镁

0 前言

众所周知，当代汽车生产制造领域，在追求更高使用性能的同时，要兼顾压缩车辆制造成本，为此，就需要提高材料使用种类，使不同的材料在不同构件中发挥自身优势，这样就可以在保证产品使用性能的同时，最大程度减少贵重金属的使用量。考虑到这一点，异种金属的有效连接便成为这一构想能否实现工业应用的关键所在。当前，越来越多的汽车厂商致力于降低汽车自身重量的研究，以期达到降低能耗，提高汽车燃油经济性的目的。铝合金、镁合金作为轻质材料将被使用于汽车车身的设计制造中，提高铝及其合金、镁及其合金在汽车用料中的占比，成为降低车身重量的有效途径。为了能很好的解决汽车自身重量，镁合金和铝合金的连接问题尤为重要，铝合金和镁合金的异种金属连接已成为焊接领域的难点和热点[1-4]。

1.2 乡镇文化工作人员中管理人才、专业技术人才偏少、文化程度低。乡镇文化站的专业技术人才大多数学历偏低，民族地区往往表现特别突出。

镁、铝熔点接近，在镁铝焊接过程中很容易产生脆性的镁铝金属间化合物，且此类化合物硬度极高、塑韧性极差，进而大大降低接头的性能，并且接头容易氧化，这些缺点严重影响了镁铝之间的连接[5]。目前主要通过钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊等固相连接技术实现一定强度的连接[6-9]。使用传统熔化焊接方法对镁铝异种金属进行连接时，因为容易产生脆性的镁铝金属间化合物而使接头强度难以保证，尤其是在过渡区大量金属间化合物(Al3Mg2，Mg17Al12)的产生，极大地削弱了铝镁异种金属的连接强度。论文作者考虑到冷金属过渡焊接是一种低热输入的焊接方法，可用于镁-铝的连接，但研究结果表明镁-铝之间很容易形成Al3Mg2，Mg17Al12金属间化合物，导致接头性能较低[10]。针对现有焊接方法对铝镁金属连接都存在的不足之处，研究提出一种基于镁合金与铝合金异种金属新的连接方法。

1 试验材料

试验过程中采用变形镁合金(AZ31B)和变形铝合金(6061-T6)作为焊接母材，其元素成分见表1。

使用镀锌钢板(热镀锌钢板HDG60)作为CMT过渡金属中间层，其化学成分见表2。镀锌钢板的熔点高达1 538 ℃左右，镁、铝的熔点分别为648 ℃和660 ℃远低于过渡金属熔点且相互接近，试验选用直径为1.2 mm的铝合金焊丝(4043)和直径1.6 mm的镁合金焊丝(AZ61)，化学成分见表3。

表1 镁合金(AZ31B)和铝合金(6061-T6)的成分(质量分数，%)

材料AlZnMnFeSiMgAZ31B3.181.020.340.0020.022余量6061余量0.250.150.7000.6000.9

表2 热镀锌钢板HDG60的化学成分(质量分数，%)

CSiMnPSFe0.010.010.390.300.025余量

表3 铝合金焊丝4043和镁合金焊丝AZ61的化学成分(质量分数，%)

牌号SiFeCuMnMgZnAl40434.5～60.80.30.050.050.1余量AZ61≤0.05≤0.005≤0.050.15～0.5余量0.4～1.55.8～7.2

2 试验方法及装置

试验采用冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)焊接方法对镁-铝异种金属进行连接，氩气作为保护气体，选用镀锌钢板作为过渡金属，铝镁异种金属两侧分别选用ER4043铝硅焊丝和AZ61镁铝锌焊丝。调节焊枪位置，使之正对铝合金板材、镁合金板材边缘，并在铝合金板材、镁合金板材之间放置一高熔点过渡金属，来阻止液态镁焊缝金属和液态铝焊缝金属的相互接触，在镁合金以及铝合金两侧分别与过渡金属形成两个熔钎焊接头，最终达到镁合金和铝合金两种异种金属连接的目的。

试验所用镁合金和铝合金板均为200 mm×100 mm×1 mm薄板，镀锌钢板为200 mm×20 mm×1 mm薄板。镁铝两侧均采用搭接接头，如图1所示。试验所用焊接设备为CMT3200焊机和全自动焊接系统。焊前用丙酮清洗镀锌钢板，除去表面油污用；用钢丝刷和砂纸去除镁合金表面的氧化膜，并用丙酮清洗；分别使用酸、碱溶液对铝合金表面进行清洗，使用自来水冲洗后用丙酮擦拭烘干。采用图1所示的方法将待焊铝合金和镁合金板材搭接起来，分别放置在镀锌钢板上面。为保证焊接质量，需使焊枪与工件成45°角，焊嘴端部离工件10 mm，焊丝离母材2 mm，焊接过程中选用氩气作为保护气。

图1 焊接装配示意图

3 试验结果与分析

3.1 焊接接头宏观成形

使用经过优化的焊接参数得到的镁-铝焊接接头，如图2所示。所使用的焊接参数为铝侧焊缝焊接电压12.3 V、焊接电流82 A、送丝速度4.5 m/min、焊接速度6.0 mm/s、弧长修正0%。镁侧焊缝焊接电压10.5 V、焊接电流95 A、送丝速度8.0 m/min、焊接速度6.0 mm/s、弧长修正0%。从焊接接头宏观形貌可以看出焊缝成型良好，无宏观缺陷。

图2 焊接接头焊缝成形

3.2 焊接接头组织与连接机理

由图1可知，镀锌钢板位于镁铝合金板下方，起到过渡金属中间连接层的作用，结合图2可知镁焊缝和铝焊缝位于镀锌钢板同侧，且成型良好。图3为焊接所得到的镁合金-铝合金接头的宏观截面形貌。由图3可知，采取镀锌钢板为中间连接过渡层、分别采取镁焊丝和铝焊丝最终连接镁合金-铝合金，在其两侧分别形成镁-镀锌钢板、铝-镀锌钢板的两个熔钎焊焊接接头，从而间接达到镁铝异种金属连接的目的。

从图3的焊缝横截面中可以看出，镁合金一侧焊缝余高较大，且焊趾部位润湿角较大，这主要是由液态镁合金熔滴与镀锌钢板之间的润湿性差造成的。镁侧熔钎焊接头由热影响区、焊缝区和镁/过渡金属结合界面三个区域组成，分别用A，B，C表示这三个区域，其微观形态如图4所示。

图3 镁-铝接头的宏观形貌

图4 镁钢接头微观组织

由图4a可知镁合金AZ31B由黑色基体α-Mg组成；由于焊接热输入的影响，镁焊缝热影响区母材晶粒发生长大，基体仍保持α-Mg不变。镁焊丝与镁合金母材熔化形成图4b所示的焊缝区，该区域由黑色的α-Mg基体、白色骨架状组织Mg17Al12和少量的氧化物组成。由图4c可知为镁焊缝金属与镀锌钢板的结合界面主要由靠近焊缝侧的α-Mg与MgZn共晶相和靠近钢侧的薄层Fe2Al5金属间化合物组成。由图3可以看出铝侧焊缝金属在镀锌钢板上润湿角相对较小，润湿性较好，接头分为热影响区、焊缝区和钎焊界面区，分别对应图3中的D,E,F三个区域，相应的SEM组织如图5所示。由图5a可知，铝侧焊缝热影响区的晶粒较母材发生明显长大；在图5b中灰色的α-Al基体和晶粒边界不连续分布着的铝硅共晶相组成了焊缝金属区域；图5c为铝焊缝金属和钢板的钎焊界面SEM组织，可以看到钎焊界面由靠近铝焊缝金属的FeAl3以及靠近钢侧的Fe2Al5金属间化合物组成。

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图5 铝钢接头微观组织

铝的熔点仅为660 ℃，而钢板的熔点为高达1 538 ℃，由于两种金属的熔点存在较大差异，对其进行焊接时，铝板和铝焊丝完全融化形成焊缝金属，而钢板则几乎不熔化(局部发生微熔)，从而焊缝金属在钢板表面润湿铺展形成钎焊区，与熔化的铝板形成熔焊区。试验所用6061铝合金为热处理强化型。在焊接热源的作用下，一方面铝合金热影响区发生过时效现象，另一方面热影响区的晶粒严重长大，这两方面的共同作用使得热影响区的力学性能明显降低[11]。

3.3 焊接接头力学性能

将焊好的铝镁焊接接头制备成如图6所示的拉伸试样，使试验力的加载方向垂直于焊缝长度方向。

图6 镁-铝接头拉伸示意图

通过对比试验可知铝-铝搭接接头的抗剪强度约200 MPa(5 kN/25 mm2)；镁-镁搭接接头的抗剪强度约为208 MPa(5.20 kN/25 mm2)。使用镀锌钢板作为过渡金属的镁-铝异种金属连接接头的平均抗剪强度为180 MPa(4.5 kN/25 mm2)，该强度达到了铝-铝接头抗剪强度的90%，镁-镁接头抗拉剪强度的87%，且接头断后伸长率比铝-铝、铝-钢有所提升。因此，使用该工艺可以获得力学性能较好的镁铝异种金属连接接头。此外，图7表明镁-铝异种金属接头断裂形成于铝侧的热影响区，这是由于铝母材在焊接过程中经历热循环引起的晶粒长大和热影响区软化所导致[8]。铝镁异种金属CMT直接焊接对比试验结果表明，由于镁铝金属间化合物硬度极高，而塑韧性极差，同时其厚度又较厚，严重影响了焊缝接头的力学性能。

依孔子提供的标准，刚毅木讷近仁，阴柔显然不在此例，士大夫最好蓄上胡子，仗剑走天涯，贴身戴着的玉佩按进行曲的节奏发出脆响，配合威武雄壮之姿，步入波澜壮阔的历史画卷。

图7 拉伸试样断裂图(断裂在铝热影响区)

4 结论

文中主要研究了以HDG60镀锌钢板作为中间过渡金属，通过CMT冷金属过渡焊接方法实现对AZ31B镁合金和6061铝合金异种金属的连接，得到以下结论：

与一般的道路路基相比，水泥稳定碎石基层路基具有更加坚固和强度更高的特征，其主要工作原理为通过挤压减少地基空隙，提高地基强度和承载能力，其中灰浆用来填补空隙，增加铺设强度，施工初期的强度较高，但后来会出现板块，因此还要提升抗冻性能。

(1)通过采用不同的焊接工艺，得到焊缝成形美观、变形量较小的镁-钢、铝-钢熔-钎焊焊接接头。

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(2)研究所用CMT连接方法具有较低的焊接热输入，可以有效控制界面层金属间化合物的厚度，保证了接头强度，实现镁合金-铝合金异种金属的有效连接。

(3)由于试验采用了HDG60镀锌钢板作为过渡金属，使得镁合金-钢、铝合金-钢分别形成两个熔钎焊焊接接头，避免了镁合金与铝合金直接焊接形成的大量脆性金属间化合物，从而使接头平均抗拉剪强度达到180 MPa，显著提高了接头强度，结合较好的断后伸长率，能够有效满足结构件在实际中的应用需求。

参考文献

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