镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，具有比强度高，比刚度高，密度低，阻尼性高及较高的导电和导热性能，无磁性，无毒性和易回收利用等优点，广泛应用于汽车和航空航天等领域^{[1, 2]}。钢是目前应用最广的结构材料。

由于镁合金与钢材应用的广泛性和交叉性，使得镁-钢异种金属连接的混合结构在减轻车辆自重及节能减排方面具有突出的潜在优势。然而，镁与钢的物理性质相差较大，并且热力学上显示Mg-Fe之间的相互作用非常弱，在表观上表现为镁和钢较差的焊接性。尽管点焊^[2]、搅拌摩擦焊^[3]、激光-电弧复合焊^{[4, 5]}等方法可以实现镁/钢异种金属的连接，但这些方法易受工件形状和尺寸的限制，成本高昂，焊接过程复杂等因素难以满足大批量生产的需求。

近来，Fronius公司基于MIG/MAG焊的基础开发了冷金属过渡技术 (Cold Metal Transfer, CMT)，此技术独特的专家系统尤其适用于异种金属以熔钎焊的方式实现连接。另一方面，当液态钎料与钢板接触时，润湿铺展和界面反应是决定接头可靠连接的关键因素^[6]。通常液态金属在固态金属上的本征润湿为较小的接触角 (< 90°，由于它们之间以金属键结合) 和快速的铺展动力学 (惰性铺展特性)^[7]。但是润湿对周围环境因素十分敏感，例如：温度，气氛，母材的表面粗糙度和液滴的冲击等都不同程度地影响着液滴的润湿行为。尤其对于CMT焊接工艺，电弧力以及保护气的压力和焊丝的回抽力都有可能影响润湿和铺展。在CMT熔钎焊中，润湿和界面结构又与工艺参数中的送丝速率密切相关，因此研究镁-钢CMT条件下不同送丝速率的润湿行为是获得镁-钢可靠连接的前提。

目前，熔融镁合金液滴与钢板在焊接条件下的润湿已有一些研究基础，例如：Li等^[8]利用激光钎焊的方法研究镁在镀锌钢上润湿，发现镀锌层熔化后会形成液膜，与液滴接触从而起到促进润湿的作用。Liu等^[9]用电阻点焊方法研究镁-镀锌钢焊接，指出Mg与Zn形成Mg-Zn共晶被排挤到两侧，Mg在新鲜的钢表面发生润湿从而推断Zn起到了促进润湿的作用。Wahba等^[10]在用AZ31B镁合金和镀锌钢板激光焊的研究中同样发现了类似的现象。综上，在镁-钢异种金属连接中，镀锌层是否必不可少和锌的作用机制有待于进一步研究。因此，冷金属过渡条件下AZ61镁合金在两种钢板上的润湿行为研究具有重要意义。

1 实验材料和方法 1.1 实验材料

实验所用材料为直径1.2 mm的AZ61镁焊丝，Q235钢板和规格为60 g·m^-2的镀锌钢板 (尺寸为200 mm×100 mm×1 mm)。镀锌钢板以Q235钢板为基底，通过热浸镀锌的方法获得。AZ61镁焊丝的化学成分如表 1所示。

1.2 实验装置及方法

润湿实验所用设备为CMT 3200焊机，激光背光，CCD高速数码相机 (1200 fps) 和数据处理系统，实验装置如图 1所示。采集的熔滴图像可由计算软件得出润湿参数。润湿实验过程中采用高纯氩气保护，氩气流量为15 L·min^-1。实验前，采用钢刷打磨母材 (仅Q235钢板)，待润湿表面，采用丙酮、酒精依次对母材进行清洗，然后用夹具将基板固定在实验平台上。整个CMT润湿实验以1s内的熔滴过渡和润湿为研究对象。

为了进一步表征界面微观结构，利用配有能谱仪 (EDS) 的扫描电子显微镜 (SEM，FEG 450) 对试样截面进行显微组织观察和能谱分析。

2 实验结果和讨论 2.1 润湿行为

图 2为CMT条件下送丝速率从3.5 m·min^-1到13.5 m·min^-1，AZ61镁合金熔体在Q235钢板上润湿过程中，接触角与接触半径随时间的变化规律。从图 2中可以发现，接触角随着送丝速率的增加或者时间的延长波动幅度变大，主要由于液滴尺寸变大及焊丝回抽导致液滴的波动，进而带来实验测量的误差。

在不同送丝速率下 (除送丝速率3.5 m·min^-1外)，接触角随时间的变化规律基本一致，均在t=0.3 s后接触角的变化基本趋于稳定，然而接触半径在此时刻后随着金属过渡量的增加仍呈线性增加。基于润湿的实验结果，表明在镁-钢CMT连接工艺中，约0.3 s即可达到润湿平衡。接触半径的变化过程可以由描述，r₀为初始接触半径，C为拟合常数。

镁-镀锌钢的润湿行为如图 3所示。在镁熔体润湿镀锌钢板的过程中，在某时刻 (~0.11 s) 附近出现了接触角的峰值，而后随时间的延长仍出现了两种变化趋势：一是在送丝速率小于10.5 m·min^-1时，接触角随熔滴过渡时间的延长逐渐变大至稳定值；二是在送丝速率大于等于10.5 m·min^-1时，接触角随着时间的延长逐渐减小至稳定值。接触半径随熔滴过渡时间变化的基本规律同样可以由上述拟合式表征，表明润湿平衡在熔滴过渡中很容易实现。在镁-镀锌钢的润湿实验中，由于界面上锌蒸气的存在以及镁-钢本身较弱的亲和力，导致表观上出现不润湿或润湿性不好的现象，即“莱顿弗罗斯特”现象。在实际工况中表现为焊接工艺的不稳定，较多飞溅。因此，在镁-镀锌钢的CMT焊接中，建议使用大于或等于8.5 m·min^-1的送丝速率来满足润湿性的要求，点焊时间建议大于0.11 s以避开峰值满足工艺稳定性的要求。

2.2 宏观形貌及界面微观结构

图 4为送丝速率4.5 m·min^-1，点焊时间1 s时熔化的镁焊丝分别在Q235钢和镀锌钢板上润湿后的表面形貌。镁-Q235钢与镁-镀锌钢样品表面存在明显的差异：镁-Q235钢液滴表面光洁，如图 4(a-1) 所示，而且镁-Q235钢样品背面存在明显的氧化痕迹，如图 4(a-2) 所示；然而镁-镀锌钢液滴表面存在较多气孔，如图 4(b-1) 所示，且样品背面只有轻度的烧损痕迹，如图 4(b-2) 所示。表明锌曾经在镁熔体中，并通过熔体表面挥发并且带走热量，进而显著地降低了热输入。

镁-Q235钢在不同送丝速率下界面结构基本类似，因此可选送丝速率3.5 m·min^-1的样品作为研究对象。图 5为送丝速率3.5 m·min^-1，在Q235钢板润湿后液滴内部及界面的组织形貌。如图 5(a) 所示，在凝固后的液滴内部除了镁的固溶体外还存在部分骨架状的白色相，经能谱成分点分析，镁含量为73.3%，铝含量为26.7%，通过铝-镁二元相图确定其为Mg₁₇Al₁₂。经能谱线扫描分析，如图 5(b) 所示，在界面上形成了几百纳米厚度的铝富集层，主要为Al-Fe金属间化合物，其中送丝速率只影响界面上Al-Fe金属间化合物的厚度。因此，镁-Q235钢体系在不同送丝速率下所观测到的润湿与不润湿现象与镁在Al-Fe金属间化合物层上的润湿性无关，主要取决于界面反应的程度。界面反应的程度直接影响润湿过程中钢表面氧化膜的去除程度。即使实验前钢表面经过了机械打磨并去油脂，残留的氧化膜仍会有影响，而通过界面反应析出金属间化合物是去除氧化膜并促进润湿最为有效的方式^[11]。在大的送丝速率下，界面上的热输入相对较大，界面反应剧烈，界面上氧化膜去除彻底，因此润湿性变好。

在镁-镀锌钢的界面结构中发现了锌富集并形成了白色的Mg-MgZn共晶组织，同时共晶组织下方形成了Al-Fe金属间化合物层，如图 6(a) 所示；在三相线 (即固-液-气三相交会处) 处锌的富集增多，并形成了较为显著的富锌区，如图 6(b) 所示，富锌区中的初生相内部存在较多裂纹且界面上存在开裂预示着采用镀锌钢较差的力学性能。送丝速率同样对界面结构的影响较小，主要影响界面上锌富集的程度，即锌共晶层的薄厚。采用镀锌钢板时，由于电弧的作用使镀锌层首先挥发进而裸露新鲜未曾被氧化的钢表面，因此，在大的送丝速率下，镀锌钢表面的润湿性要稍好于Q235钢。同时锌的表面张力要大于镁，从而不会降低熔体的表面张力，且Zn与Fe的亲和力要小于Al与Fe，因此，Zn也不能有效地降低界面张力。综上，在小的送丝速率下，由于锌蒸发导致工艺不稳定，润湿性变差，较大送丝速率下，由于蒸发后裸露的表面具有金属性而使润湿性变好。

经过对界面结构的分析，发现不管是镁-Q235钢还是镁-镀锌钢界面上都出现了铝的富集，即Al-Fe金属间化合物层。从热力学角度分析，铝在界面上的富集符合热力学形成条件。在Mg-Al/Fe三元体系中Al在Mg-Fe界面上的富集，可以由吸附能表征，其中吸附能的数值越负表明此元素越倾向富集于固/液界面。Eustathopoulos^[12]等指出对于B-M/A三元金属体系 (B为溶剂、M为溶质以及A为基板元素) 中溶质M在B/A界面 (即固/液界面) 上的吸附能为E=m₁ (λ_AM-λ_BM-λ_AB)，式中E为吸附能，m₁为界面结构常数 (正值)，λ_i-j为两种金属之间的相互作用系数。假设铝-镁二元溶液为无限稀释的正规则溶液^[13]，那么这两种金属的相互作用系数可以由两者的混合焓进行估算，即λ_ij=(和分别为i在j中和j在i中的混合焓，可参考文献^[14]得到。经计算得：λ_Fe-Mg=66.414 kJ·mol^-1，λ_Al-Mg=-4.764 kJ·mol^-1，λ_Fe-Al=-87.392 kJ·mol^-1。事实上相互作用系数λ反映了两种金属的亲和力，其值越负则两种金属的亲和力就越强。代入上述参数可以计算得到Al在界面上吸附能为：E/m₁=-149.042 kJ·mol^-1，表明了铝在界面上富集符合其形成的热力学条件。同时对于Mg-Zn/Fe三元体系中Zn在Mg/Fe界面上的吸附能运用同样方式可以计算得到E/m₁=-72.799 kJ·mol^-1，其中λ_Fe-Zn=-13.657 kJ·mol^-1，λ_Mg-Zn=-7.272 kJ·mol^-1，λ_Mg-Fe=66.414 kJ·mol^-1。计算结果表明Zn同样会富集于固-液界面，但是吸附能没有Al更负，因此由于这种亲和力差异将Zn驱赶于三相线附近形成富Zn区。

在镁-Q235钢的润湿过程中，界面上的Al-Fe金属间化合物层表明Al-Fe界面反应促进了镁-钢的润湿，其机制可能为Al与Fe的界面反应消除了钢表面原始的氧化膜。在镁-镀锌钢的润湿过程中，Zn受热挥发后不但降低了界面上的热输入，而且使裸露的钢表面相对不镀锌的Q235钢更具金属性，因此，使熔融的镁合金更易于润湿。

3 结论

(1) 无论镀锌钢还是Q235钢，镁-钢在冷金属过渡条件下的润湿性随送丝速率增加而变好，实质上与系统随送丝速率增加的热输入有关。

(2) 镁-Q235钢的润湿性主要取决于界面反应的剧烈程度，温度越高，界面反应越剧烈，润湿性越好，与镁在金属间化合物上的润湿性无关；锌在镁-镀锌钢的润湿中，对润湿性改善的作用十分有限，但会在界面上和三相线附近产生富集。

(3) 镁-钢界面结构的形成及三相线处锌的富集满足体系中各组元在界面上吸附的热力学条件。