镁合金TIG焊接技术的应用探究

镁合金TIG焊接技术的应用探究

乔昕 

中国航发东安 黑龙江  哈尔滨  150066

摘要：镁合金是我国诸多行业会使用到的材料，航天、航空、电子等领域均会使用到镁合金，同时需要应用镁合金焊接技术，以满足对合金的使用要求。在航空发动机镁合金铸件的生产过程中，焊接技术的使用非常广泛，因此有必要知晓镁合金焊接特点，在此基础上立足工艺生产要求使用TIG焊，不断完善垫板材料选择及保护气氛的具体应用延伸,完成对镁合金的处理需要。

关键词： TIG焊；保护气氛；垫板材料

镁合金是最轻的工程结构材料，具备储量丰富、比强度高、电磁屏蔽性好、可回收性强、导热性好、磁导率高等优点[1-2]。在航空航天领域，许多重要的构件、承载件均采用大型镁合金铸件，如直升机传动系统、发动机机匣、航天器舱体类部件等，获得了良好的减重效果，但此类构件结构复杂，存在多种情况下的异型曲面、内腔结构、壁厚突变等情况，进一步降低了铸造镁合金的一次合格率。面对当前镁合金合格率较低的情况，除了在铸造过程中采取工艺措施和加强过程控制外，对铸件的焊接修复也是重要的保证措施[3]。在镁合金铸件的焊接修复方面，已经出现不少技术，但TIG焊接仍然是应用深度很高的一项技术。在镁合金焊接技术的使用中，需要根据对金属的处置要求，对技术操控方法进行调整，由此获得相对突出的效果。

一、镁合金焊接特点分析

镁合金化学性质相对活泼，所以在金属表面容易形成一层氧化膜，氧化膜对金属有保护作用，但是会影响到镁合金焊接工作的效果。在镁合金焊接环节，热应力、晶粒问题、蒸发、氧化、塌陷、薄件烧穿等因素，将会对镁合金焊接形成影响。镁合金的熔点比较低，在焊接镁合金时基于传导热的需求，选择功率较高的焊接热源，由此在焊接缝口会生成较大的晶粒，镁合金力学性能容易受到影响，致使功能效用不能全面的发挥出来[4]。

结合对镁合金与钢热膨胀系数调查得到的结果，发现前者为后者的两倍，镁合金焊接也容易出现到热应力，对整个铸件的尺寸、形状、性能均会有一定的影响。在热应力作用下，镁合金内心温度与表层温度存在差异，在温度差的影响下，表层收缩力较大，将会对镁合金心部形成不小的拉力，导致变形，在力较大时还可能出现开裂的情况。

金属镁作为镁合金中较为重要的成分，化学性质较为活泼，在高温下容易和氧气发生反应，氧化镁是反应物。在焊接镁合金铸件时，过程保护气氛不足会产生氧化镁，所以在焊接活动中，可能因氧化镁的存在，出现塌陷、烧穿等情况，同时不利于实现两者融合的目的。

一、TIG焊镁合金焊接技术现状分析

TIG焊中文全称钨极气体保护焊，这是镁合金焊接中使用频率较高的一种手段，在惰性气体保护中，通过铸件与钨电极作用产生的电弧热，可以有效熔化填充金属与母材，这是制作合金极为关键的步骤。在焊接活动中，需要根据镁合金的特点，选择电源的类型，保证焊接活动可以有序进行，由于金属镁相对活泼，可以和空气中的氧发生作用，所以镁合金的表面存在一层氧化膜。在焊接镁合金时，出于对镁合金易发生氧化反应特征的考量，需要先去除镁合金外部的氧化膜。在焊接活动中，需要使用交流电源，同时对于焊接环节因作业出现的热裂纹、夹杂、气孔等缺陷，能够在活性焊接的手段下，规避钨极氩弧焊接熔深浅的弊病。

镁合金的化学活泼性较高，所以放置在外部环境中，会与空气中的氧气发生反应，在镁合金外部生产氧化膜。以交流钨极氩弧焊的手段焊接镁合金，可以增加两极发热量分配的合理性，同时做好阴极的清理工作。对于镁合金的焊接，需要具有高温条件，在温度条件达标后，为镁合金与氮气、氧气反应提供条件。在镁合金焊接活动中，保护气体流量应该在焊接其他金属容量基础上，防止熔池处于空气中。焊丝端板不能接触到熔池，避免焊丝在熔池中形成氧化膜。出于镁合金使用的需求，一般不会让焊丝进行横向摆动的动作，而是以前后不大的往复运动为主，可以放大焊丝端头在熔池搅拌的作用效果，熔池表面氧化膜因此被去除掉[3]。

二、镁合金焊接技术的应用

在航空发动机及飞机附件等机匣类铸件中，对该合金用量呈现递增趋势，已经大量而广泛的采用各种镁合金铸件，随着产品的性能要求不断提高，结构复杂程度的不断增加，对于镁合金产品的焊接要求也越来越高，可以预见镁合金焊接技术在未来有较大发展空间。在铸造领域对镁合金需求增多、质量要求提高、结构日益复杂的背景下，需要更多研究者参与到镁合金焊接技术的研究活动，基于对镁合金焊接基本原理的了解，研究强化提升质量的焊接材料、过程气氛保护等内容为镁合金焊接技术应用水平提升提供较好的条件。

（一）保护气氛的选择

钨是熔点(3380℃)最高的一种金属，可长时间高温工作。惰性气体具有不与其他物质产生化学反应的性质，泛指氦、氩、氖等气体。钨极氩弧焊其原理是在氩气等惰性气体环境下，在电弧区形成严密封闭的保护层将金属熔池与空气隔绝，使钨电极和母材间产生电弧，利用电弧产生的热量，来熔化填充焊丝与基本金属，液态金属熔池冷却后形成焊缝。采用交流氩弧焊时，在正极性的半周波里（钨极为阴极），钨极可以得到冷却，以减少烧损。而在反极性的半周波里（钨极为阳极），有阴极破碎作用，即氩的正离子流向焊件，它撞在金属熔池表面上，能够将高熔点且又致密的氧化膜撞碎，使熔池表面的氧化膜可以得到去除。

He、Ar等惰性气体即使在高温下也不与化学性质活泼的镁、铝合金发生化学反应，氩气也不溶于液态的金属，因而不会引起气孔等缺陷。

He和Ar的原子序数不同，在电离时产生的电离势不同，会对焊区组织带来影响。

大多数情况下，在镁合金铸造产品的TIG焊接过程采用纯度符合GB/T 4842要求的氩气作保护气体，氩气为气体纯度要求为不小于99.999%的高纯氩。 TIG焊中氩气完全包围电弧、熔化金属和近缝高温区，形成保护，防止金属出现氧化。在焊接过程中从喷嘴中喷出的氩气在焊接区造成一个厚而密的气体保护层隔绝空气，在氩气层流的包围之中，电弧在钨极和铸件之间燃烧，利用电弧产生的热量熔化被焊处，形成熔池，并填充焊丝，冷却后形成焊缝，完成焊接。

但如采用将He气和Ar分别装在单独的气瓶中，经过减压阀和流量计后通过三通阀进入焊机，不同的体积分数会获得不同的结果。通过金相显微镜观察，随着He气增加，熔深会有较大提高但对焊区的氧化方面，混合气体的保护气氛减弱；随着Ar气增加，熔深会逐渐变浅但对焊区的氧化方面，混合气的保护气氛逐渐加强。

(二)垫板材料选择

对于镁合金铸件，一般情况下如欠铸、气孔、冷隔、疏松（能清理的）、裂纹、夹渣，以及铸件在加工过程中产生的机械损伤等，均可以通过焊接的方式进行返修。镁合金铸件的焊接工艺流程为：焊接铸件的选择→焊接前铸件缺陷的清理→铸件缺陷的焊接。如铸件缺陷清理后打坡口未形成透孔时可以直接进行焊接；如果清理缺陷后打坡口形成透孔时，需要在坡口下面衬以垫板，以防止焊区在电弧的高温下塌陷，导致焊接失败。一般情况下垫板材料为紫铜板或耐火砖垫。

随着镁合金铸件的复杂程度日益提高，对于封闭腔体以及油路部分出现缺陷后进行清理后焊接时，由于焊接完成后，垫板就会被零件包裹住，难以取出的难题。对于铝合金铸件，可以采用腐蚀的方法去除铜制垫板，但是对于镁合金铸件，由于镁合金的化学性质，不能采用腐蚀的方法进行去除，因此选取合适的并可清除的垫板材料是镁合金铸件油路补焊的关键。作为镁合金油路及封闭腔体焊接的垫板材料，需要具备耐高温、导电、可清除、热膨胀系数小，具有一定的强度等特点，石墨具备镁合金油路补焊垫板材料所需的各种特性。

耐高温性：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经过超高温电弧的灼烧，重量的损失很小。热膨胀系数也很小仅为铜的1/30。石墨强度随温度提高而增强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。石墨还具有抗热震性，石墨在使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。同时，石墨具有易加工，便于清理的特点，大大的缩短了生产周期。

结语：

综上所述，镁合金作为重要的金属材料，活跃在我国很多领域中，基于对镁合金的使用需求，TIG焊接技术应用需要进一步延伸。镁合金焊接技术在上世纪已经出现，在长时间的发展中，焊接技术得到改善，但是焊接操作形成的气孔与裂纹等问题，仍是从业人员在技术创新中应着力探讨的内容。

参考文献：

[1]彭鹏，汤爱涛，佘加，等.超细晶镁合金的研究及展望[J].材料导报,2019,33(9):1526-1534.

[2]黄泽亚，管迎春.浅谈几种典型镁合金表面改性技术[J].航空制造技术,2020,63(13):32-39，46.

[3]Pan J L. Electric Welding Machine,2005(9),1(in Chinese).潘际銮.电焊机，2005（9）,1.

[4]丁健,包国连.镁合金的熔炼铸造与焊接技术研究[J].中国铸造装备与技术,2022,57(6):4.