镁合金的焊接方法优化指南

目前，镁合金结构件，尤其是型材、板材应用需求不断增加，镁合金连接工艺成为必须解决的问题，而焊接是金属材料连接工艺中最简单普遍的连接方式。相对于钢铁材料及铝合金，镁合金焊接性能较差，焊接问题成为制约其广泛应用的首要问题。因此，镁合金焊接技术的开发和应用对镁合金产业化具有重要的现实意义。

常见的镁合金焊接方法包括钨极惰性气体保护焊（TIG）、熔化极惰性气体保护焊（MIG）、激光焊（LBW）、搅拌摩擦焊（FSW）等。

1. 钨极惰性气体保护焊（TIG 焊）

钨极惰性气体保护焊（Tungsten Inert Gas Arc Welding，TIG）是镁合金焊接最常用的一种焊接方法，是在惰性气体的保护下，使用纯钨或钨合金（如铈钨等）作为非熔化电极，通过与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。它是镁合金焊接最常用、发展最早的焊接方式之一，不仅用于镁合金部件的焊接成型，同时也广泛应用于镁合金铸件铸造缺陷的焊补和修复。

当采用的保护气体为氩气时，钨极惰性气体保护焊称为钨极氩弧焊。钨极氩弧焊是目前焊接镁合金最常用的焊接方法。一般采用交流氩弧焊，若使用直流电源焊接时，需采用反极性接法，以便利用阴极雾化作用破坏、除去母材表面的氧化膜，减少或避免焊缝中的氧化物夹杂。氩弧焊的热影响区尺寸及变形比较小，焊缝的力学性能和耐腐蚀性能也比较高。钨极氩弧焊方法在有无填充金属的情况下都可以进行镁合金的焊接，由于电极与填充丝独立，可以在较宽的工艺条件下进行稳定焊接，所以钨极氩弧焊在镁合金的焊接方面比焊接范围窄的熔化极氩弧焊应用更广，特别适合于镁合金薄板的焊接。但是由于镁合金热膨胀系数大，易产生焊接裂纹、焊后变形等缺陷，因此需要采用夹具固定、坡口处理、焊前焊后热处理等措施，以保证获得质量好的焊接接头。

影响TIG 焊接头质量的主要因素有材料表面状态、坡口型式、惰性气体的流量、焊接电流、脉冲频率、焊接速度、焊丝成分等。

（1）焊前清理。

镁合金表面的氧化膜是焊接时的重大障碍，焊前必须清除。在焊前，要清除焊接接头正面、背面的油脂和其他污物，范围是距坡口中心位置约20 mm以内，再用砂纸进行打磨，去除焊件表面的氧化膜，使之露出金属光泽，以保证焊后接头的质量。一般情况下，用机械清理和化学清理的方法清理焊丝。如果焊丝有油封包装，则先使用丙酮或四氯化碳清除油污，并对焊丝表面进行打磨，去除氧化膜。化学清理的方法是，将焊丝浸入浓度为 20%～25%的硝酸溶液中1～2 min，然后放入70～90 °C 的热水中浸泡1～2 min，取出沥水晾干即可。

（2）坡口型式

镁合金氩弧焊时采用交流接法，且氩气对电弧冷却作用较小，电弧穿透能力不是很强，所以要依据镁合金焊件的厚度、接头形式、焊接位置及工作要求，加工出适宜的坡口型，如表1-2 所示。

表1-2　镁合金焊接坡口型[14]

（3）焊前预热处理。

为了防止产生焊接裂纹等缺陷，防止焊后变形，焊前要对镁合金板材进行预热处理，预热温度为250～350 °C，时间为20 min。对于厚度大于16 mm的镁合金板，焊前在其坡口表面涂敷活性剂二氧化钛或氯化物，可以提高焊缝熔深，促进焊缝熔合，有效防止裂纹、气孔、夹渣等缺陷的出现。

对镁合金焊件进行预热同样可以提高焊接接头力学性能。Shen 等人[15]研究了预热对TIG 焊接AZ61 镁合金接头的组织和力学性能的影响，结果表明随着预热温度的增加，在熔合区 Mg17Al12由 15%增加至 66%；在预热温度为300 °C 时，焊接接头的显微硬度和抗拉强度达到最大值。

（4）焊接线能量。

张福全、周海等[16，17]考察了焊接电流在30～60 A 与160～220 A 区间对焊接组织与力学性能的影响，发现焊接电流对接头力学性能影响较大。

焊接电流和焊接速度对焊接线能量起主导作用。通常镁合金焊接时均采用尽可能大的焊接电流和焊接速度，因为小电流焊接时极易产生焊缝气孔，减小焊接速度会使输入的热量增加，形成过热和热裂纹。采用小电流焊接热影响区较宽，热影响区晶粒较焊缝和母材明显粗大[18]。

当然焊接电流也并非越大越好，当电流过大时接头抗拉强度急剧下降。这是由于大电流焊接时晶粒进一步增大，镁蒸发严重，导致二次相数量增多的缘故。所以镁合金TIG 焊时，在满足焊缝成形、焊透和不破坏氩气保护的条件下，焊接电流尽可能取上限[16]。线能量过大会使焊接接头的金属组织变坏。

不同的接头型式对焊接电流、焊接速度有不同的要求。表1-3 列出了6 mm厚AZ31B 镁合金板材TIG 焊接工艺参数。其他厚度和材质的镁合金的焊接工艺参数，可以通过焊接试验和工艺评价来确定。

表1-3　6 mm 厚AZ31B 镁合金板材TIG 焊接工艺参数

（5）氩气流量。

氢是镁合金焊接时产生气孔的主要原因，弧柱气氛中的水分、焊接材料、母材表面氧化膜的吸附水分，在焊缝气孔的产生中常常占有较大比例。M Marya 等人[19]认为TIG 焊焊接镁合金时，保护气体的流量是影响焊缝中气孔含量的一个因素，在焊接过程中通过增加气体的流量可以显著地减小气孔的数量、体积，并能减小焊缝中镁的损失，从而提高焊接接头的力学性能。

（6）焊丝化学成分。

焊丝的化学成分对焊接接头的组织影响较大，一般选取Al 含量低于母材组织的焊丝。因为在高温时焊缝镁蒸发严重，如果Al 含量过高，会引起二次相的量过大，虽然接头硬度会增大，但会降低接头的强度。

徐锦峰等人[20]研究了AZ91B 镁合金TIG 焊时选用不同焊丝时的焊缝组织区别，发现使用ERAZ61 和ERA91 焊丝均可获得组织致密、焊缝与母材结合良好的焊接接头。但是使用AZ91 焊丝时，接头铝含量较高，最高可达10.8%，高于母材2.3%，且二次相含量较多。使用ERAZ61 焊接 AZ91B 合金，焊缝ω(Al)=8.33%，和母材接近，接头抗拉强度和伸长率也较高。

彭建等[21]对AZ61 镁合金薄板采用AZ31、AZ61 两种焊丝进行TIG 焊接试验，分析了焊丝成分对焊接接头组织和性能的影响，发现采用 AZ61 焊丝焊接接头力学性能更优异。

（7）电流和极性的选择。

交流电流的阴阳极周期性变换，相当于在每个周期里一半波为直流正接，一半波为直流反接。正接的半波期间钨极可以发射足够的电子而不过热，有利于焊接电弧稳定。反接的半波期间工件表面生成的氧化膜很容易被较重的正离子轰击而清理掉，获得成形良好的焊缝。T Asahina 和H Tokisue 研究了TIG 焊接AZ31 镁合金凝固裂纹的敏感性，发现用交流TIG 焊比直流TIG 焊时裂纹要少[22]。

（8）脉冲频率。

T Ashina 和H Tokisue 等[23，24]研究了AZ31 板材TIG 焊接后的组织与力学性能，发现脉冲频率对 AZ31 焊接热裂纹敏感性具有重要影响，合适的脉冲频率可以获得力学性能较高的焊接接头。TIG 焊的电弧压力过大，会产生咬边、驼峰等焊接缺陷，文献[24]研究电流脉冲频率对TIG 焊电弧压力的影响。

（9）焊后热处理。

焊接结束后，为了降低甚至消除接头的残余应力，保证焊接接头性能、尺寸的稳定，须进行退火处理。镁合金板材TIG 焊接后的退火工艺曲线为温度250 °C—350 °C—250 °C—100 °C，每段时长20 min。

（10）活性化钨极氩弧焊接

针对钨极氩弧焊接容易焊不透的问题，近年来，活性钨极氩弧焊（Activating Flux-TIG，ATIG）逐步应用到了镁合金焊接中，该方法是使用活性剂焊前涂敷到被焊工件表面后进行氩弧焊接，相对于常规的TIG，A-TIG 可以大幅度增大焊接熔深，提高熔池的深宽比。刘黎明等人[25，26]研究了氧化物及氯化物活性剂TiO2、Cr2O3、CdCl2及ZnCl2对镁合金交流TIG 熔深的影响。结果表明，这4 种活性剂均可增加焊缝熔深，利用活性焊接可以改善镁合金TIG 时存在的熔深浅的缺点。Li、Wang 等人[27，28]研究了复合活性剂对AZ31 镁合金TIG 焊接接头焊透性、微观组织和力学性能的影响规律和机理，TiO2活性剂的增加改善了AZ31 镁合金TIG 焊缝的深宽比，另外，CaF2和TiO2覆盖剂可以降低熔化区孔隙率和凝固裂纹的长度，适量的 TiO2可以提高接头的抗拉强度。

2. 熔化极惰性气体保护焊（MIG 焊）

熔化极惰性气体保护焊（MIG 焊）是利用惰性气体作为保护介质，采用连续送进可熔化的焊丝与燃烧于焊丝工件间的电弧作为热源的电弧焊。在镁合金焊接过程中，因为MIG 焊熔滴过渡中，整体的焊接情况能够均匀和稳定，所以镁合金表面和里层不会出现明显的差异，而整个焊缝成形均匀、美观，焊接效果理想。MIG 焊中所使用的电弧气氛仅有非常弱的氧化性，有的甚至无氧化性，这样也就意味着MIG 焊不仅用于碳钢、高合金钢焊接，还可以焊接许多活泼金属及其合金，其中就包括镁及镁合金、铝及铝合金等，此外，MIG 焊也大大地提高了焊接工艺性和焊接效率。

镁合金熔化极氩弧焊时有3 种熔滴过渡形式：短路过渡、脉冲喷射过渡和喷射过渡。焊接时出现哪种过渡形式取决于多方面因素，包括焊丝的熔化速度、焊接电流、送丝速度以及焊丝直径等。脉冲喷射过渡介于短路过渡和喷射过渡之间，需加脉冲电流才能实现。否则在特定的电流范围、送丝速度以及焊丝球形端面条件下得到的是粗滴过渡形式，电弧不稳定，易产生飞溅。脉冲喷射过渡所需线能量小于连续喷射过渡，适用于中等厚度板材。短路过渡适用于薄板焊接。喷射过渡适用于厚板焊接。

镁合金MIG 焊接头质量影响因素主要包括材料表面状态、焊接电流、焊接速度、脉冲、熔滴过渡形式等。

（1）焊前准备。

镁合金表面常涂敷一层铬酸盐以防止其被腐蚀，但铬酸盐所形成的氧化膜却是焊接的重要障碍，所以焊接前镁合金必须进行清理。焊丝通常有机械清除法和化学清除法两种方式。机械法是用刀具或钢丝刷去除表面的氧化膜；化学法是将焊丝浸入到温度为90 °C、成分为180 g/L Cr2O3溶液中侵蚀5 min或者是将其在20%左右的HNO3溶液中侵蚀2 min，然后用50～90 °C 的热水清洗。工件的机械清理方法与焊丝相似，只是要将焊缝周围25～30 mm 的区域清除干净。当工件批量生产时，常用化学清除方法，包括表面脱脂、碱侵蚀、中和处理等工序[29]。

（2）焊接线能量。

通常情况下，镁合金的焊接应尽量避免使用小电流和小的焊接速度，以防止焊缝过热和热裂纹、气孔等缺陷的产生[14]。但从表1-4 可以看出，电流和焊接速度并不是越大越好，电流和焊接速度要恰当匹配，使得焊接线能量处于适当值，才能得到质量较好的焊接接头。当焊接线能量较大时，很容易超过镁合金的沸点，造成大量飞溅，且卷入大量气体，造成焊接气孔的产生。而当焊接线能量较低时，焊丝熔化不完全，焊缝成形不均。研究发现，随着焊接热输入量的不同，焊缝中各相的含量也发生着变化[30]。Rethemeier 和Wiesner 在研究MIG 焊热输入量对镁合金焊缝质量的影响时发现，选用合适的热输入量，工件的抗弯曲强度可达到母材的 50%，抗拉强度达到母材的75%[31]。

表1-4　MIG 焊工艺参数及其焊接质量[32]

刘珍良在采用单丝脉冲MIG 焊对4 mm 厚的AZ31B 镁合金板材进行对接焊时，发现电流为160 A、电压为24.4 V、焊接速度为70 cm/min 时，焊接接头强度可达母材的93%[33]。

（3）脉冲。

脉冲影响熔滴的过渡形式是其对镁合金MIG 焊最明显的影响。在直流脉冲MIG 焊中，存在短路过渡、脉冲过渡和喷射过渡3 种熔滴过渡形式。脉冲电流、脉冲时间、脉冲频率对熔滴过渡形式、焊缝成型有明显影响。

其他参数一定时，若脉冲频率很小，基值电流期间，焊丝熔化少，而焊丝却不断送进，焊丝与焊件之间产生固态短路，造成焊接过程不稳定。若基值电流时间较长，较低的电弧力不足以过渡熔滴，熔化的焊丝在焊丝端部聚集成具有一定质量的大滴，依靠重力完成熔滴过渡，这样又会造成较大飞溅，带走一部分热量，故脉冲频率较低时，焊接过程不稳定，飞溅大，熔深较浅。随着脉冲频率的增加，脉冲间歇时间短，基值电流加热焊丝使少量的焊丝熔化，并不会形成大滴，这样在脉冲时间熔滴过渡较多，焊接热输入较大，熔池尺寸增大[34]。

（4）电源。

镁合金的MIG 电弧焊通常采用DCEP（直流反接）电源，恒压源可用于短路过渡和大部分的喷射过渡；恒流源用于喷射过渡，有利于减少飞溅。而脉冲 MIG 电弧焊必须采用特殊的脉冲电流恒压源。有研究表明，选用合适的焊接电源和热输入，镁合金接头的静载强度可以近似等于母材的强度，去掉焊缝余高后，疲劳强度比母材的高75%[35]。(www.xing528.com)

3. 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是英国焊接研究所于1991 年首先提出的一种新型的固相焊接技术，主要用于熔点较低金属（如铝、镁等）的焊接，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的焊接。摩擦搅拌焊接是使用机械式的旋转搅拌棒，通过旋转摩擦和搅拌作用，将金属从固态转变成塑性状态，再辅以挤压作用使材料接合在一起。由于其焊接变形小、温度低、热影响区较小，并且在焊接之前不用进行严格的表面清理，焊接过程不需要保护气体，没有辐射烟尘等，是一种节能环保、优质高效的焊接方法，自发明起便受到了广泛的关注，也是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短的连接技术。已在航空、航天、船舶、轨道交通、汽车等工业领域广泛应用，成为高强铝合金和镁合金的首选焊接工艺。

目前，已有研究者采用搅拌摩擦焊成功地实现了镁合金薄板的连接，接头形成后几乎没有任何变形，接头上下表面光滑、无堆高，没有裂纹、气孔和背面未焊透等缺陷。

与常规摩擦焊一样，搅拌摩擦焊方法也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，其工艺原理非常简单，由轴肩和搅拌针组成的搅拌头高速旋转插入待焊工件的接缝处，当轴肩与工件紧密接触后，搅拌头沿接缝旋转移动，搅拌针的搅动通过剧烈摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，使连接缝处的金属产生塑性流变与混合，同时在焊件两端施加压力，促进焊缝两侧的金属原子扩散互溶，以实现焊接成形。如图1-1 所示，其中焊缝前进侧是指搅拌摩擦焊接过程中搅拌头旋转方向与搅拌头前进方向一致的一侧；焊缝返回侧是指搅拌摩擦焊接过程中搅拌头旋转方向与搅拌头前进方向相反的一侧。

图1-1　搅拌摩擦焊接示意图[36]

在实际工程应用中，相对于熔化焊，镁合金搅拌摩擦焊接技术具有一系列的优势及特点[37-39]：

（1）焊缝质量较好、性能高。镁合金材料熔沸点较低，传统的熔化焊工艺极易在焊缝处产生氧化物夹杂、孔洞、热裂纹等缺陷。而FSW 作为一种固相连接技术，根据搅拌摩擦焊成型原理，通常焊接温度低于被焊材料的熔点，因此，被焊材料只是在较高温度下发生塑性软化，并没有像传统焊接方法一样发生熔化，焊接过程没有材料的烧损，可有效避免熔焊过程中材料熔化—凝固所引起的各种缺陷，焊缝质量较好，外观平整，没有气孔、裂纹和夹杂。同时，也降低了镁合金复合材料焊接过程中其增强相的沉降、聚集与转化倾向。

搅拌摩擦焊接头拉伸、疲劳以及冲击等机械性能与常规焊接接头相比较强。接头焊核区伴随着摩擦热和搅拌头的机械剪切变形，晶粒发生动态再结晶现象，形成细小致密组织，而且焊接过程热输入较小，材料没有发生熔化，焊缝成型质量好，这些都可以有效改善接头力学性能。同时由于焊接温度低，热影响区较窄，被焊接件没有较大变形，残余应力小。

（2）焊接工艺简单经济。FSW 焊接过程中没有焊接材料（保护气、焊剂、填充材料等）的损耗，焊前处理简单，通常无须表面清理，借助搅拌头与母材表面的摩擦挤压可以消除材料表层的氧化膜等杂质，焊后也不需要对焊缝进行清理；另外，厚板工件焊接一般无须开坡口。

（3）生产效率高。FSW 往往采用专门的焊接设备实现焊接，因而，自动化程度高，生产效率高，焊接成本较低，人为影响因素少，焊件质量稳定性好。在焊接设备具有足够大的行程且焊件夹装定位准确的条件下，可以实现一次性精密长焊缝焊接。搅拌摩擦双面焊接可以采用双轴肩一次焊接完成。

（4）焊接过程环保。FSW 是一种固相焊接方法，焊接过程中没有金属材料的熔化，没有烟尘、弧光、有害物质的生成，同时噪声低，焊接前及焊接过程中对环境的污染小。而且焊接过程中不需要将焊缝处金属熔化，相对于熔化焊，FSW 的能耗低。

在FSW 焊过程中，接头单位长度的热输入量以及搅拌头作用下材料的塑性流变状态是影响接头质量的关键因素。而热输入量及材料的塑性流变状态与搅拌头的几何特征、尺寸以及焊接工艺参数有关。

（1）搅拌头的几何形状及尺寸。

轴肩和搅拌针是搅拌头的主要组成部分。FSW 焊时，材料的塑性流动首先在上部进行，然后随着搅拌头的旋转向下运动。上部材料接近轴肩热输入较大，能够进行较充分的流动和扩散；但材料受热最大，变形也大。下部材料由于热输入较小，流动受阻造成流动程度不够，从而导致接头中部连接性能最好。因此，如何减少上部材料受热以及增加下部塑性材料的流动程度，使得材料受热更加均匀，是提高接头质量的关键所在。而材料的流动与搅拌头的特征及几何参数有关。

① 搅拌针几何特征。搅拌针形状最常见的是锥形和圆柱形两种。圆柱形搅拌针主要用来焊接薄板，厚板焊接时，接头性能与焊接效率都无法得到保证；锥形搅拌针在焊接过程中能减小搅拌头承受的扭矩和弯矩，减小运动阻力，促进塑性变形；同时，有助于塑性材料的充分混合，产生具有均匀取向的细晶组织[40，41]。

根据表面特征，搅拌针有螺纹、平面和凹槽3 种。螺纹搅拌针在搅拌中有利于带动材料流动，更易获得无缺陷、质量优的接头，但螺距要足够大[42]。对于螺纹旋向问题，Chowdhury 等[43]认为当搅拌针旋转方向与螺纹旋向相互配合能带动材料向下流转时，有利于消除孔洞、破碎氧化层，获得质量好的接头。平面搅拌针能够增加材料的局部流变，改变其周围材料的流动[44]。凹槽螺纹搅拌针，能将裹夹在凹槽内的塑性材料带到接头底部形成完整接头。

② 轴肩几何特征。轴肩端面主要有水平、内凹、外凸3 种形式。内凹轴肩凹角较小，能够将搅拌针搅拌带出的塑性材料存储到内凹槽，同时能够将搅拌头后方的材料压实，起到类似锻压的作用。水平轴肩获得的焊缝表面光滑，但无法对塑性流动材料形成有效约束，会导致接头飞边产生。外凸轴肩在沿外凸面的任何位置都能与被焊工件接触，但轴肩对塑性材料的约束减弱，实际应用较少[45]。

轴肩表面的微观特征也会影响材料的摩擦和变形，进而影响接头质量。常见的有光滑表面、滚花槽、脊槽、凹槽、螺旋槽、同心圆槽。最典型的是螺旋轴肩，这些螺旋槽有助于材料从轴肩边缘向搅拌针中心转移。带有螺旋槽的内凹轴肩在焊接时能减小搅拌头受到的反作用力，增加工件表面的塑性变形和摩擦热，消除由此产生的内切缺陷，减少飞边[46]。

③ 搅拌头尺寸。搅拌头的尺寸，主要包括轴肩直径、直径和长度，对摩擦产热有直接影响。这些尺寸参数之间以及与焊接工件尺寸之间密切相关。

轴肩尺寸与接头裂纹、孔洞等问题的出现有关，影响焊接接头的质量。轴肩尺寸过小，对变形材料无法有效包拢，会将部分材料排挤在外，同时，产生的摩擦热少，不足以使材料塑化。随着轴肩尺寸的增加，受搅拌头的搅拌和摩擦热的影响，塑变材料充分流动，焊核区内部发生动态再结晶，组织细化、致密、均匀，力学性能提升。但过大的轴肩尺寸会在FSW 过程中产生过多的摩擦热，出现组织粗化、疏松，甚至出现隧道型空洞，力学性能下降[47]。

搅拌针在焊接过程中要承受非常大的交变负荷，如果搅拌针根部直径过小，焊接过程中易发生断裂；但倘若根部直径过大，焊接时势必要转移更多的材料，耗散较多的摩擦热，引起接头区域塑变材料流动不佳，材料无法及时填充搅拌针运动过的区域，进而在接头形成空洞、沟槽等缺陷，影响接头成形质量。此外，搅拌针直径过大，会增大搅拌针搅拌时承受的阻力。因此，搅拌针的端部直径，在保证其性能不受影响的前提下，应尽可能小[48-50]。

目前，关于搅拌头尺寸主要是基于试验和经验，根据被焊工件的厚度等确定。一般情况下，搅拌针直径与焊接工件厚度相近，长度比工件厚度短0.2～0.3 mm，轴肩直径为工件厚度和搅拌针根部直径的3 倍[45，48，51]。

（2）工艺参数。

FSW 焊工艺参数主要有焊接速度、搅拌头转速、轴肩下压力、主轴倾角等。

① 焊接工艺参数影响显著程度。不同材料 FSW 焊工艺参数的侧重点不同，对于AZ80A 镁合金，与焊接速度相比，搅拌头转速对接头的组织和力学性能的影响更为显著[52]。对于Mg-5Al-3Sn 镁合金焊接速度影响更大[53]。对于AZ91 镁合金FSW 接头中的隧道缺陷常在冠状区与环形区交界处产生，这种缺陷对于焊接速度较为敏感，而搅拌头转速可在较大范围内变动。文献[48，54]研究表明，对FSW 接头质量影响显著程度依次为搅拌头旋转速度、焊接速度和轴肩下压力。文献[55]则认为AZ31 镁合金FSW 焊轴肩下压力和搅拌头倾斜角是影响焊核成型的重要因素。

② 旋转速度与焊接速度。焊接速度和搅拌头旋转速度与FSW 焊接热输入之间的关系是复杂的。FSW 焊时，当搅拌头转速较低或焊接速度过快时，摩擦热输入就会随之减少，在接近工件表面的搅拌针周围形成热塑流变层；而在接头内部，由于温度相对较低，材料也就不能充分流动填充焊缝，会在接头内部形成孔洞、隧道型缺陷甚至表面沟槽，影响接头质量。搅拌头转速过快或焊接速度过慢时，情况恰好相反，焊接热输入过大，从而使接头焊核区组织粗大甚至过热熔化，还有可能引起低熔点相的熔析，导致裂纹产生[56]。同时，过高的热量会增大材料的黏度，造成接头表面粗糙、毛刺、起皮等缺陷[57]。

可见在实际生产中，搅拌头的旋转速度与焊接速度都直接影响接头的质量，但只有两者的合理匹配，才能得到宏观成形好、微观无缺陷的高质量焊接接头[58]。研究表明镁合金焊接接头的质量取决于FSW 焊过程中单位长度接头吸收的能量，而单位长度接头吸收的能量又与搅拌头的旋转速度和焊接速度之比有关[59]。比值越大，单位长度的接头上搅拌头旋转的周数越多，产生的摩擦热输入越多，接头区材料的流动性越好。反之，摩擦热输入少，接头区材料的流动性不足。因此一般参考搅拌头转速与焊接速度之比来估计搅拌摩擦焊热输入的大小[60]。

③ 轴肩下压量。定义轴肩的最低点距离焊接工件表面的深度为轴肩下压量。轴肩下压量实际上是FSW 过程中焊接压力的表征。当轴肩下压量过低时，轴肩与工件表面不能紧密接触，在搅拌头旋转运动过程中少量的塑变材料可能被挤出，而FSW 又没有添加材料，这样就会在接头内部出现组织疏松、孔洞、隧道型缺陷，甚至在接头表面出现沟槽[58]；增加轴肩下压量，被焊工件获得足够的摩擦热输入，提高材料流动性的同时，提高了接头内部组织的致密度，使成型质量得到改善。但如果轴肩下压量过大，摩擦力的增大会使搅拌头旋转、移动的阻力增大，接头易出现凹陷，表面出现飞边、毛刺[58]。

4. 激光焊

激光焊是利用高能量密度激光束作为热源进行焊接的一种高效精密加工方法。在焊接过程中，激光束照射到金属表面时，材料将瞬时气化并在束流压力和蒸气压力的共同作用下形成一个细长的小孔，小孔中的气化金属被电离并将摄入的能量完全吸收，然后将热量传递给周围材料使之熔化，在小孔附近形成熔池。与其他熔焊方法相比，激光焊具有能量密度高、热输入低、接头区残余应力和变形小、熔化区和热影响区窄、熔深大、焊缝组织细小、接头性能好等优点。此外激光焊不需要真空条件，保护气体种类及压力范围可方便选择，可借助偏转棱镜或光导纤维将激光束引导到难以接近的部位进行焊接，操作灵活，可穿过透明材料聚焦焊接等。由于激光束控制灵活，因此易于实现工件的三维自动化焊接。

目前，镁合金激光焊接主要有CO2激光、YAG 激光和光纤激光。

（1）CO2激光一般以连续波的形式工作，输出功率与效率高、可靠性与安全性好，在镁合金焊接研究早期应用较为广泛。CO2激光焊接工艺参数（离焦量、激光功率、焊接速度等）对镁合金焊接接头质量具有重要影响，在确保充分熔透的前提下，较高的焊接速度及较低的激光功率易获得形状良好且深而窄的焊缝[61]，同时，熔化区组织细化，残余应力在焊接接头（包括热影响区）底部与顶部基本相同[62]。但焊接速度过高或过低均可使焊缝宽度增加并会导致热裂纹产生[63，64]。

（2）镁合金反射率高，与YAG 激光的耦合效率要远高于CO2激光，因此焊缝熔池更稳定，接头质量也更好。目前，脉冲YAG 激光焊接镁合金的研究主要集中在Mg-Al 系合金，这类材料的焊缝深窄，接头成形质量好，接头组织细密，热影响区不明显。焊接速度与激光功率都影响焊接接头的质量，焊接速度过快会出现未焊透，过慢则会导致烧穿。激光功率增大，接头的晶粒粗化，但不明显[65，66]。文献[67，68]对镁合金薄板脉冲YAG 激光焊接工艺进行了优化设计，试验参数为保护气体、激光功率、焊接速度、离焦量、脉冲频率和脉冲波形。优化表明，激光功率和脉冲波形对焊接质量影响最为明显。

（3）光纤激光有稳定的光束质量、较小的焦斑直径，加热集中，能够提供更高的功率密度，因而光纤激光焊接具有高的深宽比和高的焊接效率。目前对AZ31、AZ91、AMCa403 等镁合金光纤激光焊接研究表明，光纤激光焊接镁合金得到的接头成形好，深宽比大，热影响区小，接头晶粒细化，无明显的焊接缺陷，焊缝形状呈沙漏形[69，70]。热输入是影响接头质量的主要因素[71]。

5. 其他焊接方法

（1）激光-TIG 复合热源焊接。

激光-TIG 复合热源焊真正的应用直到近几年才出现，这主要得益于激光技术以及弧焊设备的发展，尤其是激光功率和电流控制技术的提高。激光电弧复合对焊接效率提高十分显著。这主要基于两种效应：一是较高的能量密度导致了较高的焊接速度，工件对流损失减小；二是两种热源相互作用的叠加效应。焊接时，激光引发的等离子体使电弧更稳定，同时，电弧能进入熔池小孔，减小了能量的损失。激光-复合焊可显著增加焊速，而且钨极烧损大大减小，寿命增加，坡口夹角亦减小，焊缝宽度与激光焊时相近。

（2）摩擦焊。

摩擦焊是在外力驱动下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动产生热量，使接触面及其附近区域的金属达到黏塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，然后通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接。在整个过程中，摩擦界面温度一般不会超过熔点，因而摩擦焊也是一种固相焊接方法。

摩擦焊接头的形成机制和性能与熔化焊存在显著差异。其接头组织和性能的特点不会产生与熔化和凝固过程有关的缺陷，如裂纹、气孔、偏析和夹杂热影响区窄，组织无明显粗化，焊接变形及残余应力小，接头附近区域因顶锻力的作用引发了一些力学冶金效应，如晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布等。因此，摩擦焊接头的性能优异。

（3）电子束焊。

电子束焊接是利用高电场产生高速电子，经会聚后形成电子流，撞击被焊金属的接缝处，使其动能转化为热能，金属熔化形成连接接头的一种方法。电子束的能量密度高，穿透力很强，具有焊接速度快，热输入低，焊道宽度及热影响区窄，焊道熔深大，变形小，焊缝纯洁度高等优点。但是由于镁的蒸气压很高，进行镁及镁合金的电子束焊接时，容易产生起弧现象，焊接过程容易被中断。通过增大焊接速度可避免起弧现象，不过最佳的焊接速度比铝合金小。在热输入量较小、焊速相对较大的电子束焊接过程中，焊缝中的氢气在凝固之前来不及上浮和溢出，容易形成气孔，还容易产生熔穿现象。因此要求有一套精确的操作工艺以防止气孔与过热。焊接过程中电子束的周向摆动和聚焦点位置的调节有利于消除气孔，获得优质焊缝。此外，熔融镁的表面张力很小，因此在焊接过程中很容易发生焊缝下榻。

（4）电阻点焊。

点焊镁合金板材或挤压材需要大电流短时间的强规范焊接，这与镁合金电阻小、散热系数大有关。由于镁的热膨胀系数大，在镁合金点焊过程中易出现大的变形。镁合金的表面状态对点焊质量影响很大，因此在点焊前必须对焊件进行清理，去除其表面的铬化物保护层和氧化物。镁易与电极铜发生反应生成金属间化合物，使得电极与试件发生黏附现象，影响焊点的质量。因此在点焊镁合金时要加强电极的冷却，同时需要电极与工件接触面电阻均匀分布，不会因为电流的强烈集束作用而在接触面上产生大量的电阻热，进而有效地改善电极黏附现象。

（5）等离子弧焊。

等离子弧是一种受到约束的非自由电弧，也称压缩电弧，其温度和能量密度都显著高于普通电弧，穿透力较强，适合于厚板与弧长要求较大的场合。采用等离子弧焊焊接镁合金时，可以在背面无垫板的情况下实现厚板对接的一次全焊透，且焊缝表面光滑，具有良好的疲劳性能。

（6）气焊。

气焊的热源是火焰氧-燃气混合燃烧形成，热量不集中，焊件被加热区较宽，容易在接头区导致较大的收缩应力，形成裂纹等缺陷。同时残留在焊缝中的助焊剂容易产生夹渣和发生腐蚀，因而气焊主要用于没有合适熔焊设备的现场或不太重要的薄板构件以及铸件的焊补。

（7）钎焊。

镁合金的钎焊工艺与铝合金相似，可采用火焰钎焊、炉中钎焊及浸渍钎焊等方法，其中以浸渍钎焊应用最为广泛。钎焊时所用钎料一般都是镁基合金组分，适配钎剂为氯化物和氟化物的混合粉末。目前，无镀层镁合金的钎焊工艺一般仅限于硬钎焊，因为还没有找到合适的去膜及界面活化软钎剂，所以对于无镀层镁合金的无钎剂软钎焊仅限于焊接角接头和填补变形件及铸件喷涂前的非关键面上的表面缺陷。而带有镀层的镁合金可以采用常用的软钎焊技术。