镁合金电子束焊技术研究进展

镁合金电子束焊技术研究进展

作者：程朝丰 李登仁 石磊

来源：《工业技术创新》2017年第02期

摘 要：回顾镁合金电子束焊技术发展历程，可有力推动该技术理论与实践的进步。结合文献例证法与理论归纳法，阐述了焊接组织及其力学性能；介绍了镁合金电子束焊工艺，尤其是镁合金特种材料电子束焊工艺；分析了当前技术的缺陷。论述表明：镁合金作为绿色环保材料，应用空间广泛、发展潜力可观；镁合金电子束焊技术亟待在热处理工艺、焊后处理、焊接温度场、强度改善等方面加以强化；大规模数值模拟、焊接参数数据库系统建设等课题，是当前的发展前沿。以上结论可为我国镁合金电子束焊技术水平的提高指明方向。 关键词：镁合金；电子束焊；焊接组织；特种材料

中图分类号： TG457.2 文献标识码： A 文章编号： 2095-8412 （2017） 02-170-04 工业技术创新 URL： http： //www.china-iti.com DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.02.046 引言

镁合金具有良好的轻量性、切削性、耐蚀性、减震性、尺寸稳定性和耐冲击性，远远优于其他材料。在绿色发展理念日益深入人心，以及人们对轻量化结构日益青睐的当今，这些特性使得镁合金在交通运输、电子、医疗、航空航天、军事等领域受到越来越普遍的应用。然而，镁合金焊接性能相对较差，且易与氧结合，焊后可能会出现夹杂、熔点较低、粗晶、导热率较高等问题，导致镁合金的工业应用受到极大制约[1-8]。

电子束焊的概念最早是由德国物理学家 K·H·Steigerwald提出的。8年后，法国原子能研究机构利用电子束成功焊接了核反应堆燃料外壳，并取得了良好效果。从实践来看，电子束焊具有一系列优点，如穿透性强、能量密度高、焊缝深且窄、不受氧等气体干扰以及热输入量小等，非常适用于镁合金薄、厚件焊接。目前，电子束焊已成为镁合金焊接的重要技术之一，且应用广泛。Banhart 在21世纪初将直径为15 nm的碳纳米管引入电子束焊中，不仅推动焊接技术进入了新的发展时代，也为电子束焊的未来应用产生了巨大的影响。

本文以文献例证法与理论归纳法，对国内外镁合金电子束焊技术研究状况进行了综述，旨在为提高我国技术水平指明方向。 1 焊接组织及其力学性能

采用电子束焊方式焊接镁合金时，由于冷却速率较高，而且焊缝区还可能存在小尺寸的等轴晶，在这些作用下，焊接接头晶粒相比母材被相应细化，其力学性能也会得到提升。闫忠琳

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等采用先进的设备与工艺，详细研究了10 mm厚AZ61镁合金电子束焊接接头的微观组织、相结构和硬度分布，发现其呈现上宽下窄的钉状形，焊缝深宽比达到10：1。如图1所示，母材等轴晶粒一般为100～200 μm，而焊缝晶粒均为5～10 μm的细小晶粒，另外在焊缝区晶界处还分散有白色粒状β相。将其与母材处沿晶界分布的块状和片层状β相（Mg17Al12）进行比较可以看出，第二相显著变小，且形貌改变也非常显著，如图2所示。α-Mg和Mg17Al12是焊缝中相结构的主要构成部分，焊缝硬度高达75～78 HV，远超过母材55 HV的硬度。然而经过测试，其热影响区硬度接近母材，表明在此参数下可以获得更优的AZ61镁合金焊接接头力学性能。

Chi等人以AZ系列镁合金为研究对象，开展了3 000～5 000 W热输入值的电子束焊试验，发现在焊接后，锻造镁合金结构发生了改变，已经变成铸造镁合金结构。熔合区聚集了沉淀相，经过分析，其铝、锌含量都比附近基体的含量偏高。另外，γ相会因铝含量增加而发生改变，从散射粒子转变成比较密集的树枝晶。铝含量增加越高，AZ系列镁合金的强度及显微硬度也相应地提高，但其延展性却呈现下降趋势。张英明等通过实验发现，在不同焊速下，纯镁的焊缝穿透宽度比AZ31略宽，焊缝横截面处熔融区面积比AZ31略大，存在晶界结合。在熔融区、基体晶粒尺寸方面，纯镁都要明显小于AZ31，而且与母材相比，拉伸性能、冲击性能也相差不大。对于AZ31合金而言，只有在5.00 mm/s、5.83 mm/s等流速下，其拉伸与冲击性能方可达到良好。

朱智文等研究了不同聚焦电流下，10 mm AZ31镁合金组织及其力学性能的变化情况，如图3所示[7]。结果表明：

① 聚焦电流为460 mA时，镁合金板未能焊透，存在于热影响区中的晶粒长大速度非常缓慢；

② 当聚焦电流上升到470 mA时，晶粒长大速度大大降低，但焊透成形状况良好； ③ 当聚焦电流提高到480 mA时，晶粒长大速度开始变快，此时焊接就会产生一些细微裂纹。

实验还表明，如果将母材硬度控制在52 HV左右，而将焊缝区硬度值控制在75 HV左右，那么拉伸断口（如图4）均会呈现韧窝断裂，此时镁合金力学性能最优[4]。 2 镁合金电子束焊工艺 2.1 镁合金性能

镁合金是一种轻质金属结构材料，相比铝合金和钢更能够满足各行业的发展需求，发展前景看好。主要性能包括：

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（1）密度为1 700 kg/m3，仅为铝合金的65%、钢的25%，非常适合应用于轻量化结构件中；

（2）具有高于铝合金和钢的强度； （3）具有良好的抗冲击性；

（4）导热系数较大，通常为72～80 W/（m·K）； （5）具有可回收性，满足节能减排、可持续发展的需求；

（6）具备良好的焊接性能，在机构复杂的零件制造中发挥着重要作用。 2.2 镁合金电子束焊

对于镁合金焊件而言，影响其质量的主要因素有：加速电压、电子束流、焊接速度、聚焦电流、真空度和聚焦在焊件表面的电子束光斑尺寸。由于电子束焊接是在高真空环境中操作的，故不会产生较大的电子能损失。

电子束焊属于熔化高能密度焊的一种，不仅加热功率密度大、焊接速度快，而且焊接接头热影响区非常小，也不易产生变形。与普通电弧焊相比，电子束焊深宽比可达60：1，能够节省能量及填充材料，提高焊接薄厚板的焊缝成形质量。王亚荣等对2 mm厚的MB2镁合金板材开展了18组正交实验，并根据获得的参数对接头熔深、熔宽的影响规律进行了研究，发现如下结论：

（1）表面聚焦得到的焊缝熔深最大，下聚焦和上聚焦时熔深相对较小，散焦时熔深最小。

（2）扫描图形为直线时，深宽比最大；为无穷图形时，深宽比最小。

（3）加速电压越大、束流越高，热输入也相应增大，熔深、熔宽一同增加，深宽比在电压为100 kV、束流为25 mA时达到最大。

因此，焊接最佳工艺参数组合是在电压为100 kV时，根据热输入计算公式对束流值和焊接速度值进行匹配而决定的，即采用散焦焊接、扫描图形为圆形、频率为2 000 Hz。此时，焊接力学性能优良：抗拉强度达到母材的92%，屈服强度达到母材的68%[3]。 2.3 镁合金异种材料电子束焊

关于镁合金异种材料焊接的文献相对较少。在这种焊接条件下，焊接接头容易出现裂纹、微孔等缺陷。Chi等研究发现，如果铝元素含量较高，则流动性会更好，可有效减少持续的能

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量和快速冷却的熔池带来的一些不足。此外，接头根部凹陷深度会降低，抗拉强度和显微硬度会增高。其他研究机构也开展过镁/铝、镁/钢、镁/铜等异种材料的焊接，但效果不甚理想，因为镁合金电位较低，在焊接过程中容易与其他金属发生反应，产生电偶腐蚀，生成金属间化合物，其高硬、高脆的特点使得结构件性能明显下降，形成气孔、裂纹等缺陷。 3 镁合金电子束焊缺陷

由于镁合金的物理特性比较特殊，容易出现焊接缺陷，例如凹陷、下塌、起弧、气孔等。这些缺陷的存在，容易影响焊接质量，降低焊件的连接效果。通过文献研究发现，如果在焊接过程中将铜质或同种材料作为衬垫贴合在焊缝背面，可以大大降低下塌和气孔问题出现的几率。另外，为解决焊缝缩孔、气孔等问题，可在真空电子束焊过程中利用添丝方式来弥补，使得焊接接头静载荷接近母材静载荷，而抗腐蚀方面显著比母材强[5]。也有研究表明，如果在非真空室进行焊接，焊缝成形可能会更佳，焊件的疲劳性能也更优，但具体还需要可靠的实验进行验证。

谭兵等人将10 mm AZ31镁合金板作为研究对象，在真空条件下对其采用电子束焊接实验，发现焊缝正面形貌美观，但背部出现间断性凹陷[8]。究其原因如下： ① 镁熔化后表面张力降低，使得根部液态金属出现下塌；

② 镁沸点高，焊接时极易汽化，背面蒸汽会对液态产生很大影响，出现凹陷； ③ 电子束焊速度极快，短时间内气体汇聚到焊缝根部，造成气孔出现，且焊缝受到多种元素的蒸发烧损，形成了混合断裂形貌。 4 结语

镁合金无疑是目前当之无愧的绿色环保材料，不仅具有广泛的应用空间，而且发展潜力可观。然而，镁合金电子束焊技术还存在较多问题需要进一步解决，再加上我国在这方面的研究相对滞后，因而必须在热处理工艺、焊后处理、焊接温度场、强度改善等方面强化理论和实践。在未来，鉴于电子束焊独特、精准的优势，薄焊件的焊接将日趋完善，镁合金异种材料焊接也将成为一门新兴产业。随着智能科技的完备，大规模数值模拟、电子束焊焊接参数数据库系统建设等，将势必成为研究重点和热点。 参考文献

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