汽車用鎂、鈦異種金屬CMT焊的結合機制研究

陳莉

摘要：本文采用CMT焊接技術，利用熔釬焊原理對1mm厚AZ31B鎂合金和TA2工業純鈦進行異種金屬焊接。通過改變焊接電壓、送絲速度以及偏移量等工藝參數，研究了不同工藝參數對焊縫成形的影響。

關鍵詞：CMT焊結合機制；鎂/鈦；工藝參數

一、鎂鈦異種金屬CMT焊的結合機制

鎂合金和鈦合金作為輕量高強金屬材料的代表在工業中得到越來越廣泛的應用。在鎂鈦異種金屬的CMT熔釬焊過程中，鈦板在上，鎂板在下，焊槍作用在鈦板邊緣，鎂合金熔化形成熔池，熱量向熔池兩側傳導，鈦母材的熱導率相對較低，能量在鎂合金一側迅速傳導，促使鈦合金的溫度始終處于液相線之下或接近，導致鈦側母材不熔化，形成釬焊界面。

二、異種金屬焊接的主要困難

異種金屬焊接時，無論從焊接機理和操作技術上都比同種金屬復雜得多，這是因為異種金屬的物理性能、化學性能及化學成分等有顯著差異。異種金屬焊接時的主要困難如下：

1）異種金屬的熔點、線脹系數、電磁性、熱導率和比熱容相差愈大，愈難進行焊接。2）異種金屬的氧化性愈強，愈難進行焊接。3）異種金屬之間形成的金屬間化合物愈多，愈難進行焊接。由于金屬間化合物具很大的脆性，容易使焊縫產生裂紋，甚至斷裂。4）異種金屬焊接時，焊縫和兩種母材金屬不易達到等強度。這是由于焊接時熔點低的金屬元素容易燒損、蒸發，從而使焊縫的化學成分發生變化，力學性能降低。尤其是焊接異種有色金屬，這種現象更為明顯。

三、異種金屬焊接存在的問題

1）異種金屬之間不能形成合金。2）異種金屬的線脹系數不同，容易引起熱應力，而且這種熱應力往往不易消除，結果會產生很大的焊接變形。3）異種金屬在焊接過程中，由于金相組織變化或生成新的組織，都可使焊接接頭的組織性能變差，給焊接帶來很大困難。4）異種金屬焊接的熔合區及熱影響區的力學性能較差，特別是塑性明顯下降。5）異種金屬的焊接接頭，由于焊接應力和脆性的增加。容易產生裂紋，尤其是熱影響區更容易產生裂紋，甚至發生斷裂。

四、焊接參數對焊縫形貌的影響

利用CMT焊接實現鎂鈦異種金屬的焊接。CMT焊接時鎂合金母材熔化實現熔化焊，熔化的焊絲和鎂母材向鈦母材鋪展，在鈦一側形成釬焊接頭。本內容主要研究焊接速度、焊接電壓、送絲速度及偏移量對焊縫成形及接頭力學性能的影響。

（一）鎂/鈦熔釬焊焊縫形貌

根據熔釬焊的原理，將焊槍作用在鈦板邊緣，實現了鎂合金的深化，同時工業純鈦的溫度并沒有達到熔點仍然保持固態。在不加任何釬劑釬料的前提下，即滿足了鎂合金熔化焊的特點，也滿足了鈦釬焊的特征。通過CMT熔釬焊得到的焊縫形貌如圖1所示。圖1中所示的焊縫為焊絲中心與鈦板邊緣對齊時所焊。

● 圖1（a）鎂鈦異種金屬CMT焊正面焊縫形貌

● 圖1（b）鎂鈦異種金屬CMT焊背面焊縫形貌

觀察圖1（a）、（b）的焊縫發現，焊絲中心與鈦板邊緣對齊時所焊焊縫正面、背面均成形良好，無明顯缺陷。由此可知鎂鈦異種金屬的CMT焊接時選擇合適的焊接參數和偏移量能夠得到成形良好的焊縫。

（二）不同焊接電壓下的焊縫形貌

在用AZ61鎂焊絲鈦上鎂下多元系統焊接時，設定送絲速度5.0m/min，焊接速度7.14mm/s，改變焊接電壓分別為10V、12V、14V、進行焊接實驗，焊縫正面及背面外觀形貌如表1所示。

● 表1不同焊接電壓下的焊縫形貌

焊 接電

壓（V） 焊 縫 形 貌

1# 10 正面

背面

3# 12 正面

背面

4# 14 正面

背面

在其他條件一定的情況下，提高焊接電壓，焊接功率相應增加。但是焊接電壓的增加是通過增加電弧長來實現的，電弧長度增加使得電弧熱源半徑增大，電弧散熱增加，輸入焊件的能量密度減小，因此熔深略有減小而熔寬增大。同時，由于焊接電流不變，焊絲的熔化量基本不變，使得焊縫余高減小。

電弧電壓對焊縫形狀的影響如圖2所示，圖中H表示焊縫厚度，B表示焊縫寬度，a表示余高，U表示焊接電壓。由圖中可以看出電弧電壓增長，焊縫寬度顯著增加而焊縫厚度和余高將略有減少。

根據焊縫成形系數：

Φ=BH

式中B-焊縫寬度；H-焊縫厚度[18]。

由公式可以看出，隨著焊縫寬度增加，焊縫厚度減小，焊縫的成形系數將逐漸增大。

（三）不同送絲速度下的焊縫形貌

在用AZ61鎂焊絲鈦上鎂下一元系統焊接時，將焊接速度設定為12.5mm/s，調節送絲速度分別為9.5m/min、10.5m/min、11.5m/min、12.5m/min、13.5m/min，焊縫正、背面形貌如表2所示。

● 表2不同送絲速度下的焊縫形貌

送絲速度

（m/min） 焊縫形貌

2# 9.5 正面

背面

4# 10.5 正面

背面

6# 11.5 正面

背面

8# 12.5 正面

背面

10# 13.5 正面

背面

對比表2中不同送絲速度下的焊縫形貌看出，隨著送絲速度的逐漸增大，焊縫寬度逐漸增大，熔深增大。在送絲速度小于10.5m/min是焊縫寬度增大趨勢較明顯，焊縫局部有未熔透現象。送絲速度大于10.5m/min焊縫寬度增大增大趨勢不明顯，焊縫全部熔透。這就說明送絲速度對焊縫成形及熔深有很大影響。對比圖中各個送絲速度下的焊縫發現，送絲速度為11.5m/min的焊縫成形最好。

五、結論

1.鎂鈦異種金屬的CMT焊中，對鎂板在下，鈦板在上的接頭形式，適當的工藝參數可以獲得較好的焊縫成形，但是焊接電壓過大會使得成形系數過大，送絲速度過大也會是焊縫高度過高，影響成形。

2.通過對焊縫表面形狀分析初步得出工藝參數：一元系統焊接時送絲速度為11.5m/min，焊接速度12.5mm/s。多元系統焊接焊接電壓14V，送絲速度5.0m/min，送絲速度為7.14m/min。焊縫成形較好。

【參考文獻】

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[3]楊修榮.超薄板的CMT冷金屬過渡技術[J].焊接，2005（12）

[4]劉中青，邸斌.異種材料的焊接[M].北京：科學出版社，1990

【作者單位：新鄉職業技術學院】