近年來，汽車設計者和生產商為了降低對環境的污染，在提高燃料的利用率和減少CO2的排放量方面開展了大量的研究，如尋找新的無污染燃料、改變汽車發動機的性能和減輕汽車質量等，其中減輕汽車的質量是最有效的一種方法。

例如，2000年生產的奔馳CL汽車采用外面鋁合金，內側鎂合金的車門，質量比原來減少34%。意大利生產的第2代鎂輪轂僅5.4kg，比鋁輪轂7.4kg減少28%。對于一輛中等大小的汽車，其質量減輕10%，它的燃油量就可以減少6%～8%。因此，鎂合金以其低密度和高比強度、高比剛度和可再回收利用等優點成為人們關注的焦點。

目前，在各類汽車中已不同程度地選用了鎂合金，有關專家預計，每輛汽車中鎂合金的質量將增加到40～80kg。由于鎂合金的焊接性能不好，很難實現可靠連接，鎂合金結構件以及鎂合金與其它材料結構件之間的連接，成為制約鎂合金應用的技術瓶頸和急待解決的關鍵技術之一。

1)密度小　鎂的密度大約是鋁的2/3，是鐵的1/4。它是最輕的實用金屬。

2)高比強度、高比剛度　鎂合金的密度雖然比塑料高，但是，單位質量的強度和彈性率比塑料高，在保持同等強度的情況下，鎂合金的零部件比塑料還薄，質量也輕。另外，由于鎂合金的比強度比鋁合金和鐵高，在不減少零部件強度的前提下，鎂合金要比鋁或鐵零部件的質量輕很多。

3)傳熱性好、導電性強　鎂合金的傳熱系數比鋁小，比鋼大，比塑料高出數十倍，電導率大于鋁和鋼。

4)電磁屏蔽性能好　鎂合金的電磁波屏蔽性能比在塑料上電鍍屏蔽膜的效果還好，因此，使用鎂合金可省去電磁波屏蔽膜的電鍍工序。

5)機械加工性能好　鎂合金比其它金屬的切削阻力小，若鎂合金切削阻力為1，則鋁合金為1.8，黃銅為2.3，鑄鐵為3.5 。機械加工速度快，刀具使用壽命長。

6)對振動、沖擊的吸收性高　由于鎂合金對振動能量的吸收性能好，使用在驅動和傳動的部件上可減少振動。另外，沖擊能量吸收性能好，比鋁合金具有更好的延伸率的鎂合金，受到沖擊后，能吸收沖擊能量而不會產生斷裂，由沖撞而引起的凹陷小于其它金屬。

7)抗蠕變性能好　鎂隨著時間和溫度的變化在尺寸上蠕變少。8)再生　鎂合金與塑料不同，它可以簡單地再生使用且不降低其力學性能，由于熔點低、比熱容小，再生熔解時所消耗的能源是新材料制造耗能的4%。各種材料的性能比較見表1。

由于鎂合金密度低，熔點低，熱導率和電導率大，熱膨脹系數大，化學活潑性很強，易氧化，且氧化物的熔點很高，使鎂合金在焊接過程中會產生一系列的困難。主要問題如下。

1)粗晶問題　由于熱導率大，故焊接鎂合金時要用大功率熱源、高速焊接，易造成焊縫和近縫區金屬過熱和晶粒長大，這是焊接鎂合金時的顯著特點之一。

2)氧化和蒸發　由于鎂的氧化性極強，在焊接過程中易形成氧化膜(MgO)，MgO熔點高(2500℃)，密度大(3.2g/cm3)，易在焊縫中形成夾雜，降低了焊縫性能。在高溫下，鎂還容易和空氣中的氮化合生成鎂的氮化物，使接頭性能變壞。鎂的沸點不高(1100℃)，在電弧高溫下很易蒸發。

3)熱應力　鎂及鎂合金熱膨脹系數較大，約為鋁的1.2倍，在焊接過程中會易產生大的焊接變形，引起較大的熱應力。

4)焊縫下塌　因為鎂的表面張力比鋁小，焊接時很容易產生焊縫金屬下塌。

5)氣孔　與焊鋁一樣，鎂合金焊接時易產生氫氣孔。氫在鎂中的溶解度隨溫度的降低而減小，而且鎂的密度比鋁小，氣體不易逸出，在焊縫凝固過程中會形成氣孔。

6)熱裂紋　鎂合金易與其它金屬形成低熔共晶體，在焊接接頭中易形成結晶裂紋。當接頭處溫度過高時，接頭組織中的低熔點化合物在晶界處會熔化出現空穴，或產生晶界氧化等，產生所謂的“過燒”現象。此外，鎂及其合金易燃燒，所以在熔化焊接時需要惰性氣體或焊劑的保護。　

近年來，隨著鎂合金結構件的出現，對于鎂合金焊接的研究也越來越多。由于鎂合金在焊接時存在上述特點，所以，目前大量的研究集中在怎樣改善焊接接頭組織結構和提高接頭的性能方面。應用的焊接方法主要有鎢極惰性氣體保護焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、攪拌摩擦焊(FSW)、摩擦焊(FW)、激光焊(LBW)、電子束焊(EBW)和電阻點焊(RSW)等。

4.1　TIG焊

鎢極氣體保護焊是目前鎂合金最常用的焊接方法，它是在惰性氣體的保護下，利用鎢電極與工件間產生的電弧熱熔化母材和填充金屬從而形成結合的一種方法。根據保護氣體的不同，可分為鎢極氬弧焊和鎢極氦弧焊。

鎢極氬弧焊焊接鎂合金，接頭的變形小且熱影響區較窄，接頭的力學性能和耐腐蝕性能都較高。由于鎂合金的特點，焊接時要使用交流電源，以去除氧化膜，焊接過程中主要存在氣孔、夾雜和熱裂紋等缺陷，利用活性焊接可以改善鎢極氬弧焊接鎂合金時存在的熔深淺的缺點。

鎂合金化學活潑性很強，表面覆蓋著一層氧化膜。焊接鎂合金時采用交流鎢極氬弧焊，可以同時兼顧陰極清理作用和合理分配兩極發熱量。由于焊接鎂合金時速度快，且高溫時鎂合金易與氧氣和氮氣反應，故保護氣體流量要較焊接其它金屬時有所增大，以避免因氣流滯后而使熔池暴露于空氣中。

焊絲端部不得浸入熔池，以防止在熔池內殘留氧化膜。焊絲應作前后不大的往復運動，不作橫向擺動，這樣可有助于焊絲端頭對熔池的攪拌作用，破壞熔池表面的氧化膜。為了實現對厚板鎂合金的焊接，增加熔深，許多研究集中于活性鎢極氬弧焊(A-TIG)方面。在焊接鎂合金之前，在焊接區域涂覆氯化物(LiCl，CaCl2，CdCl2，PbCl2，CeCl3)，然后施焊。

研究發現這些氯化物可以使熔深增加2倍。這主要是由于氯化物的添加增大了電弧電壓和電弧溫度，而且在焊接方向上增大了電弧的寬度，使得焊接過程中在增大熱輸入的同時伴隨著熱流的重新分布。在這些氯化物中，CdCl2的作用最為明顯，由于Cd的第一電離能很高，CdCl2的熔點、沸點和分解溫度低，因而焊接電壓高，弧溫高，增大了熔合區深度，可以獲得更大的深寬比。中田一博對不同種類鎂合金的TIG焊結果進行了整理，其接頭強度如表2。

鎂合金氬弧焊存在的主要缺陷是氣孔和疏松。Munitz研究了GTAW焊接AZ91鎂合金時的接頭顯微組織，如圖1所示。在接頭的顯微組織中發現熱影響區和焊縫內有連續的β-Mg17(AlZn)12析出，認為鎂合金焊縫中氣孔的形成與焊縫中的H2有密切聯系。若焊接材料和保護氣體中含有水分，焊接過程中發生置換反應，放出H2，H2的溶解度隨溫度的下降而急速減小，當焊縫的凝固速度過快，氣泡來不及浮出焊縫金屬表面時就形成了氣孔。

Hwang等人認為氬弧焊焊接鎂合金時，添加焊絲的成分以及保護氣體的流量都是影響焊縫中氣孔含量的因素，在焊接過程中通過增加保護氣體的流量可以顯著地減小氣孔的數量、體積，并能減小焊縫中鎂含量的損失，從而提高接頭的力學性能。另外，對于氣孔的防治，發現還可以通過焊接時盡量壓低電弧(2mm左右)，以充分發揮電弧的陰極破碎作用并使熔池受到攪拌，從而使氣體逸出熔池。

4.2   MIG焊

MIG焊中熔滴過渡形態與送絲速度及焊接電流的關系如圖2所示。圖中對應于一定直徑的焊絲，在不同的焊接電流與送絲速度下存在3種不同的熔滴過渡形式，分別為短路過渡、脈沖過渡和噴射過渡。

在短路過渡區與噴射過渡區的區域之間，焊接電流必須加脈沖以防止產生不適于鎂合金焊接的粗滴過渡。脈沖過渡的線能量要小于噴射過渡，適用于焊接中等厚度的板材，短路過渡適合于焊接薄板，噴射過渡可以用來焊接厚板。選取合適的焊接規范，可以得到表面成形好、力學性能高的接頭。

表3列出了MIG焊接鎂合金時典型的規范參數，給出了對于不同板厚的材料，應采用的電流、電壓、坡口形狀和焊絲直徑等參考值。氬弧焊鎂合金時焊縫中存在的另一缺陷是熱裂紋。鎂合金屬于典型的共晶型合金，易熔共晶體的存在是鎂合金焊縫產生凝固裂紋的重要原因之一。同時認為凝固裂紋的產生與電源脈沖頻率有關，且裂紋的長度與熔合區晶粒的大小有關。

鎂的膨脹系數很大，在拘束條件下焊接時，易產生較大的焊接應力促使裂紋的產生，但焊縫熔合區的細晶組織，可以將應力分散而使裂紋不易擴展。通過對弧長的跟蹤控制，可以有效地避免焊接中斷，防治弧坑裂紋的產生，并可最終得到表面成型良好、無裂紋和無夾渣的高質量焊縫。　

4.3   攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是20世紀90年代初由英國焊接研究所(TWI)首先提出的，是一種新型的固相連接技術。圖3為攪拌摩擦焊的原理示意圖。它是利用不同形狀的攪拌頭伸入到工件中的待焊區域，通過攪拌頭在高速旋轉時與工件之間產生的摩擦熱使這一部分的金屬處于塑性狀態，并在攪拌頭的壓力作用下從前端向后端塑性流動，從而使兩個工件壓焊形成一個接頭。

在攪拌摩擦焊過程中，金屬不發生熔化，焊接時溫度相對較低，因此不存在熔焊時產生的那些缺陷，而且焊接過程中無飛濺、無氣孔、無煙塵，無需添絲和保護氣體，因此，對于鎂合金的焊接具有獨特的優勢。通過對攪拌頭旋轉速度、傾角及插入速度和工件的行進速度等工藝參數的研究，發現在一個很寬的范圍內均能得到令人滿意的焊縫，焊縫上下表面光滑，幾乎無變形。

由于焊接過程中不僅有塑性流動過程，而且同時伴隨著動態恢復和再結晶過程，所以焊縫組織由中心向外分為3個部分：熔核區、機械熱影響區和熱影響區。接頭顯微組織見圖4。

熔核區金屬在攪拌頭的作用下，溫度較高，應變速率較大，金屬不斷地發生動態再結晶，得到高位錯密度的再結晶組織，晶粒為等軸晶，并且晶粒和位錯分布均勻。而在機械熱影響區內組織由于存在塑性流動的趨勢而接近等軸晶，在熱影響區的組織進一步長大。由于接頭區晶粒得到了細化，所以接頭的硬度等于或高于母材，接頭強度達到母材的85%以上，有的與母材等強，在攪拌區內的細晶區強度甚至高于母材，如圖5所示。

接頭的延展性同樣由于晶粒的細化而好于母材(見圖6)。攪拌摩擦焊接不僅可以成功地連接同種材料，而且對于鎂合金與其它材料的連接同樣適用。

美國得克薩斯州立大學的Anand研究了AZ31鎂合金與6061鋁合金的攪拌摩擦焊，形成的接頭形貌、硬度分布及元素分布如圖7所示。由于鎂和鋁兩種材料在焊接過程中漩渦狀流動，使得攪拌區內分為Mg、Al元素含量各不相同的片狀剪切帶。由于焊接過程同樣存在大的塑性變形和固態流動，使得攪拌區內同樣得到由動態再結晶得到的細晶組織。

總之，鎂合金的攪拌摩擦焊可以獲得無缺陷的焊接接頭，顯微組織與其它材料的攪拌摩擦焊接頭相似，在攪拌區內為再結晶的等軸晶。焊接接頭內沒有殘余應力存在，使得接頭性能很好，鎂合金不會因為時效析出沉淀相而使強度和其它力學性能有大的損。對于相同成分或不同成分的鎂合金材料都可以通過攪拌摩擦焊來獲得可靠的接頭。

鎂合金在汽車工業中的應用的年增長率達到20%，北美、歐洲、日本和韓國，1991年鎂的使用量僅為2.4萬t，到1997年則增至6.4萬t，而在2000年僅福特汽車一家公司鎂合金的使用量就達到2.2萬t，并預計在2005年該公司的鎂合金使用量將增至4.4～5.5萬t。到2006年北美、歐洲、日本等地的汽車工業對鎂合金的需求量將達到每年20萬t。

這些國家和地區由汽車工業拉動的鎂合金的需求量還將繼續增長。目前，國外在汽車上大規模應用鎂合金生產的零部件已超過60種，它們包括：

1)內部零件，如方向盤、座椅架、變速箱、空氣囊固定架和各種儀表盤框架等;

2)各種箱體，如油箱、離合器外殼、齒輪箱、氣缸前蓋和各種通風管道等;

3)車體零件，如剎車踏板架、發動機焊件、車體后支架以及輪轂等。

預計2005年后，像氣缸體、發動機罩、車頂板、門框和輪轂等焊件，也將用鎂合金大批量生產。鎂合金在汽車上的大量使用，使得鎂合金的連接技術成為解決鎂合金應用的迫切問題，各種焊接方法的研究都會得到廣大研究者的進一步關注。

從目前來看，鎂合金焊接的研究重點主要有以下幾個方面。

1)鎂合金焊接基礎理論研究由于鎂合金焊接剛剛起步，焊接電弧特性、熔池溫度場、熔池流動、傳熱傳質、熔滴過渡動力學等問題將是基礎理論研究的重點。

2)鎂合金焊接過程傳感及控制鎂合金焊接時，如何提取焊接過程的控制信號，如何根據熔池及電弧的特征控制焊接過程，目前常用的弧長控制、熔透控制、熔滴過渡控制等常用的控制方法能否適用等許多問題有待研究。

3)鎂合金與其它金屬的連接技術在汽車制造方面，將會遇到鎂合金與鋼、鎂合金與鋁合金的熔化焊接問題;在自行車制造中，還需要解決鎂合金和鋁合金管接頭的釬焊問題，急需開發鎂合金異種材料的熔化焊接和釬焊技術。

4)高質量鎂合金焊接材料的研制與鋁合金焊絲相比，目前使用的鎂合金焊絲在焊接性能、力學性能、表面處理狀態、尺寸精度等方面有很大的差距，還無法進行自動化焊接。從釬料方面來看，還沒有用于鎂合金焊接的釬料和釬劑。因此，研制高質量的鎂合金焊接材料對促進鎂合金焊接技術的發展具有重要意義。

5)接頭質量及壽命評價由于鎂合金的防腐、阻燃等問題還沒有完全解決，接頭的耐腐蝕、抗蠕變、使用壽命等問題也有待于研究，需要建立一套質量評價標準，并利用模擬技術對接頭性能、使用壽命等進行預測。

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