薄板鋁合金的CMT焊工藝研究

郭文濤

摘 要：為了解決傳統(tǒng)焊接方法焊接鋁合金時容易造成的生產(chǎn)效率低、焊接變形大以及夾鎢、裂紋、氣孔、飛濺等缺陷。本次主要研究LY12、LF5鋁合金1.0～3.0mm薄板材的CMT焊接工藝，從而制定一套切實可行的CMT焊接加工工藝，從而提高工廠生產(chǎn)加工效率。為后續(xù)產(chǎn)品實現(xiàn)CMT自動化焊接打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：CMT焊;熔化極;焊接;工藝

1.前言

鋁及鋁合金在航天航空中應(yīng)用極為廣泛，主要用于型材骨架、飛機蒙皮、整流罩，鋁及鋁合金在工業(yè)加工過程中焊接應(yīng)用非常普遍。焊接方法主要有：氣焊、焊條電弧焊、鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極惰性氣體保護焊（MIG）。在航天航空中鋁合金主要焊接方法為鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極惰性氣體保護焊（MIG）。

TIG焊接鋁及鋁合金時，從“陰極霧化[1]”作用和電流方向考慮，一般采用交流鎢極氬弧焊，氬弧焊電弧穩(wěn)定，熱量集中、其焊縫組織致密、成形美觀、強度和塑性高，并且工件變形小。但是因受到鎢極許用電流限制，電弧的熔透力較小，所以一般用于板厚在6mm以下薄板件的焊接。

MIG焊電弧功率大，熱量集中，因為MIG焊在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(fā)生爆炸，即焊接飛濺較大。

CMT焊接鋁及鋁合金時，熱影響區(qū)小、熱輸入量低，焊接變形小，生產(chǎn)效率可比TIG焊提高三倍以上，因此特別適用于鋁及鋁合金1.0～3.0mm薄板結(jié)構(gòu)件的焊接。

2. 鋁及鋁合金焊接特點

2.1.容易氧化

鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，與氧的親和力很強，在空氣中容易與氧結(jié)合成致密的Al2O3膜。Al2O3高達2050℃，遠超過鋁及鋁合金的熔點，因此焊接時容易形成未熔合及夾渣等缺陷，使接頭的性能降低，還會影響電弧的正常燃燒。

2.2.焊接時耗能量大

由鋁及鋁合金的物理性能可以看出（表1）：鋁合金的熔點雖低，但其比熱容高（約是鋼的2倍），熱導(dǎo)率大（約是鋼的三倍）。而且鋁的線膨脹系數(shù)大約是鋼的3倍，在焊接過程中容易產(chǎn)生變形，為獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率密度大的熱源，對于厚件有時還需采用預(yù)熱等工藝措施。

2.3.焊縫容易產(chǎn)生氣孔

氣孔是鋁及鋁合金焊接時的最常見的缺陷。氫是鋁在熔焊時產(chǎn)生氣孔的主要原因。在焊接高溫下，焊接區(qū)周圍的水，油、空氣中的水分等浸入焊接電弧中很容易分解成氫原子或質(zhì)子，溶入過熱熔融金屬中。由于氫在液態(tài)和固態(tài)鋁中的溶解度相差很大（近20倍），因此，高溫下溶入的大量氣體，在焊后冷卻凝固過程中來不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。

2.4.焊接熱裂紋傾向大

純鋁與非熱處理強化鋁合金（LF21、LF6、LF5），一般不容易產(chǎn)生裂紋，而硬鋁及大部分熱處理強化鋁合金，產(chǎn)生裂紋的傾向較大。鋁及鋁合金焊接時產(chǎn)生的裂紋大部分為結(jié)晶裂紋，有時在熱影響區(qū)[2]也可能出現(xiàn)液化裂紋。

2.5.焊接接頭的力學(xué)性能下降

對于熱處理強化鋁合金（LY12），無論焊前是時效狀態(tài)還是退火狀態(tài)，焊后接頭力學(xué)性能都比母材低。即使焊后進行人工時效，往往也達不到焊前母材的水平。熱處理強化鋁合金焊接接頭的組織如（圖一）。其中性能變化較大的是焊縫，半熔化區(qū)和過時效軟化區(qū)。一般焊接接頭的拉伸斷裂位置處于熱影響區(qū)，其最高拉伸強度約為母材的61%，拉伸斷口形貌為塑性斷口.

3? CMT焊技術(shù)特點和應(yīng)用

冷金屬過渡（CMT）焊是奧地利福尼斯公司在MIG/MAG焊的基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種新型焊接技術(shù)，當發(fā)生熔滴短路過渡時，CMT焊技術(shù)的控制系統(tǒng)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(gòu)將會回抽焊絲，從而幫助熔滴過渡[3]到熔池，實現(xiàn)無電流下的熔滴過渡（圖二），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。

當熔滴過渡瞬間，焊機會讓電流降至幾乎為零，當熔滴通過焊絲回抽拉斷后，又回到正常的電壓和電流，整個焊接過程實現(xiàn)“熱-冷-熱”交替轉(zhuǎn)換。

3.1 CMT焊接的優(yōu)點：熱輸入量低，焊接變形小;焊接過程無飛濺;焊縫機械性能高，裂紋傾向小;間隙熔忍性好，對裝配要求低;焊接質(zhì)量可靠性高，質(zhì)量再現(xiàn)性好;焊絲回抽引弧，引弧無飛濺，引弧速度快，電弧穩(wěn)定，精確控制的電流輸入，使得焊縫成形均勻一致，特別適用于薄板甚至0.3mm超薄版的焊接。

3.2 CMT技術(shù)的優(yōu)點及應(yīng)用范圍

（1） 鋁及鋁合金、不銹鋼等材料薄板，或超薄板的焊接，解決了焊接變形和燒穿的問題。

（2） 電鍍鋅板和熱鍍鋅板的無飛濺焊接，減小了渡層的燒損。

（3） 鋼與鋁等異種金屬焊接。CMT 技術(shù)正是為解決鋼和鋁的異種金屬焊接問題而創(chuàng)新研發(fā)的。過去鋼和鋁的焊接采用激光或電子束焊，成本高昂。現(xiàn)在采用CMT焊，質(zhì)量優(yōu)良，成本大幅降低。

4 試驗材料與設(shè)備

4.1 試驗材料

試驗下料為LF5、LY12-M的鋁合金，厚度分別為1mm、1.5mm、2mm。鋁合金試板尺寸為100mm×80mm，焊絲分別選用S15356、φ1.2鋁硅焊絲;S14043、φ1.2鋁銅焊絲。

4.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備主要由TPS4000型CMT焊機、ABB IRB 1410型機器人系統(tǒng)等組成，保護氣體采用99.999%高純氬氣，流量為10～15L/min，弧長修正系數(shù)為0%，焊縫為無坡口形式Ⅰ型。

5.結(jié)果與分析

5.1焊縫宏觀形貌

當焊接速度為10mm/s、弧長修正系數(shù)為0%、焊接電流變化范圍為30～90A時，分別對LF5、LY12-M厚度分別為1mm、1.5mm、2mm試板上進行CMT焊試驗.不同厚度板材焊縫宏觀外形、熔寬、深寬比和焊縫背面形貌如（圖三）所示：

試件焊縫正反面成形美觀，焊縫無飛濺，熱影響區(qū)較小，熱輸入量低，焊接變形小，焊縫質(zhì)量高，焊后可以直接用手接觸試件。

5.2 X光射線檢測

MG320型X光機分別對LF5、LY12-M六種試件（各三件）焊縫按HB5375-87，Ⅲ級進行X射線檢測，均符合Ⅲ級焊縫要求。

5.3拉伸試驗

利用Ag-1250千牛電子拉力試驗機對六種鋁合金試件（各三件）進行拉伸試驗，加載位移速度為3mm/min，拉伸試驗結(jié)果如（圖四）所示，抗拉強度LY12-M范圍為161～216MPa;LF5范圍為169～190MPa。

對1～18號試件拉伸，試件均從母材或焊縫熱影響區(qū)拉伸斷裂，斷裂部位多數(shù)發(fā)生在熱影響區(qū)的軟化區(qū)，斷裂后拉伸試樣的實物照片如（圖五）所示：

為了研究LF5、LY12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(jié)果如（圖六）所示，由圖六可見，拉伸斷口存在很多大小不一的韌口，且韌口有深有淺，拉伸斷口形貌表現(xiàn)為塑性斷口。

5.4 焊縫硬度試驗

利用HV-1000型維氏顯微硬度計對完成拉伸試驗的LF5、LY12鋁合金的焊接接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)的顯微硬度進行測量，結(jié)果如（圖七）所示，由圖九可見，LF5、LY12鋁合金母材區(qū)的硬度約為91～94HV，熱影響區(qū)硬度約為58～91HV，而焊縫區(qū)硬度約為62～71HV。可見，熱影響區(qū)硬度低于母材，這是因為熱影響區(qū)受到焊接熱輸入的影響，使得該區(qū)發(fā)生了“時效”組織轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致其硬度降。

5.5 焊接工藝參數(shù)

因CMT焊采用熔滴短路過渡，可以焊接所有鋁合金和不銹鋼，即工藝參數(shù)對焊縫成形與強度的影響，所以焊接時必須采用合理的焊接參數(shù)，只有參數(shù)選擇合格，才能使CMT焊接能順利施焊，達到理想的焊縫要求，體現(xiàn)薄板焊接的優(yōu)越性。經(jīng)過試件的施焊，工藝參數(shù)對焊縫成形具有較大影響，隨著焊接電流的增加，焊縫熔寬、熔深隨之增大，隨著焊接速度的增加，焊縫熔寬、熔深隨之減小。

6 結(jié)論

通過以上試驗分析可以得到如下結(jié)論：

1） 確定了板厚1mm、1.5mm、2mm（LY12/LF5）鋁合金的最佳CMT焊接工藝參數(shù)可以避免傳統(tǒng)焊接方法生產(chǎn)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。

2） 焊接工藝參數(shù)對焊縫成形具有較大影響隨著焊接電流的增加，焊縫熔寬、熔深隨之增大，隨著焊接速度的增加，焊縫熔寬、熔深隨之減少。

3） LF5、LY12鋁合金母材區(qū)的硬度約為91～94HV，熱影響區(qū)硬度約為58～91HV，而焊縫區(qū)硬度約為62～71HV。

4） 焊接接頭最高抗拉強度為190MPa，約為母材抗拉強度的61%，拉伸斷裂位置處于熱影響區(qū)，拉伸斷口形貌表現(xiàn)為塑性斷口。

CMT焊的工藝研究，充分說明了CMT焊對鋁及鋁合金（LY12/LF5）薄板材焊接的適應(yīng)范圍，CMT焊與TIG、MIG焊的區(qū)別和優(yōu)缺點，CMT焊特別使用于鋁及鋁合金薄板的焊接，采用熔滴短路過渡既能保證焊接質(zhì)量，又能大大提高工廠生產(chǎn)加工效率，減小工人勞動強度。達到設(shè)計要求目的，為后續(xù)產(chǎn)品實現(xiàn)CMT自動化焊接打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]中國機械學(xué)會焊接學(xué)會編·焊接手冊（第二卷）·材料的焊接·第? 1版·北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[2]何月秋·焊工技師 手冊·北京：機械工業(yè)出版社1998.

[3]楊修榮·超薄板的MIG/MAG 焊——CMT 冷金屬過渡技術(shù)[J].電焊機，2006，36（6）：5-7.