基于Al-Mg焊絲的鋁/鋼激光-CMT復合熔釬焊試驗研究

曾梓桐 陳禹昕 房博 楊志斌

摘 要：本文開展了鋁-鎂焊絲的鋁/鋼激光-CMT復合熔釬焊，結果表明隨激光功率增加，鋁正面鋪展距離先增大后減小，增加送絲速度有利于鋁在鋼表面的鋪展。最優焊接參數下接頭拉伸強度為188.89MPa，達鋁母材的77.1%，接頭薄弱區域為焊縫/不銹鋼界面，接頭界面金屬間化合物層厚度為5-8μm，呈針狀由不銹鋼向鋁側生長，主要成分為Fe4Al13、Fe2Al5、FeAl3和α-Al。

關鍵詞：鋁鋼異種材料;激光-CMT復合焊;熔釬焊;Al-Mg焊絲

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.020

0 引言

冷金屬過渡（cold metal transfer，CMT） 技術，具有飛濺小、熱輸入量低等特點，可以很好的控制金屬間化合物層的厚度，適用于鋁/鋼異種金屬的焊接[1]。激光-CMT電弧復合焊接采用激光/電弧復合熱源，焊接速度快，峰值溫度高，同時能精確控制能量密度，工藝穩定性更好，能有效控制界面金屬間化合物的生長，實現鋁/鋼的優質焊接[2]。本試驗采用鋁-鎂焊絲，對鋁合金和不銹鋼板進行激光-CMT復合熔釬焊，研究焊接參數對焊縫成型的影響規律，確定優化的焊接參數，獲得接頭的微觀組織及力學性能。

1 試驗材料、設備及方法

試驗選擇2mm厚的SUS301L奧氏體不銹鋼板和2.5mm厚的6A01-T5鋁合金，焊絲采用1.2mm的ER5183鋁-鎂焊絲。使用YLS 6000光纖激光器、TPS 500i CMT焊機進行熔釬焊，保護氣體為純度99.99%的氬氣，氣體流量為20L/min。激光與焊絲的距離為3mm，電弧與水平夾角為60°，激光與法線夾角為10°，并偏移鋼側0.6mm。接頭形式為對接，間隙為0.3mm。試樣規格為100mm×50mm，鋼側開20°的V型坡口。焊前將Nocolok釬劑和丙酮調成稀糊狀，均勻地涂在不銹鋼坡口以及附近上下表面，待丙酮蒸發后進行試驗。

2 試驗結果與討論

焊接試驗參數如表1所示，獲得的焊接接頭成形如表2所示。

1號接頭成型不理想，正面焊縫成型不均勻，有凹陷現象，背面焊縫成型波動較大。鋁在鋼表面的鋪展情況不理想，鋁的背面鋪展距離略大于正面鋪展距離，但鋪展不均勻，有未鋪展的現象。接頭抗拉強度為87.59MPa，斷裂在焊縫/不銹鋼界面處。2號接頭成型良好，正面、背面焊縫比較均勻，背面鋪展效果很好，鋪展距離很大。接頭抗拉強度為131.19MPa，斷裂在焊縫/不銹鋼界面處。3號接頭成型良好，無明顯缺陷，接頭正面與背面比較對稱，成型效果相當，鋪展效果理想。接頭抗拉強度為188.89MPa，達到了鋁母材的77.1%，斷裂在焊縫/不銹鋼界面。4號接頭正面成型不均勻，背面焊縫寬度減小，鋪展不均勻，存在未鋪展的問題。拉伸試驗測得的抗拉強度為112.86MPa，沿焊縫/不銹鋼界面斷裂。

比較這四組焊接工藝參數可以發現，激光功率的增加有利于鋁的鋪展，但是當激光功率達到2100W時，激光對鋁板的預熱效果增強，熔化的鋁母材增多，更容易流向鋼背面，使鋁的背面鋪展距離增加，正面鋪展距離減小，不利于接頭性能的提高。當送絲速度為4.0m/min時，較低的電弧熱輸入和填充金屬量不能實現鋁的良好鋪展，將送絲速度提高至4.5m/min時，鋁的鋪展效果理想，配合適當的激光功率，得到了力學性能優良的焊接接頭。最佳焊接工藝參數為：激光功率2000W，焊接速度1.2m/min，送絲速度4.5m/min。接頭的薄弱區域為焊縫/不銹鋼界面。

圖1為3號接頭試樣的SEM照片，界面處形成了一層致密的金屬間化合物，平均厚度為5-8μm，有研究表明，當界面化合物層的厚度小于10μm時，能夠保證接頭的力學性能。金屬間化合物呈針狀由不銹鋼向鋁側生長。圖2所示為金屬間化合物層的XRD圖譜，可見其主要成分為Fe4Al13、Fe2Al5、FeAl3和α-Al，主要形成富鋁的化合物，

這是因為鐵在鋁中的擴散系數遠大于鋁在鐵中的擴散系數。

3 結論

（1）基于鋁-鎂焊絲的激光-CMT復合熔釬焊實現了鋁/不銹鋼的優質連接，激光功率的增加有利于鋁的鋪展，但是當激光功率達到2100W時，鋁的正面鋪展距離減小;送絲速度的增加有利于鋁在鋼正、背面的鋪展。

（2）激光功率為2000W、焊接速度為1.2m/min、送絲速度為4.5m/min為最優焊接工藝參數組合，接頭的抗拉強度達到了188.89MPa，為鋁母材的77.1%;接頭的薄弱區域為焊縫/不銹鋼界面。

（3）最優焊接參數下，接頭界面的金屬間化合物層平均厚度為5-8μm，呈針狀由不銹鋼向鋁側生長，主要成分為Fe4Al13、Fe2Al5、FeAl3和α-Al。

參考文獻：

[1]郝軒，黃永德，陳偉，陳玉華.基于CMT技術的鋁合金電弧增材制造研究現狀[J].精密成形工程，2018，10（05）：88-94.

[2]Selvi S，Vishvaksenan A，Rajasekar E. Cold metal transfer （CMT） technology-An overview[J].Defence technology，2018， 14（01）：28-44.

基金項目：2018年大連交通大學大學生創新創業訓練計劃項目

作者簡介：曾梓桐（1997-），男，湖北襄陽人，本科在讀，主要從事焊接工藝方面研究工作。

指導教師：楊志斌