镁/钢异种金属焊接研究综述

张超　单琪

摘要：镁/钢复合结构在航空航天、船舶和汽车等领域有着广阔的应用前景。然而，镁/钢之间的物理化学性质差异巨大，难以实现两者的可靠焊接。本文主要从镁钢的焊接方法入手，介绍国内外的发展现状，指出各种焊接方法的优缺点，提出目前镁/钢焊接领域的研究热点及难点，同时探讨未来镁/钢异种金属焊接技术的发展趋势。

关键词：镁合金;钢;焊接方法;界面组织

镁及镁合金具有密度小、比强度高和易加工等优点，在工程应用中有着广阔的应用前景。因此镁合金被誉为“21世纪绿色工程金属材料”。在交通运输工具的生产中采用镁合金替代大密度的钢结构既能满足结构强度，又能减轻结构重量，对于节能减排有着巨大的意义，且中国是镁资源大国，研究镁合金的工程应用对中国的经济发展有着深远的意义。因此，对于镁钢异种金属焊接领域的研究越发重要。然而，镁/钢之间的物理化学性质差别巨大，难以实现两者的可靠焊接。首先，Mg的熔点为650℃，Fe的熔点为1538℃，两者的熔点差异巨大，传统熔焊时镁刚刚熔化，然而钢还处于固态，钢熔化时镁早已汽化，两者不能同时以液相存在发生互溶，形成良好的熔池。其次，Mg和Fe之间的固溶度非常低，难以形成金属间化合物，所以很难实现镁和钢的冶金连接。同时由于镁/钢之间的导热系数差别较大，焊接接头容易存在较大的残余应力。因此，为了实现镁钢的可靠连接，镁钢之间的新型焊接方法成为了研究重点。

本文主要从镁钢的焊接方法入手，指出各种焊接方法的优缺点，介绍国内外镁/钢焊接技术的发展现状，提出目前镁/钢焊接领域的研究热点及难点，同时探讨未来镁/钢异种金属焊接技术的发展趋势。

1 镁/钢的搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊（FSW）使镁/钢等熔点差距较大的异种金属焊接时较为常见的焊接方法，利用搅拌针对工件金属不断搅拌前进，摩擦产生一定的热量使焊缝金属塑性化连接在一起，实现镁/钢的可靠焊接[1]。

焊接工藝对镁钢搅拌摩擦焊接头性能影响极为重要，M.Jahazi等[2]研究了焊接速度对接头的影响，发现在较低的热输入下，搅拌区的晶粒尺寸随着焊接速度的增加而减小，同时焊接速度越高，搅拌区的硬度就越高。当焊接速度增大时，焊接接头的抗拉强度会先增大然后在一定范围内保持不变。搅拌摩擦焊的优点很多，然而由于焊接时要求工件必须刚性固定，单道焊时，焊接速度不是很高等原因，搅拌摩擦焊的应用仍然有很大的局限性。

2 镁/钢的扩散焊

扩散焊一般在真空下进行，在一定的高温下紧压工件，使工件表面产生一定的微观塑性变形，使接触面金属原子相互扩散，从而实现可靠焊接。

重庆大学的袁新建等[3]在镁/钢的焊接中研究了一种以纯铜作中间层的新型的两步式扩散钎焊方法。先将不锈钢在850℃下与铜进行扩散焊，再与镁合金在495℃和520℃下进行钎焊。研究发现镁合金和铜之间形成了CuMg金属间化合物，不锈钢和铜之间形成了FeCu扩散界面，随着焊接时间越长，CuMg金属间化合物层的厚度越大，铜层的厚度越小。

卡尔加里大学的Waled Elthalabawy等[4]研究了316L不锈钢与AZ31镁合金扩散焊的液相连接界面层原理，发现Cu和Ni中间层均会与Mg形成共晶相，随着焊接时间的增加，金属间化合物的形成和Mg的扩散会导致共晶相等温凝固。三元金属间相的形成和等温凝固阶段结束时共晶相的消失极大削弱了接头剪切强度。

3 镁/钢的熔钎焊

3.1 激光熔钎焊

镁/钢激光熔钎焊既可以不许填充材料直接焊接，也可以添加焊丝，加入Zn、Ni等中间层来实现镁/钢界面的冶金结合。滑铁卢大学的AliM.Nasiri等[5]使用FactSage热化学软件预估AZ92镁合金和镀镍板之间形成界面相的过程，发现加入Ni中间层后，沿钢/熔合区界面会形成AlNi、Mg2Ni和Al3Ni2金属间化合物，其中AlNi和Mg2Ni最有可能在激光熔钎焊的非平衡条件下形成。哈尔滨工业大学的檀财旺等[6]通过焊丝中的微量Al元素和Cr元素调控焊缝中生成的金属化合物层，在激光连接快速热循环条件下，选取了以Cr元素辅助3%Al含量焊丝的最优参数进行焊接，解决了熔钎焊时Al元素的扩散，极大地提高了镁/钢焊接接头的抗拉强度。

3.2 电弧熔钎焊

镁/钢的电弧熔钎焊主要包括CMT熔钎焊、TIG熔钎焊和MIG熔钎焊。哈尔滨工程大学的苗玉刚等[7]对Q235镀锌钢和AZ31镁合金进行了旁路分流MIG电弧熔钎焊试验，研究发现熔滴过渡时长的增加使镁在钢侧的润湿铺展性能提高，减少了镁/钢金属化合物层的厚度，同时保证了界面层元素的充分结合，焊接接头的抗拉强度达到了母材的70%。江苏科技大学的靳广胜[8]采用CMT电弧熔钎焊技术研究了不同焊接速度对镁/钢电弧熔钎焊微观组织以及性能的影响。焊接速度越快，在钎焊区越容易产生MgAl相和MgZn相，反应层厚度为6～8μm;焊接速度较小时，钎焊区会产生FeAl相和MgAl相，反应层厚度为1～4μm。在最优参数下，焊接接头的拉剪强度可达到4.76kN。

3.3 激光电弧复合熔钎焊

激光电弧复合熔钎焊具有热源能量密度集中，可精确控制热输入的优点。Tan等[9]通过激光钨极惰性气体复合焊，以搭接的形式完成了镁合金和镀锌钢的焊接。发现在界面处产生了Fe3Al相和MgZn共晶组织。某些情况下，在FeAl反应层处还形成了Al6Mn相。镁合金中的元素Al扩散到固/液界面，与钢中的Fe元素和Mn元素反应，有助于界面处的冶金结合。搭接接头的最大拉剪强度达到68MPa。宋刚等[10]通过添加CuZn过渡层，实现了镁/钢的可靠焊接，研究表明利用激光电弧复合热源能量密度梯度分布特征，结合添加过渡层，获得良好的多组元液相共存环境和条件，是获得镁/钢焊接高质量接头的重点。

4 电阻点焊

电阻点焊成本低廉，在汽车行业中应用广泛，研究镁/钢电阻点焊技术有助于实现汽车的轻量化，节能环保。天津大学的袁涛[11]等在镁/钢的电阻点焊中加入了不同成分的粉末铝热剂，研究发现铝热剂可以作为异质形核点，促进了等轴树枝晶的形核和长大，降低了熔核中心周围区域温度梯度，相较于不采用铝热剂，点焊接头的拉剪强度最大提升了34.6%。

5 超声波点焊

超声波点焊是利用超声波振动，将振动能量转变为工件的摩擦能，促进金属原子扩散实现连接的一种固相焊接方法。加拿大的Patel VK等[12]进行了镁/镀锌钢的超声波电焊，发现在焊接接头处产生了大量Mg7Zn3、Mg2Zn11和MgZn2金属化合物层（IMC）使接头失效。在加入Sn夹层参与反应后，接头的剪切强度显著高于镁/钢和镁/镀锌钢接头。Sn元素的充当Mg和Fe结合的中间介质，界面处产生了复合状的Sn和Mg2Sn共晶结构，极大提高了焊接接头强度，同时Sn夹层的加入使焊接时达到最大接头强度所需的焊接能量从1750降低到1500J，更加节能。

6 镁/钢焊接技术展望

镁/钢在汽车、船舶和航天等领域有着广阔的应用前景，对于实现结构轻量化，节能减排有着重大现实意义。然而镁/钢异种金属焊接研究仍然有许多问题亟待解决。

（1）镁/钢界面反应、金属化合物层厚度难以精确控制。在镁/钢反应中通过镀层、涂层、夹层、焊丝等方式添加合金元素或提高镁在钢表面的润湿铺展虽然在一定程度上提高了焊接接头强度，然而在实际操作中难以精确控制反应量，需要开发更加精准的实验工艺或方法来控制元素在接头界面的反应，使焊接效果更加稳定。

（2）现有焊接设备和技术仍有许多不足之处，难以完全满足镁/钢的焊接需求。例如搅拌摩擦焊需要工件的刚性固定;扩散焊对工件的尺寸有一定要求，生产效率较低，难以投入大规模工业生产;激光焊或激光复合焊焊接效果好然而成本高，难以推广;电弧熔钎焊焊缝成型不好，接头强度不能满足工业需求。未来还需大力开发新型的复合焊接技术，集合多种焊接技術的优点，尽量降低生产成本，才能为镁/钢复合材料进入大规模生产铺平道路。

参考文献：

[1]黄勇兵.镁/钢异种金属搅拌摩擦焊工艺及性能研究[D].南昌航空大学，2013.

[2]M.Jahazi，X.Cao.Effect of welding speed on the quality of friction stir welded butt joints of a magnesium alloy[J].Materials & Design，2009，30（6）.

[3]袁新建，盛光敏，罗军，李佳.纯铜作中间层的镁合金与不锈钢扩散钎焊接头区的微观结构特征（英文）[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2013，23（03）：599604.

[4]Waled Elthalabawy，Tahir Khan.Liquid Phase Bonding of 316L Stainless Steel to AZ31 Magnesium Alloy[J].Journal of Materials Science & Technology，2011，27（01）：2228.

[5]Ali M.Nasiri，Patrice Chartrand，David C.Weckman，Norman Y.Zhou.Thermochemical Analysis of Phases Formed at the Interface of a Mg alloyNiplated Steel Joint during Laser Brazing[J].Metallurgical and Materials Transactions A.2013（4）.

[6]檀财旺.镁/钢激光熔钎焊接特性及界面合金调控技术研究[D].哈尔滨工业大学，2014.

[7]苗玉刚，吴斌涛，韩端锋，徐向方，李小旭.旁路分流MIG电弧熔钎焊接镁/钢异种金属接头特性[J].焊接学报，2014，35（01）：2528+114.

[8]靳广胜，张超，许欣，刘颖.镁合金与钢CMT电弧熔钎焊微观组织及性能研究[J].热加工工艺，2019，48（03）：7072+79.

[9]Caiwang Tan，Liqun Li，Yanbin Chen，et al.Lasertungsten inert gas hybrid welding of dissimilar metals AZ31B Mg alloys to Zn coated steel.2013，49：766773.

[10]Song G，AnG Y，Liu L M.Effect of gradient thermal distribution on butt joining of magnesium alloy to steel with CuZn alloy interayer by hybrid lasertungsten inert gas welding[J].Materials and Design，2012，35：323329.

[11]袁涛，张禹，李洋，罗震，王证茗，谈辉.不同铝热剂对镁/钢点焊接头组织和性能的影响[J].上海交通大学学报，2016，50（S1）：106109.

[12]Patel V K，Bhole S D，Chen D L.Formation of zinc interlayer texture during dissimilar ultrasonic spot welding of magnesium and high strength low alloy steel[J].Materials & Design，2013，45：236240.

基金项目：江苏高校“青蓝工程”资助（苏教师〔2019〕3号）;江苏省住房和城乡建设厅项目（2018ZD045003）

作者简介：张超（1987—），男，江苏南京人，博士在读，讲师，研究方向：焊接技术。