焊接镁及镁合金的工艺特点

1.焊接材料的选用

镁合金可以用钨极氩弧焊（TIG）、电阻点焊等方法进行焊接，但通常采用氩弧焊工艺。氩弧焊适用于所有的镁合金焊接，能得到较高的焊缝强度，焊接变形小，焊接时可不用气焊熔剂。对于铸件可用氩弧焊进行焊接修复并能得到满意焊接质量的接头。

镁合金氩弧焊时可采用铈钨电极、钍钨电极及纯钨电极，一般选用与母材化学成分相同的焊丝。为了防止在近缝区沿晶界析出低熔共晶，增大金属的流动性，减少裂纹倾向，也可采用与母材不同的焊丝。表11-19是常用镁合金的焊接性比较及适用焊丝。

表11-19常用镁合金的焊接性比较及适用焊丝

小批量焊接生产时可采用边角料作焊丝，但应将其表面加工光洁，一般采用热挤压成形的焊丝。大批量生产应选择挤压成形的焊丝，焊丝使用前应进行选择，方法是将焊丝反复弯曲，有缺陷的焊丝（如疏松、夹渣及气孔）容易被折断。

2.焊前清理、开坡口及预热

焊丝使用前须仔细清理表面，主要有机械和化学两种清理方法。机械清理法是用刀具或刷子去除氧化皮；化学清理法一般是将焊丝浸入20％～25％（质量分数）硝酸溶液浸蚀2min，然后在50～90℃的热水中冲洗，再进行干燥。清理后的焊丝一般应当天用完。表11-20是镁合金焊丝使用前的化学清理方法。

表11-20镁合金焊丝使用前的化学清理方法

镁及镁合金焊接时，接头坡口的形式极为重要。图11-27所示为镁及镁合金焊接或修复时的坡口形式示例。

图11-27 镁及镁合金补焊修复时的坡口形式

为了防止腐蚀，镁及镁合金通常进行过氧化处理，使其表面有一层铬酸盐氧化膜，但这层氧化膜会严重阻碍焊接过程，因此焊前须清除氧化膜及其他油污。机械清理可以用刮刀或不锈钢钢丝刷将焊缝区25～30mm范围的杂物及氧化层除掉。板厚小于1mm时，背面的氧化膜可不必清除，这样可以防止烧穿，避免发生焊缝塌陷现象。

焊接前是否需要进行预热取决于母材厚度和拘束度。对于厚板接头，如果拘束度较小，一般不需要预热；薄板、形状复杂和拘束度较大的接头，经常需要预热，以防止产生裂纹，尤其是高锌镁合金。

预热有整体预热及局部预热两种，整体预热在炉中进行，预热温度以不改变其原始热处理状态或冷作硬化状态为准。例如，经淬火时效的ZM5合金为350～400℃或300～350℃，一般在2～2.5h内升至所需温度，保温时间以壁厚每25mm乘以1h计算，最好采用热空气循环的电炉，可防止焊件发生局部过热现象。采用局部加热时应慎重，因为用气焊火焰、喷灯进行局部加热时，温度很难控制。目前铸件的焊接修复都采用氩弧焊冷补焊法，效果良好。

3.镁及镁合金焊接方法

镁合金的氩弧焊一般采用交流电源，焊接电源的选用主要决定于合金成分、板材厚度以及背面有无垫板等。例如MB8和MB3具有较高的熔点，焊接MB8要比MB3所需的焊接电流大10％～15％。为了减少过热，防止烧穿，焊接镁合金时应尽可能实施快速焊接。如焊接镁合金MB8时，当板厚5mm、V形坡口、反面用不锈钢成形垫板时，焊接速度可达35～45cm／min以上。

（1）钨极氩弧焊（TIG）镁合金TIG焊时，钨极直径取决于焊接电源，焊接中钨极头部应熔成球形。选择焊枪喷嘴直径的主要依据是钨极直径及焊缝宽度，焊枪喷嘴直径不同时，氩气流量也不同。镁合金氩弧焊中用的氩气纯度要求较高，一般采用一级纯氩（体积分数99.99％以上）。

镁合金TIG焊时，板厚5mm以下采用左焊法；板厚大于5mm采用右焊法。平焊时，焊枪轴线与成形的焊缝成70°～90°角，焊枪与焊丝轴线所在的平面应与焊件表面垂直。焊丝应贴近焊件表面送进，焊丝与焊件间的夹角为5°～15°。焊丝端部不得浸入熔池，以防止在熔池内残留氧化膜，这样就可借助焊丝端头对熔池的搅拌作用，破坏熔池表面的氧化膜并便于控制焊缝余高。

镁合金焊接时应尽量采用短弧（弧长2mm左右），以充分发挥电弧的阴极雾化作用并使熔池受到搅拌，便于气体逸出熔池。焊接不同厚度的镁合金时，在厚板侧需削边，使接头处两工件保持相同厚度，削边宽度等于板厚的3～4倍。焊接参数按板材的平均厚度选择，焊接操作时钨极端部应略指向厚板一侧。

镁合金钨极氩弧焊（TIG）和熔化极氩弧焊（MIG）焊丝的选择取决于母材的成分，常用镁合金氩弧焊用焊丝的化学成分见表11-21。变形镁合金TIG焊的焊接参数见表11-22。

表11-21常用镁合金氩弧焊（TIG、MIG）用焊丝的化学成分

表11-22变形镁合金TIG焊的焊接参数

下面以AZ31B镁合金薄板的TIG焊为例进行介绍。

图11-28是AZ31B镁合金薄板三种接头的手工钨极氩弧焊（TIG）的焊接接头示意图，主要包括T形、对接和角接接头。

图11-28 AZ31B镁合金薄板手工TIG焊焊接接头示意图

厚度为1.6mm和3mm的AZ31B镁合金薄板T形接头单道焊（角焊缝长203mm，焊脚尺寸3mm）采用手工TIG焊时，调整焊机、气体流量和焊接速度，以获得优质、外形美观和熔透率合适的焊缝。焊后从立板未焊一侧打断焊接接头，显露焊缝根部，然后从断口检查熔透深度，检查有无气孔、未熔合和其他缺欠。

将25mm×25mm×4.8mm的AZ31B镁合金板挤压角形结构的斜边焊接起来，用于制造框架结构。该框架结构有四个直角接头，如图11-28所示。表11-23是AZ31B镁合金薄板手工TIG焊的焊接参数。

表11-23AZ31B镁合金薄板手工TIG焊的焊接参数

(www.xing528.com)

焊前工序包括加工斜边角、开坡口、清理及装夹。横向和垂直对接接头坡口角度为90°，钝边为1mm。将焊接接头酸洗后，在夹具中装配，横向对接接头采用扁平衬条，垂直角接接头采用角形衬条。然后采用手工TIG焊进行焊接，采用高频稳定的交流电源、EWP型钨极以及ER-AZ61A型填充焊丝。焊接时外侧角接头采用向上立焊的单道焊，对接接头采用单道平焊。

此外，航空航天用气密门的框架结构带有密封凹槽，采用AZ31B-1124镁合金薄板与AZ31B镁合金挤压件TIG焊接而成，属于小批量生产，但要求的质量较高。航空航天用镁合金气密门焊接结构示意图如图11-29所示。

焊接时，接头A、B相当于带衬垫板单面V形坡口对接，反面搭接接头不焊接。焊前用铬酸-硫酸对接头焊接部位进行清洗，不需进行预热。焊接位置为平焊，填充金属为直径1.6mm的ERAZ61A镁合金焊丝。镁合金气密门自动TIG焊的焊接参数见表11-24。

图11-29 航空航天用镁合金气密门焊接结构示意图

表11-24镁合金气密门自动TIG焊的焊接参数

TIG焊设备中采用水冷焊枪、高频交流电源及EWP型钨极。将焊枪安置在切割机自动行走架上实现TIG自动焊。焊后接头进行177℃×1.5h的焊后去应力处理。

（2）熔化极氩弧焊（MIG）镁合金进行熔化极氩弧焊时，采用直流恒压电源，以反极性施焊。可采用短路、脉冲、喷射三种熔滴过渡方式，分别适于焊接板厚小于5mm的薄板、薄中板及中厚板。不推荐使用滴状过渡方式进行焊接，焊接位置限于平焊、横焊和向上立焊。镁合金对接接头熔化极氩弧焊（MIG焊）的焊接参数见表11-25。

表11-25镁合金对接接头熔化极氩弧焊的焊接参数

注：焊接速度61～66cm／min。

①不留间隙。

②间隙2.3mm。

③除板厚4.8mm的脉冲电压为52V外，其他脉冲电压均为55V。

④钝边1.6mm，不留间隙。

⑤也可用于等厚的角焊缝。

⑥钝边3.2mm，不留间隙。

（3）搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，利用不同形状的搅拌头伸入到工件中的待焊区域，通过搅拌头在高速旋转时与工件之间产生的摩擦热使金属产生塑性流动。在搅拌头的压力作用下从前端向后端塑性流动，从而形成焊接接头。

搅拌摩擦焊过程中金属不发生熔化，焊接时温度相对较低，因此不存在熔焊时产生的各种缺欠。焊接过程中无飞溅、气孔、烟尘，并且不需要填丝和气体保护，目前已经对AM60、AZ31、AZ91、MB8等镁合金进行了焊接。表11-26是MB8镁合金搅拌摩擦焊接头的力学性能，表11-27是AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头的弯曲试验结果。

（4）电子束焊 采用电子束焊可获得良好接头的镁合金有AZ91、AZ80系列等。电子束焊时，在电子束下镁蒸气会立即产生，熔化的金属流入所产生的熔孔中。由于镁金属的蒸气压力高，因而所生成的熔孔通常比其他金属大，焊缝根部会产生气孔。同时镁合金电子束焊还易引起起弧及焊缝下塌等现象，起弧易导致焊接过程中断，因此须严格控制操作工艺以防止气孔、起弧及焊缝下塌现象产生。

表11-26MB8镁合金搅拌摩擦焊接头的力学性能

表11-27AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头的弯曲试验结果

电子束焊通常采用真空焊接，但由于镁金属气体的挥发对真空室的污染很大，研究发现非真空电子束焊适合于镁合金的焊接。焊接时电子束的圆形摆动和采用稍微散焦的电子束，有利于获得优质焊缝。在焊缝周围用过量的金属或紧密贴合的衬垫能够减少气孔。但目前填充金属的方法对减少气孔的效果不是很理想。可通过合理调节焊接参数使气体在焊缝金属凝固前完全逸出，以避免形成气孔，其中电子束功率尤其是电子束流大小须严格控制。

图11-30 电子束焊修复汽轮机喷嘴疲劳裂纹示意图

例如，镁合金汽轮机喷嘴铸件（AZ91C）容易产生疲劳裂纹，采用电子束焊的长聚焦能力可以简化其补焊过程。图11-30所示的铸件有直线状未穿透裂纹，贯穿于镁合金主体和轴承架的连接件中，裂纹位于喷嘴下部约305mm处，区域很窄，用其他的焊接方法很难达到，并且由于喷嘴已经进行精加工，并与其他部件配合，不允许产生变形及随后进行的机加工。

焊前准备包括用丙酮擦洗裂纹区，不需要铲掉裂纹，也不需要填充金属，将工件放在移动工作台上，工件位于电子枪下318mm处，焊前用光学装置检查电子束和每条焊缝的对中，使电子束与凸台之间有合适的间隙。

选用的电子束功率应使熔透超出表观裂纹深度，但不能熔透截面，将电子束焦点调到距工件表面6.35mm处，焊接时采用三级固定式焊枪，用夹具将工件固定在自动跟踪导向架上，自动沿着裂纹有效长度直线移动，单道焊只需几秒时间即可获得较窄的焊缝。焊后接头不需进行热处理。表11-28是镁合金汽轮机喷嘴裂纹电子束焊修复的焊接参数。

表11-28汽轮机喷嘴裂纹电子束焊修复的焊接参数