，其拉断载荷见下图所示。经分析所有规格镁合金基体破坏形式均属于剪切破坏。该实验条件下，应以镁合金的剪切强度来校核轴向承载。
案例3：研究者研究AM60B高压压铸镁合金的螺纹连接。选用MR6 × 1.0 Taptite 2000®自攻螺纹紧固件和MG6-2.0 Mag-Form® 镁压铸件螺纹成型紧固件，紧固件长20mm，并涂有镀锌涂层。铸件的螺纹孔可后加工，也可压铸制备。对比了机械加工的钻孔和铸造孔，发现尽管机加工去除了压铸表面层，但在实验条件下，机加工钻孔和压铸孔对接头性能并未显现明显的影响。当螺纹孔直径增大为5.5mm时，接头失效方式由螺栓紧固件断裂转变为镁孔带（magnesium hole strip）。镁合金螺纹紧固连接的接头性能取决于接合长度、孔直径和孔倾斜角。随着啮合长度的增大、孔径的减小和倾斜角的增大，主扭矩增大。失效力矩由上述因素及接头失效模式决定。在镁孔带失效模式下，随着啮合长度的增加、孔直径的减小和倾斜角的增大，失效力矩增大。
机械连接后的表面处理和失效
镁合金无论是铆接或者以螺栓、螺钉等形式的螺纹连接，连接的接头暴露在恶劣环境中连接缝隙中也极易产生腐蚀，严重影响接头的连接质量。此外，镁合金构件进行机械连接时采用的异种金属件与构件本身还容易发生电偶腐蚀。因此，行业内采用装配前对零部件做表面处理、对螺纹做表面处理。
螺纹装配后可进行全方位涂胶灌封的方法，以隔绝外部湿气、盐雾进入连接缝隙，达到避免电偶腐蚀的目的，但该方法在工程化应用过程中，由于涂胶量不易控制且影响产品外观，并只适用于不常拆卸的部位，对于需经常拆装的螺纹连接并不适用。
由于镁合金材料的独特性能，在工程应用中，机械连接经常由于疲劳、蠕变和电偶腐蚀等原因发生失效。镁合金机械连接的疲劳失效是镁合金机械连接失效的主要形式之一。其机理是铆接或螺纹连接接头在外部规则或不规则交变应力下被破坏而产生失效。防止镁合金螺纹连接疲劳失效的方法是增加螺纹连接接头的强度。采用强度较高的材料作为连接件是提高疲劳接头强度的有效方法。
粘接是利用适宜的胶粘剂将结构件连接在一起的工艺。在车身连接中，粘接一般是和铆接工艺复合使用的。
粘接适用于任意形状尺寸的镁合金与大部分材料的连接，其中主要优点是接头表面光滑且一次能实现大面积的连接。由于胶黏剂可以防止电偶腐蚀和具有良好的减震性，粘接适用于镁合金和其他异种金属间的连接。粘接不会产生应力集中而失效，特别适用于高疲劳强度的连接。镁合金粘结已广泛应用于军用蒙皮、面板的连接中，并且在汽车装配件的原型连接中有广阔的应用前景。
为保持连接结构件的力学性能不降低，镁合金胶接不宜选用需要在高温下晾干的胶粘剂。镁合金胶接接头性能容易随温度而变化，胶接接头的剪切强度一般可达2MPa，剪切强度和机械连接/焊接比相对较低。
目前车身结构胶与铆接结构胶联合使用的，其主要原因除了结构胶能提高连接点的剪切强度、隔绝异种材料之间的电化学腐蚀外，另外一个重要的作用就是提升铆接点的刚度，增强铆接点的疲劳强度。
镁合金工件粘接前的表面准备极为重要，表面应洁净，无油脂、氧化物及其他污染物。常用的表面清洗方法有溶剂除脂、机械清理和化学处理等。为保证胶接件在恶劣环境中有优良的抗蚀性，工件表面先镀阳极镀层，再喷涂处理，然后胶接/粘接。因为粘接剂的剪切强度往往高于镀层或涂料薄膜，所以表面层应很薄。改性层或阳极复膜层的厚度应小于或等于0.003mm，喷涂层厚度应小于或等于0.008mm。电镀层和喷涂层厚度应严格控制，并要仔细清洗去除残留灰尘或不良熔覆层。
镁合金胶接接头的静拉伸剪切强度一般随搭接宽度、工件厚度、加载方向以及粘接剂种类的不同而发生变化。改进的丙烯酸双组份粘接剂已开发出来，可在室温下胶接固化，在-54~93℃具有很高的粘接强度。为保证胶接质量，在实际胶接操作中，必须严格控制温度、压力、湿度等工艺参数才能保证最佳效果。生产中可用张力剪切剥离法周期试验，以确保所有变量都得到有效控制。（镁、铝异种金属激光胶接焊工艺的研究，2006）
粘接过程也存在一些共性问题，胶体使用后会造成工作环境污染；胶体的保质期相对较短；加胶后胶体需要一段相对较长的时间进行固化，并且固化期间接头需要固定，工艺复杂；粘接接头剥离强度低、失效不可预测成为粘接工艺的难点和弊端。
案例1：研究者使用2mm厚AZ31变形镁合金，粘接剂由美国通用汽车公司提供的Terokal 5089改良型环氧树脂胶结剂。试样为单搭接接头，搭接长度15mm，宽度25mm，胶层厚度为0.1mm。使用粘接剂处理的AZ31试样接头的拉伸强度为10.55kN；通过对镁合金表面做磷化处理后，再对AZ31进行粘接，试片的强度值为11.4kN。化学转化处理在一定程度上提高了镁合金的粘接强度。（AZ31镁合金表面的磷酸二氢钠磷化处理及粘接性能研究）
Terokal 5089改良型环氧树脂胶结剂化学组成
镁-铝激光胶接焊流程图（左）、MIG胶接电焊流程图（右）
铆接接头和铆粘接头的对比：铆接接头的切面（左）/铆粘接头的切面
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...
作者：守正出奇 经世致用
编辑：镁合金见闻录
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