薄板鋁合金的CMT焊接工藝*

徐國建， 王子健， 杭爭翔， 郭云強， 邱曉杰

(1. 沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870； 2. 南京中科煜宸激光技術有限公司 研究院， 南京 210038)

鋁合金在日常生產生活中應用廣泛，鋁及其合金具有優異的物理性能、化學性能和力學性能，廣泛應用在家電、建筑、汽車、航空航天等領域.隨著焊接技術的發展，已有多種鋁合金焊接結構應用于具有特殊使用性能要求的環境中，如航空航天飛行器等鋁合金焊接產品[1-2].

由于鋁與鋁合金具有較高的熱導性和熱膨脹性，因此，當進行鋁合金焊接時，容易產生裂紋及氣孔，常用的焊接方法包括TIG和MIG焊[3-4].這兩種方法雖然均能滿足鋁及其合金的使用性能要求，但TIG焊效率較低，且易造成夾鎢，MIG焊薄板容易產生燒穿等缺陷.

冷金屬過渡(CMT)焊是奧地利福尼斯公司在MIG/MAG焊的基礎上開發出的一種新型焊接技術.當發生熔滴短路過渡時，CMT焊技術的控制系統在采集到短路電流信號時，將會馬上切斷焊接電流，同時焊槍處的前送絲機構將會回抽焊絲，從而幫助熔滴過渡到熔池，實現無電流下的熔滴過渡，從而避免了焊接飛濺，且可獲得較小的熱輸入量，因而非常適用于薄板的焊接[5-10].

1 試驗材料與設備

1.1 試驗材料

試驗材料為6082-T6鋁合金，T6表示鋁合金經過固溶處理后再經過人工時效處理.6082-T6鋁合金試板尺寸為130 mm×60 mm×2 mm，其化學成分如表1所示.焊絲選用直徑為1.2 mm的ER4043鋁硅焊絲.

表1 6082-T6鋁合金的化學成分(w)Tab.1 Chemical composition of 6082-T6 aluminum alloy(w) %

1.2 試驗設備

試驗設備主要由TPS2700型CMT焊機、AⅡ-V6型OTC機器人系統等組成.CMT機器人焊接系統如圖1所示.保護氣體采用高純氬氣，流量為15 L/min，弧長修正系數為0%，焊縫坡口形式為Ⅰ型.

圖1 CMT機器人焊接系統Fig.1 CMT robot welding system

采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析焊縫的宏觀形貌和微觀組織；采用能譜分析儀分析微區成分；采用X射線衍射儀分析相組成；采用維氏顯微硬度計分析焊接接頭的硬度分布；采用萬能拉伸試驗機分析焊接接頭的機械性能.

2 結果與分析

2.1 焊縫宏觀形貌

2.1.1 焊接電流的影響

當焊接速度為110 cm/min、弧長修正系數為0%、焊接電流變化范圍為100～115 A時，在6082-T6鋁合金試板上進行CMT焊試驗.焊接電流對焊縫宏觀成型性、熔深、熔寬、深寬比和橫斷面形貌的影響分別如圖2～5所示.由圖3、4可知，隨著焊接電流的增加，熔寬、熔深與深寬比大體上也隨之增加.由圖5可見，當焊接電流為100 A時，焊縫尚未完全焊透，表明此時的焊接電流偏小，熱輸入量不足；當焊接電流達到105 A時，厚度為2 mm的鋁合金試板已被熔透，且隨著焊接電流的增大，焊接區面積也隨之增加.

圖2 焊接電流對焊縫宏觀成型性的影響Fig.2 Effect of welding current on macro formation of weld

2.1.2 焊接速度的影響

當焊接電流為105 A、弧長修正系數為0%、焊接速度的變化范圍為90～120 cm/min時，得到的焊縫宏觀形貌如圖6所示.

圖3 焊接電流對熔深、熔寬的影響Fig.3 Effect of welding current on weld depth and weld width

圖4 焊接電流對深寬比的影響Fig.4 Effect of welding current on depth-width ratio

圖5 焊接電流對橫斷面形貌的影響Fig.5 Effect of welding current on morphologies of cross section

焊接速度對焊縫熔深、熔寬、深寬比和橫斷面形貌的影響如圖7～9所示.由圖7可見，焊接速度對焊縫熔寬和熔深具有較大影響.隨著焊接速度的增加，焊縫熔深、熔寬大體上呈現逐漸減小的趨勢.由圖8可見，隨著焊接速度的增加，深寬比呈現先增后減的趨勢.由圖9可見，當焊接速度為120 cm/min時，焊縫尚未焊透.這是因為當焊接電流一定時焊接速度過大導致焊接熱輸入下降的緣故.為了提高焊接生產率，可以適當提高焊接速度，但要確保焊縫能夠焊透，避免出現未焊透等缺陷.

圖6 焊接速度對焊縫宏觀成型性的影響Fig.6 Effect of welding speed on macro formation of weld

圖7 焊接速度對熔深、熔寬的影響Fig.7 Effect of welding speed on weld depth and weld width

圖8 焊接速度對深寬比的影響Fig.8 Effect of welding speed on depth-width ratio

圖9 焊接速度對橫斷面形貌的影響Fig.9 Effect of welding speed on morphologies of cross section

通過上述試驗，采用控制變量法確定了在最佳CMT焊工藝參數條件下，弧長修正系數為0%，焊接電流為105 A，焊接速度為110 cm/min.在最佳焊接工藝參數條件下，不僅可以獲得具有適當熔深和熔寬的焊縫，而且所得焊縫表面成型美觀且色澤光亮.

2.1.3 焊接對比試驗

對2 mm板厚的6082-T6鋁合金進行MIG與CMT焊對比試驗.試驗中焊接電流為105 A，焊接速度為110 cm/min，保護氣體(高純氬氣)流量為15 L/min、坡口形式為I型坡口.焊后焊縫的宏觀形貌如圖10所示.由圖10可見，由MIG焊獲得的焊縫具有明顯飛濺，這是因為在MIG焊的熔滴短路過渡過程中，當液橋收縮變細時，短路電流密度增大，使得液橋迅速汽化而發生爆炸，從而導致飛濺的產生.與相同工藝參數下的CMT焊縫進行對比后發現，由CMT焊獲得的焊縫無飛濺產生，且成型美觀.

圖10 不同焊接方法下焊縫的宏觀形貌Fig.10 Macro morphologies of weld under different welding methods

2.2 焊接接頭微觀組織

經過研磨和拋光后，采用凱勒試劑(1 mL氫氟酸+1.5 mL鹽酸+2.5 mL硝酸+95 mL水)對6082-T6鋁合金焊接接頭進行腐蝕，腐蝕時間約為40 s.腐蝕完成后，立刻用大量清水沖洗掉殘留腐蝕劑，然后用無水酒精清洗干凈，再用吹風機吹干，最后利用金相顯微鏡進行組織觀察.結果發現，焊縫組織主要由α-Al固溶體組成.

2.2.1 焊接電流的影響

在6082-T6鋁合金CMT焊焊接試驗中，當焊接速度為110 cm/min、弧長修正系數為0%時，不同焊接電流對焊縫金屬顯微組織的影響如圖11所示.由圖11可見，在其他焊接工藝參數不變的前提下，隨著焊接電流的增加，焊縫組織逐漸變得粗大.這是因為隨著焊接電流的增加，焊接熱輸入量隨之增加，焊縫金屬凝固時間變長導致晶粒充分長大的緣故.不同熱輸入條件下焊縫區的組織形態具有較大差別.當焊接電流較小時，焊縫組織呈不連續短棒狀形態分布；當焊接電流較大時，焊縫組織呈連續粗大網狀形態分布.

圖11 焊接電流對焊縫金屬顯微組織的影響Fig.11 Effect of welding current on microstructure of weld metal

2.2.2 焊接速度的影響

當焊接電流為105 A、弧長修正系數為0%時，不同焊接速度對焊縫金屬顯微組織的影響如圖12所示.由圖12可見，隨著焊接速度的增大，焊縫金屬的顯微組織變得越來越細小.這是因為隨著焊接速度的增大，焊接線能量不斷減小，焊接熔池凝固速度變快，高溫停留時間變短導致晶粒未充分長大的緣故.

2.3 拉伸試驗

利用萬能試驗機對6082-T6鋁合金進行拉伸試驗，加載位移速度為3 mm/min，拉伸試驗結果如表2所示.由表2可見，2 mm板厚的6082-T6鋁合金焊接接頭的拉伸最大力平均值為4.055 kN，抗拉強度范圍為166.79～188.53 MPa.與其他試樣相比，1號和8號拉伸試樣的抗拉強度較小，這是因為這兩個試件的焊接工藝參數不合理導致焊縫中存在焊接缺陷(未焊透)的緣故.此外，拉伸試件的斷裂部位均發生于焊接熱影響區的軟化區，斷裂后拉伸試樣的實物照片如圖13所示.

圖12 焊接速度對焊縫金屬顯微組織的影響Fig.12 Effect of welding speed on microstructures of weld metal

表2 焊接接頭拉伸試驗結果Tab.2 Tensile test results of welding joints

圖13 斷裂后拉伸試樣照片Fig.13 Photo of tensile sample after fracture

6082-T6鋁合金焊接接頭的最大抗拉強度為188.53 MPa，與6082-T6鋁合金母材的抗拉強度平均值310.24 MPa相比，焊接接頭的最大抗拉強度約為母材的61%.觀察表2可以發現，當焊接電流為110 A、焊接速度為110 cm/min、弧長修正系數為0%時，6082-T6鋁合金焊接接頭的抗拉強度值最大，此時焊接接頭的伸長率為3.09%.

為了研究6082-T6鋁合金CMT焊焊接接頭拉伸試驗的斷裂機制，對拉伸后的試樣斷口進行微觀組織觀察，結果如圖14所示.由圖14可見，拉伸斷口存在很多大小不一的韌窩，且韌窩有深有淺，拉伸斷口形貌表現為塑性斷口.

圖14 焊接接頭拉伸試樣斷口形貌Fig.14 Fracture surface morphology of tensile sample of welding joint

2.4 維氏硬度試驗

利用HV-1000型維氏顯微硬度計對完成拉伸試驗的6082-T6鋁合金的焊接接頭焊縫區、熱影響區、母材區的顯微硬度進行測量，結果如圖15所示.由圖15可見，6082-T6鋁合金母材區的硬度約為95～98 HV，熱影響區硬度約為60～95 HV，而焊縫區硬度約為65～73 HV.可見，熱影響區硬度低于母材，這是因為6082-T6鋁合金是通過固溶處理加人工時效處理進行強化的，焊接熱影響區受到焊接熱輸入的影響，使得該區發生了“過時效”轉變，導致其硬度降低.

圖15 焊接接頭硬度分布Fig.15 Hardness distribution of welded joint

3 結 論

通過以上試驗分析可以得到如下結論：

1) 2 mm板厚的6082-T6鋁合金在最佳CMT焊接工藝參數條件下焊接電流為105 A，焊接速度為110 cm/min，弧長修正系數為0%，保護氣體(高純氬氣)流量為15 L/min.

2) 焊接工藝參數對焊縫成型具有較大影響.隨著焊接電流的增加，焊縫熔寬、熔深大體上隨之增大.隨著焊接速度的增加，焊縫熔寬、熔深大體上隨之減少.

3) 6082-T6鋁合金焊縫區硬度約為65～73 HV，熱影響區硬度約為60～95 HV，母材區硬度約為95～98 HV.

4) 焊接接頭最高抗拉強度為188.53 MPa，約為母材抗拉強度的61%.拉伸斷裂位置處于熱影響區，拉伸斷口形貌表現為塑性斷口.

5) 當對厚度為2 mm的6082-T6鋁合金進行CMT焊時，采用最佳焊接工藝參數可以避免傳統焊接方法生產效率低、夾鎢、裂紋、氣孔、焊接變形大等缺陷，且可以獲得較高的焊接接頭抗拉強度.