摘要：镁合金以其密度小、强度高、散热快等众多优点广泛应用于航空航天、交通运输以及航海等工程行业。而镁合金由于多方面原因焊接较为困难，亟需解决。文章分析并总结了气孔、夹渣等不同因素对焊接接头疲劳性能的影响，以期对镁合金焊

　　接的发展提供理论基础和技术指导。

　　关键词：镁合金；焊接；焊接方法；焊接疲劳

　　镁合金力学性能良好，且密度低，质量小，传热、减震性能优良，已成为21世纪较为理想的国防金属材料。然而，镁合金焊接极易形成氢气孔、夹渣以及粗大组织形成的微裂纹，并且在高温下，常常形成氧化镁、镁的氮化物等过热组织，极大影响焊接质量。同时，镁合金沸点熔、沸点较低，极易发生蒸发以及燃烧，极大阻碍焊接操作，危害安全。解决镁合金焊接缺陷，以合理焊接方法弥补镁合金焊接性能弱点，已成为国内外焊接研究重点。对气孔、夹渣等镁合金焊接主要影响因素进行了系统阐述，为工业生产提供理论基础和方法指导。

　　1传统焊接方法

　　钨极惰性气体保护焊：

　　钨极惰性气体保护焊是利用惰性气体进行保护，使钨电极与构件间产生电弧熔化母材和填充焊丝，由于惰性气体的保护作用，往往能够获得更好的焊缝及接头，并且可以清除构件表面的氧化膜，可以有效将化学性质活泼的金属及合金焊接，同时调整电流大小，能够使热量输入减少，能够将工件焊接而不会使母材融化。作为一种成熟的技术，钨极惰性气体保护焊使用极为广泛。

　　为得到性能更好的接头，通常在焊接时或焊后进行相关处理。Yang等通过研究超声振动辅助处理对MB3/AZ31异种镁合金的钨极惰性气体保护焊接头组织及力学性能的影响，结果表明1.0kw的超声功率最佳，产生了声流效应和空化效应，使晶粒细化至26μm，获得了性能更好的镁合金接头。Subravel等研究了脉冲频率对脉冲电流GTA焊接AZ31B镁合金的影响，总结出在脉冲频率为2Hz~6Hz的条件下，5Hz脉冲频率的焊接接头具有更好的性能，其熔合区晶粒更加细小，析出相分布更加均匀。

　　Xu等对AZ31镁合金钨极惰性气体保护焊接头进行双道快速冷却搅拌摩擦处理(RC-FSP)，总结出RC-FSP可以有效改善焊接接头组织，使粗共晶相晶粒显著细化，为镁合金焊接接头在不造成塑性损失的情况下提高焊接强度提供了一种有效的策略。

　　外加助焊剂往往也能够改善接头性能。Zhang等研究氧化物对镁合金钨极惰性气体保护焊的电弧等离子体的影响，选取ZnO、MnO2、Cr2O3、CeO2和CdO五种氧化物，研究激活通量对等离子体物理特征及电弧电压的影响，通过对比是否添加氧化物的钨极惰性气体保护焊，发现加入氧化物后，电子温度显著升高，电子密度、电弧电压和焊接电流显著升高。在相同的焊接电流下，电弧热输入量增大。LIU等对MgO、CaO、TiO2、MnO2和Cr2O3五种单氧化剂对AZ31B镁合金钨极惰性气体焊缝的影响，总结出五种焊剂均能提高焊透率，且熔接区具有更大的晶粒，因此添加焊剂的接头的抗拉强度相比未添加的接头更差。Zhang和Liu等研究了氯化铬焊剂对镁合金钨极气体保护焊的影响，结果表明CdCl2将镁合金焊接的熔透能力提高200%。经EPMA检测后，在焊缝处未发现Cd和Cl，即CdCl2对熔池对流几乎没有影响。显微硬度试验表明助焊剂的使用几乎不影响焊缝的显微硬度。

　　2焊接疲劳影响因素

　　2.1气孔

　　在镁合金焊接中，气孔是最常见的缺陷之一，通常分为铸造气孔和氢气孔。铸造气孔是由于镁合金成型过程中，空气没有及时排出，最终在母材中形成铸造气孔。镁合金焊接时，熔合区从液相冷却成固相的过程中，气体不能及时从液相中溢出，空气及焊丝和被焊工件所携带水蒸气与焊接件反应生成大量氢气，进而在焊缝处形成气孔。

　　为进一步研究气孔形成的机理，Liu等在研究AZ31镁合金钨极气体保护焊时，在熔合区的空洞通常是由于冷焊丝送料影响熔池中的不均匀混合造成的，并通过EDS分析表明空洞中的元素主要由Mg、N和O组成，表明空洞是由空气侵入引起的。Qiu等研究了焊接表面、母材和盖板中存在的气孔对镁合金电阻点焊中气孔形成的影响，结果表明，排氢仅导致较小的孔隙形成，而不是较大孔隙形成的主要原因。较大气孔的形成主要是由镁合金电阻点焊过程中的收缩应变引起的，基体材料中预先存在的气孔对镁合金电阻点焊过程中气孔的形成影响不大。Shen等采用双面GTA焊接工艺连接变形镁合金AZ91D板材，发现，在焊接第一面过程中形成微孔的主要原因是AZ91合金中铝凝固过程中H2的释放，在第二面焊接的过程中输入的热量在第一面附近形成部分熔化区时，微孔可通过晶界上出现的小孔扩张并聚结形成大孔，即大孔的形成与部分熔化区有关。

　　降低镁合金焊接接头的孔隙率一直是镁合金焊接的研究重点。Chen等对镁合金脉冲激光-GTA焊接过程中激光小孔特征与气孔形成的关系进行实验研究，总结出脉冲激光-GTA焊缝的孔隙主要是由激光小孔行为引起的。一个温和的焊接过程有助于液态金属以常规的方式回填气孔。激光小孔的深宽比越大，孔隙率越高。长时间保持小孔出口处于开放状态有利于孔隙率降低，且需要激光耦合效应，适当地重叠相邻的两个激光气孔可以有效地降低孔隙率。Lei等对AZ31B镁合金超声波辅助激光焊接过程中存在的气孔和焊缝形成进行实验研究，总结出在无超声振动条件下，焊缝中存在大量气孔缺陷，激光焊缝中的气孔为4.3%；施加超声振动后，可有效抑制气孔缺陷，孔隙率仅为0.9%，气孔尺寸也显著减小，且焊缝的其他力学性能也得到显著提高。

　　2.2夹渣

　　镁合金的化学性质活泼，在焊接的高温下极易与空气反应生成MgO，MgO很难从镁合金的熔池中析出，进而形成夹渣，影响焊接接头性能。Liu等采用激光-GTA复合焊接技术研究了AZ31B镁合金与304钢异种合金的焊接，总结出镁在镁-铁界面形成过渡区内反应形成氧化物并扩散到铁基体中，导致了接头力学性能差。

　　在镁合金焊接中，也会加入一些氧化物作为助焊剂，从而获得更加优质的焊缝，但是由于加入的氧化物，往往会形成夹渣以及其他缺陷。Zhang等以AZ31B镁合金为基体研究了TiO2、Cr2O3和SiO2三种助焊剂在交流模式下的镁合金TIG焊接。结果表明在最佳工艺参数下，使用氧化物助焊剂的焊接熔深约为不使用助焊剂的两倍。但是SiO2引起了大量镁元素的缺失，并在焊缝表面形成空洞，电弧电压波动大，故SiO2不能作为单一成分的助焊剂。Sun等对上面三种助焊剂在激光焊接变形镁合金AZ31B的行为进行了研究，总结出有无氧化物助焊剂的晶粒尺寸均不规则，添加助焊剂的焊态熔合区焊缝的晶粒尺寸更大。使用电子探针对焊缝进行检测，结果表明，使用SiO2助焊剂时会有SiO2颗粒溶于焊缝中。由于氧化物助焊剂的存在，焊接接头的抗拉强度低于未使用助焊剂的焊接接头。

　　2.3热裂纹

　　热裂纹是镁合金焊过程中接危害性最大的缺陷。以镁铝合金为例，Mg易和Al形成低熔点共晶体并于晶界处产生偏析，造成应力集中，大幅提高焊接接头热裂纹的敏感性。镁合金裂纹通常分为结晶裂纹和液化裂纹，前者常常出现于焊缝，是由于随熔池冷却，剩余液态金属流动性下降，不足以弥补金属凝固收缩后产生的空位，导致焊缝空位处应力集中产生裂纹；后者常常出现于热影响区，是由于焊接热循环导致的晶间组织再次融化，晶界处强度、塑性下降，导致应力集中产生裂纹。

　　Zhou等使用激光焊对AZ91D镁合金进行堆焊，发现激光功率是激光焊时影响焊缝中出现的结晶裂纹的主要因素，降低激光功率以调节热输入可有效避免热裂纹的生长。Huang等研究了热循环次数和增强应变对AZ31、AZ61镁合金热裂纹的影响，发现Al含量更高的AZ61镁合金在多次热循环下出现了严重的液化裂纹。其原因是非平衡凝固过程下Al发生偏析，导致液态镁合金晶界处Al含量较高，于晶界处产生大量液化Mg17Al12并发生离散，随应变增强，最终在热影响区形成热裂纹。此外，相较于三次热循环下Al气化损失严重的情况，在对AZ61镁合金进行一次热循环试验时，发现产生热裂纹更长，同时，发现Al含量较低的AZ31镁合金热裂纹敏感度明显低于AZ61镁合金，证明，Al含量对镁合金热裂纹敏感度有较大影响，并在比较AZ61、AZ80镁合金时再次证明了这一观点。

　　此外，Tang等发现Ca的添加虽然会提高镁合金的力学性能，但同时也会增加其产生热裂纹的危险。其原因是Ca的添加产生了离异共晶并形成了新的Al2Ca相温度，影响了合金的凝固过程，此外，晶界上呈网状分布的含钙相导致液膜边界强度降低，导致合金易发生热裂纹。Davis等通过火花等离子体烧结粉末冶金工艺制造了TiB2晶粒细化剂，实现了含铝AZ91D镁合金晶粒的细化(晶粒尺寸减小70%)，并显著降低了热裂纹发生的概率。

　　2.4烧损与烧穿

　　由于镁合金的沸点远远低于焊接电弧温度，焊接时，若热输入超过限度，常常发生蒸发烧损甚至燃烧烧穿，导致焊缝下凹，影响焊接质量的同时，还会使镁蒸气颗粒扩散入空气，极大危害环境，甚至发生燃烧，威胁安全。通过引入填充金属，往往可解决此类问题，同时可有效避免其他缺陷，但关于如何通过参数调整，有效调节热输入，在不额外增材并保证接头融合的前提下，降低烧损、烧穿几率，其资料较少，亟待研究总结。

　　Zhan等研究了AA6061电子束焊接接头的镁烧损行为，发现其主要体现在Mg含量分布不均，较原合金减少，接近焊缝表面呈下降趋势，远离焊缝中心呈对称增长。此外，发现镁烧损程度越高，焊接接头力学性能越差，证明烧损这一类缺陷极大程度影响了镁合金的焊接性能。Zhou等使用发射光谱法分析了铝镁合金光纤激光焊中镁的烧损，并证明了该监测方法的可行性。此外，研究发现，在焊缝深度方向上，Mg含量先下降，后随深度增大而逐渐增加；在焊缝的径向上，Mg含量从由匙孔中心到边缘逐渐增加，再次证明了前述结论。总结发现，最大烧损往往发生于焊缝中心位置，此处Mg含量较低，力学性能较差，常导致应力集中而发生开裂。

　　Dong等分析了热输入对AZ61镁合金低功率Nd:YAG脉冲激光传导焊接性能的影响，发现，弧坑(由元素的损失和熔池表面高蒸气压造成)面积随热输入增加而线性增加的结论，并建议采用低功率Nd：YAG激光焊，以较低热输入获得缺陷较低的焊缝。此外，还分析了热输入对其他焊接缺陷如热裂纹等的影响，揭示了合理调整热输入的必要性。

　　然而，Rojas等分析了热输入对TIG焊接6061-T6合金接头性能的影响，发现较低的热输入值将影响铝合金焊件的抗拉强度，同时易出现形成气孔、裂纹等不良情况。若将其结论适用于焊接性能相似的镁合金，如何找到各焊接方法最适宜的热输入量，以满足缺陷最小化的需求，将成为未来研究重点。

　　2.5热处理

　　在焊接过程中，由于焊接件温度分布不均匀，以及焊缝金属的热胀冷缩，焊接件都会存在残余应力。通过对接头进行热处理，可在一定程度上恢复接头力学性能，降低残余应力，消除偏析，细化晶粒，改善组织均匀性，一些热处理方法还可以对接头进行强化。主要的热处理方法为退火、人工时效、固溶处理、氢化处理等。

　　Singh等研究了镁合金搅拌摩擦焊接头焊接和焊后热处理的组织和力学性能，发现在搅拌摩擦焊过程中，在搅拌区发生动态再结晶，基体镁合金的组织更加细小且均匀，热影响区晶粒较大，证明了焊后热处理能够有效改善焊接区的晶粒结构。焊后热处理60min后搅拌区硬度降低12.95%，接头抗拉强度为141.65MPa，伸长率为3.8%，接头效率提高8.98%。Wang等对不同的焊后热处理温度的AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头进行了评估，总结出AZ31镁合金的板材显微组织由变形晶粒和孪晶组成，搅拌摩擦处理后焊核区晶粒更加细小和均匀，热影响

　　区晶粒尺寸在300℃-1h时减小到最小，晶粒更加均匀。热处理后搅拌摩擦焊接头抗拉强度和延伸率得到显著提高，且可以有效消除AZ31镁合金的纵向拉应力和横向拉应力。Zhou等研究了热处理对含Cr2O3涂层的AZ31镁合金钨极惰性气体保护焊接头微观组织和力学性能的影响，总结出随时效温度的升高，β-Mg17(Al，Zn)12颗粒从α-Mg晶粒中析出，经时效处理的接头晶粒更细小。时效处理提高了A-TIG焊接接头的UTS值和延伸率，UTS值随时效温度的升高而增大，当温度达到483K时达到最大值(母材的87.7%)，但当温度过高时，UTS值急剧下降。

　　3总结

　　(1)气孔形成的主要原因高温环境促使水蒸气与焊接件反应产生氢气，惰性气体的保护和真空环境可以有效减少空气对接头的侵害，但仍无法避免气孔的产生。孔隙率的降低可以有效提高焊接接头的性能，但现有的降低孔隙率的方法较少，找到一种高效且简便的降低孔隙率的方法仍是研究的重点。

　　(2)夹渣形成于焊接的高温环境下，因镁合金极易与空气中的氧气反应生成氧化镁，氧化镁进入熔池后阻碍热传递并污染焊缝。镁合金焊接过程中加入的助焊剂虽然会改善热传递过程，获得优质焊缝，但加入的助焊剂也会形成夹渣并引起其他缺陷。

　　(3)热裂纹主要由Al元素的偏析、产生晶间相等原因，造成应力集中所导致。Ca等合金元素的存在、晶粒过大、热输入过低或过高以及其他缺陷的存在都可导致热裂纹的产生和延伸。使用Al含量较低的镁合金可降低热裂纹敏感度；添加晶粒细化剂，控制Ca元素的加入，可有效阻止热裂纹的产生；合理调整热输入，得出各焊接方法有效工艺参数，是今后研究重点。

　　(4)烧损与烧穿主要与热输入有关，探讨如何在不产生其他缺陷的同时保证焊接熔深，并有效降低烧损烧穿发生几率，是今后研究重点。

　　(5)热处理是一种能够有效改善接头力学性能、组织均匀性，细化晶粒，降低焊接残余应力的方法。热处理可在焊接前、焊接后，搭配不同的热处理方法，能够恢复焊接接头的力学性能和效率。但不恰当的热处理方法会软化接头，降低焊接接头的性能，标准化的热处理工艺仍需学者进行大量的实验和总结。