CMT 熔釬焊工藝對鋁/鋼異種金屬焊接接頭組織及性能的影響

余騰義，李 偉，喻高揚，李 巖，陳樹海，劉 珂

（1.攀鋼集團研究院有限公司,釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室,四川 攀枝花 617000；2.北京科技大學材料科學與工程學院,北京 100083）

0 引言

鋁合金和鋼以其優越的性能在工業生產中被廣泛運用，實現兩者的可靠連接，可以充分發揮兩者不同的優越性，既可以降低工件的重量，也能更好地節約材料，在汽車、船舶等行業具有優越的經濟效益和環境保護的理念[1-3]。但是，由于鋁與鋼的物理化學性能相差較大，采用傳統熔焊方法容易在焊縫中形成大量的脆性金屬間化合物，導致接頭力學性能降低，增加了鋁/鋼異種金屬焊接的難度[4]。近年來，國內外很多焊接工作者[5-6]對鋁/鋼熔釬焊的焊接工藝、焊接材料、界面層控制等方面展開了研究并取得了一定的成果。普通的電弧焊[7-8]由于熱輸入量較大，在焊接過程中容易形成粗大的金屬間化合物，影響焊接接頭性能。而摩擦焊、擴散焊等固相焊方法雖然也能得到性能優良的焊接接頭，但是對工件的形狀有很高要求，所以應用范圍小[9-10]。與傳統的電弧焊相比，Fronius 公司推出了一種新的MIG 焊技術-Cold Metal Transfer (CMT)，該技術具有焊絲回抽機構和反饋機構，可以顯著提高焊接速度、減少熱輸入、提高工藝穩定性[11-14]。對于鋼/鋁異種金屬CMT 熔釬焊，國內外主要針對于搭接接頭形式。對于對接接頭形式，由于焊縫背部潤濕困難，成形較差，研究較少。為解決該問題，筆者采用CMT 并添加加熱脈沖形式提高焊接過程熱輸入，促進焊縫背部潤濕鋪展，擬對對接形式的鋼/鋁異種金屬在不同的工藝參數下進行焊接試驗，研究工藝參數對焊縫成形、界面反應、接頭力學性能的影響規律。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗中所選用母材為5052 鋁合金板與Q235低碳鋼板，尺寸均為150 mm×75 mm×2 mm。焊絲選用ER5356 開展研究，ER5356 是含鎂5%的鋁鎂合金焊絲，熔點為575～633 ℃。母材與焊絲的化學成分見表1。焊接前先將鋁合金放在20%氫氧化鈉溶液中浸泡5 min，經清水沖洗后再放入30%硝酸溶液中浸泡、清洗，最后用清水沖洗干凈，以去除表面氧化膜。鋼母材用砂紙對表面進行打磨后，再用丙酮擦拭表面，處理后的工件應盡快進行焊接，以避免潔凈工件被污染，影響焊接效果。由于鋁釬料在鋼母材的潤濕鋪展效果不佳，難以得到優質接頭，所以為了改善釬料在鋼母材上的潤濕性，試驗還采用了Noclock 無腐蝕釬劑，有助于提高釬料在鋼母材上的潤濕鋪展。

表1 焊接母材與焊絲的化學成分Table 1 Chemical compositions of base metals and filler wire %

1.2 試驗設備與方法

試驗中使用了Fronius 公司研發的TPS5000 系列數字化CMT 焊機。在進行CMT 焊接時，使用夾具將待焊金屬板固定在工作臺上，接頭形式為對接。固定樣品時借助墊片使鋼板與鋁板的接頭保持在同一水平線上，并且較為嚴密地接觸，并在試樣下方中間墊開槽較大的銅墊板，大開槽使得焊縫自然成形，如圖1 所示。添加脈沖能夠加大電弧的沖擊力，有利于去除氧化膜以及增加熔深，因此本試驗選用CMT+P 焊接模式。由于CMT 焊機系統自帶經過優化的專家系統數據庫，所以通過焊機的控制面板選擇焊絲種類、焊絲直徑、保護氣類型進入到專家數據庫中，專家庫里的參數經過大量試驗優化得到，其焊接電流、電壓和送絲速度為一元化調節，通過選擇合適的送絲速度來調節焊接電流，并通過使用Kuka 機器人調整焊槍位置與焊接速度等參數完成焊接。

圖1 焊接臺及夾具Fig.1 Welding table and fixture

1.3 微觀分析及性能測試

采用型號為JSM-6510A 掃描電子顯微鏡對接頭界面以及斷口形貌微觀組織形貌進行觀察，分析金屬間化合物的厚度以及生長狀態，并利用能譜對界面附近微觀組織進行成分分析，通過進行點掃描，分析元素分布特征及確定元素分布情況。拉伸試驗所用萬能拉力試驗機記錄試樣拉斷的峰值拉力，依據峰值拉力與母材截面積計算抗拉強度。拉伸試樣尺寸如圖2 所述。取三個試樣強度的平均值作為最終結果記錄。拉伸試驗所用設備型號為MTS810拉伸試驗機，拉伸速率為0.02 mm/s。為研究焊縫余高對接頭抗拉強度的增強作用，每一個試驗參數均使用銑除余高與未銑除余高的接頭進行測試。

圖2 拉伸試樣規格示意（單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of tensile specimen

2 試驗結果與討論

2.1 焊接工藝對焊縫成形的影響

2.1.1 焊接速度對焊縫成形的影響

為了研究焊接速度對CMT 焊接接頭的影響規律，使其他工藝參數保持恒定，送絲速度設定在5.6 m/min，此時專家數據庫給出的電壓值為13.3 V，電流值為96 A，試驗參數以及線能量如表2 所示。

表2 不同焊接速度的焊接參數Table 2 Welding parameters of CMT with different welding speeds

圖3 是焊接速度對焊縫成形的影響，可以看出采用前文設定的工藝參數以及CMT 專家數據庫中相應的電壓電流值焊接得到了表面光滑、無明顯缺陷的焊縫表面成形，鋁釬料與母材均能夠結合，且焊接過程中電弧穩定，飛濺較小。在送絲速度一定的情況下，隨著焊接速度的提高，電弧在單位距離停留的時間變短，導致線能量減小，焊縫的熔寬逐漸減小，鋁釬料在鋼母材上的潤濕鋪展變差。此外，在背部成形方面，在焊接速度為0.48 m/min 時背部有了一定程度的余高，進一步提高焊接速度后，背部余高消失。從不同焊接速度下的焊縫截面圖來看，隨著焊接速度的提高，釬料在母材上的潤濕角在增加，原因是由于焊接速度提高，熱輸入降低，導致釬料在母材上的潤濕鋪展變差。在低焊接速度時，釬劑蒸發產生的氣體能夠及時的從焊縫中排出，使得氣孔等缺陷有所減少。此外，低焊接速度時，單位時間的熱輸入量增大，熔池冷卻時間延長，液態釬料在電弧作用力以及重力作用下，下沉到焊縫底部，在母材上潤濕鋪展。綜上所述，選擇合適的速度可以使釬料在母材上有較好的潤濕性，得到正面和背面皆成形良好的接頭。

圖3 焊接速度對焊縫成形的影響Fig.3 Influence of welding speed on the weld formation

2.1.2 送絲速度對焊縫成形的影響

送絲速度代表著固定速度下填充量的改變，其他工藝參數保持恒定的情況下，焊接速度保持在0.48 m/min，此時專家數據庫根據送絲速度的不同而給出的對應的電壓值、電流值，試驗參數以及線能量如表3 所示。

表3 不同送絲速度的焊接參數Table 3 Welding parameters of CMT with different wire feeding speeds

圖4 為不同送絲速度條件下的接頭焊縫成形。與僅改變焊接速度時相類似，送絲速度改變仍可以得到光滑連續、無明顯缺陷的焊縫表面形貌。隨著送絲速度的增加，線能量在增大，熔寬在明顯地增大，當保持焊接速度為0.48 m/min，送絲速度達到5.6 m/min 時有較為明顯的背部成形。在送絲速度較低時，由于填充減少且線能量較低，導致釬料在母材上潤濕鋪展性較差，送絲速度為4.1 m/min 時在鋼母材側潤濕角大于90°，影響焊縫成形并容易造成應力集中，使性能惡化，隨著送絲速度的增加，釬料的潤濕鋪展有所提高，焊接速度低或送絲速度較大時擁有較大的熱輸入，使釬料潤濕鋪展提高，但導致釬料的填充量較大，使焊縫正背面余高過大。應控制參數在保證釬料潤濕鋪展的同時，盡可能減小填充量，使焊接接頭性能良好，成形美觀。

圖4 送絲速度對焊縫成形的影響Fig.4 Influence of wire feed speed on the weld formation

2.2 接頭的界面微觀組織

圖5 是典型金屬間化合物層組織，通過掃描電鏡對中心界面區進行觀察，可以看出在鋼鋁界面處生成了厚度小于10 μm 的金屬間化合物層，近鋁側呈相對平整的板條狀組織向鋁的側面生長?？拷摰膫让鎰t參差不齊，呈舌狀向鋼的側面生長。金屬間化合物層厚度比較均勻。分別在靠近鋼側和靠近鋁側選擇兩點進行能譜分析，結果如表4 所示?？拷X側原子比約為3∶1，推測為FeAl3相，而靠近鋼側約為2.7∶1，推測為Fe2Al5相。

圖5 界面區微觀組織Fig.5 Microstructure of interfacial area

表4 界面區不同區域成分Table 4 Different regional components of interface area %

由Fe-Al 二元相圖和相關熱力學知識可知，在電弧熔釬焊的過程中可能反應生成的化合物總共有以下5 種：Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5、FeAl3。并且在熔釬焊過程中，其可能發生如下反應：

但是，由于反應自身需要滿足的熱力學和動力學條件等方面的限制，并非以上所有的物質均會在實際的焊接過程中生成。一個物質是否能夠生成，首先應該取決于其反應條件下的吉布斯自由能變化，即△G值，只有當△G的值小于0 時，該物質才可能生成。而在電弧熔釬焊條件下，出于熔池溫度等條件的限制，Fe3Al 的△G大于0，因此在鋼-鋁熔釬焊的過程中不會生成Fe3Al。而FeAl2是一個亞穩相，生成后會立即與Al 反應，從而轉變成Fe2Al5，因此該相也不可能存在。綜上所述，在實際的試驗過程中，可能存在的相有以下三種：FeAl、Fe2Al5、FeAl3，他們各自的△G隨溫度變化的表達式分別為：

因此在電弧熔釬焊的過程中，最可能的生成順序為Fe2Al5>FeAl3>FeAl。但是上述熱力學計算只是在平衡條件下進行的僅為理論上的可能情況。該分析必須與實際的電弧熔釬焊動力學過程相結合，才能得到最終的結果。整個熔釬焊過程中的界面反應可以大致分為3 個階段：

第一階段，熔融狀態的鋁合金在低碳鋼表面實現潤濕和鋪展，鋼中的Fe 原子向焊縫中溶解擴散，當界面附近液相區的Fe 原子達到飽和時，首先在界面處結晶析出，形成自由能最低的Fe2Al5晶核。

第二階段，晶核逐漸長大便形成了Fe2Al5金屬間化合物，隨著擴散反應區內的Al 元素濃度增大，由于Al 原子的半徑比Fe 原子半徑小，所以鋁沿晶界擴散速率比鐵大得多，因而在晶界處鋁元素濃度要比平均濃度高得多，含鋁低的化合物就與鋁結合生成含鋁更高的化合物，即Fe2Al5與Al 反應生成了FeAl3金屬間化合物，由于FeAl3受Fe 原子溶解控制，在液態鋁中結晶析出，所以FeAl3在界面區各處厚度較為均勻。

第三階段，反應擴散為主形成的Fe2Al5的厚度主要受Al 原子繼續向鋼側擴散，形成Fe2Al5，并且由于電弧中心溫度高于邊緣溫度，鋁原子在中心界面區擴散速度最快，因此其形態為中間厚、邊緣薄且以細條狀向鋼側擴展。綜上所述，可以初步推測出整個界面化合物層由靠近鋼側的Fe2Al5相和靠近鋁側的FeAl3相組成。

圖6 是送絲速度為5.6 m/min 時焊接速度對界面區微觀組織的影響，金屬間化合物層厚度隨著焊接速度的增加而降低。當焊接速度較慢時，熱輸入較高，形成較厚的金屬間化合物層。焊接速度提高后，熱輸入降低，金屬間化合物層厚度降低，金屬間化合物層呈現向鋼基體舌狀生長的特征。

圖6 焊接速度對界面區微觀組織的影響Fig.6 Influence of welding speed on the interfacial microstructures

圖7 是焊接速度為0.48 m/min 時送絲速度對界面區微觀組織的影響，可以看出界面處生成了5～14 μm厚的金屬間化合物層，金屬間化合物層厚度隨著送絲速度的增加而增加，原因是送絲速度的增加導致電流電壓增加，進而提高了熱輸入，加劇了鋼鋁之間的固液界面反應，使得金屬間化合物生成增多。

圖7 送絲速度對界面區微觀組織的影響Fig.7 Influence of wire feed speed on the interfacial microstructures

2.3 接頭的斷裂特征及力學性能

對焊接接頭進行拉伸試驗，發現當送絲速度為5.6 m/min，焊接速度為0.48 m/min 時，接頭余高較高且釬料在母材背部有較多的潤濕鋪展，拉伸過程中，在鋁母材靠近焊縫處出現頸縮，如圖8（a）所示，此時抗拉強度接近于鋁母材的強度；當熱輸入量減小時，試驗斷裂位置發生在鋼鋁界面處，如圖8（b）所示，整個接頭具有明顯的脆性斷裂的特征，斷口光滑平整，無頸縮現象的產生。圖9 為斷口微觀組織，斷裂位置在鋼鋁界面結合區，整個斷口界面平整光滑，為脆性斷裂，這是由于鋼側的界面處有脆性金屬間化合物的存在，是焊接的薄弱區域。

圖8 接頭的不同斷裂位置Fig.8 Different fracture positions of joints

圖9 接頭斷口形貌Fig.9 Fracture morphology of joint

圖10 是單因素變量對接頭強度的影響，結果表明隨著焊接速度的提高，接頭的強度下降，原因是焊接速度降低使線能量增加，改善了釬料在母材上的潤濕鋪展，增大了結合面積，使得接頭強度有所提高。在焊接速度為0.48 m/min 時，背部出現了一定程度的余高，背面潤濕鋪展良好，進一步加強了接頭的強度，接頭在鋁側發生頸縮。隨著送絲速度的增加，接頭強度也在逐漸增加，原因是送絲速度增加相應增加了電壓和電流，使電弧的沖擊力提高，并增加熱輸入，促進釬料在背部的潤濕鋪展。此外，銑除余高與未銑除余高的試樣相比，接頭強度明顯下降，在熱輸入較大，正背部余高較明顯時，強度下降更為明顯，證明接頭余高提供較大的剪應力對抗拉強度影響較大，當余高較高焊縫較寬時，接頭在鋁母材發生頸縮，強度接近于鋁母材。

圖10 工藝參數對接頭強度的影響Fig.10 Influence of processing parameters on the joint strength

3 結論

1）采用脈沖CMT 焊接方法，可以實現5052 鋁合金和Q235 低碳鋼的有效連接，獲得較好的宏觀形貌。

2）在送絲速度為5.6 m/min、焊接速度為0.48 m/min 時背部成形良好，釬料在母材的潤濕鋪展較好。

3）界面處生成了平均厚度在10 μm 的金屬間化合物層，其成分以舌狀向鋼側生長的Fe2Al5和靠近鋁側的較為均勻的FeAl3為主。

4）當釬料潤濕鋪展較好且有背部成形時，接頭強度較大，接頭在鋁母材處發生頸縮；其余試樣均斷裂在鋼/鋁界面處，隨著界面處金屬間化合物厚度的降低，強度有所提高。銑除余高后，接頭強度明顯減小，表明焊縫余高能夠提高接頭承載能力。