張林陽 宋慶軍 陳學(xué)罡 邵亮 鄭虹

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：鎂合金 焊接技術(shù) 材料屬性 輕量化

1 引言

隨著乘用車“雙積分”政策的推出，在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)大幅提升、新能源汽車電池技術(shù)沒有得到跨越式發(fā)展的前提下，汽車整車裝備質(zhì)量的輕量化無疑將成為各大整車廠獲取燃油消耗正積分的一項(xiàng)重要與關(guān)鍵舉措。汽車輕量化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與達(dá)成，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、輕量化材料技術(shù)以及輕量化制造工藝技術(shù)高效協(xié)作、配合的結(jié)果[1]，并貫穿整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造過程。在汽車輕量化開發(fā)過程中涉及到的金屬材料主要包括鎂合金、鋁合金以及高強(qiáng)鋼三大類。其中，鋁合金、高強(qiáng)鋼等材料在汽車輕量化制造中均得到了較為廣泛的應(yīng)用，鎂合金的應(yīng)用相對較少，但其應(yīng)用量在逐年增加。按照我國《節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖》規(guī)劃，從2020年到2030年，鎂合金在單一乘用車制造中的用量將由15 kg提升至45 kg，可以預(yù)測其未來應(yīng)用前景將十分廣闊。

鎂合金的密度值約為鋁合金的2/3，高強(qiáng)鋼材料的2/9[2]，因而其對汽車輕量化帶來的效果也更為明顯。但是由于鎂合金材料的強(qiáng)度低（＜300 MPa），一般常用于非重要承載部件的制造中；其材料塑性差（＜10%），當(dāng)用于成形復(fù)雜構(gòu)件時(shí)，難度系數(shù)較大；其材料耐熱性及抗腐蝕性較差，相關(guān)部件無法長期用于高溫及易腐蝕的環(huán)境下；加之其制造成本偏高，導(dǎo)致其應(yīng)用量增長一直比較緩慢。隨著材料設(shè)計(jì)與工藝開發(fā)能力的不斷提升，關(guān)于鎂合金材料基礎(chǔ)性能方面的問題將逐漸解決。伴隨著多材料混合車身的開發(fā)以及鎂合金用量的逐年提升，受制于其自身物理、化學(xué)屬性的影響，鎂合金的焊接問題將變得日益突出[3]，主要涉及不同類型的鎂合金材料之間以及鎂合金與其他金屬材料間的焊接。

基于以上原因，本文將對汽車用鎂合金材料的焊接性展開系統(tǒng)性分析，對鎂合金的主流焊接工藝及其特點(diǎn)進(jìn)行闡述，對鎂合金材料在汽車中的應(yīng)用情況及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測與展望，旨在為更好地利用與開發(fā)鎂合金材料提供有力參考與依據(jù)。

2 鎂合金的焊接性分析

與鋼、鋁合金等金屬材料相比，鎂合金的各項(xiàng)材料屬性特點(diǎn)明顯，如表1所示，因而其焊接性也表現(xiàn)出了相應(yīng)的特殊性。從物理屬性上講，鎂合金的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和密度比較低，熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及熱膨脹系數(shù)比較大；從化學(xué)屬性上講，其金屬的活性比較高，容易與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成熔點(diǎn)很高的MgO，高溫下又會(huì)與空氣中的氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Mg3N2以及與氧結(jié)合發(fā)生燃燒反應(yīng)?；谝陨显颍V合金材料在焊接實(shí)施過程中表現(xiàn)出了更大的難度并引發(fā)出了一系列的焊接性難題。為適應(yīng)鎂合金材料在未來汽車制造中的應(yīng)用，對其焊接技術(shù)進(jìn)行更深入和富有創(chuàng)新性的研究顯得格外重要。下面對鎂合金在焊接過程中容易產(chǎn)生的缺陷種類及其原因進(jìn)行詳細(xì)闡述、分析，主要體現(xiàn)在以下7個(gè)方面。

表1 鎂合金、鋁合金以及鋼之間的材料屬性對比

2.1 焊縫夾渣

焊縫中形成夾渣缺陷的MgO主要有兩個(gè)來源：一是來自于焊接前母材表面固態(tài)鎂合金的氧化，二是來自于焊接過程中熔池表面液態(tài)鎂合金的氧化。MgO的熔點(diǎn)高達(dá)2 500oC，在焊接過程中其將一直以固態(tài)形式存在，且其密度（3.2 g/cm3）遠(yuǎn)大于液態(tài)鎂合金的密度，因而在凝固過程中，其將會(huì)在焊縫內(nèi)部形成細(xì)小的、呈片狀的固態(tài)夾渣缺陷。同理，高溫下鎂合金與空氣中的氮結(jié)合形成的Mg3N2也是以類似的夾渣形式存在于焊縫中。這些夾渣缺陷的存在，一方面對焊縫的成形不利，另一方面還會(huì)降低焊縫的塑性，并導(dǎo)致接頭綜合性能指標(biāo)的下降。

2.2 晶粒粗化

鎂合金材料的熱導(dǎo)率比較大，為了確保焊接效果，則要求其在焊接時(shí)需要更大的熱輸入、更高的焊接速度，并匹配高功率的焊接熱源。受焊接規(guī)范的影響，鎂合金焊接接頭的焊縫金屬區(qū)、熱影響區(qū)非常容易產(chǎn)生過熱、晶粒長大和粗化的現(xiàn)象。一般情況下，晶粒的過分長大和粗化都將帶來焊接接頭力學(xué)性能的下降。

2.3 焊接變形

鎂合金材料的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于鋼，在較大的焊接熱輸入條件下，很容易產(chǎn)生熱變形，從而影響產(chǎn)品的最終制造精度，并在其焊接接頭附近形成很大的內(nèi)應(yīng)力。若接頭內(nèi)部存在微裂紋，在交變載荷和內(nèi)應(yīng)力的綜合作用下，接頭將很容易產(chǎn)生疲勞斷裂破壞。

2.4 表面下塌

鎂合金液態(tài)金屬的表面張力比較小，因而其在凝固過程中很容易產(chǎn)生下凹，并最終形成表面下塌，影響最終焊縫的外觀成形質(zhì)量。加之鎂合金材料的沸點(diǎn)比較低，在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生一定的蒸發(fā)，這無疑將進(jìn)一步增加其焊縫表面下榻的程度。

2.5 焊接裂紋

鎂合金接頭中的裂紋以熱裂紋為主，其產(chǎn)生原因主要與焊接過程中鎂合金與其他金屬形成的低熔共晶有關(guān)。這些低熔共晶主要存在于接頭區(qū)域處焊縫組織的晶界處，在較高的溫度下，這些低熔共晶會(huì)產(chǎn)生二次熔化，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生晶界氧化現(xiàn)象，在受到變形內(nèi)應(yīng)力作用時(shí)非常容易引發(fā)微裂紋和裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，并最終導(dǎo)致接頭的斷裂。

2.6 焊接氣孔

與鋁合金焊接相似，鎂合金焊縫中氣孔的種類主要以氫氣孔為主。在惰性氣體保護(hù)良好的前提下，氫的來源主要受母材表面的清潔度以及焊料的狀態(tài)影響，涉及材料表面的油污、銹蝕以及水分等。由于鎂合金的密度比鋁合金小，焊縫中的氫在凝固過程中將更不容易析出，并最終以氣孔的形式存在于焊縫中。

2.7 氧化燃燒

在無惰性氣體保護(hù)的環(huán)境下焊接時(shí)，鎂合金很易發(fā)生氧化燃燒反應(yīng)。因而，在熔焊時(shí)需要采用惰性氣體或者焊劑對焊接熔池進(jìn)行保護(hù)，從而避免焊縫金屬的過度燒損。

基于上述關(guān)于鎂合金材料焊接性的分析與討論，對鎂合金焊接過程中產(chǎn)生的缺陷及與之對應(yīng)的材料屬性進(jìn)行總結(jié)，如表2所示。

3 鎂合金的主流焊接工藝

由于鎂合金在焊接過程中的熱輸入量比較大，其接頭區(qū)域處的組織一般為樹枝晶+等軸晶組成的混晶組織。一般情況下，尺寸更小的等軸晶的力學(xué)性能要優(yōu)于樹枝晶。因而，在鎂合金焊接過程中，通過控制工藝參數(shù)，希望獲得更多的等軸晶或者盡可能地提高等軸晶的百分比。雖然鎂合金的焊接性比較差，但在有保護(hù)氣體的前提下，通過采取必要的、嚴(yán)格的工藝措施和規(guī)范，常規(guī)的電弧焊、熔化焊等工藝均可適用于鎂合金的焊接。其中，應(yīng)用相對較廣的焊接方法主要有以下6種。

表2 鎂合金典型焊接缺陷與材料屬性間的對應(yīng)關(guān)系

3.1 鎢極惰性氣體保護(hù)焊（Tungsten Inert.Gas,TIG）

鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）為當(dāng)前鎂合金材料焊接最常用的一種連接工藝，其是在高純氬氣的保護(hù)下，借助鎢電極產(chǎn)生的電弧熱來實(shí)現(xiàn)母材間的連接。焊接的時(shí)候，可根據(jù)具體情況選擇是否添加焊接材料。由于鎂合金表面有一層氧化膜，為了避免夾渣缺陷的產(chǎn)生，通常采用直流電源反接或者采用交流電源進(jìn)行焊接，目的是借助陰極霧化作用去除母材表面的氧化膜。相比于直流TIG焊，交流TIG焊工藝應(yīng)用較為廣泛。但由于交流TIG焊的熱輸入相對較低，鎂合金材料的熱導(dǎo)率又比較大，實(shí)際獲得的焊縫深度比較淺，因而其更適合于比較薄的鎂合金零件的連接。

采用TIG焊進(jìn)行鎂合金連接時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)氣孔、焊瘤及焊縫表面不平整等缺陷[4-5]。通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)，采用大電流、快速焊和剛性固定等措施可獲得理想的焊接接頭，并且其強(qiáng)度可達(dá)到母材基體強(qiáng)度的80%以上。

3.2 熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Melt Inert.Gas,MIG）

熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）在進(jìn)行鎂合金焊接時(shí)，是以特定的鎂合金焊絲作為電極，依靠電弧熱熔化焊絲以及兩側(cè)母材并形成有效的可靠連接。與TIG焊相比，其焊接速度更快，也更適合大規(guī)模生產(chǎn)。但是，由于以鎂合金焊絲作為電極且鎂合金焊絲相對比較軟，其送絲穩(wěn)定性較差，與之對應(yīng)的工藝參數(shù)范圍也比較窄。此外，由于鎂合金的表面張力比較小，電極前端的熔滴過渡與脫離比較困難，增大焊接電流提升過渡能力時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致熔滴的爆炸飛濺以及接頭組織的粗化。

鎂合金MIG焊時(shí)的熔滴過渡形式主要有短路過渡和噴射過渡兩種。在焊接過程中加入脈沖電流，可實(shí)現(xiàn)一種特殊的噴射過渡形式—脈沖噴射過渡。短路過渡時(shí)的線能量較小，更適合薄板的焊接；噴射過渡時(shí)的能量較大，常用于厚板的焊接；脈沖噴射過渡的線能量小于噴射過渡，其更適用于中厚板的焊接。通過選擇合適的焊接參數(shù)與熔滴過渡形式，可有效避免焊接過程中的裂紋、氣孔、飛濺等缺陷的產(chǎn)生，獲得的接頭強(qiáng)度可達(dá)母材基體強(qiáng)度的75%以上。

3.3 激光焊（Laser Beam Welding,LBW）

鎂合金的激光焊（LBW）是借助高能量密度激光束來實(shí)現(xiàn)母材間連接的一種精密焊接方法，在焊接的過程中可根據(jù)需要確定是否添加焊絲。與其他熔焊方法相比，具有變形小、接頭殘余應(yīng)力小、焊縫組織細(xì)化以及接頭性能好等優(yōu)點(diǎn)。此外，激光焊無需在真空條件下進(jìn)行焊接，并且激光束靈活性高，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件的多維度自動(dòng)化焊接。當(dāng)前，鎂合金激光焊接采用的激光器主要有CO2氣體激光器、光纖激光器以及Nd:YAG固體激光器三種。其中，CO2氣體激光器產(chǎn)生的激光束的波長為10.6 mm，另外兩種激光器產(chǎn)生的激光束的波長為1.06 mm。鎂合金對波長為1.06 mm吸收率更高，因而采用光纖激光器以及Nd:YAG固體激光器焊接鎂合金厚板更容易獲得理想的熔深。

氣孔、熱裂紋、疏松是鎂合金激光焊接時(shí)非常容易形成的缺陷形式[6]。此外，鎂合金對激光束的高反射率也是鎂合金焊接應(yīng)當(dāng)關(guān)注的一個(gè)重要問題。在焊縫質(zhì)量良好的情況下，鎂合金激光焊縫接頭強(qiáng)度可達(dá)到與母材基體強(qiáng)度相當(dāng)。近年來，有學(xué)者將激光焊與TIG焊、MIG焊進(jìn)行復(fù)合用于鎂合金的焊接，同樣獲得了高質(zhì)量的焊接接頭[7]。

3.4 電子束焊（Electron Beam Weam Welding，EBW）

與激光焊類似，鎂合金的電子束焊（EBW）也是一種高能量密度的精密連接工藝，所不同的是其借助的是高能量密度的電子束作為熱源。為了避免電磁場對焊接的影響，電子束焊通常在真空室下進(jìn)行。鎂合金在進(jìn)行電子束焊接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的鎂蒸氣，這將會(huì)對真空室產(chǎn)生一定的污染，從而一定程度上限制了其應(yīng)用。目前，真空室下鎂合金的焊接仍然主要集中在科學(xué)研究上，實(shí)際應(yīng)用較少。近年來，非真空電子束焊接技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，在進(jìn)行鎂合金焊接時(shí)，可以獲得較好的焊縫成形，并且焊縫強(qiáng)度也比較高。

電子束焊接鎂合金較常見的缺陷為氣孔和縮孔，通過添加合適的焊絲可進(jìn)行有效地減少和避免。一般情況下，電子束焊在焊縫中形成的是大量的、尺寸細(xì)小的等軸晶，因而其焊縫強(qiáng)度比較高，也可以達(dá)到與母材基體強(qiáng)度相當(dāng)。

3.5 電阻點(diǎn)焊（Resistance Spot Welding，RSW）

迄今為止，電阻點(diǎn)焊仍是汽車制造中最為主要和最常見的一種連接工藝。由于鎂合金導(dǎo)熱率高、電阻率小，為了保證有效焊核的形成，這就需要鎂合金的電阻點(diǎn)焊在很短的時(shí)間內(nèi)施以極高的焊接電流，以保證焊接時(shí)接頭區(qū)域處的產(chǎn)熱量大于散熱量。這一特性和鋁合金的電阻點(diǎn)焊極為相似。在相同板厚條件下，鎂合金電阻點(diǎn)焊所需的焊接電流約為鋼板焊接時(shí)的2～5倍。通過控制焊接電流、焊接時(shí)間以及焊接壓力可以有效得控制熔核尺寸的大小和接頭的強(qiáng)度。與鋼的電阻點(diǎn)焊不同，鎂合金的焊核孕育時(shí)間非常短，一般在第一個(gè)點(diǎn)焊周波時(shí)就出現(xiàn)熔化。鎂合金點(diǎn)焊接頭的熱影響區(qū)常伴有晶粒長大現(xiàn)象，并且非常容易產(chǎn)生碎花形的微裂紋，因而其常用于一些非承載或者受力不大的構(gòu)件的制造中。

3.6 攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）

受到基體殘余微氣孔的影響，采用熔化焊工藝連接壓鑄鎂合金很難獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。采用攪拌摩擦焊可有效得解決上述技術(shù)難題，其是借助攪拌針的旋轉(zhuǎn)摩擦和攪拌作用，將母材接頭區(qū)域處金屬從固態(tài)轉(zhuǎn)換至塑性態(tài)，再借助一定的擠壓力實(shí)現(xiàn)材料間的有效連接。采用該方法獲得的接頭表面光滑并且無裂紋、氣孔等缺陷，且焊縫強(qiáng)度也比較高，并可達(dá)到較弱一側(cè)母材強(qiáng)度的75%以上。除了可以實(shí)現(xiàn)鎂合金材料之間的焊接，攪拌摩擦焊還可用于鎂合金與其他金屬材料間的連接。其缺點(diǎn)是其對零部件的形狀和剛度要求比較高，一般用于厚板零件的對接與搭接。對于復(fù)雜構(gòu)件而言，其焊接實(shí)施比較困難，較大程度上制約了其大規(guī)模應(yīng)用。

4 鎂合金在汽車上的主要應(yīng)用

鎂合金應(yīng)用于汽車零部件的制造中，可最大程度地降低汽車的整車裝備質(zhì)量，其綜合降重效果比鋁合金還要高出15～20%。鎂合金最早由德國引入到汽車制造中。截止到目前，鎂合金在汽車零部件制造中的主要應(yīng)用可以歸納為以下2大類：（1）殼體類零件，包括離合器殼體、閥蓋類零件、變速器殼體以及發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋等；（2）支架類零件，包括方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、中控骨架以及座椅骨架等。圖1為鎂瑞丁公司自1985年至2010年期間設(shè)計(jì)、開發(fā)與制造的汽車鎂合金總成及零部件應(yīng)用情況?？梢?，在2010年之前，鎂合金材料就已經(jīng)在汽車上得到了較多的重視和應(yīng)用。

圖1 汽車鎂合金總成及零部件應(yīng)用情況

鎂合金是汽車工業(yè)中最有應(yīng)用潛力的工程材料之一，也是當(dāng)前最有效的汽車輕量化金屬材料。表3為汽車零部件采用鎂合金制造后的輕量化效果。在鎂合金的消費(fèi)領(lǐng)域中，汽車行業(yè)基本占到了70%。由于鎂合金具有良好的鑄造成形性，至今鎂合金鑄件仍是其在汽車上的主要應(yīng)用形式。但同時(shí)，鎂合金也可通過擠壓、鍛造、沖壓、軋制等其他工藝手段生產(chǎn)所需要的汽車零部件。

當(dāng)前，Mg-Al系列鎂合金是汽車行業(yè)中應(yīng)用最廣的一類鑄造鎂合金。為了提升其韌性、耐腐蝕以及耐高溫性能，在其原有成分基礎(chǔ)上又衍生出了AZ（Mg-Al-Zn）、AM（Mg-Al-Mn）、AS（Mg-Al-Si）以及 AE（Mg-Al-RE）等多個(gè)系列鎂合金。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)選材過程中，可根據(jù)材料的特性、零部件的性能及使用要求選擇合適的鎂合金材料牌號。未來隨著變形鎂合金材料及工藝技術(shù)的逐步成熟，鎂合金型材及板材類零部件的開發(fā)與應(yīng)用將逐漸增多。相應(yīng)地，其對焊接技術(shù)的需求也會(huì)越來越迫切。

表3 鎂合金替代鋼后汽車零部件的輕量化效果

5 結(jié)束語

隨著汽車輕量化技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)測在未來一段時(shí)間內(nèi)，鎂合金在單一汽車中的用量將大幅提升。當(dāng)前，鎂合金的應(yīng)用也正在由單一的鑄造結(jié)構(gòu)件向著薄壁高強(qiáng)復(fù)雜成形件、輕質(zhì)框架結(jié)構(gòu)件以及高性能鎂合金板材沖壓件等多個(gè)方向發(fā)展。框架式結(jié)構(gòu)件以及板材類零件的應(yīng)用與開發(fā)一定程度上促進(jìn)了鎂合金連接技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。由于鎂合金的焊接性非常差，鎂合金的焊接技術(shù)將成為制約其大量推廣應(yīng)用的一項(xiàng)難題。為了適應(yīng)鎂合金材料的應(yīng)用需求，未來加大對鎂合金焊接技術(shù)的創(chuàng)新性開發(fā)與研究是十分必要的。