镁合金与钢的高性能连接技术及其在航空航天和汽车领域的应用前景

镁合金与钢焊接的研究与应用

张文宇

中国船舶工业集团公司第725研究所

摘要: 镁合金是最轻的金属工程结构材料，而钢仍然是应用最广泛的金属材料。镁合金与钢之间形成结构件，可以充分发挥“物尽其用”的优势，在航空航天、汽车等领域具有广阔的应用前景。镁和钢不仅物理化学性能差异巨大，而且都是典型的非反应性、难固溶的异质材料。镁合金与钢的高性能连接的实现是焊接领域的研究热点和巨大挑战。镁合金与钢的连接具有重要的实际工程应用价值。

关键词：镁合金；钢;焊接方法；机械性能；界面结构

前言

钢铁材料因其一系列优异的性能，在工业生产中的应用中一直占据着主导地位。随着新兴材料应用比例的快速提升，不仅镁合金与钢材本身的焊接技术研究备受关注，而且随着现代工业产品中跨材料应用比例的不断增加，镁合金与钢材之间的连接镁合金与传统材料（钢）的问题是不可避免的。实现镁与钢异种金属之间的低成本、高效连接，将对减轻产品重量、简化产品设计、优化产品结构发挥重要作用。可见，镁钢连接具有重要的实际工程应用价值。

目前正在使用和开发的镁合金汽车零部件有60多种。在未来汽车工业的发展中，镁合金的使用量将大幅增加。随着镁合金在汽车上的应用日益广泛，提出了镁与钢连接的需求。镁与钢的连接问题引起了世界各国学者的关注。 [1]

1. 概述

异种金属的焊接性是指两种或两种以上化学成分和结构性能不同的金属在给定的焊接工艺条件下形成完整焊接接头的能力，且焊接接头在使用过程中安全可靠地工作。能力。

镁的熔点为651℃，钢的熔点为1539℃。由于两者熔点差异巨大，采用传统的熔焊方法很难使它们同时达到熔融状态。镁具有密排六方结构，而钢在熔融状态下具有体心立方结构，这使得它们在液态下不互溶。因此，镁合金与钢之间的异种金属焊接性很差。

镁合金与钢之间的异种金属焊接方法。包括搅拌摩擦焊、钎焊和扩散焊、熔融钎焊技术（根据热源的不同主要可分为三种类型：激光熔融钎焊、激光-电弧混合熔融钎焊、电弧熔融钎焊）。

镁合金具有密度低、比强度高、抗震性能好的特点。在航空航天、高速列车等领域具有广阔的应用前景。但镁合金易腐蚀、塑性差，限制了镁材料的应用。不锈钢具有优良的耐腐蚀性和塑性韧性。如果将不锈钢板和镁合金板制成层状复合材料，可以利用不锈钢的耐腐蚀性能来保护镁合金的表面，拓宽镁合金的应用范围。另外，镁合金的抗震、吸波性能也可以弥补不锈钢在这方面的耐腐蚀性能。的不足。因此，镁/不锈钢复合板具有广阔的应用前景。

用于异种金属的焊接。两种材料之间热物理和化学性能的差异是获得良好焊接接头的关键。表1为镁和钢的热物理性能参数和化学参数。 [2]

因此，采用常规的焊接方法很难实现镁合金与钢材的有效连接。针对上述问题，为了实现镁合金与钢异种材料的可靠连接，获得高质量的接头，可以从以下三个方面入手：一方面，热输入应尽可能低。使节理粒细化；二是选择合理的热源，使接头熔深合适；三是实现非冶金连接向冶金连接的过渡，使界面连接层厚度适中。

综上所述，镁与钢之间的焊接性极差，采用传统的熔焊技术很难实现镁与钢之间的可靠连接。因此，开发了优质、高效的镁合金-钢异种连接技术及相关焊接材料。对其连接机制的研究也具有重要的理论意义。 [3]

2 研究进展

根据Mg-Fe二元合金相图，镁和铁的熔点相差很大，约为800℃。镁铁元素的溶解度几乎为零，不会形成金属间化合物。因此，采用传统的熔焊方法来实现镁钢。焊接非常困难。近年来，镁钢的连接问题已成为焊接领域的热门话题。

国内外研究人员对镁合金与钢的连接进行了多角度的研究。赵旭等人采用激光-电弧复合热源的方法，率先实现了镁/钢异种金属的连接。瓦利德等人。通过添加镍中间层研究了镁/钢异种金属的扩散钎焊连接。苗玉刚等.和瓦赫巴等人。分别采用不同形式的激光焊接方法完成了镁/钢对接和搭接结构的焊接。单闯等人、刘等人和宋等人。通过添加不同的中间层和使用激光电弧复合热源，实现了镁合金与Q235钢之间不同形式的连接。但受限于镁合金剪切强度低、塑性变形能力弱等因素，镁/钢连接结构件的整体性能仍不能完全满足实际工程的高性能需求。为了进一步提高镁/钢接头的承载能力，Xu等人。采用电阻胶点焊方法连接镁合金和低合金高强钢。电阻点焊和粘接的综合作用增加了镁/钢连接的线载荷（试样单位长度的拉力）。

AZ31 镁合金与钢的异种金属焊接技术。近年来，最轻的金属结构材料镁合金与应用最广泛的金属钢材之间形成的多维结构设计，因其对汽车轻量化的推动作用而受到越来越多的关注。镁钢焊接技术无疑在其中发挥着重要作用。目前，多种焊接技术已经可以实现镁与钢异种金属之间的连接，如激光电弧复合焊、激光深熔钎焊和搅拌摩擦焊等。 [4]

使用锌箔作为中间层对镁合金和不锈钢进行电阻点焊。通过扫描电镜、能谱分析仪、拉伸试验机等研究了焊接电流对接头显微组织、熔核尺寸和拉伸剪切力的影响，并对接头缺陷形态进行了分析。结果表明，当热输入不当时，镁/钢接头会出现孔洞和裂纹。在镁/钢接头的界面区域形成Fe2Al5反应层，在接头的镁合金侧形成MgZn2相。随着点焊电流的增大，反应层厚度和熔核直径增大。此外，随着焊接电流的增大，镁/钢接头的拉力和剪切力先增大后减小。当焊接电流为10kA时，接头拉剪力最大值为4100 N。 [5]

根据目前的报道，镁合金与钢铁材料之间的连接工艺包括激光焊、钨极电弧焊、钎焊、搅拌摩擦焊和电阻点焊等。其中电阻点焊具有成本低、操作简便、焊接效率高、环境适应性好等优点，广泛应用于异种材料焊接领域。

2.1 镁/钢搅拌摩擦焊

与传统的熔焊方法相比，搅拌摩擦焊（FSW）具有焊后残余应力小、接头变形小等优点。在克服异种材料性能差异大、焊接困难等方面具有很大优势，是理想的异种材料。材料连接方法。目前，国内外对镁/钢搅拌摩擦焊的研究较少，大多为镁/钢搅拌摩擦搭接焊。一些研究利用搅拌摩擦对焊来分析距离焊缝表面不同深度的接头横截面的显微硬度分布模式以及接头中钢颗粒的分布模式。但目前还没有对接头各区域的力学性能及其与镁/钢界面的关系进行研究。研究它们之间的联系。采用搅拌摩擦焊进行镁/钢焊接，探讨不同工艺参数下接头的力学性能、接头各部位的力学性能以及镁/钢界面的特征，为改进镁/钢焊接提供依据。镁/钢接头的性能。 [6]

搅拌摩擦焊（FSW）是通过搅拌头与工件之间的摩擦热以及金属材料的搅拌实现原子扩散实现连接的焊接方法。这种连接方法可以克服气孔等缺陷，焊后残余应力小。因此，FSW在解决异种材料性能差异较大所带来的焊接问题方面具有很大的优势。对于镁/钢搅拌摩擦焊，目前主要研究是工艺优化、界面结合等技术。

搅拌摩擦点焊（FSSW）是在搅拌摩擦焊（FSW）基础上最近发展起来的焊接技术。由于搅拌摩擦点焊具有成本低、能耗低的优点，可以完全替代汽车制造的传统点焊方法。尤其是在焊接轻质合金时，具有接头质量高、工艺简单、能耗低、工作环境清洁等优点。

现有的 FSSW 有两种形式。其中一种形式是由日本川崎公司和日本马自达公司联合研发的。焊接后工件的形状特征是在工件上形成小孔；另一种是由德国GKSS研究所和R㈨c公司研发，完全消除了日本FSSW形式形成的焊点匙孔。焊点表面与工件表面基本平齐。外观美观，接头强度也显着提高。后者虽然可以完成无匙孔点焊接头，但仅适用于轻质合金的无匙孔焊接。研究了AZ31镁合金-DP600镀锌钢板的无匙孔搅拌摩擦点焊。 [7]

2.2 激光熔化钎焊

镁/钢激光熔融钎焊可以不加填充材料直接焊接，也可以添加焊丝，并添加Zn、Ni等中间层，实现镁/钢界面的冶金结合。镁/钢电弧熔融钎焊主要包括CMT熔融钎焊、TIG熔融钎焊和MIG熔融钎焊。激光-电弧混合熔融钎焊具有热源能量密度集中、热输入控制精确等优点。

激光焊接具有功率密度高度集中、加热和冷却快速、焊接过程中能量可精确控制的特点。它可以有效控制液态/固态金属的相互作用时间。达到抑制界面反应产物生长的目的。因此，它广泛应用于异种材料的焊接。通过改变工艺参数来调节界面反应特性，并与其他合金元素的控制相协调。对镁/钢异种材料的焊接有特殊效果。

激光-电弧复合焊充分利用了激光和电弧两种热源。通过激光感应电弧。电弧能量密度大大提高。具有热影响区窄、熔深增加、焊接效率提高等优点。

激光-电弧复合焊接技术是将激光和焊接电弧的能量耦合到同一熔池，综合两种焊接工艺的优点，实现优质、高效的焊接加工的一种新型焊接成形工艺。

研究了AZ31B镁合金与304钢异种金属的激光-氩弧复合热源焊接。激光-电弧复合热源焊接将两种物理性能和能量传输机制完全不同的热源结合在一起，同时作用于同一加工位置。既充分发挥了两种热源各自的优势，又弥补了彼此的不足。从而形成一种新型高效热源。 [8]

激光-电弧复合热源焊接技术是一种节能、高效的先进连接技术。将激光-电弧复合热源焊接方法应用于镁与钢的连接。利用其高能量利用率和高瞬时能量密度的优势，镁和钢可以在很短的时间内同时熔化，形成有效的连接。 。

采用激光-TIG复合热源焊接方法连接镁和钢异种金属。焊缝成形良好，接头抗拉强度可达123 MPa。在采用激光-TIG复合热源焊接镁和钢的过程中，TIG电弧熔化了上层的镁合金，但没有熔化下层的钢板。当激光熔化底层钢板时，液态镁合金和液态钢相互混合，从而实现两者之间的连接。

苗玉刚等人利用激光深熔钎焊技术开展了镁/钢异种金属对接焊实验。研究结果表明，激光的偏移对镁/钢接头的形成和性能有一定的影响。当偏移量达到0.6mm时，接头成形良好，抗拉强度达到185MPa。镁/钢界面处出现 2-4 μm 的富铝扩散层。该层可以由镁-铝化合物和铁-铝化合物组成。因此可以推断，铝元素在镁/钢连接中起着重要作用。

M. Wahba 和 S. Katayama 使用高功率连续激光对镁/钢异种金属进行搭接焊接实验。研究结果表明，采用激光焊焊接镁/钢搭接接头时，搭接方法只能采用钢板在上、镁板在下（即镁板在上、钢板在上）底部不能使用）。镁/钢激光熔化钎焊搭接接头具有良好的机械性能，接头载荷可达6 kN（接头宽度为25mm时）。镁和钢的连接依赖于Fe和Al之间的冶金反应。 [9]

利用镁与钢的熔点差异，采用激光、激光-电弧复合、电弧熔融钎焊等方法，借助镀锌层或夹层的合金化作用，实现镁与钢的高效连接。然而，如何合理选择和匹配合金中间层中的元素成分和含量，设计和制备适合镁钢异种金属连接的多元合金中间层还有待研究。

研究内容包括AZ31B镁合金-HDG60镀锌钢板冷金属过渡（CMT）熔融钎焊、镁合金-裸钢板CMT熔融钎焊、AZ31B镁合金-Q235钢板激光-TIG复合焊：母材为1.6 mm厚的AZ31B轧制镁合金和1.0mm厚的Q235低碳钢板，填充材料为直径1.6mm的AZ61镁合金焊丝。使用AZ61焊丝可以补充焊接过程中镁的蒸发损失。包括

(1) AZ31B镁合金-Q23钢板激光-TIG复合填丝焊

(2) 中间层镍AZ31B镁合金-Q235钢板激光-TIG复合焊

采用AZ31B镁合金焊丝作为填充材料，采用TIG熔化钎焊工艺将AZ31B镁合金板与镀锌钢板连接。利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、万能拉力试验机等检测手段，研究了焊接电流对AZ31B镁合金/镀锌钢熔钎焊接头显微组织和力学性能的影响。结果表明，采用TIG熔融钎焊工艺可以实现AZ31B镁合金与镀锌钢的可靠连接，且接头具有典型的鱼尾纹特征。焊接电流较小时，镁/钢界面处产生大量孔洞，接头结合强度较低；当焊接电流大于75A时，镁/钢界面有

生成Mg32(Al,Zn)49、Al2Mg、AlFe3等金属间化合物，镁/钢接头最大抗拉强度为210 MPa；随着焊接电流继续增大，镁/钢界面处的脆性反应层逐渐增厚，接头的力学性能降低。 [10]

采用激光-TIG电弧混合胶焊技术，实现AZ61镁合金与Q235钢的良好连接。重点研究了激光-TIG复合胶焊焊缝表面形貌、焊缝区结构及元素分布特征。结果表明，当胶粘剂厚度一定时，焊接热输入是影响焊缝成形的关键因素。粘合剂在复合热源的作用下分解、汽化并从熔池中逸出，在一定程度上增强了熔池内液态金属的流动性，促进了熔体内异种金属的冶金反应和相互混合。水池。通过镍合金层与粘合剂的共同作用，使镁/钢异质材料以冶金反应的形式连接，增加了镁/钢异质金属连接结构的线载荷，增强了镁/钢异质金属连接结构的整体性能。 /钢异种金属。 [11]

哈尔滨工业大学谭才旺、梅长兴等人以镁和镀锌钢为研究对象，分别采用单束和双束激光熔化钎焊方法。研究结果表明，单束和双束焊接均能获得满意的外观，但单束焊接时焊接不稳定，而双束焊接具有更好的温度分布，可以轻松提高润湿能力，并且最大接头系数可达镁合金母材的73.1%。而且，他们对镁与镀锌钢板、镁与非镀锌钢板的接头组织进行了分析，发现镀锌钢板的锌层有利于焊接和铺展，但界面上生成的Mg-Zn相富集。在焊趾处容易产生裂纹，且Mg-Zn相与镀锌钢板现有的Fe-Al相结合不好，因此容易在Mg-Zn相与焊缝之间产生失效和裂纹。 Fe-Al相。

2.3 镁/钢异种金属电阻点焊

电阻点焊（RSW）依靠其极低的成本、简单且稳定的工艺。广泛应用于汽车制造领域。镁/钢复合接头在汽车轻量化中的应用使得许多学者在寻找适合镁/钢电阻点焊的中间层方面做了大量的工作，包括涂层、半相干纳米涂层、粘合剂等。互不熔化且熔点和沸点差异巨大，且大多数焊剂导电性较差，在电阻焊时容易产生飞溅，添加涂层是解决钎焊问题的有效途径。电阻点焊成本低廉，广泛应用于汽车行业。镁/钢电阻点焊技术的研究将有助于实现汽车轻量化、节能环保。

采用电阻点焊方法对MB3镁合金与镀锌钢板进行焊接，研究了焊接电流对镁/钢接头宏观形貌、显微组织和力学性能的影响。试验结果表明，随着焊接电流的增大，镁/钢点焊接头的熔核直径和缩减率均增大，接头的拉伸和剪切载荷随着电流的增大先增大后减小。当焊接电流为13 kA、焊接时间为10个循环、电极压力为5 kN时，接头的拉力和剪切力达到最大值6.1kN。此时，点焊接头表现为纽扣断裂。 Fe和Al在镁/钢界面反应生成Fe-Al化合物，其显微硬度达到146 HV。 L．刘和 L. XIAO 等人。采用电阻点焊对AZ31B镁合金与DP600镀锌双相钢的焊接进行了实验研究。 [12]

采用电阻点焊作为热源，直接连接AZ31镁合金和Q235钢。通过扫描电子显微镜、金相显微镜和万能试验机对镁钢点焊接头的显微组织、界面特征以及拉伸和剪切性能进行了分析和测试。研究表明，虽然镁和铁很难相互溶解并形成金属间化合物，但氧和铝元素在镁合金-钢的直接电阻点焊中起着决定性的作用。在镁钢界面的某些区域，提倡使用镁和铁。形成由铝、氧和铁元素组成的复杂元素扩散层。镁与钢物理性能的巨大差异在一定程度上限制了界面反应的均匀性。接头的拉伸和剪切强度约为 40 MPa。

AZ31B镁合金-镀锌钢板电阻点焊研究刘等人。利用电阻点焊技术实现了镁合金与镀锌钢板的连接，证实了镁钢电阻点焊连接的可行性，其中镀锌层起到了促进镁钢润湿结合的作用。影响。由于镁和铁不仅在电阻率、导热系数、熔点等热物理性质上有很大差异，更重要的是它们几乎不相溶且不存在镁钢金属间化合物，因此纯镁和铁钢直接电阻点焊是困难的。

超声波点焊是利用超声波振动将振动能转化为工件的摩擦能并促进金属原子扩散实现连接的固态焊接方法。 [13]

镁合金/钢异种金属也可以通过超声波点焊（USW）连接。例如镁/镀锌钢接头、镁/裸钢接头加锡层、镁/镀锌钢接头加胶等。镁合金/钢USW主要利用超声波高频振动能转化为摩擦能，促进涂层与镁合金和钢之间的反应，实现良好的接头连接。

镁合金/钢焊接接头性能的研究主要集中在抗拉强度等静载荷性能上，对动载荷性能和腐蚀性能的研究很少。镁合金/钢焊接构件主要应用于飞机、车辆等高动载荷使用环境。因此，需要对镁合金/钢焊接结构的综合性能进行进一步研究。

2.4 镁钢扩散钎焊技术

扩散焊是最重要的压力焊方法之一。它利用较高的温度和一定的压力，使待焊表面紧密结合并保持一段时间，从而实现待焊表面原子之间的扩散。广泛应用于异种材料的连接。在镁/钢等互溶度低、不发生反应的异种材料的连接中，扩散焊可以更容易地添加中间层来控制界面反应。

埃尔萨拉巴维等人。采用镍夹层分布扩散钎焊技术，研究保温时间对接头显微组织和力学性能的影响。实验结果表明，随着保压时间的增加，接头强度先增大后减小。当保压时间为20分钟时，接头强度最大可达54MPa。接头显微组织中，硬度较低、塑性较好的共晶组织包围着硬度较高的B2相。这种结构可以增强接头强度，从而提高机械性能。包括固相扩散焊和瞬时液相扩散焊。 [14]

钎焊和扩散焊技术都是利用元素之间的扩散和界面反应形成接头的连接技术，更适合异种金属的焊接。研究了带中间层的AZ31B镁合金-304不锈钢的扩散焊和AZ31B镁合金-超高强钢的MIG焊。

2.5 AZ31B镁合金与2205不锈钢爆炸焊接研究

采用平行法通过爆炸焊接法制备了AZ31B镁合金/2205双相不锈钢复合板。根据经验公式选择爆炸焊接参数。爆炸焊接的装料质量比R为2.7，复合板与基板之间的最小间隙为4.3mm。测试结果表明，除雷管区域存在微小裂纹外，复合板其他位置表面光滑、无缺陷。排除复合板的边界效应区域，经超声波检测复合板的结合率为98.9%。镁/不锈钢复合板界面拉剪强度为105.63 MPa，拉剪断裂界面呈波状，拉剪断裂界面沿镁材料撕裂。复合板的三点弯曲试验表明，AZ31B内层/2205外层比2205内层/AZ31B外层具有更高的弯曲承载能力。

如果将不锈钢板和镁合金板制成层状复合材料，可以利用不锈钢的耐腐蚀性能来保护镁合金的表面，拓宽镁合金的应用范围。另外，镁合金的抗震、吸波性能也可以弥补不锈钢在这方面的耐腐蚀性能。的不足。因此，镁/不锈钢复合板具有广阔的应用前景。 [15]

3、镁/钢异种合金焊接技术展望

镁合金与钢的连接是一种具有广阔应用前景的异种材料连接。采用特殊焊接方法并结合中间元素的控制是解决镁/钢焊接问题的重要方法。

但镁/钢焊接仍存在一些问题需要解决：①目前对镁/钢界面产物形核和长大的精确控制研究还不够。目前采用的主要方法仍然是简单地添加焊料、电镀层、中间层、控制热输入等，这些方法对于控制接头界面反应的精度有限。难以进一步提高接合强度。 ②几乎没有关于镁/钢界面之间元素扩散的研究，表面上填充材料的润湿和扩散以及化合物的形成，并且缺乏系统的理论。加强该领域的研究可以加深对镁/钢连接机制的理解，并有助于支持它。获得更好的焊接解决方案。在过程设备条款中，使用了大多数现有类型的焊接热源。有必要对不同热源的相互作用机理以及更多杂交焊接方法进行进一步研究，例如激光摩擦搅拌焊接和激光抵抗焊接。您可以尝试将其应用于镁/钢焊接。现有的焊接设备和技术仍然存在许多缺点，并且难以完全满足镁/钢的焊接需求。例如，摩擦搅拌焊接需要工件的严格固定。扩散焊接对工件的规模有一定的要求，生产效率较低，因此很难投入大规模的工业生产；激光焊接或激光混合焊接具有良好的焊接作用，但成本很高，很难促进；弧形融合焊焊的形成很差，联合实力无法满足工业需求。将来，有必要大力开发新的复合焊接技术，整合多种焊接技术的优势，并尽可能降低生产成本，以便为镁/钢复合材料铺平道路，以便进入批量生产。 ④尽管镁/钢差异材料焊接具有广泛的应用前景。但是，在大规模工业生产之前还有很长的路要走。原因是添加中间元素通常会导致低效率，而激光焊接等方法的焊接成本也相对较高。如何提高焊接效率并降低成本也是随后研究的重要方向。 [16]

4. 结论

新镁合金结构材料的开发和应用为焊接技术带来了巨大的挑战，还为焊接提供了更广泛的应用世界。在等待我们研究和求解的镁合金的焊接中仍然存在许多技术问题，从而为镁合金的实际应用以及镁合金结构零件的设计和制造奠定了坚实的技术基础。上面介绍的一些技术进步肯定会大大提高镁合金产品的焊接技术水平，并促进镁合金复合物结构零件在工业生产中的应用。镁合金和钢之间的焊接技术的应用仍需要更多的深入研究。