镁合金是21世纪的“绿色工程材料”。作为减重节能的新型金属，镁合金被越来越多地应用在工业产品中，成为制造高档轻便产品的首选材料。
镁合金自行车架发展趋势
目前，自行车正朝着轻便、高强度、高舒适度和低成本的方向发展。国内外的研究人员更是将自行车的省力与安全性能放在了首位。由于镁合金比钢的强度低，因此最初仅应用在自行车身的少数零件，如手把、前叉和脚踏板等。研究人员发现，自行车架的断裂往往发生在焊接结合点处，例如前管与下管结合点处，立管与下管结合点处，这说明自行车架的使用材料只要达到一定的要求即可，不必完全局限于钢材料。镁合金性能虽然不如钢，但是其性能已经可以满足自行车架的要求。同时，车架更新换代非常快，用压铸件的铸模成本很高。目前许多焊接方法都可以很容易地将镁合金焊接成车架，且焊接的效率高，许多镁合金都不需要进行热处理，加工控制稳定，成本较低。
目前镁合金自行车架主要采用具有良好焊接性能的镁铝锌合金。
镁合金自行车架的焊接工艺分析
对于自行车架这种薄壁批量生产的产品，通常采用交流TIG焊接。这也是在目前自行车生产厂家中比较常见的焊接方法。
选用品质优良、电弧稳定的交流钨极氩弧焊方法，采用大电流、快速焊工艺参数和刚性固定等措施，可以获得优质的镁合金焊接接头。镁合金填丝焊接接头的母材区由较粗大的等轴晶粒构成，焊缝区由于冷却速度快产生的晶粒较小，而热影响区近缝区的晶粒则由于受热而有所长大。但是，拉伸性能测试表明，采用填丝交流TIG方法焊接镁合金，可以获得高质量的焊缝，其焊接接头强度可以达到母材的93.5%左右，高于不填丝焊接接头。焊接镁合金自行车的工艺技术与焊接铝合金自行车的技术相近，焊工操作技能稍加改进，即能达到合格质量标准。虽然焊接时的技术和焊接铝合金的方法相近，但焊接镁合金仍然有它的焊接特点。
1. 镁合金焊接容易出现的问题
（1）粗晶。镁的熔点仅为651℃，导热快，焊接时要用大功率热源，所以焊缝及热影响区金属易产生过热和晶粒长大。
（2）氧化和蒸发。镁的氧化性极强，在焊接高温下，易形成氧化镁（MgO），MgO熔点高达2500℃，且密度大（3.2g/cm3），在熔池中易形成细小片状的固态夹渣。在高温下，镁还容易和空气中的氮化合成镁的氮化物，使接头性能变坏。
（3）镁的沸点不高，仅为1100℃，因此在电弧高温下容易蒸发。
（4）热应力。镁及镁合金的线膨胀系数约为钢的2倍（铝的1.2倍），所以焊接时产生较大的热应力，增加产生裂纹的倾向和加大焊件变形。
（5）热裂纹。镁容易和一些合金元素如Cu、Al、Ni等形成低熔点共晶（如Mg-Cu共晶熔点为480℃，Mg-Al共晶熔点为430℃，Mg-Ni共晶熔点为508℃）所以热裂纹倾向较大。
（6）气孔。氢在镁中的溶解度随着温度的降低而急剧减少，因此焊缝中易产生气孔。
2. 镁合金自行车架焊接的主要问题
镁合金的自行车架用材主要是壁厚为1.5mm到3mm的薄壁管，由于镁合金的表面有一层高熔点的金属氧化膜，且从固态加热到熔化时没有明显的颜色变化，因此，用交流TIG焊接方法引起的主要焊接问题是：
（1）大的热输入引起的焊缝背面塌陷。
（2）焊缝及周围发黑（如图1所示）。
a）焊缝处发黑，b）点焊处发黑
图1 焊缝处发黑
（3）焊接裂纹。
（4）气孔（如图2所示）。
a）内部气孔，b）外部气孔
图2 气孔缺陷
（5）成型不良。
3. 镁合金自行车架交流氩弧焊接工艺设计原则
（1）减小热输入量，保障焊缝成型和防止背面塌陷。
（2）减小热应力，防止焊缝产生热裂纹。
（3）焊前表面清理和保护电弧区域清洁是防止气孔和裂纹产生的重要因素，也是防止和减少焊接区域发黑问题的措施之一。nextpage
镁合金自行车架的焊接工艺试验
按照上述焊接工艺的设计原则，采用小的焊接线能量和热输入，从实践上有两种选择方式，其一用人工控制电流脉冲的方式，被称之为断弧焊工艺。另外则采用小电流短弧快速连续焊以降低焊接热输入量，被称之为连弧焊。减少热应力，通过以较少相对温差的方式解决，常用电弧预热的方式。电弧区域的清洁以高纯度的保护气体和焊件焊材表面清洁程度高为措施。
1. 镁合金自行车架的材料及焊接材料
在镁铝锌合金（AZ31B，AZ61A，AZ63A，AZ91和AZ92A）中，铝含量增加10%以上，可以通过细化晶粒的作用增加焊接性，但锌含量的增加超过1%，会导致裂纹敏感性增加。
对于母材为镁铝锌合金的焊接，焊接材料可以选用母材一致的材料，较好的是配用熔点较低的含铝量较大的配套焊丝，如ER AZ61A， ER AZ101A或 ERAZ92A来防止焊接裂纹。
对于镁合金自行车架的用材，如AZ31B，AZ61A和AZ92D，选择ER AZ61A或ER AZ92A。
本次工艺研究采用了两个工厂的车架和焊接材料进行了分析试验，试验用镁合金车架用的材料，通过电子透照显微镜分析后，其结果如表1所示。从表1中可以看出，1号试样为AZ31系列，其他材料为AZ62系列。
表1 镁合金车架材料分析（元素含量%）
焊丝采用的材料分析如表2所示，从表2 可以看出，4号试样（为4mm直径焊丝）和5号试样（2mm直径焊丝）是用同一种材料制作。6号焊丝为非天津区域自行车厂使用，它是从母材上切下的条形材料，属于AZ62系列材料。
表2 镁合金车架焊丝用材料分析（元素含量%）
断弧脉冲交流TIG焊接工艺参数如表3所示。
表3 断弧脉冲交流TIG焊接工艺参数
3. 连弧焊接的焊接工艺
连弧焊工艺被除天津以外的镁合金自行车厂所采用，利用小电流，快速移动来减少焊接热输入，同时采用低电弧的方法来避免表面污染。焊接工艺程序如下：
（1）镁合金母材和焊丝焊前必须进行严格的化学和机械清理，去除油污、氧化膜，机械清理时用不锈钢刷和非硅类打磨材料。
（2）采用面板控制或带遥控并可调节电流手操盒，连接到时代的WSE-315焊机。关掉爬坡和下坡电流功能。
（3）采用99.99%纯度的氩气保护。
（4）对口间隙尽量小，并将工件用夹具固定好。
（5）采用左焊法。焊枪距离工件的距离尽量小，焊丝放在待焊焊缝上，角度尽量与焊缝平行。
（6）对准起焊处，起弧后拉高电弧，预热1~2s，电弧指向焊丝。
（7）形成熔池后快速移动，左手填丝，形成焊缝。
连弧交流TIG焊接工艺参数如表4所示。
表4 连弧交流TIG焊接工艺参数
4. 镁合金自行车架焊接设备
本次试验采用了时代科技专为镁合金自行车行业研制的WSE-315交流氩弧焊机（如图3所示）。该焊机将预设的上升和下降电流时间预设至最小值，使用平衡交流方波设计，配备了可调节电流的脚控遥控器。主要电气参数为：牌号PNE20~315ADP，电流调节范围12~315A，交流频率调节范围5~100Hz，额定负载持续率60%，输入电压380V 3相。该设备已在河北某自行车厂上批量使用。 nextpage
图3 时代WSE-315交流氩弧焊机
5. 断口照片
图4所示为现场进行强力破坏的断口照片。从图4a和图4b的断口照片可以看出，焊缝有一定的熔深和强度，破坏发生在母材部分，说明焊接的焊缝强度达到要求。图4c和图4d所示为经过锯切开口后，撕裂的焊缝照片，可以看出焊缝断口完整，无内部缺陷产生。
图4 接口的断口照片
结语
1. 镁合金自行车架的焊缝及焊接工艺均有自己的特点，采用交流TIG填丝焊接是目前自行车行业采用的主要焊接方法。
2. 镁合金自行车架的焊接工艺设计原则为小热输入量，降低冷却速度，保持清洁。
3. 总结了目前采用的两种镁合金自行车架焊接工艺断弧焊和连弧焊的工艺要点和工艺参数。通过破坏性试验，证明两种方法均可以得到良好的焊缝质量。
4. 经过改进的时代WSE-315焊机能够满足镁合金自行车焊接工艺特点的需求，并且已经在某自行车厂生产线上批量使用。
2. 断弧焊接的焊接工艺
（1）镁合金母材和焊丝焊前必须经过严格的化学和机械清理，去除油污、氧化膜，机械清理时用不锈钢刷和非硅类打磨材料。放置时间过长时，需重新打磨。
（2）采用带脚踏开关并可调节电流的时代WSE-315焊机，关掉爬坡和下坡电流功能。
（3）采用99.99%纯度的氩气保护。
（4）对口间隙尽量小，并将工件用夹具固定好。
（5）采用左焊法。焊枪距离工件的距离尽量小，焊丝放在待焊焊缝上，角度尽量与焊缝平行。
（6）对准起焊部位，起弧后拉高电弧，预热1~2s，根据熔池温度开始填充焊丝，电弧指向焊丝。
（7）利用脚踏开关快速加大电流形成熔池后，逐步减小电流至维弧状态，移动焊枪至下一步，完成一个断弧脉冲循环，再加大电流形成下一个熔池，这样逐步形成焊缝。
