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摘要：鎂鋰合金作為一種低密度、高比強度、高比剛度的超輕結構材料，在航天領域具有重要的應用前景。用焊接代替傳統的以鉚接為主的機械工藝來制備鎂鋰合金結構件，可以進一步減輕結構重量、提高結構剛度、節約能源以及節省裝配時間。綜述了鎂鋰合金目前的主要焊接方法、特點、存在的問題及其在航天領域的應用現狀，并對鎂鋰合金焊接技術未來的發展進行了展望。

關鍵詞：鎂鋰合金；焊接；航天領域；研究

進展鎂鋰合金是目前世界上能夠作為工業化應用的最輕的金屬結構材料，密度僅為1.35～1.65g/cm3，比鋁合金輕1/3～1/2，甚至比普通鎂合金還輕1/4～1/3，因此被稱為超輕合金[1]。此外，鎂鋰合金還具有較高的比剛度和比強度，良好的低溫韌性、導熱性、導電性和延展性，優良的抗震性能以及具有較高的抗高能粒子穿透能力等系列優點，因此其在航空航天、國防軍工等諸多領域的應用得到了廣泛的關注[2-4]。其中，由于航天工業對結構材料輕量化的需求更為突出，因此超輕鎂鋰合金在航天領域的應用前景也更加廣闊。而用焊接代替傳統的以鉚接等機械連接的工藝，可以進一步減輕結構重量、提高結構剛度、節約能源和節省裝配時間[5-7]。因此焊接技術的發展無疑對鎂鋰合金的推廣，尤其是在航天領域的應用產生深遠的影響。

1鎂鋰合金的研究現狀

1.1鎂鋰合金的焊接性分析從鎂-鋰二元合金相圖中可以看出，鋰在鎂中的固溶度不隨溫度變化而發生改變。根據鋰在鎂中的固溶度與相的差異，可將鎂鋰合金分為三種類型[8]：第一種為密排六方結構的鎂基α單相固溶體型鎂鋰合金（鋰的質量分數＜5.7%）；第二種為鎂基α+β雙相固溶體型鎂鋰合金（5.7%≤鋰的質量分數≤11.5%）；第三種為體心立方結構的鎂基β單相固溶體型鎂鋰合金（鋰的質量分數＞11.5%）。雖然鎂鋰合金包含了較多的Li元素，但是其仍然是以鎂為基的合金，因此這種鎂合金的焊接工藝與其他鎂合金相比，有較多的相似之處[9-11]。例如，由于鎂合金結晶溫度區間較大，因此易于產生熱裂紋和氣孔；而因為鎂的沸點較低，約為1100℃，其蒸氣壓比較高，容易氧化，產生爆炸，形成飛濺；且鎂對氧的親和力大，其氧化物密度較大，容易形成夾雜[12]。此外，尤其需要特別指出的是，由于Li元素的存在[13]，使其表面氧化膜極易吸附環境中的水分，焊接時這些氧化膜中的水將分解析出氫，易在焊縫中產生氫氣孔；并且Li元素的化學活性大，極易燒損。因此鎂鋰合金相比于常規鎂合金，其焊接工藝更加困難。目前針對于常規鎂合金焊接技術的研究開展的較早，研究的也比較系統與深入，包括鎢極氬弧焊（TIG）、激光焊、電子束焊、電阻點焊、以及攪拌摩擦焊（FSW）等[14]，但針對于鎂鋰合金焊接技術的研究還尚處于起步階段，焊接方法也較少，主要包括TIG焊、激光焊以及FSW等少數幾種方法。

1.2鎂鋰合金焊接的研究現狀1.2.1鎢極氬弧焊（TIG焊）TIG焊技術具有操作靈活，焊接效率高，焊接適應性強等優點，已被廣泛應用于普通鎂合金的焊接中，并取得了良好效果[15-17]。然而，對于鎂鋰合金TIG技術而言，主要集中在針對α+β雙相固溶體型鎂鋰合金焊接的研究。研究表明[18-19]，采用堆焊的焊接方式對鎂鋰合金進行焊接，接頭成形良好，無明顯缺陷（圖1），焊縫與母材相比，Li元素含量減少，接頭中熔合區由β相等軸晶構成，內部隨機分布了α相胞狀枝晶[19]，晶粒組織細小均勻；但熱影響區寬度較大，且晶粒組織粗大，拉伸性能為母材的85%左右，斷裂發生在熱影響區，呈混合型斷裂。然而在TIG焊時，當高溫的TIG電弧作用于低熔沸點的鎂鋰合金時，容易引起表面的凹陷，減少接頭的承載面積（圖1）。為了彌補上述問題，有的研究采用填絲（填充絲材的成分與母材一致）TIG焊技術進行了鎂鋰合金的對接結構焊接。通過采用這種焊接方法，獲得了具有一定余高的接頭（圖2），從而提高了接頭的載荷。對于焊縫微觀組織的研究發現，焊縫區的晶粒組織也發生了明顯細化，Al和Ce元素富集在焊縫區內晶粒的晶界處[20]，熱影響區組織特征同常規TIG焊時相似。此外，為了進一步拓展TIG焊技術在鎂鋰合金焊接領域的應用。有的學者嘗試采用TIG焊技術，進行了鎂鋰合金與鋁合金異種金屬之間焊接的研究[21]。研究發現，接頭成形較好，但是在其內部形成的大量Al-Mg金屬間化合物，嚴重危害了接頭的性能。因此對于如何控制接頭內部脆性化合物的生成，提高接頭的性能，仍有待于進一步研究。由上述分析可見，目前采用TIG技術進行鎂-鋰合金的焊接，已經取得一些成果，但是主要集中在第二種鎂基α+β雙相固溶體型鎂鋰合金TIG焊的研究，而對于第一種鎂基α單相固溶體和第三種鎂基β單相固溶體型鎂鋰合金TIG焊的研究還較少?？梢姡瑸榱诉M一步拓展鎂鋰合金在航天等領域的應用，針對其TIG焊技術，還需要進行更為系統化的研究。1.2.2激光焊激光焊是利用高能量密度激光束作為熱源進行焊接的方法。與傳統焊接方法相比，激光焊具有熱量集中、熱輸入小、冷卻速度快以及焊接效率高等優點，所以被廣泛應用在鎂合金的焊接上。目前，針對鎂鋰合金的激光焊技術已經開展了相關研究[22-26]。同鎂鋰合金的TIG焊類似，對于其激光焊的研究也主要針對α+β雙相固溶體型鎂鋰合金。其中，焊接過程中不填充金屬，激光的輸出功率為1000W，焊接速度為3m/min，保護氣（氬氣）氣流量為20L/min，焊接形式為對接焊接。焊后焊縫表面成形良好，無明顯焊接缺陷，焊縫內由α和β相等軸晶粒和樹枝狀晶粒組成，有明顯的熔合線，但是由于激光的焊接速度較快，因此接頭的熱影響區較窄，如圖3所示。接頭硬度高于母材，激光焊接頭的斷裂甚至可以發生在母材區。有學者還發現[25]，接頭經過250℃退火后，焊縫區形成了等軸晶粒，晶粒得到了細化，退火后接頭的塑性可以得到明顯改善。目前，鎂鋰合金激光焊的研究同樣存在鎂鋰焊接類型單一的問題。隨著鎂鋰合金在航天領域的應用日漸廣泛，具有高精密特征的激光焊接技術在鎂鋰合金焊接領域的應用也將顯得尤為重要，對其研究也亟待系統與深入。1.2.3攪拌摩擦焊（FSW）FSW作為固態焊接技術，由于其具有焊接工具與被焊材料自成封閉系統的特點，可以避免Li元素揮發以及與其他氣體反應等問題[27-31]。因此對于含有低沸點Li元素的鎂鋰合金而言，FSW在其焊接領域具有較好的應用前景。目前，部分學者對α+β雙相固溶體型鎂鋰合金的FSW做了相關研究[27]。研究表明，采用FSW技術可以實現鎂鋰合金搭接結構的焊接，接頭表面成形良好，焊縫無明顯焊接缺陷，如圖4所示。接頭組織由α和β相組成，晶粒的尺寸隨熱輸入的增加而增大。同時，隨著熱輸入的增加，接頭的力學性能也有所提高。然而鎂鋰合金本身塑性較差，焊接后，接頭的塑性進一步輕微變差。因此對接頭進行了退火處理[27]，結果顯示，退火后的鎂鋰合金FSW接頭的塑性有所提高，可達母材的96%，焊核區和熱影響區都發生了軟化，斷后伸長率均有所提高。此外，部分學者對第三種β單相固溶體型鎂鋰合金的FSW進行了研究[29-31]。結果顯示，FSW也可以實現這種鎂鋰合金的焊接，接頭表面成形良好，攪拌區在熱循環的作用下發生了再結晶，形成了等軸晶粒，可以觀察到密排六方結構的α單相固溶體，攪拌區的硬度高于母材，拉伸性能也高于母材。由上分析可見，FSW這種固相焊技術，為鎂鋰合金的焊接提供了新方法，將這種方法高效地應用在鎂鋰合金的焊接上，將會進一步促進鎂鋰合金在航天領域的廣泛應用。

2鎂鋰合金在航天領域的應用

鑒于超輕鎂鋰合金在航空領域的重要應用前景，圍繞鎂鋰合金的制備、加工以及熱處理技術的研究均得到了快速的發展[32-34]。其中焊接技術是鎂鋰合金結構件必不可少的加工成形手段，焊接過程中的工藝和產品質量是決定其應用的關鍵因素[35-36]。例如美國NASA通過弧焊技術，采用LA141和LA91A鎂鋰合金，成功制備了壓力容器[37]。研究還表明，在低溫條件下焊接件的強度和韌性良好，可用于一些中等負荷的航空航天結構件，但是在高溫下焊接件的性能較差。另外，FSW比較適合于航天器中大型鎂合金復雜結構件坯料的焊接，如衛星鎂合金承力底盤、安裝肼瓶用的鎂合金支架、大梁等[38-41]。隨著鎂鋰合金焊接技術的進一步發展，對減輕航天器質量，促進航天事業發展將起到更加重要的作用。

3結束語

鎂鋰合金的焊接技術直接影響著其作為新一代超輕合金在航天等領域應用的深度與廣度。目前，鎂鋰合金的應用尚處于起步階段，無論是用于焊接的鎂鋰合金類型，還是對于其焊接方法均有待于系統和深入的研究。此外，對于接頭性能的分析，尤其是疲勞等動態性能分析的研究也還亟待完善。另外，對于鎂鋰合金在焊接過程中的組織演變機制也仍需進一步探索和研究。隨著對鎂鋰合金焊接工藝、組織與性能等方面研究的系統與深入，必將促進鎂鋰合金在航天等領域的廣泛應用，創造更好的社會價值和經濟效益。

參考文獻：

[4]栗麗，李煥喜，周鐵濤，等．鎂鋰系合金的研究進展[J]．

作者：李慧 徐榮正 侯艷喜 國旭明 單位：沈陽航空航天大學