鎂與鋼本相互獨(dú)立，無法相容，卻在激光的作用下變成了“好基友”。這對(duì)未來改造汽車結(jié)構(gòu)，減輕汽車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)焊過程中引入互鎖特性。
未來潛在的應(yīng)用目標(biāo)可能是汽車結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)在未來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)用于汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大動(dòng)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(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)來緩解這一趨勢。在美國，運(yùn)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(guān)的二氧化碳排放量約有30%來自運(yùn)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(xiàng)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(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輛重量的一種簡單方法。
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有較為全面的研究。本文旨在通過比較鎂-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：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，文獻(xiàn)中報(bào)告的接頭配置可分為三大類：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(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(yīng)?？紤]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^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作為過渡層，通過RSW將鋼與鎂合金結(jié)合起來。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?？磥恚繉踊蛑虚g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RSW結(jié)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(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，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），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(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。考慮到鋼的厚度小于鎂（見表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：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)谝苯鹕鲜强苫烊艿摹＃╥ii）即使沒有中間層、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，通過晶界松弛來緩沖界面應(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。
一般來說，當(dāng)鎂與鋼連接時(shí)，沒有中間層或涂層，接頭往往很弱或無粘結(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(jī)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(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。吊鉤通過防止裂紋穿過焊接界面來提高異種接頭強(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)也可能通過感應(yīng)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(guān)鍵作用。通過對(duì)焊接過程中鎂/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). 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.
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