CMT 鋁合金薄板焊接接頭熔寬控制研究

劉立峰，楊帥，于鐵軍，賈慎鋒，邢彥鋒

（1.201712 上海市 上海和達汽車配件有限公司；2.201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

冷金屬過渡技術（Cold Metal Transfer，簡稱CMT）因其具有無飛濺、低熱輸入量等特點，對獲得高強度焊接接頭、控制熱影響區更加有利。眾多學者為了獲取更好的焊接接頭，對CMT 焊接展開了一系列試驗研究。Feng J[1]等利用CMT低熱輸入特點進行了薄板焊接實驗，焊接了1 mm的純鋁板且撓曲變形較??；Cao R[2-4]等采用CMT焊接技術，進行了一系列異種金屬焊接，得到的焊接接頭強度能夠符合要求；Tian Y[5-6]等研究發現，在CMT 焊接過程中，應用超聲波振動能夠增加熔深和焊縫強度，并減小焊接接頭處的氣孔。由于CMT 受控短路過渡的特點，因此CMT 在異種金屬焊接以及薄板焊接方面具有優勢。

鋁合金作為輕質材料，在現代汽車生產中逐漸被重視。由于6 系鋁合金具有中等強度、耐蝕性能好、成形性和工藝性能良好等優點，已成為汽車制造中使用廣泛的材料之一，但是焊接鋁合金薄板時，容易產生焊縫缺陷，容易熔透。為了獲得良好的焊縫，學者們針對鋁合金焊接展開了一系列研究。雷祥[7]等針對6005A 鋁合金激光MIG 復合焊基于正交實驗研究了焊接工藝參數對焊縫成形的影響；黃勇[8]等發現采用活性劑對鋁合金A-TIG 焊熔深有一定增加；黃健康[9]等針對鋁合金雙脈沖MIG 焊接提出通過改變周期性雙脈沖中的高能脈沖時間來調整熱輸入從而對熔寬進行控制；Wang Peng[10]等針對6061-T6 鋁合金CMT 焊接基于5 個特征參數（升壓電流、燃弧電流、短路電流、升壓電壓、焊絲運動速度）、從3 個階段（升壓階段、燃弧階段、短路階段）來分析能量輸入、熔滴過渡、焊縫形貌、微觀結構；Kumar[11]等針對CMT 周期電流變化進行分析，來量化CMT 焊接熱輸入，研究焊接電流與焊接速度對熔深熔寬余高的影響，發現單位長度的熱輸入隨著焊接速度的增加而減少，稀釋率隨單位長度的熱輸入的增加而增加。通過合理的參數控制，可以有效地控制焊縫質量，形成良好的焊縫。

由于鋁合金熱膨脹系數大，金屬活潑，且薄板件易熔透，因此參數選擇不當容易產生缺陷，導致形成的焊縫熔寬較差，無法有效連接焊接試件。本文以AA6061-T6 鋁合金為對象，采用CMT 焊接，通過控制焊接速度、送絲速度以及弧長修正等參數研究了CMT 焊接工藝參數對焊縫成形的影響規律，為焊接參數的優化提供了依據。

1 實驗方法及材料

試驗選取了AA6061-T6 變形鋁合金，尺寸為150 mm×150 mm×1.5 mm，焊絲選用直徑1.2 mm的ER4043 作為填充材料。實驗材料的化學成分如表1 所示。保護氣為純度99.995%的氬氣。

表1 實驗材料的化學成分Tab.1 Chemical composition of test material

接頭形式采用的是搭接，如圖1 所示。焊接采用Fronius 公司的TPS4000CMT 焊機，焊接示意如圖2 所示。

圖1 試件尺寸及接頭形式Fig.1 The size of test piece and joint form

圖2 焊接示意圖Fig.2 Welding schematic

焊接在平坦位置進行，使用夾具，以抑制焊接過程中的變形。在焊接過程中，焊槍始終與鋁板保持垂直。為了減少其他因素的影響，在焊前先對試件進行清理，首先采用機械法去除鋁板表面的陽極氧化膜，隨后使用酒精擦拭鋁板，去除污垢等。焊接完成后，按照拉伸和金相試樣制作標準，將試件沿焊縫橫截面切割，制備拉伸試樣和金相實驗。在萊卡顯微鏡下觀察焊縫形貌，并測量焊縫熔寬、熔深等數據。

2 實驗結果及分析

本試驗選取的主要影響因素有送絲速度vwf、焊接速度vw以及弧長修正ac等。利用響應曲面法分析不同焊接參數之間的交互作用對熔寬增加的影響。應用響應面法建立了用于預測熔寬的數學模型，基于文中選取的因素vwf，vw，ac，響應方程可以表示為

回歸方程可以進一步表示為

式中：B——回歸系數；W——熔寬；Xi——考察因素。

根據Box-Behnken 實驗設計原理采用三因素三水平響應曲面分析。水平設置如表2 所示。

表2 焊接實驗因素水平表Tab.2 Welding experiment factor level

在三因素三水平條件下，進行17 組實驗，包括5 組中心點實驗，實驗參數及試驗結果如表3 所示。其中，焊接速度為0.4 m/min，弧長修正數值為0，送絲速度分別為4.0，4.3，5.2 m/min時的焊縫形貌如圖3 所示。由圖3 可知，隨著送絲速度的增加，焊縫熔寬有著顯著的增加。

圖3 送絲速度由4.0 m/min 增加到4.6 m/min 時焊縫形貌的變化（焊接速度為0.4 m/min、弧長修正為0%）Fig.3 Change of weld formation when wire feeding speed increases from 4.0 m/min to 4.6 m/min(welding speed is 0.4 m/min,arc correction is 0%)

為了進一步研究焊接參數對熔寬變化的影響，根據表3 實驗數據，對影響因素進行Cubic擬合，并剔除不顯著因素，得到以送絲速度、焊接速度、弧長修正為考察因素，以熔寬為響應值的回歸方程：

表3 BBD 試驗設計Tab.3 Box-Behnken design

對數學模型的顯著性進行檢驗，得到熔寬的擬合方差分析表，結果如表4 所示。

表4 響應面方差分析表Tab.4 Response surface variance

表4 中，A 為送絲速度；B 為焊接速度；C為弧長修正。當P 值<0.05 即可以認為因素顯著，P 值<0.01 可以認為因素非常顯著。該模型的F值=50.81，P 值<0.000 1，表示該模型非常顯著，失擬項的P>>0.05 說明失擬項不顯著。其中，P值不超過0.01 的因素有A，B，C，A2B，分別為送絲速度、焊接速度、弧長修正，以及送絲速度與焊接速度的交互作用，說明選取的影響因素對熔寬影響作用顯著。其中影響熔池寬度的因素按顯著性大小順序依次為焊接速度、送絲速度、弧長修正。

圖4 描述了各影響因素對焊接熔寬的直接影響變化。從圖中可以看出，3 個影響因素對熔寬增加的影響均顯著。送絲速度與弧長修正與熔寬增加的關系是正相關，焊接速度與熔寬增加的關系是負相關，其中焊接速度對熔寬增加的影響最顯著。由于焊接速度的增加減小了電弧在焊縫單位長度上的加熱時間，使得焊接過程中形成的熔池區域變小，因此隨著焊接速度的增加，熔寬逐漸減小。

圖4 各因素對熔寬的影響Fig.4 Influence of various factors on welding width

送絲速度的變化直接改變熔化焊絲的熱量。隨著送絲速度的增加，熔化焊絲所需要的電流增加，因此電弧熱增加，形成的熔池區域增加，焊絲加熱熔化率增加，過渡到板材內的熔滴量增加，導致形成的熔寬增加。弧長修正并不是直接影響熱輸入，而是通過影響電弧形態來改變形成的熔寬。當弧長修正增加時，電弧半徑增加，但是能量密度下降，因此加熱區域增加，形成的熔池區域增加，但是熔池深度減小，因此隨著弧長修正的增加，熔寬逐漸增大，熔深減小。

通過分析，得到了各影響因素因素之間交互作用的響應曲面圖。由圖5 可知，送絲速度與焊接速度的交互作用對熔池寬度的影響最顯著。

圖5 各工藝參數對熔寬影響的響應曲面圖Fig.5 Response surface graphs depicting effects of process parameters

圖5（a）為保持弧長修正為0，控制其他參數不變時，送絲速度與焊接速度對熔寬的影響。當焊接速度與送絲速度均處0 水平時，熔寬變化趨勢最大；圖5（b）為保持焊接速度為0.6 m/min，控制其他參數不變時，送絲速度與弧長修正對熔寬的影響。熔寬隨著弧長修正水平的增加而增加，且在焊接速度最小時達到最大；圖5（c）為保持送絲速度為4.3 m/min，控制其他參數不變時焊接速度與弧長修正對熔寬的影響?？紤]到送絲速度過大導致的表面燒灼現象，對于1.5 mm 的鋁合金薄板，選取送絲速度為4.3 m/min，焊接速度為0.6 m/min，弧長修正為10%比較適宜。

3 結論

本文針對鋁AA6061-T6 搭接縫焊CMT 焊接，基于響應曲面法分析了焊接工藝參數對熔寬增加的影響，得到以下結論：

（1）熔寬隨著送絲速度的提高逐漸增加，隨著焊接速度的提高逐漸減小，隨著弧長修正的提高逐漸增加。其中對影響熔寬的因素按顯著大小順序為焊接速度、送絲速度和弧長修正。

（2）熔寬變化顯著受到單位焊縫長度內焊接熱輸入量的影響。當送絲速度提高時，熔絲焊絲需要的電流增加，焊接熱功率提高，形成的熔池區域增加，從而使得熔寬變大；當焊接速度增加時，單位焊縫的熱輸入減小，形成的熔池區域減小，從而使得熔寬減??；弧長修正增加時，電弧半徑增大，形成的熔池區域增加。

（3）焊接速度和送絲速度的交互作用對焊縫寬度影響較大，在低送絲速度和高焊接速度下，形成的焊縫熔寬不夠，而較大送絲速度又會造成表面燒灼，因此焊接參數選取送絲速度為4.3 m/min，焊接速度為0.6 m/min，弧長修正為10%比較適宜。