摘要

本文調(diào)查了使用不同接頭配置焊接鎂合金和鋼的各種最先進方法。顯微組織特征表明，焊接后鎂/鋼界面可能形成四種顯微組織：未焊接間隙、金屬氧化物、固溶體或金屬間化合物。鎂/鋼界面處的反應產(chǎn)物因焊接方法、母材中的合金元素、應用的夾層或涂層以及焊接前母材的制備而不同。

研究中分別總結和比較了機械性能表征，搭接焊接和點焊接頭的搭接拉伸剪切試驗，對接焊接接頭的拉伸試驗以及搭接焊接和點焊接頭的疲勞性能。研究發(fā)現(xiàn)，鎂/鋼界面上的反應產(chǎn)物與機械性能相關。最后，討論了提高鎂/鋼接頭強度的途徑，如在攪拌摩擦搭接和對焊過程中引入互鎖特性。

未來潛在的應用目標可能是汽車結構，預計在未來20年碳纖維增強塑料應用將迅速增加。將碳纖維增強塑料應用于汽車結構的強大動力主要來自旨在減少單位距離二氧化碳排放的法規(guī)。

1導言

1.1重要性和挑戰(zhàn)

化石燃料消耗的持續(xù)增加和供應的減少，迫切需要新技術來緩解這一趨勢。在美國，運輸占化石燃料消耗的70%，如小汽車、卡車和公共汽車。此外，2018年美國與能源相關的二氧化碳排放量約有30%來自運輸行業(yè)。通過減輕車輛重量，可以顯著降低油耗和隨之而來的二氧化碳排放。根據(jù)一項全國性研究，車輛重量減少10%意味著每加侖英里數(shù)增加5%。汽車減重100 kg可減少20 g/km的二氧化碳。

目前，鋼材占普通汽車重量的50%以上。平均每輛車使用900 kg鋼材，分布在車身結構（34%）、傳動系（23%）、懸架（12%）和其余部分（31%）。因此，用更輕的結構材料代替鋼材是減輕車輛重量的一種簡單方法。

為了實現(xiàn)這一點，研究人員使用了較輕的材料，如鋁合金、鎂合金和碳纖維聚合物復合材料，以取代部分鋼組件。理想的替代品需要具有較高的強度重量比，并且能夠與現(xiàn)有的鋼構件形成堅固的接頭。與鋁合金和鎂合金相比，碳纖維聚合物復合材料具有更高的比強度（斷裂強度/密度），但與金屬相比，其耐高溫性較低。鎂合金似乎是比鋁合金更好的選擇，因為它幾乎和鋁合金一樣堅固，但比鋁輕33%。各種金屬的強度與密度的關系如圖1所示。

圖1 Ashby圖中結構金屬的強度與密度，在圖中，鎂合金用綠色箭頭標記

由于鎂合金價格昂貴，且對腐蝕的敏感性較高，因此使用鋁合金比鎂合金多。與鎂鋼相比，鋁鋼異種連接的工作量要大得多。雖然在連接不同材料時常見的障礙適用于鎂-鋼對，但在連接鎂和鋼方面存在一些獨特的挑戰(zhàn)。首先，鎂和鐵在冶金上幾乎不混溶：鐵在鎂中的溶解度為0.04 at.%，鎂在鐵中的溶解度為零。

此外，鎂合金和鋼在物理、化學和機械性能方面存在巨大差異，這使得傳統(tǒng)的熔合或固態(tài)連接方法變得困難。到目前為止，研究人員已經(jīng)應用了不同的中間層或涂層來克服鎂和鐵的高溫不溶性。在鋼或基釬料上涂覆鎳、銅、錫或鋅的中間層。目前對鎂合金與鋼的焊接還沒有較為全面的研究。本文旨在通過比較鎂-鋼界面的機械性能、斷裂模式和顯微組織，對各種焊接方法、中間層和涂層進行綜述。

1.2連接方法和接頭配置

連接方法可分為機械連接、化學連接、熔焊和固態(tài)焊接方法。機械連接方法包括常規(guī)鉚釘、螺紋緊固件、螺栓連接、流動鉆螺釘、鉚接、攪拌摩擦盲鉚接、自沖鉚接、卷邊等?；瘜W連接方法通常指粘合劑連接。這篇論文主要集中在熔合和固態(tài)方法焊接鎂合金和鋼，從而形成冶金界面。文獻正文表明，鎂合金和鋼的連接采用了各種焊接方法。根據(jù)焊接溫度可分為兩類：當焊接溫度高于~650°C時的熔焊，以及當焊接溫度低于~650°C時的固態(tài)焊接（圖2）。鎂合金與鋼的連接采用了多種熔焊方法，如激光焊接、激光與鎢極惰性氣體（TIG）混合焊接、激光釬焊和電阻點焊（RSW）。在固態(tài)連接方法中，攪拌摩擦焊（FSW）、攪拌摩擦點焊（FSSW）、超聲波點焊（USW）和沖擊焊已得到應用。

圖2 Mg-Fe相圖

為清楚起見，文獻中報告的接頭配置可分為三大類：線性搭接焊、線性對接焊和點焊。具有不同接頭配置的各種焊接方法如圖3所示。相關文獻包括：搭接激光和搭接混合激光TIG、搭接激光釬焊、搭接FSW、對接激光和對接混合激光TIG、對接FSW、spot RSW、spot FSW和spot-USW。擴散連接也被用于連接鎂合金和鋼。圖3的示意圖代表了文獻中討論的最典型的焊接配置。

圖3 攪拌摩擦搭接、對接、點焊原理圖;激光搭接對接焊接;激光和TIG搭接和對接、USW、RSW、激光釬焊搭接和擴散焊的混合焊接

2鎂合金/鋼接頭的宏觀結構和微觀結構觀察及連接機制

2.1通過不同焊接方法對焊接橫截面進行的焊接設置和宏觀結構觀察

對于搭接焊，鎂合金板通常放置在鋼板的頂部，焊接功率應用于鎂合金。因為鎂硅合金比鋼具有更低的強度和熔點，因此將FSW工具或激光束形式的電源應用于頂板，以獲得鎂/鋼接頭。對于鎂合金和鋼的對接焊接，出于類似原因，電源應用于鎂側。

然而，在某些情況下，研究人員將激光束應用到鋼板上進行搭接焊接和對接焊接。點焊的配置類似于搭接焊。使用不同焊接方法和接頭形狀組合形成的鎂/鋼接頭的橫截面如圖4所示。只有FSW、FSSW和激光焊接成功地在連接過程中引入了互鎖功能。

圖4 采用不同的焊接方法制作不同結構的鎂/鋼接頭截面。源參考文獻顯示在括號中

在鎂/鋼對接焊接接頭中未觀察到系統(tǒng)聯(lián)鎖特征。對接焊接可能是FSW的一種新應用，因為FSW工具可以在焊接過程中插入鎂合金和鋼之間的界面，但要求兩種材料的厚度相同。至于點焊，F(xiàn)SSW引入了互鎖功能，但也在焊接后留下一個鎖孔。重新填充攪拌摩擦點焊（RFSSW）可用于克服小孔。USW依靠鎂向鋅中間層的擴散來實現(xiàn)鎂/鋼的結合。由于焊接前鎂/鋼界面的高電阻，RSW依賴于鎂的局部熔化。與USW一樣，擴散連接也取決于基材和中間層之間的擴散。

2.2焊接界面的顯微組織分析

通常，由于兩個主要原因，在沒有中間層或涂層的情況下，鎂合金和鋼很難粘合。首先，鎂和鐵在冶金上是不混溶的。第二，金屬氧化物層可以防止焊接過程中的反應?？紤]到鎂和氧之間的反應性，在加入之前去除氧化物是不可行的。此外，在沒有任何涂層或夾層的情況下，在鎂合金和鋼之間進行激光焊接后，觀察到未焊接的間隙。

表1 焊接鎂/鋼界面上無夾層或涂層的反應產(chǎn)物

表1和表2分別總結了焊接鎂/鋼界面上有無夾層或涂層的界面反應產(chǎn)物。根據(jù)表1中總結的文獻，大多數(shù)情況下未觀察到界面產(chǎn)物，但在激光焊接鎂/鋼界面上觀察到金屬氧化物。這是因為在熔焊過程中容易發(fā)生氧化。金屬間化合物（IMC）出現(xiàn)在FSW-ed鎂和鋼之間的界面上。鎂薄板中的合金元素擴散到焊接界面，并與鋼中的鐵反應形成各種化合物。例如，AZ31鎂合金中的鋁以及WE43鎂合金中的Y和Nd都可以與鋼中的鐵發(fā)生反應。

表2 具有各種夾層或涂層的焊接鎂/鋼界面處的反應產(chǎn)物

特殊的焊接裝置會產(chǎn)生特殊的界面產(chǎn)物。例如，當激光束應用于鋼側時，觀察到β-MgxAly/鎂的共晶結構。此外，研究人員去除了鍍鋅鋼上的鋅涂層，并觀察到鋼基體上存在Al5Fe2。他們利用留在鋼表面的Al5Fe2作為過渡層，通過RSW將鋼與鎂合金結合起來。然而，有證據(jù)表明，中間層可能不需要實現(xiàn)鎂和鋼之間的結合。例如，純鎂和鋼在對接配置中使用FSW進行粘合。這種結合的機制尚不清楚。在攪拌摩擦焊過程中，可以假設在較高應變率和應變率下，強制原子晶格匹配甚至增加不互溶鎂和鐵的溶解度，但需要進一步研究。

然而，通?？磥?，涂層或中間層有助于鎂合金和鋼之間的冶金結合。由于鋅涂層可用于鋼的防腐，因此鋅涂層已被廣泛用作鎂-鋼連接的主要中間層。鎂-鋅共晶結構通常在界面處形成，這被認為是促進鍵合。在某些條件下，涂層中也觀察到了MgZn2、Al5Mg11Zn4、Mg7Zn3、Mg2Zn11等IMC。

斷裂通常發(fā)生在鋼和Mg/Zn IMC的界面，表明鋼和IMC之間的結合是最薄弱的環(huán)節(jié)。除鋅鍍層外，在不同的中間層和焊接方法下，觀察到不同的反應產(chǎn)物，包括各種固溶體（SSs）和IMC。采用不同的焊接方法使用由Cu、Zn、Cu–Zn、Ni或Sn制成的中間層。表2總結了界面處文獻中報告的反應產(chǎn)物。一項有趣的研究表明，在純鎂和通過RSW結合的鍍鋅無間隙鋼之間的焊接界面上形成了納米尺寸的鎂顆粒。在RSW過程中，鋅涂層材料從焊接界面擠出，如焊劑以及表面氧化物污染物，從而改善了接頭性能。圖5列出了焊接鎂/鋼界面上典型報告的幾種反應產(chǎn)物的調(diào)查結果。

圖5 鎂/鋼焊接界面的典型反應產(chǎn)物

3接頭的機械性能表征

實驗中使用各種方法評估鎂/鋼接頭的機械性能：（1）搭接焊接接頭的搭接拉伸剪切試驗，（2）點焊接頭的搭接拉伸剪切試驗，（3）對接焊接接頭的拉伸試驗和（4）搭接焊接接頭和點焊接頭的疲勞試驗。第3.1至3.4節(jié)總結了這四種試驗方法的結果。由于擴散焊有一個特殊的配置設置，所以在擴散焊接頭上使用不同的試驗方法，即剪切試驗。鎂和鋼之間帶有Cu夾層的擴散鍵的剪切強度可達到57 MPa，并且鎂/鋼接頭穿過焊接界面。

3.1搭接焊接接頭的搭接拉伸剪切試驗

表3顯示了文獻中的搭接拉伸剪切試驗數(shù)據(jù)和相應的斷裂模式。所有這些試驗數(shù)據(jù)都被轉(zhuǎn)換為一個統(tǒng)一的指標，稱為“關節(jié)能力”，以便對文獻中報告的各種關節(jié)配置進行定量比較。聯(lián)合能力的計算是通過將報告的峰值負荷除以樣本的寬度，以提供一個承載能力的規(guī)范化表示。

表3 鎂/鋼搭接焊接接頭強度和斷裂位置

使用該度量進行比較的一個限制是，由于焊接方法的固有差異，不同的搭接焊接接頭具有不同的焊接區(qū)域和形狀。然而，在本研究中，我們試圖建立不同鎂/鋼接頭的概貌，并承認接頭能力只是眾多指標之一。因此，在解釋這個數(shù)據(jù)集時必須小心。圖6顯示了從文獻中收集的搭接焊接接頭的接頭能力匯總圖。

圖6 通過不同焊接方法獲得的搭接焊接接頭的接頭性能

3.2點焊接頭的搭接拉伸剪切試驗

采用搭接拉剪試驗評價點焊接頭的承載能力。表4總結了接頭強度和斷裂位置。選擇每個接頭的峰值載荷代表接頭強度，因為焊接區(qū)域主要決定接頭強度和斷裂模式。表4中所列點焊接頭的峰值載荷繪制在圖7中，斷裂位置顯示在X軸上。

表4 鎂/鋼點焊接頭強度和斷裂位置

圖7通過各種方法得到的點焊接頭的峰值載荷

3.3對接焊接接頭的拉伸試驗

表5總結了文獻中報告的對接焊接頭的抗拉強度和斷裂位置，并繪制了圖7、8和9。注意，鎂/鋼對接焊接接頭通常通過焊接界面斷裂。這是因為IF處的應力集中促進了導致斷裂的早期裂紋發(fā)展。在兩種情況下，會導致鎂合金而非IF中的對接焊接接頭失效：一是采用Cu–Zn夾層的激光焊接，二是采用AZ61作為鎂合金的攪拌摩擦焊。這兩種情況都降低了鎂/鋼界面處的應力集中，從而提高了接頭強度，并使斷裂位置遠離IF。實現(xiàn)鎂/鋼對接焊縫具有更強接口的其他方法包括新型FSW工具引入的聯(lián)鎖功能。

表5 鎂/鋼對接焊接頭的接頭強度和斷裂位置

顯然，文獻中報告的鎂/鋼接頭的承載能力范圍很廣。大多數(shù)情況下，斷裂發(fā)生在界面之間，因此提供了界面強度的直接測量。在鎂失效的情況下，接頭能力表示界面強度的下限。接頭強度也有很大程度的變化，表明接頭化學和/或結合線不穩(wěn)定。

圖8 通過不同的焊接方法獲得對接焊接接頭的抗拉強度

圖9 攪拌摩擦搭接焊、RSW和WB的鎂/鋼接頭疲勞性能對比圖

顯然，文獻中報告的鎂/鋼接頭的承載能力范圍很廣。在大多數(shù)情況下，斷裂發(fā)生在界面之間，因此提供了界面強度的直接測量。在Mg失效的情況下，接頭能力表示界面強度的下限。接頭強度也有很大程度的變化，表明接頭化學和/或結合線不穩(wěn)定。

3.4搭接焊接和點焊接頭的疲勞試驗

Jana等人研究了攪拌摩擦搭接焊鎂/鋼接頭的循環(huán)荷載行為。為了進行比較，對兩種不同的鋼合金（厚度為0.8 mm的低碳鋼和厚度為1.5 mm的HSLA鋼）進行了循環(huán)加載，并繪制了兩者的應力與失效循環(huán)次數(shù)（S–N）圖。由于固有強度差異，HSLA wl焊縫（圖10）產(chǎn)生。標準化S–N圖顯示了類似的疲勞行為。與AZ31的文獻相比，疲勞試驗試樣在失效時顯示出明顯較低的載荷振幅。這可能是由于試驗方法，即載荷比（R）為0.1以及鎂/鋼焊接界面的存在。AZ31和鋼之間的異種焊縫通常會導致彎鉤形成，從而增加循環(huán)載荷期間的應力集中，從而降低疲勞壽命。

圖10 獲得鎂和鋼之間冶金結合的挑戰(zhàn)和解決方案示意圖

Liu等人研究了RSW AZ31B和厚度分別為1.5 mm和0.77 mm的熱浸鍍鋅HSLA的疲勞性能。研究表明，當載荷比為R=0.2時，RSW AZ31B/HSLA比鎂/鎂試樣的RSW具有更好的疲勞性能。然而，作者聲稱，比較相似和不同焊縫的疲勞性能不是一個公平的比較，評估應基于熔核區(qū)域的應力。因此，S–N圖顯示了疲勞性能的清晰圖像，并且在疲勞壽命中幾乎沒有觀察到任何差異。失效試樣的斷口分析顯示，雖然鎂/鎂焊縫顯示表面和次表面裂紋萌生（在疲勞試驗樣品中常見），但鎂/鋼樣品僅顯示表面裂紋萌生。鎂/鎂試樣中的次表面裂紋萌生可歸因于在高溫焊接過程中在晶界形成的脆性富Al金屬間相。

用于熔合LFT-D件和三種熔合接合情況的斷裂韌性評估的DCB試樣尺寸

然而，液態(tài)金屬在鎂-鋅電偶中的輔助脆化可能與鎂/鋼焊縫中的裂紋萌生有關。Xu等人的另一項研究在荷載比R=0.2的循環(huán)荷載模式下，比較了焊接粘結（WB，結合RSW和粘合粘結）和RSW Mg/HSLA試樣的性能。研究表明，WB-Mg/Mg和WB-Mg/鋼試樣的疲勞強度比RSW試樣高出三倍。這種改善歸因于WB接頭中的應力集中小于RSW接頭中的應力集中。此外，鎂/鎂和鎂/鋼疲勞壽命的相似性反映在10 kN荷載下的S–N曲線中。

作者通過斷口分析證實，在鎂/鎂和鎂/鋼樣品中，斷裂發(fā)生在鎂基體金屬內(nèi)。相反，RSW接頭在熱影響區(qū)出現(xiàn)故障。然而，當施加的載荷大于10kN時，WB-鎂/鋼的疲勞壽命低于WB-鎂/鎂試樣?？紤]到鋼的厚度小于鎂（見表4），變形后分析指出鋼側存在較大的塑性變形，從而導致更快的失效。

由于鎂和鋼板的厚度在不同的研究中有所不同，因此比較載荷幅度與疲勞失效（Nf）圖循環(huán)次數(shù)的S–N曲線是不明智的，因此，應在通過有效荷載面積與Nf計算的標準化荷載或應力的基礎上進行更平衡的比較。相反，RSW接頭在熱影響區(qū)出現(xiàn)故障。然而，當施加的載荷大于10kN時，WB-鎂/鋼的疲勞壽命低于WB-鎂/鎂試樣?？紤]到鋼的厚度小于鎂（見表4），變形后分析指出鋼側存在較大的塑性變形，從而導致更快的失效。

4總結和討論

4.1連接機制

鎂合金與鋼的連接機制可分為兩大類：冶金連接和機械連接，總結如下：

（1）冶金結合：（i）反應性合金元素如Al在鎂合金中可促進不混溶鎂和鐵基體之間形成IMCs。（ii）鋼上的中間層，如鋅、鎳、銅或錫或鋅涂層，可在鎂基體和中間層或涂層之間形成固溶體或IMC層，因為它們在冶金上是可混溶的。（iii）即使沒有中間層、涂層或合金元素，在某些條件下也會發(fā)生冶金結合。例如，在純鎂和鋼之間的接合處形成納米尺寸的鎂晶粒，通過晶界松弛來緩沖界面應變。

（2）機械連接：（i）機械聯(lián)鎖由機械特性提供，如FSW或FSSW期間引入的掛鉤，可防止鎂和鋼之間出現(xiàn)裂紋。（ii）在熔化材料流動期間，如在激光焊接或激光TIG焊接期間，材料混合。圖10總結了與鎂/鋼界面冶金鍵形成相關的問題。

此外，獲得良好鎂/鋼接頭的其他可能途徑是采用FSW或感應焊接。這是因為FSW引入了嚴重的高溫塑性變形，可增加固體溶解度，感應焊接可驅(qū)動不互溶系統(tǒng)之間的互擴散。

一般來說，當鎂與鋼連接時，沒有中間層或涂層，接頭往往很弱或無粘結。這是因為鎂和鐵在冶金上不互溶，鎂表面的金屬氧化物阻止了鎂合金和鋼之間的反應。由于中間層包括鋅涂層，在焊接界面形成固溶體或IMC，這有助于鎂合金和鋼之間的粘合。此外，鋅涂層可以像助焊劑一樣去除焊接界面的表面氧化物污染，這可能有助于鎂合金和鋼之間形成冶金結合。

4.2進一步可行的方向

圖11a （a）焊接cop- per/steel拉伸試驗時的應力集中，（b）攪拌摩擦楔形技術產(chǎn)生的聯(lián)鎖“鉤”，（c）攪拌摩擦楔形技術產(chǎn)生的聯(lián)鎖“鉤”，（d）沖擊焊接產(chǎn)生的波形界面，（e）鉤對接頭強度和斷裂方式的影響，不同的接頭強度受焊核局部強度控制

與連接類似材料不同，連接不同材料在機械載荷期間面臨應力集中（彈性模量失配導致的應力局部化）的固有問題。在銅/鋼接頭（圖11a）和鋁/鋼接頭的拉伸試驗期間觀察到應力集中。減少早期應力集中的有效方法是通過改變焊接界面的幾何形狀來重新分配載荷。研究人員引入了機械聯(lián)鎖特性，如掛鉤或燕尾榫或波浪形金相界面或過渡區(qū)，以提高異種接頭的強度。摩擦攪拌劃線技術、摩擦攪拌燕尾榫技術和沖擊焊接的接頭截面分別如圖11b–d所示。吊鉤通過防止裂紋穿過焊接界面來提高異種接頭強度，如圖11e所示。焊縫熔核的局部強度也極大地影響接頭強度，如圖11f所示?；谶@些研究，攪拌摩擦劃線技術和攪拌摩擦燕尾榫技術顯示了獲得鎂合金/鋼接頭的潛力。除了在不同材料之間添加夾層外，研究人員還可以應用摩擦堆焊等技術來輔助鎂/鋼粘合。

最近的一項研究表明，感應焊接工藝可以驅(qū)動鋼和銅的不互溶系統(tǒng)之間的互擴散，這意味著鎂和鋼的不互溶系統(tǒng)也可能通過感應焊接連接。此外，焊接過程的熱循環(huán)在決定焊接質(zhì)量方面起著關鍵作用。通過對焊接過程中鎂/鋼界面熱循環(huán)的詳細研究，可以揭示鎂與鋼之間的結合機理。增材制造過程中移動熱源的相關研究有助于更好地理解實際攪拌摩擦焊接過程中的熱循環(huán)。

來源：A Review of Technologies for WeldingMagnesium Alloys to Steels. Int. J. of Precis. Eng. andManuf.-Green Tech. 8, 1027–1042 (2021).

參考文獻：American Energy Independence. (2017).“American Fuels.” San Diego, California. https://www.americanenergyindependence.com/fuels.aspx.，U.S. Energy Information Administration. (2019). FrequentlyAsked Questions. “How much carbon dioxide is produced from U.S. gasoline and dieselfuel consumption?”