5754鋁合金/鍍鋅鋼CMT焊接接頭微觀組織和力學性能的研究

徐德進 馮菲玥 李芳 陳云霞

摘要：分別選用ER4043焊絲和ER4047焊絲，采用CMT焊對AA5754鋁合金板和DC56+Z50鍍鋅鋼板異種材料進行焊接，通過拉伸、彎曲、疲勞以及金相分析等試驗對鋁/鋼焊接接頭力學性能與顯微組織進行了研究。結果表明：在CMT電流模式下，采用ER4043焊絲和ER4047焊絲均能得到成形良好的焊接件。拉伸斷裂在鋁側焊縫，同時生成的金屬化合物層厚小于10 μm，主要是Fe2Al5和FeAl3。焊接電流為60 A，采用ER4043焊絲的焊接接頭抗拉性能較為理想，在焊縫處均沒有出現裂紋，鋁/鋼搭接接頭的斷裂位置在鋁側焊縫處，但是接頭疲勞性能存在較大的波動，接頭的疲勞壽命達到107次時加載應力僅為63 MPa。

關鍵詞：冷金屬過渡焊;鋁合金;鍍鋅板;微觀組織;力學性能

中圖分類號：TG457.14 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）06-0081-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.15

0 ? ?前言

節(jié)能減排及環(huán)境保護的全球戰(zhàn)略對現代航空航天、軌道交通、海洋工程等結構設計輕量化提出了越來越高的要求，為了降低工程裝備的重量，同時保證工程裝備的安全性，鋼和鋁合金及其異質材料的連接構件得到了日益廣泛的應用[1-4]。然而鋁/鋼在物理化學性能方面差異明顯，導熱率、線膨脹系數相差較大導致焊后接頭發(fā)生嚴重變形，存在很大的殘余應力;鋼材熔點高，鋁合金熔點低，使得冷卻結晶后的焊縫成分分布不均勻，接頭性能降低;鐵在鋁中的固溶度幾乎為零，所以鐵鋁會產生多種硬脆相的金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC），如η相Fe2Al5和θ相FeAl3，其中Fe2Al5硬度約為1 050 HV，FeAl3硬度為900 HV[5];鋁合金和鋼在焊接過程中還容易出現氣孔、裂紋、未熔合等問題。因此其連接接頭的可靠性成為影響鋁/鋼連接件高品質制造的關鍵問題。

冷金屬過渡焊（Cold Metal Transfer，CMT）技術是由Fronius公司在2002年研發(fā)出的一種無飛濺和焊渣且熱輸入量低的新型焊接技術。該技術基于短路過渡的熔化極氣體保護焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）技術，在熔滴短路時，焊絲發(fā)生回抽，幫助熔滴過渡到熔池中，減少了飛濺和焊渣的產生，同時短路的輸出電流趨近于零，因而具有較小的熱輸入量[6]。王志平[7]等使用CMT焊機對鍍鋅板/鋁進行焊接，研究了鍍鋅板厚度對焊縫形狀、界面組織和接頭抗拉強度等的影響，通過控制鍍鋅板厚度，改善了CMT熔釬焊中存在的接頭缺陷，獲得了良好的接頭。

文中采用ER4043和ER4047兩種不同焊絲對5754鋁合金和DC56+Z50鍍鋅鋼板進行CMT搭接熔焊，通過優(yōu)化焊接工藝參數獲得了良好的鋁/鋼焊接接頭，并研究不同焊接電流對5754鋁合金和DC56+Z50鍍鋅鋼板焊接接頭組織和力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗母材選用板厚2 mm的 AA5754車用鋁合金板和 DC56+Z50鍍鋅鋼板，焊絲分別選用直徑為1.2 mm的ER4043和ER4047，母材及焊絲主要化學成分與抗拉強度如表1、表2所示。

焊接設備選用Fronius公司Advanced 4000R 焊機、CMT VR7000 送絲系統(tǒng)和YASKAWA公司生產的 MOTOMAN焊接機器人系統(tǒng)對車用鋁合金和鍍鋅板進行搭接焊接。焊前使用丙酮清洗去除鋁合金板及鍍鋅鋼板表面污跡，再用機械方法去除鋁合金表面及側邊氧化膜。鋁/鋼CMT搭接焊接試驗的工裝示意如圖1所示，其中鋁合金板被安放在鍍鋅鋼板上面，搭接量為10 mm。試驗中焊槍與焊件的夾角為45°，垂直距離為10 mm。試驗分別采用交流-深熔焊（AC-DP）、交流-熔焊（AC-P）、直流-熔焊（DC-P）和CMT焊四種模式。主要焊接試驗參數為：焊接速度0.36 m/min，焊接電壓11.2 V，焊接電流50 A。保護氣體使用Ar+CO2，氣體流量20 L/min。

獲得不同焊接工藝下鋁/鋼搭接焊接接頭，為進一步研究鋁/鋼界面組織及力學性能，焊后用線切割在焊件接頭上沿垂直焊縫方向分別切割出80 mm×12 mm的條形試樣，并保證焊縫處于試樣中部，切割制成室溫拉伸、彎曲、疲勞試樣，每組焊接參數取三根試樣，使用MTS810材料萬能試驗機對焊后接頭進行拉伸力學性能測試，拉伸試驗參照GB_228.1-2010標準進行，拉伸速度為1 mm/min。疲勞試驗過程中應保證工件處于豎直狀態(tài)，當采用橫軸加載時試樣只受到軸向拉應力的作用。采用常規(guī)的金相試樣制備方法制備焊接接頭截面的金相試樣，選取Keller試劑對打磨拋光后的試樣進行腐蝕，腐蝕時間為1 min。利用蔡司Imager A2金相顯微鏡和JSM-7600F掃描電子顯微鏡對鋁/鋼焊接接頭的微觀組織及斷口形貌進行觀察和表征。

2 試驗結果及討論

2.1 焊接工藝性評估

ER4043焊絲和ER4047焊絲在4種不同電流模式下進行系列焊接試驗，焊后分別從焊縫表面色澤、飛濺、焊縫成形、可操作性4個方面對不同焊絲的焊接工藝性進行評估。焊絲與對應焊接方法的評估結果如表3所示。由表3可知，與AC-DP、AC-P、DC-P三種電流模式相比，CMT焊接飛濺最小、焊縫表面不發(fā)黑、沒有出現夾渣、氣孔、未熔合及裂紋等現象，焊縫成形好。

2.2 接頭微觀組織

在異質合金接頭的結合界面上，出現薄且均勻的金屬間化合物層IMC則標志著二者之間產生了良好的冶金結合，有利于提高焊接接頭力學性能[8]。鋁/鋼焊接接頭的力學性能與IMC層的成分、含量、分布形態(tài)及厚度密切相關，很多學者認為應將IMC層厚度控制在10 μm以內[9-12]。采用ER4043焊絲和ER4047焊絲的CMT焊接接頭界面處的IMC層的組織形貌如圖2所示，兩種焊絲的IMC層厚度均小于10 μm，其中使用ER4043的IMC層厚度更小。文獻[13]提到，當鋁/鋼焊接界面處生成的 IMC層呈非均勻分布，IMC層的狀態(tài)不再是平直，而表現為鋸齒狀分布時，形成的凹槽不僅增加了鋁/鋼的有效連接面積，更增強了機械咬合作用，從而提高了接頭的力學性能。由圖2可知，焊接接頭中Fe、Al在界面層處發(fā)生了擴散。使用ER4047的IMC層分布較為平滑，相比之下，使用ER4043的IMC層分布顯然呈鋸齒狀分布，說明使用此焊絲制備的接頭力學性能更佳。同時，根據文獻[13-14]可以得出，靠近鋼側處均為針狀Fe2Al5，靠近鋁側處為平板狀FeAl3。

鋁/鋼界面處的IMC層是由鐵鋁之間的擴散-反應機制控制的[11]，即鐵原子向鋁液態(tài)池中擴散以及鋁原子向固相鋼中擴散，二者相遇反應生成鐵鋁金屬間化合物。J.L.Song等人[15]計算了Al-Fe-Si三元相在IMC界面層的形成焓，Al-Fe-Si三元相的形成焓低于Fe-Al二元相的形成焓，添加Si元素可以降低IMC層的形成焓，因此使用ER4043焊絲和ER4047焊絲均能獲得較小的IMC層厚度。但是隨著含硅量的增加，針狀η相Fe2Al5變化量不大，平板狀θ相FeAl3增加，IMC層厚度增加。

2.3 接頭拉伸性能及斷口分析

拉伸試驗中，鋁/鋼CMT焊接接頭共有兩種形式斷裂出現，分別是鋁側焊縫和鋼母材斷裂。不同焊接電流下CMT焊接接頭界面處的IMC層組織形貌如圖3所示，其中電流為60 A的鋁/鋼界面處IMC層厚度僅為2.5 μm。

常溫拉伸試樣的斷裂位置如表4所示。其中電流為50 A時，斷裂位置是在鋁側焊縫，平均抗拉強度約為224 MPa：當電流為60 A時，斷裂位置大部分在鋼母材，平均抗拉強度約為278 MPa;當電流為70 A時，斷裂位置在鋼母材，平均拉力為2 755 N，對應的抗拉強度約為290 MPa，略大于鋼母材的抗拉強度（母材DC56+Z實測的抗拉強度為287 MPa）。后續(xù)對試樣進行了低溫拉伸試驗，發(fā)現鋁/鋼接頭的低溫拉伸與常溫拉伸的性能差異不大，抗拉強度和斷裂位置基本沒有差別。

拉伸斷口區(qū)域的微觀形貌如圖4所示。區(qū)域A是裂縫萌生區(qū)域，裂縫在焊縫根部萌生（應力集中）。區(qū)域B為裂紋擴展區(qū)（鋁焊縫側），從微觀上分析是沿樹枝晶的晶界及二次、三次枝晶的界面處開裂，屬沿晶斷裂，在裂縫萌生后以及拉伸應力的作用下，裂縫擴展。區(qū)域C為裂紋擴展區(qū)（鋼側），從IMC界面發(fā)生脆性斷裂。區(qū)域D是拉伸試樣快速斷裂區(qū)（鋁焊縫側），此時均為韌性斷裂。

2.4 彎曲性能和疲勞性能

彎曲試驗是評定焊接接頭質量的常用方法，主要用來測試工作焊縫在彎曲載荷作用下的塑性變形能力。在進行彎曲試驗時，試樣橫截面的應力、應變分布是不均勻的，表面材料受到的應力、應變最大。因此，此測試的結果可以較靈敏地反映出材料的表面缺陷情況[16]。室溫彎曲試驗在CM5105微機控制電子萬能試驗機上按照標準GB/T2653-2008《金屬材料焊縫的破壞性試驗—彎曲試驗》進行，根據ISO15614-1標準對工作焊縫進行2個面彎和2個背彎試驗，彎曲試驗參數如表5所示。

彎曲試驗結果如圖5所示。結果表明，采用CMT方法配ER4043焊絲制備的焊接接頭的彎曲性能較好，連續(xù)性和致密性都達到了標準。無論面彎、背彎，鋁/鋼焊縫與基體的結合表現良好，接頭塑性較好，在焊縫處均沒有出現裂紋。

5754 鋁合金/DC56+Z50 鍍鋅鋼CMT 搭接焊接接頭的疲勞性能測試（GB/T 26077-2010 金屬材料疲勞試驗軸向應變控制方法）結果如表6 所示，接頭的疲勞斷裂位置位于鋁側焊縫處。可看出，接頭的疲勞壽命達到107次時加載應力僅為63 MPa，是靜態(tài)拉伸（290 MPa）的22%。隨著應力加載級別的增大，接頭的疲勞壽命逐漸降低，而且其下降幅度不斷增大。

3 結論

（1）通過5754鋁合金/DC56+Z50鍍鋅鋼的搭接接頭系列工藝試驗，結果表明，CMT電流模式下獲得的接頭與AC-DP模式相比，焊接過程穩(wěn)定，無飛濺，焊縫成形美觀。

（2）常溫拉伸試驗結果表明，電流從50～70 A，鋁/鋼接頭的抗拉性能略有增加，60 A時較理想。

（3）鋁/鋼接頭彎曲試驗結果表明，采用ER4043焊絲CMT方法焊接制備的焊接接頭的彎曲性能較好，無論正彎、背彎，在焊縫出均沒有出現裂紋。

（4）鋁/鋼接頭的疲勞結果發(fā)現，鋁/鋼搭接接頭的斷裂位置在鋁側焊縫處。但是接頭疲勞性能存在較大的波動，鋁/鋼搭接接頭達到107次時對應的拉應力為63 MPa。

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