镁合金结构及焊接（上）

摘要：从战略高度阐明了研发镁合金结构材料的重要意义和它的应用领域，讨论了镁合金的可焊性，介绍了镁合金焊接的新成果。

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; TEXT-INDENT: 18pt; LINE-HEIGHT: 12pt; MARGIN-RIGHT: 0cm; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 9.0pt”>关键词：  镁合金  结构材料  可焊性  焊接方法

normal style=”MARGIN-LEFT: 18pt; TEXT-INDENT: -18pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; tab-stops: list 18.0pt; mso-list: l6 level1 lfo10″>1 新结构材料的研发是提高工业技术水平的主要支柱

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt”>工业装备的主要部分是由结构材料制成的，结构材料的性能决定了工业装备的水平，以煤电工程为例，温度越高，其热效率越高。如果蒸汽参数由亚临界540/540^{oC，17.5MPa提高到超临界600/600 oC，25-30MPa，热效率可提高6%，发电煤耗从290g/kWh降为272g/kWh。以一台60万千瓦机组计算，每年可节约60万吨标煤。我国目前火力发电设备年产超过3000万千瓦，照此计算，新生产的火力发电设备每年可节约300万吨标煤，CO_{2的排放量也可大大降低。如果能将蒸汽温度提高到700 oC，则其热效率将更高。但是由于高温材料研发的困难，目前实际上是不可能实现的。}}

normal style=”MARGIN-LEFT: 18pt; TEXT-INDENT: -18pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; tab-stops: list 18.0pt; mso-list: l6 level1 lfo10″>2 结构材料的研发，重要要求是可焊性

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt”>据统计，钢产量的45%要用焊接才能制成工业装备，因此可焊性就是研发结构材料的关键。以大型铁路桥梁为例，我国已建成采用焊接结构的有九江大桥，芜湖大桥，前者所使用的钢材为15MnVNq，其力学性能为σ_{b=560MPa, σs=420MPa, 后者为14MnNbq, 其力学性能为σb=490MPa, σs =340MPa。可见强度都不是很高，主要原因有二：一是铁道桥梁要求非常好的抗疲劳和抗断裂性能，二是要求很好的可焊性。很难找到满足这两项要求的合格钢材。目前我国正在建设天兴洲桥，如果能将钢材的强度σs提高到450MPa，则可由3片（3索面）减为2片（2索面），其制造工作量可减少1/3，节约钢材约1/3。但是研发这种钢材目前仍是困难的，因为为保证桥梁的抗疲劳和断裂性能，保证厚钢板（50mm）的可焊性，其屈强比必须≤0.75，焊接线能量≥45千焦，-40 ^{oC时冲击韧性≥120J。而研发这种钢材，还需要花很多力气。如果再提高钢材强度，困难就更。}}

normal style=”MARGIN-LEFT: 18pt; TEXT-INDENT: -18pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; tab-stops: list 18.0pt; mso-list: l6 level1 lfo10″>3 21世纪的绿色结构材料——镁合

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm”>3.1 镁合金的特点

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt”>镁合金最重要的特点是在金属中它的比重最小，钢铁为7.8、铝为2.7、而镁为1.8，因此它的强度和比刚度都高，此外，它尚具有导热、导电性能好，阻尼减震性、电磁屏蔽性好等特点，镁合金易于加工成型，更重要的是它很容易回收，很容易降解，因此它是非常可贵的绿色结构材料。

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm”>3.2  镁合金在地球上的储量

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt”>地球上常用金属矿产资源趋于枯竭，铝和铁可开采100-300年，铜、铝、锌可开采几十年，而镁则是取之不尽，用之不竭，它在地壳中约占2.3%，海水中镁的储量为2.1×10^{15吨，盐湖中镁的储量巨大，三大结构材料可开采年限见图1。}

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; TEXT-ALIGN: center; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt” align=center>图1 三大工程材料的可开采年限

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm”>3.3  我国镁及镁合金工业发展现状

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt”>我国是镁金属生产大国，镁的蕴藏丰富，镁资源占全球总储量的22.5%。我国的菱镁矿资源总量31.45亿吨，符合炼镁要求的一、二级矿占78%。同时，储量巨大的白云矿和青海的盐湖，也含有十分丰富的镁资源。白云矿资源已探明储量在40亿吨以上，青海盐湖氯化镁32亿吨，硫酸镁16亿吨。较低的投资成本，丰富的煤炭资源，低成本的原料供应，以及充裕的劳动力优势，都使镁在中国的生产具有良好的经济性和竞争性。目前，我国的原镁产量占全球产量的40%，是世界上第一大镁生产国和出口国。2001年，全国原镁产量约20万吨，其中年生产能力在10000吨以上的有3家，3000吨以上的有22家，1000~3000吨的有50余家。

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt”>我国已将“镁合金应用与开发”列为国家计委和科技部联合下发的“十五”国家科技发展规划中材料领域的重点任务，同时“镁合金应用开发与产业化”作为十五计划的第一批项目已在2001年8月正式启动。最终目标是充分发挥我国的镁资源优势，通过建立镁合金技术创新体系，加强镁合金应用开发，建立具有国际竞争力的镁合金高新技术产业群，将镁资源优势转化为经济优势。

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm”>3.4 新世纪对材料提出的新要求

图2 新世纪对材料提出新的要求      图3 欧洲环保新标准

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt”>新世纪对材料的要求有三方面，见图2。材料的发展，必须用三方面的指标作为衡量的法则，一是资源丰富，二是节约能源，三是环境保护。例如在环保方面，欧洲的新标准如图3所示。在大气中汽车的CO_{2排放量占60-70%，如果汽车重量能降纸100kg，则其耗油量可减少0.7L/百公里。按欧洲标准，耗油量2005年要降到6L/百公里，2010年降到3L/百公里，这样2005年CO2由183/公里克减到120克/公里。为达到以上要求，研发镁合金结构是一个极为重要的方向。世界各国非常重视，都制定了发展Mg合金的规划，见图4。}

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; TEXT-ALIGN: center; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt” align=center>图4 各国政府高度重视

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm”>3.5 镁合金与高分子材料的比较

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; MARGIN-RIGHT: 0cm; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt”>当前高分子材料在工业中作为结构材料非常普遍，高分子材料的比重也非常低，只有1.23，低于镁合金材料，然而镁合金具有极大的优越性，它的扭转弹性、拉伸强度、散热性能等都大大高于高分子材料，见图5。更主要的是镁合金是一种容易回收、容易降解的材料，而高分子材料是一种难以处理的污染材料。

图5 镁合金与ABS塑料的性能比较

4 镁合金的应用前景

    镁合金的应用前景甚为广阔，但需进行大力开发。

4.1 镁合金在汽车上的应用
    世界各国汽车工业非常重视镁合金的应用，其原因就是它可以大大降低车重，减少油耗，降低CO2排放量，在汽车上有很多部件可以采用镁合金代替钢材和高分子材料，见图6 ，很多汽车工业已用铝代替部分钢材，现在正努力以Mg代替Al材料，如我国长安公司计划到2004年实现单车使用镁合金10公斤，装车4万辆；隆鑫集团计划实现单车使用镁合金4公斤，装车20万辆。目前，集原料生产、铸造加工、应用开发、装备为一体的镁合金产业格局在重庆已基本形成。美国在2000年开始了一项扩大镁合金应用的4年计划。这个庞大的项目将由美国汽车协会执行，预计将研制出先进的抗蠕变镁合金以生产汽缸体、发动机盖、机油盘和变速箱等在高温下工作的汽车零件。据预测，Mg在汽车上的应用，到2010年将达到300000吨，见图7。

图6 镁合金在汽车上的应用      图7 镁在汽车上的应用预测（至2010年）

4.2 镁合金在国防军工领域的应用
    据统计，结构重量降低1kg可节约美元：汽车6.6美元；民用航空660美元；军用飞机6600美元；人造卫星每减轻1kg，运载火箭可减轻500kg，约节省1000万美元；喷气发动机每减轻1kg，飞机可减轻4kg，升限可提高10米。因此在军用飞机、宇航运载工具、宇航机器人等领域已广泛利用镁合金，见图8和图9。

图8 镁合金的早期和现代应用      图9 镁材料应用于宇航结构件

4.3 镁合金在电子产品领域应用
    电子产品中，目前大量使用高分子材料，如电视机、计算机、显示器、投影机等外壳都是塑料制成，这些产品淘汰很快，造成大量废弃污染材料，它不能降解，又不好燃烧，所以势必以Mg合金代替，实际上现在已经有部分产品改用Mg合金，但是还只是处于开始阶段，见图10。

图10 镁合金在电子产品领域的应用      图11  镁合金自行车

4.4 民用产品
    民用产品用Mg合金也有十分广泛的应用前景，例如自行车，原以钢为结构，有部分改用Al为结构，如若改用Mg合金为结构，则其重量可以大大降低。我国已有厂家生产Mg合金（与Al混合结构）的自行车，其重量仅有7公斤，见图11，一人一只手即可提起行走。

5 研发Mg合金的主要矛盾和问题

5.1 研发Mg合金需要解决的问题
    A．成分设计和性能的改善
    B．高温蠕变强度
    C．先进的成型技术及装置
    D．表面处理技术
    E． 链接技术
5.2 镁合金的可焊性
    A．镁合金的结晶温度区大，易于产生热裂纹。图12所示为Mg-Al合金的相图，图13为Al-Cu合金的相图。可见其共晶点温度相差100 ℃左右。
    B．镁的沸点温度低，约为1100 ℃。温度进一步升高后，其蒸气压比在相同温度下的Al合金要高4～5倍。见表1。因而焊接时温度一旦过高，镁就会气化，产生爆炸形成飞溅。
    C．Mg对氧的亲和力大，其氧化物比重较大，而容易形成夹杂。
    D．Mg在接近熔化温度时，能与空气中的氮强烈化合生成脆性的镁的氮化物，使接头力学性能显著下降。

normal style=”TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; TEXT-ALIGN: center” align=center>表1 镁的部分蒸气压值

normal style=”TEXT-INDENT: 21pt; LINE-HEIGHT: 150%; TEXT-ALIGN: center; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt” align=left>

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>温度/K

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>蒸气压/atm

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>温度/K

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>蒸气压/atm

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>温度/K

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>蒸气压/atm

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>给定温度下的蒸气压

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”> 

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1000

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1.36×10^-2

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>594

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>10^-7

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>298.15

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1.5×10^-20

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1100

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>5.76×10^-2

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>644

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>10^-6

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>400

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>5.2×10^-14

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1200

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1.90×10^-1

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>703

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>10^-5

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>500

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>3.9×10^-10

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1300

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>5.14×10^-1

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>776

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>10^-4

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>600

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1.38×10^-7

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1376

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1.00

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>865

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>10^-3

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>700

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>8.92×10^-6

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1400

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1.19

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>982

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>10^-2

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>800

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1.99×10^-4

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>Geiding蒸气压时的温度

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”> 

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1143

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>10^-1

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>900

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>2.21×10^-3

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>482

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>10^-10

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>1376

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>10

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>923（固体）

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>3.55×10^-3

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>514

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>10^-9

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”> 

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”> 

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>923（液体）

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>3.55×10^-3

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>551

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>10^-8

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”> 

normal style=”LINE-HEIGHT: 150%”>　

注：1atm=101325Pa

    因此，Mg合金焊接是比较困难的，在焊接时容易产生裂纹、气孔、飞溅。图14所示为采用电子束焊接时，焊缝中的气孔情况。图15所示为镁在MIG 焊接时熔滴飞溅的情况。