鎂與鋼本相互獨(dú)立，無(wú)法相容，卻在激光的作用下變成了“好基友”。這對(duì)未來(lái)改造汽車(chē)結(jié)構(gòu)，減輕汽車(chē)碳排放有巨大的作用。

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(jìn)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(yīng)產(chǎn)物因焊接方法、母材中的合金元素、應(yīng)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(jié)和比較了機(jī)械性能表征，搭接焊接和點(diǎn)焊接頭的搭接拉伸剪切試驗(yàn)，對(duì)接焊接接頭的拉伸試驗(yàn)以及搭接焊接和點(diǎn)焊接頭的疲勞性能。研究發(fā)現(xiàn)，鎂/鋼界面上的反應(yīng)產(chǎn)物與機(jī)械性能相關(guān)。最后，討論了提高鎂/鋼接頭強(qiáng)度的途徑，如在攪拌摩擦搭接和對(duì)焊過(guò)程中引入互鎖特性。

未來(lái)潛在的應(yīng)用目標(biāo)可能是汽車(chē)結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)在未來(lái)20年碳纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用將迅速增加。將碳纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用于汽車(chē)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大動(dòng)力主要來(lái)自旨在減少單位距離二氧化碳排放的法規(guī)。

1導(dǎo)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(yīng)的減少，迫切需要新技術(shù)來(lái)緩解這一趨勢(shì)。在美國(guó)，運(yùn)輸占化石燃料消耗的70%，如小汽車(chē)、卡車(chē)和公共汽車(chē)。此外，2018年美國(guó)與能源相關(guān)的二氧化碳排放量約有30%來(lái)自運(yùn)輸行業(yè)。通過(guò)減輕車(chē)輛重量，可以顯著降低油耗和隨之而來(lái)的二氧化碳排放。根據(jù)一項(xiàng)全國(guó)性研究，車(chē)輛重量減少10%意味著每加侖英里數(shù)增加5%。汽車(chē)減重100 kg可減少20 g/km的二氧化碳。

目前，鋼材占普通汽車(chē)重量的50%以上。平均每輛車(chē)使用900 kg鋼材，分布在車(chē)身結(jié)構(gòu)（34%）、傳動(dòng)系（23%）、懸架（12%）和其余部分（31%）。因此，用更輕的結(jié)構(gòu)材料代替鋼材是減輕車(chē)輛重量的一種簡(jiǎn)單方法。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(fù)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(qiáng)度重量比，并且能夠與現(xiàn)有的鋼構(gòu)件形成堅(jiān)固的接頭。與鋁合金和鎂合金相比，碳纖維聚合物復(fù)合材料具有更高的比強(qiáng)度（斷裂強(qiáng)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?yàn)樗鼛缀鹾弯X合金一樣堅(jiān)固，但比鋁輕33%。各種金屬的強(qiáng)度與密度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 Ashby圖中結(jié)構(gòu)金屬的強(qiáng)度與密度，在圖中，鎂合金用綠色箭頭標(biāo)記

由于鎂合金價(jià)格昂貴，且對(duì)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(shí)常見(jiàn)的障礙適用于鎂-鋼對(duì)，但在連接鎂和鋼方面存在一些獨(dú)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(xué)和機(jī)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(yīng)用了不同的中間層或涂層來(lái)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(duì)鎂合金與鋼的焊接還沒(méi)有較為全面的研究。本文旨在通過(guò)比較鎂-鋼界面的機(jī)械性能、斷裂模式和顯微組織，對(duì)各種焊接方法、中間層和涂層進(jìn)行綜述。

1.2連接方法和接頭配置

連接方法可分為機(jī)械連接、化學(xué)連接、熔焊和固態(tài)焊接方法。機(jī)械連接方法包括常規(guī)鉚釘、螺紋緊固件、螺栓連接、流動(dòng)鉆螺釘、鉚接、攪拌摩擦盲鉚接、自沖鉚接、卷邊等?；瘜W(xué)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(xiàn)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(lèi)：當(dāng)焊接溫度高于~650°C時(shí)的熔焊，以及當(dāng)焊接溫度低于~650°C時(shí)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(diǎn)焊（RSW）。在固態(tài)連接方法中，攪拌摩擦焊（FSW）、攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）、超聲波點(diǎn)焊（USW）和沖擊焊已得到應(yīng)用。

圖2 Mg-Fe相圖

為清楚起見(jiàn)，文獻(xiàn)中報(bào)告的接頭配置可分為三大類(lèi)：線性搭接焊、線性對(duì)接焊和點(diǎn)焊。具有不同接頭配置的各種焊接方法如圖3所示。相關(guān)文獻(xiàn)包括：搭接激光和搭接混合激光TIG、搭接激光釬焊、搭接FSW、對(duì)接激光和對(duì)接混合激光TIG、對(duì)接FSW、spot RSW、spot FSW和spot-USW。擴(kuò)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(xiàn)中討論的最典型的焊接配置。

圖3 攪拌摩擦搭接、對(duì)接、點(diǎn)焊原理圖;激光搭接對(duì)接焊接;激光和TIG搭接和對(duì)接、USW、RSW、激光釬焊搭接和擴(kuò)散焊的混合焊接

2鎂合金/鋼接頭的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)觀察及連接機(jī)制

2.1通過(guò)不同焊接方法對(duì)焊接橫截面進(jìn)行的焊接設(shè)置和宏觀結(jié)構(gòu)觀察

對(duì)于搭接焊，鎂合金板通常放置在鋼板的頂部，焊接功率應(yīng)用于鎂合金。因?yàn)殒V硅合金比鋼具有更低的強(qiáng)度和熔點(diǎn)，因此將FSW工具或激光束形式的電源應(yīng)用于頂板，以獲得鎂/鋼接頭。對(duì)于鎂合金和鋼的對(duì)接焊接，出于類(lèi)似原因，電源應(yīng)用于鎂側(cè)。

然而，在某些情況下，研究人員將激光束應(yīng)用到鋼板上進(jìn)行搭接焊接和對(duì)接焊接。點(diǎn)焊的配置類(lèi)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(guò)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(jié)構(gòu)的鎂/鋼接頭截面。源參考文獻(xiàn)顯示在括號(hào)中

在鎂/鋼對(duì)接焊接接頭中未觀察到系統(tǒng)聯(lián)鎖特征。對(duì)接焊接可能是FSW的一種新應(yīng)用，因?yàn)镕SW工具可以在焊接過(guò)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(diǎn)焊，F(xiàn)SSW引入了互鎖功能，但也在焊接后留下一個(gè)鎖孔。重新填充攪拌摩擦點(diǎn)焊（RFSSW）可用于克服小孔。USW依靠鎂向鋅中間層的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)鎂/鋼的結(jié)合。由于焊接前鎂/鋼界面的高電阻，RSW依賴(lài)于鎂的局部熔化。與USW一樣，擴(kuò)散連接也取決于基材和中間層之間的擴(kuò)散。

2.2焊接界面的顯微組織分析

通常，由于兩個(gè)主要原因，在沒(méi)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(guò)程中的反應(yīng)。考慮到鎂和氧之間的反應(yīng)性，在加入之前去除氧化物是不可行的。此外，在沒(méi)有任何涂層或夾層的情況下，在鎂合金和鋼之間進(jìn)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(wú)夾層或涂層的反應(yīng)產(chǎn)物

表1和表2分別總結(jié)了焊接鎂/鋼界面上有無(wú)夾層或涂層的界面反應(yīng)產(chǎn)物。根據(jù)表1中總結(jié)的文獻(xiàn)，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?yàn)樵谌酆高^(guò)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?cái)U(kuò)散到焊接界面，并與鋼中的鐵反應(yīng)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(yīng)。

表2 具有各種夾層或涂層的焊接鎂/鋼界面處的反應(yīng)產(chǎn)物

特殊的焊接裝置會(huì)產(chǎn)生特殊的界面產(chǎn)物。例如，當(dāng)激光束應(yīng)用于鋼側(cè)時(shí)，觀察到β-MgxAly/鎂的共晶結(jié)構(gòu)。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(guò)渡層，通過(guò)RSW將鋼與鎂合金結(jié)合起來(lái)。然而，有證據(jù)表明，中間層可能不需要實(shí)現(xiàn)鎂和鋼之間的結(jié)合。例如，純鎂和鋼在對(duì)接配置中使用FSW進(jìn)行粘合。這種結(jié)合的機(jī)制尚不清楚。在攪拌摩擦焊過(guò)程中，可以假設(shè)在較高應(yīng)變率和應(yīng)變率下，強(qiáng)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(jìn)一步研究。

然而，通?？磥?lái)，涂層或中間層有助于鎂合金和鋼之間的冶金結(jié)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(jié)構(gòu)通常在界面處形成，這被認(rèn)為是促進(jìn)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(jié)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(yīng)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(jié)了界面處文獻(xiàn)中報(bào)告的反應(yīng)產(chǎn)物。一項(xiàng)有趣的研究表明，在純鎂和通過(guò)RSW結(jié)合的鍍鋅無(wú)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(guò)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(bào)告的幾種反應(yīng)產(chǎn)物的調(diào)查結(jié)果。

圖5 鎂/鋼焊接界面的典型反應(yīng)產(chǎn)物

3接頭的機(jī)械性能表征

實(shí)驗(yàn)中使用各種方法評(píng)估鎂/鋼接頭的機(jī)械性能：（1）搭接焊接接頭的搭接拉伸剪切試驗(yàn)，（2）點(diǎn)焊接頭的搭接拉伸剪切試驗(yàn)，（3）對(duì)接焊接接頭的拉伸試驗(yàn)和（4）搭接焊接接頭和點(diǎn)焊接頭的疲勞試驗(yàn)。第3.1至3.4節(jié)總結(jié)了這四種試驗(yàn)方法的結(jié)果。由于擴(kuò)散焊有一個(gè)特殊的配置設(shè)置，所以在擴(kuò)散焊接頭上使用不同的試驗(yàn)方法，即剪切試驗(yàn)。鎂和鋼之間帶有Cu夾層的擴(kuò)散鍵的剪切強(qiáng)度可達(dá)到57 MPa，并且鎂/鋼接頭穿過(guò)焊接界面。

3.1搭接焊接接頭的搭接拉伸剪切試驗(yàn)

表3顯示了文獻(xiàn)中的搭接拉伸剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的斷裂模式。所有這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)都被轉(zhuǎn)換為一個(gè)統(tǒng)一的指標(biāo)，稱(chēng)為“關(guān)節(jié)能力”，以便對(duì)文獻(xiàn)中報(bào)告的各種關(guān)節(jié)配置進(jìn)行定量比較。聯(lián)合能力的計(jì)算是通過(guò)將報(bào)告的峰值負(fù)荷除以樣本的寬度，以提供一個(gè)承載能力的規(guī)范化表示。

表3 鎂/鋼搭接焊接接頭強(qiáng)度和斷裂位置

使用該度量進(jìn)行比較的一個(gè)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?cè)噲D建立不同鎂/鋼接頭的概貌，并承認(rèn)接頭能力只是眾多指標(biāo)之一。因此，在解釋這個(gè)數(shù)據(jù)集時(shí)必須小心。圖6顯示了從文獻(xiàn)中收集的搭接焊接接頭的接頭能力匯總圖。

圖6 通過(guò)不同焊接方法獲得的搭接焊接接頭的接頭性能

3.2點(diǎn)焊接頭的搭接拉伸剪切試驗(yàn)

采用搭接拉剪試驗(yàn)評(píng)價(jià)點(diǎn)焊接頭的承載能力。表4總結(jié)了接頭強(qiáng)度和斷裂位置。選擇每個(gè)接頭的峰值載荷代表接頭強(qiáng)度，因?yàn)楹附訁^(qū)域主要決定接頭強(qiáng)度和斷裂模式。表4中所列點(diǎn)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(diǎn)焊接頭強(qiáng)度和斷裂位置

圖7通過(guò)各種方法得到的點(diǎn)焊接頭的峰值載荷

3.3對(duì)接焊接接頭的拉伸試驗(yàn)

表5總結(jié)了文獻(xiàn)中報(bào)告的對(duì)接焊接頭的抗拉強(qiáng)度和斷裂位置，并繪制了圖7、8和9。注意，鎂/鋼對(duì)接焊接接頭通常通過(guò)焊接界面斷裂。這是因?yàn)镮F處的應(yīng)力集中促進(jìn)了導(dǎo)致斷裂的早期裂紋發(fā)展。在兩種情況下，會(huì)導(dǎo)致鎂合金而非IF中的對(duì)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(yīng)力集中，從而提高了接頭強(qiáng)度，并使斷裂位置遠(yuǎn)離IF。實(shí)現(xiàn)鎂/鋼對(duì)接焊縫具有更強(qiáng)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(duì)接焊接頭的接頭強(qiáng)度和斷裂位置

顯然，文獻(xiàn)中報(bào)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(qiáng)度的直接測(cè)量。在鎂失效的情況下，接頭能力表示界面強(qiáng)度的下限。接頭強(qiáng)度也有很大程度的變化，表明接頭化學(xué)和/或結(jié)合線不穩(wěn)定。

圖8 通過(guò)不同的焊接方法獲得對(duì)接焊接接頭的抗拉強(qiáng)度

圖9 攪拌摩擦搭接焊、RSW和WB的鎂/鋼接頭疲勞性能對(duì)比圖

顯然，文獻(xiàn)中報(bào)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(qiáng)度的直接測(cè)量。在Mg失效的情況下，接頭能力表示界面強(qiáng)度的下限。接頭強(qiáng)度也有很大程度的變化，表明接頭化學(xué)和/或結(jié)合線不穩(wěn)定。

3.4搭接焊接和點(diǎn)焊接頭的疲勞試驗(yàn)

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(jìn)行比較，對(duì)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(jìn)行了循環(huán)加載，并繪制了兩者的應(yīng)力與失效循環(huán)次數(shù)（S–N）圖。由于固有強(qiáng)度差異，HSLA wl焊縫（圖10）產(chǎn)生。標(biāo)準(zhǔn)化S–N圖顯示了類(lèi)似的疲勞行為。與AZ31的文獻(xiàn)相比，疲勞試驗(yàn)試樣在失效時(shí)顯示出明顯較低的載荷振幅。這可能是由于試驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致彎鉤形成，從而增加循環(huán)載荷期間的應(yīng)力集中，從而降低疲勞壽命。

圖10 獲得鎂和鋼之間冶金結(jié)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(dāng)載荷比為R=0.2時(shí)，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(chēng)，比較相似和不同焊縫的疲勞性能不是一個(gè)公平的比較，評(píng)估應(yīng)基于熔核區(qū)域的應(yīng)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(méi)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(yàn)樣品中常見(jiàn)），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(guò)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(píng)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(guān)。Xu等人的另一項(xiàng)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(jié)（WB，結(jié)合RSW和粘合粘結(jié)）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(qiáng)度比RSW試樣高出三倍。這種改善歸因于WB接頭中的應(yīng)力集中小于RSW接頭中的應(yīng)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(guò)斷口分析證實(shí)，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(dāng)施加的載荷大于10kN時(shí)，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(jiàn)表4），變形后分析指出鋼側(cè)存在較大的塑性變形，從而導(dǎo)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(yīng)在通過(guò)有效荷載面積與Nf計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化荷載或應(yīng)力的基礎(chǔ)上進(jìn)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(dāng)施加的載荷大于10kN時(shí)，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(jiàn)表4），變形后分析指出鋼側(cè)存在較大的塑性變形，從而導(dǎo)致更快的失效。

4總結(jié)和討論

4.1連接機(jī)制

鎂合金與鋼的連接機(jī)制可分為兩大類(lèi)：冶金連接和機(jī)械連接，總結(jié)如下：

（1）冶金結(jié)合：（i）反應(yīng)性合金元素如Al在鎂合金中可促進(jìn)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?yàn)樗鼈冊(cè)谝苯鹕鲜强苫烊艿?。（iii）即使沒(méi)有中間層、涂層或合金元素，在某些條件下也會(huì)發(fā)生冶金結(jié)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(guò)晶界松弛來(lái)緩沖界面應(yīng)變。

（2）機(jī)械連接：（i）機(jī)械聯(lián)鎖由機(jī)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(dòng)期間，如在激光焊接或激光TIG焊接期間，材料混合。圖10總結(jié)了與鎂/鋼界面冶金鍵形成相關(guān)的問(wèn)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(yīng)焊接。這是因?yàn)镕SW引入了嚴(yán)重的高溫塑性變形，可增加固體溶解度，感應(yīng)焊接可驅(qū)動(dòng)不互溶系統(tǒng)之間的互擴(kuò)散。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)鎂與鋼連接時(shí)，沒(méi)有中間層或涂層，接頭往往很弱或無(wú)粘結(jié)。這是因?yàn)殒V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(yīng)。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(jié)合。

4.2進(jìn)一步可行的方向

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

與連接類(lèi)似材料不同，連接不同材料在機(jī)械載荷期間面臨應(yīng)力集中（彈性模量失配導(dǎo)致的應(yīng)力局部化）的固有問(wèn)題。在銅/鋼接頭（圖11a）和鋁/鋼接頭的拉伸試驗(yàn)期間觀察到應(yīng)力集中。減少早期應(yīng)力集中的有效方法是通過(guò)改變焊接界面的幾何形狀來(lái)重新分配載荷。研究人員引入了機(jī)械聯(lián)鎖特性，如掛鉤或燕尾榫或波浪形金相界面或過(guò)渡區(qū)，以提高異種接頭的強(qiáng)度。摩擦攪拌劃線技術(shù)、摩擦攪拌燕尾榫技術(shù)和沖擊焊接的接頭截面分別如圖11b–d所示。吊鉤通過(guò)防止裂紋穿過(guò)焊接界面來(lái)提高異種接頭強(qiáng)度，如圖11e所示。焊縫熔核的局部強(qiáng)度也極大地影響接頭強(qiáng)度，如圖11f所示?；谶@些研究，攪拌摩擦劃線技術(shù)和攪拌摩擦燕尾榫技術(shù)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(yīng)用摩擦堆焊等技術(shù)來(lái)輔助鎂/鋼粘合。

最近的一項(xiàng)研究表明，感應(yīng)焊接工藝可以驅(qū)動(dòng)鋼和銅的不互溶系統(tǒng)之間的互擴(kuò)散，這意味著鎂和鋼的不互溶系統(tǒng)也可能通過(guò)感應(yīng)焊接連接。此外，焊接過(guò)程的熱循環(huán)在決定焊接質(zhì)量方面起著關(guān)鍵作用。通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程中鎂/鋼界面熱循環(huán)的詳細(xì)研究，可以揭示鎂與鋼之間的結(jié)合機(jī)理。增材制造過(guò)程中移動(dòng)熱源的相關(guān)研究有助于更好地理解實(shí)際攪拌摩擦焊接過(guò)程中的熱循環(huán)。

來(lái)源：A Review of Technologies for WeldingMagnesium Alloys to Steels. Int. J. of Precis. Eng. andManuf.-Green Tech. 8, 1027–1042 (2021). https://doi.org/10.1007/s40684-020-00247-x

參考文獻(xiàn)：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?” https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=307&t=10.