镁合金焊接技术的研究进展及应用

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1、 孙 德 新 :1977 年 生 ,博 士 研 究 生 ,研 究 方 向 为 先 进 材 料 连 接镁 合 金 焊 接 技 术 的 研 究 进 展 及 应 用孙 德 新 ,孙 大 千 ,李 金 宝 ,李 明 高 ,殷 世 强(吉 林 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 ,长 春 130025)摘 要 镁 合 金 有 很 多 优 异 的 性 能 ,在 航 空 航 天 、 汽 车 、 电 子 等 领 域 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 ,而 镁 合 金 的 焊 接 技 术 是制 约 其 发 展 的 关 键 技 术 之 一 。 简 述 了 镁 合 金 的 性 能 及 应 用 ,着 重 讨

2、 论 了 镁 合 金 钨 极 氩 弧 焊 、 激 光 焊 、 电 子 束 焊 、 激 光 2TIG复 合 焊 、 搅 拌 摩 擦 焊 、 电 阻 点 焊 的 焊 接 特 点 ,综 述 了 镁 合 金 焊 接 技 术 的 研 究 进 展 和 应 用 。关 键 词 镁 合 金 焊 接 技 术 应 用Research Progress and Application of Welding Technology of Magnesium AlloysSUN Dexin , SUN Daqian , L I Jinbao , L I Minggao , YIN Shiqiang(School of Ma

3、terials Science and Engineering , Jilin University , Changchun 130025)Abstract Magnesium alloys have a wide application prospect in aerospace transportation , electronic engineer2ing and other industries due to their multiple excellent properties. The welding technology of magnesium alloys is a keyt

4、o their application in engineering. The research status of the welding technology of magnesium alloys is introduced inthis review , and the emphases are placed on the characteristics of gas tungsten arc welding , laser welding , electronbeam welding , laser2TIG welding , friction stir welding and re

5、sistance spot welding , etc. The future directions of re2search of magnesium alloys are pointed out.Key words magnesium alloy , welding technology , application0 前 言随 着 机 械 制 造 、 航 空 航 天 、 汽 车 工 业 的 发 展 以 及 石 油 化 工 、电 信 、 原 子 能 及 空 间 技 术 等 新 型 工 业 的 崛 起 ,镁 及 镁 合 金 的 需 求量 日 益 增 加 ,成 为 国 民 经 济 发 展 的 重

6、 要 基 础 原 材 料 之 一 ,在 国 民经 济 中 占 有 重 要 的 地 位 ,是 当 今 材 料 科 学 研 究 的 重 点 方 向 之一 1 ,2 。 镁 合 金 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 合 金 ,是 理 想 的 环 保 、 节 能材 料 ,符 合 可 持 续 发 展 的 要 求 ,被 誉 为 21 世 纪 绿 色 工 程 金 属 结构 材 料 ,并 将 成 为 21 世 纪 重 要 的 商 用 轻 质 材 料 3 ,4 。 随 着 对 镁合 金 的 进 一 步 研 究 和 在 各 个 领 域 中 更 加 广 泛 的 应 用 ,开 展 镁 合金 焊 接 技 术 的 研

7、究 工 作 显 得 尤 为 重 要 和 迫 切 ,提 高 镁 合 金 的 焊接 性 、 获 得 优 质 焊 接 接 头 是 进 一 步 拓 宽 镁 合 金 应 用 范 围 的 重 要条 件 。1 镁 合 金 的 性 能 及 应 用 现 状1. 1 镁 合 金 的 性 能镁 合 金 是 一 种 能 够 满 足 各 种 行 业 需 求 、 发 展 前 景 可 观 的 轻质 材 料 ,与 铝 和 钢 相 比 ,镁 合 金 材 料 具 有 以 下 特 点 5 9 :(1)镁 合 金 作 为 一 种 轻 质 金 属 结 构 材 料 ,其 密 度 仅 为1700kg/ m3 ,是 铝 合 金 的 2/ 3

8、 ,钢 的 1/ 4 ,因 此 结 构 件 的 轻 量 化 ,采 用 镁 合 金 较 合 适 。(2)镁 合 金 的 比 强 度 和 比 刚 度 都 高 于 铝 合 金 和 钢 ,在 不 降 低零 部 件 强 度 的 前 提 下 ,镁 合 金 零 部 件 的 质 量 比 铝 合 金 或 钢 的 轻很 多 ,而 且 镁 合 金 的 刚 度 随 厚 度 的 的 增 加 呈 立 方 比 增 加 ,用 镁 合金 制 造 刚 性 好 的 整 体 构 件 十 分 有 利 。(3)镁 合 金 具 有 良 好 的 抗 冲 击 性 ,是 塑 料 的 20 倍 ;拥 有 优 良的 尺 寸 稳 定 性 与 良 好

9、的 能 量 吸 震 性 (在 20MPa 应 力 水 平 下 镁 合金 AZ91D 的 衰 减 系 数 为 20 % ,而 铝 合 金 A380 只 有 1 %) ,是 制造 抗 震 零 件 的 好 材 料 ,对 于 用 作 设 备 机 壳 减 少 噪 音 传 递 、 提 高 防冲 击 与 防 凹 陷 损 坏 十 分 有 利 。(4)镁 合 金 的 传 热 和 热 膨 胀 系 数 较 大 ,弹 性 模 量 在 常 用 金 属中 是 最 低 的 。(5)镁 合 金 具 有 良 好 的 可 回 收 性 能 ,使 镁 合 金 比 许 多 塑 胶 材料 更 具 有 吸 引 力 。 塑 料 类 零 件

10、废 弃 时 不 利 于 环 境 保 护 ,镁 合 金废 料 回 收 利 用 率 高 达 85 %以 上 。 这 种 可 再 生 利 用 的 特 性 能 够达 到 汽 车 节 能 、 降 低 成 本 、 可 持 续 发 展 、 减 少 排 放 、 容 易 回 收 等 目的 。(6)镁 合 金 是 常 用 金 属 中 容 易 加 工 的 材 料 ,具 有 比 铝 合 金 及钢 的 切 削 阻 力 小 、 机 械 加 工 速 度 快 、 刀 具 使 用 寿 命 长 等 优 点 。(7)镁 合 金 还 具 有 良 好 的 焊 接 性 能 ,焊 接 接 头 的 强 度 约 为 其自 身 强 度 的 95

11、 % ,可 以 制 造 复 杂 结 构 零 件 。1. 2 镁 合 金 的 应 用镁 合 金 由 于 具 有 优 异 的 性 能 而 成 为 备 受 关 注 的 新 型 材 料 。迄 今 为 止 ,镁 合 金 在 汽 车 行 业 、 电 子 设 备 、 航 空 航 天 、 自 行 车 及 日常 生 活 等 方 面 都 得 到 了 广 泛 的 应 用 ,具 体 如 下 :(1)镁 合 金 产 品 广 泛 应 用 于 汽 车 始 于 20 世 纪 90 年 代 ,目前 ,汽 车 工 业 中 镁 合 金 用 量 较 大 的 国 家 和 地 区 主 要 有 北 美 、 日本 、 韩 国 和 欧 洲 ,

12、其 用 量 在 1991 年 仅 为 24000t ,到 1997 年 增 至64000t ,年 增 长 率 达 20 % ,预 计 2006 年 这 些 国 家 和 地 区 的 汽 车工 业 对 镁 合 金 的 需 求 量 将 达 20 万 吨 。 东 风 汽 车 公 司 早 在 “ 七221 材 料 导 报 2006 年 8 月 第 20 卷 第 8 期五 ” 、“ 八 五 ” 期 间 就 开 展 了 镁 合 金 研 究 工 作 ,“ 九 五 ” 期 间 与 北 京有 色 金 属 研 究 总 院 合 作 ,完 成 了 国 家 科 技 攻 关 项 目 为 “ 镁 合 金 在汽 车 上 的 应

13、 用 研 究 ” 。 德 国 大 众 汽 车 公 司 1980 年 全 年 的 “ 甲 壳虫 ” 汽 车 用 了 大 量 镁 合 金 ,达 到 批 量 生 产 汽 车 中 镁 合 金 用 量 的 最高 纪 录 。 镁 合 金 消 费 量 最 大 的 福 特 汽 车 公 司 仍 在 继 续 增 加 用 镁量 来 减 轻 汽 车 重 量 ,在 2001 年 使 用 了 2. 0 万 吨 。 发 展 镁 合 金 的主 要 动 力 是 汽 车 工 业 的 发 展 需 求 ,目 前 已 经 开 发 出 60 多 种 镁 合金 零 件 ,对 推 动 镁 合 金 的 进 一 步 应 用 具 有 重 要 的

14、意 义 10 14 。(2)镁 合 金 在 电 子 领 域 的 应 用 具 有 很 大 的 潜 力 ,数 字 化 技 术的 发 展 带 动 各 类 数 字 化 电 子 产 品 的 不 断 涌 现 。 电 子 元 器 件 越 来越 趋 于 高 度 集 成 化 和 小 型 化 ,便 携 式 电 脑 、 数 码 摄 录 像 机 、 数 码照 相 机 、 手 机 等 材 料 也 日 益 更 新 ,而 镁 合 金 正 是 这 些 电 子 产 品 的最 佳 外 壳 选 择 。 日 本 和 中 国 台 湾 在 这 一 领 域 保 持 着 领 先 地 位 ,除 生 产 笔 记 本 电 脑 、 MD 随 身 听

15、 和 数 码 相 机 三 大 用 镁 合 金 最 多的 产 品 外 ,还 开 发 出 投 影 机 、 CD 播 放 机 、 电 视 机 外 壳 、 掌 上 电 脑和 音 响 等 。 随 着 消 费 者 对 时 尚 的 要 求 越 来 越 高 ,在 电 子 产 品 的外 壳 材 料 上 镁 合 金 有 逐 渐 取 代 ABS、 PC 等 材 料 的 趋 势 15 17 。(3)镁 及 镁 合 金 从 20 世 纪 50 年 代 起 在 航 空 工 业 中 就 已 经被 广 泛 使 用 18 ,19 。 在 B236 轰 炸 机 上 ,共 使 用 8600kg 的 镁 ,其 中1/ 2 是 用 作

16、 结 构 材 料 。 在 GAR21 型 Falcon (空 对 空 导 弹 ) 中 的弹 体 是 由 0. 040 英 寸 (0. 1016cm) 的 AZ32B2H24 合 金 和 AZ91B制 成 的 。 前 苏 联 用 火 箭 送 上 月 球 的 第 一 架 月 球 车 就 是 采 用 镁 合金 制 造 的 。 目 前 ,将 已 经 研 究 出 的 高 温 镁 合 金 WE43、 WE54 应用 在 新 型 航 空 发 动 机 齿 轮 箱 和 直 升 机 的 变 速 系 统 中 ,能 在 振 动 、沙 尘 、 腐 蚀 、 高 温 等 比 较 恶 劣 的 环 境 中 使 用 。 可 见 镁 合 金 在 航 空航 天 工 业 中 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。此 外 ,镁 合 金 还 应 用 在 自 行 车 、 建 筑 装 饰 等 行 业 中 ,逐 渐 成为 新 的 市 场 热 点 20 。2 镁 合 金 焊 接 特 点由 于 镁 合