吕俊杰 王德峰
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150066
摘要：近年来，随着经济的发展，我国的各行各业建设的发展也有了相应的改善。镁合金作为最轻的金属结构材料，具有密度小、铸造性能好、比强度和比刚度高、可回收性强等一系列优点，正在逐步取代铝合金，在航空航天、汽车等领域作为主要承载构件得到越来越广泛的应用。
关键词：铸造镁合金；焊接修复技术；研究现状；发展方向
引言
镁是地壳中分布最广、储量最丰富的轻金属元素之一，其在金属工程结构材料中的用量仅次于铝和铁，被称为“21世纪的绿色工程材料”。铸造镁合金具有优良的铸造性能和切削加工性能，能够很好地满足零件对材料性能的要求，常用于航空动力如发动机、直升机传动系统机匣、壳体类等零部件。目前，我国航空航天领域对轻量化有迫切的要求，这为镁合金新材料及技术的开发与应用提供了机遇与挑战。镁标准电极电位为-2.732V（相对于标准氢电极），在大气中的耐蚀性较差，因此通常须对镁合金铸件进行特殊的表面处理，才能保证其优异的服役性。另外，在镁合金铸件的生产成本中，表面处理成本约占40%，因此表面处理对镁合金铸件的生产和应用至关重要。
1铸造镁合金的焊接性分析
由于镁合金具有独特的物理化学性质，导致其焊接性差，易出现夹杂、晶粒粗大、热应力、气孔、热裂纹等缺陷，一定程度上制约了镁合金的应用。铸造镁合金的缺陷修复又因铸造工艺特点带来的组织不均匀性、构件缺陷去除后再进行焊接填充的结构拘束大，给铸造镁合金的缺陷修复带来了更大的困难。(1)夹杂:镁具有极强的氧化性，在焊接过程中易形成高熔点的氧化镁，氧化镁因密度大，不易排出熔池，从而在焊缝中夹杂。镁在焊接过程中还易与空气中的氮生成氮化物，降低接头性能。因此，镁合金焊接前要对焊接区域进行严格清理，去除表面的氧化膜，同时制定恰当的气体保护工艺，以避免夹杂的产生。(2)晶粒粗大:镁合金导热性好，焊接过程中易将焊接热输入传导到焊缝两侧，造成靠近焊缝的热影响区产生严重的晶粒长大，成为焊接接头的薄弱区，影响焊接接头的性能。(3)应力:镁合金的热膨胀系数较大，约为钢热膨胀系数的2倍、铝热膨胀系数的1．2倍，在焊接过程中产生较大的热应力，焊接变形和热裂纹的倾向大。铸造镁合金构件缺陷去除后再修复，更易受结构拘束，产生较大的拘束应力，增强裂纹的倾向性。(4)气孔:镁合金焊接时易产生氢气孔，氢在镁合金中的溶解度随温度的降低而减小，而且镁合金的密度小，气体不易逸出，在焊缝凝固过程中会形成气孔。铸造镁合金在制造过程中会残留较多的气体，在焊接过程释放到焊缝中来不及逸出，易造成焊缝区形成大量气孔缺陷，气孔缺陷主要为氢气孔和氮气孔。进行镁合金焊接时，可通过对填充材料的成分进行优化，添加稀土元素，增加镁合金对氢的固溶度、与氢反应生成稳定的氢化物、提高气泡逸出速率，来降低焊缝中的气孔率。(5)热裂纹:镁合金的结晶温度区间大，易形成低熔点共晶体，会增大热裂纹的倾向。且焊接熔池温度高，低熔点共晶物易在晶界处熔化而出现空穴、晶界氧化、过烧等现象。
2优化措施分析
2.1冲击应力理论
目前大多数热裂设备都可对凝固过程中产生的收缩应力进行实时监测。“冲击应力”理论主要是基于测量合金在凝固过程中受到的冲击应力而提出的。冲击应力理论，凝固末期，铸件中先析出的固相会对收缩部位产生阻碍作用，局部形成收缩应力，若该应力或变形超过合金在该温度下的强度或变形能力，合金便会在热节部位产生热裂纹。收缩应力曲线可以分为几个阶段。浇注时，金属液对测力设备尖端有所冲击。凝固初期，枝晶开始生长并形成骨架，建立起基本的强度，应力值开始迅速上升，如bc段所示。当金属液冷却至共晶温度时，剩余的液相发生共晶反应。由于共晶液相是在同一温度下凝固，凝固速度较快，若共晶液相较多，则会产生剧烈收缩，如cd段所示。当该收缩力超过合金在该温度下的强度时，该“冲击应力”便会使合金在晶界处开裂，以此释放应力，如de段所示。
由于此时液相已经十分稀少，很难对开裂处进行补缩，因此，微裂纹将在收缩应力作用下继续扩展长大。当凝固结束后，随着温度的降低，铸件继续收缩，测得的应力值将如ef段所示继续缓慢增加。
2.2冷金属过渡焊接
冷金属过渡(Coldmetaltransfer，CMT)技术作为一种无飞溅的焊接工艺技术，采用外加回抽力促进熔滴发生短路过渡，同时在电压、电流的波形控制方面进行了改进，更好地限制了焊接热输入。张恒等借鉴了CMT在铝合金、镍基合金焊接修复中的良好应用，利用CMT可采用小电流、焊接过程稳定、焊缝质量高的特点，将CMT应用在镁合金缺陷的修复中，改善镁合金熔化极焊接过程中晶粒粗大、气孔、热裂纹等问题。实验材料采用AZ31B镁合金，填充相同成分的镁合金焊丝，调用CMT中铝合金焊接程序进行实验，通过实验了解了焊接速度、送丝速度、焊接模式、道间距等工艺参数对焊缝成形和性能的影响规律。因镁合金的粗晶、裂纹等显微缺陷常常出现在焊接热影响区，在焊缝成形良好基础上，探讨了减小CMT热影响区宽度的方法(如利用随着焊接速度的增加，热影响区宽度减小的规律)，以提升焊接接头的性能;调整焊接速度，使焊缝中呈网状分布的β相作为腐蚀壁垒阻碍镁合金腐蚀，可使得焊缝的耐蚀性高于母材。他们综合焊缝的各项性能，进行了工艺参数优化，探索出焊缝成形良好及性能良好的CMT工艺。但铸造镁合金CMT焊接修复工艺开发尚不成熟，对CMTAdvance、CMT+Pluse和双丝CMT的研究较少，因此还需要进一步研究。
3铸造镁合金焊接修复技术的发展及展望
由于镁合金特殊的焊接性及急迫的焊接需求，国内外学者针对镁合金的焊接展开了诸多研究，并在传统焊接方法的基础上不断尝试改进，如脉冲激光焊、电子束焊、钎焊、扩散焊及各种复合焊接方法，但均未见在镁合金焊接修复中的应用，如何在铸造镁合金的焊接修复中有效利用各焊接方法的优势还需要更深入的研究。脉冲激光焊时的加热斑点非常小，为微米数量级，目前主要应用于微型、精密元件的焊接上。镁合金的脉冲激光焊研究也主要集中在薄板的焊接，相关研究表明，在合适的脉冲激光焊工艺参数下，焊接接头的抗拉强度与母材相当甚至超过母材。但脉冲激光焊的效率低，开发成熟的高速脉冲激光焊工艺对区域较小的表面型缺陷修复具有一定的意义。电子束焊是一种高能量密度的熔化焊方法，焊接速度快、热影响区小、热变形小，可获得深宽比大的焊缝，焊缝质量高。在AZ31B镁合金的电子束焊研究中，接头的抗拉强度可到达母材的90%。但因镁合金焊接时会挥发大量的镁金属蒸汽，对真空室的污染很大。Draugelates等研究发现非真空电子束适合于镁合金的焊接，在非真空电子束焊接时，可在适当的焊接工艺下获得成形及性能良好的接头。电子束焊接时可通过添加焊丝减少气孔、缩松、缩孔等缺陷，焊丝的添加也给电子束焊在铸造镁合金的修复应用方面提供了可行性。
结语
超微弧氧化技术实现了超大形铸造镁合金产品的膜层制备，并实现标准化批量生产，产品技术指标领先行业技术水平。随着该技术的成功应用与推广，对镁合金铸件表面处理行业的发展将起到一定的推动作用。
参考文献
[1]?徐祥斌，张站云.?镁合金压铸件的表面处理研究?[J].?铝镁通讯，2010（2）：31-33.
[2]?齐左飞，吴志生，陈金秋，等.?镁合金表面耐蚀涂层现状及发展趋势?[J].?热加工工艺.
[3]?李霞，杨效田.?超音速等离子体喷涂技术的特点及其在表面工程中的应用?[J].?机械研究与应用，2017，30（5）：188-190.
[4]?刘建利.?AZ91D镁合金表面Ni基激光熔覆层的微观组织与耐蚀性能研究?[D].?济南：山东大学，2017.
[5]?邱六，朱胜，王晓明，等.?镁合金腐蚀与防护的研究现状?[J].?热加工工艺，2018，47（16）：31-36.
[6]?王文礼，陈宏，王快社.?AZ91D镁合金在不同溶液中微弧氧化膜层的形成特性及微观形貌分析?[J].?铸造技术，2010（8）：1072-1075.