薄板鋁合金的CMT焊接工藝

薄板鋁合金的CMT焊接工藝徐國建;王子健;杭爭翔淳B云強;邱曉杰【摘要】為了解決利用傳統(tǒng)焊接方法焊接鋁合金時容易造成生產效率低、焊接變形大以及夾鎢、裂紋、氣孔等缺陷，對6082-T6鋁合金進行了冷金屬過渡焊，并確定了最佳焊接工藝參數(shù)利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜分析儀和X射線衍射儀對鋁合金的焊縫成型、顯微組織與相組成進行了分析.利用維氏顯微硬度計和萬能拉伸試驗機測量了焊接接頭的硬度和拉伸力學性能.結果表明，在最佳焊接工藝參數(shù)下6082-T6鋁合金焊縫成型良好，其焊縫組織主要由a-Al固溶體組成.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.【期刊名稱】《沈陽工業(yè)大學學報》【年(卷)，期】2018(040)006【總頁數(shù)】6頁(P637-642)【關鍵詞】鋁合金;冷金屬過渡焊;工藝參數(shù);顯微組織;力學性能;焊接接頭;熱影響區(qū);強度【作者】徐國建;王子健;杭爭翔;郭云強;邱曉杰【作者單位】沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院，沈陽110870;沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院，沈陽110870;沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院，沈陽110870;沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院，沈陽110870;南京中科煜宸激光技術有限公司研究院,南京210038【正文語種】中文【中圖分類】TG446鋁合金在日常生產生活中應用廣泛，鋁及其合金具有優(yōu)異的物理性能、化學性能和力學性能，廣泛應用在家電、建筑、汽車、航空航天等領域.隨著焊接技術的發(fā)展，已有多種鋁合金焊接結構應用于具有特殊使用性能要求的環(huán)境中，如航空航天飛行器等鋁合金焊接產品[1-2].由于鋁與鋁合金具有較高的熱導性和熱膨脹性，因此，當進行鋁合金焊接時，容易產生裂紋及氣孔，常用的焊接方法包括TIG和MIG焊[3-4].這兩種方法雖然均能滿足鋁及其合金的使用性能要求，但TIG焊效率較低，且易造成夾鎢，MIG焊薄板容易產生燒穿等缺陷.冷金屬過渡(CMT)焊是奧地利福尼斯公司在MIG/MAG焊的基礎上開發(fā)出的一種新型焊接技術.當發(fā)生熔滴短路過渡時，CMT焊技術的控制系統(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將會回抽焊絲，從而幫助熔滴過渡到熔池，實現(xiàn)無電流下的熔滴過渡，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[5-10].1試驗材料與設備1.1試驗材料試驗材料為6082-T6鋁合金，T6表示鋁合金經過固溶處理后再經過人工時效處理.6082-T6鋁合金試板尺寸為130mmx60mmx2mm,其化學成分如表1所示.焊絲選用直徑為1.2mm的ER4043鋁硅焊絲.表16082-T6鋁合金的化學成分(w)Tab.1Chemicalcompositionof6082-T6aluminumalloy(w)%SiFeCuCrMnMgZnAl1.00.50.10.30.80.90.2余量1.2試驗設備試驗設備主要由TPS2700型CMT焊機、AH-V6型OTC機器人系統(tǒng)等組成.CMT機器人焊接系統(tǒng)如圖1所示.保護氣體采用高純氬氣，流量為15L/min，弧長修正系數(shù)為0%，焊縫坡口形式為I型.圖1CMT機器人焊接系統(tǒng)Fig.1CMTrobotweldingsystem采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析焊縫的宏觀形貌和微觀組織；采用能譜分析儀分析微區(qū)成分；采用X射線衍射儀分析相組成；采用維氏顯微硬度計分析焊接接頭的硬度分布；采用萬能拉伸試驗機分析焊接接頭的機械性能.2結果與分析2.1焊縫宏觀形貌2.1.1焊接電流的影響當焊接速度為110cm/min、弧長修正系數(shù)為0%、焊接電流變化范圍為100~115A時，在6082-T6鋁合金試板上進行CMT焊試驗.焊接電流對焊縫宏觀成型性、熔深、熔寬、深寬比和橫斷面形貌的影響分別如圖2~5所示.由圖3、4可知，隨著焊接電流的增加，熔寬、熔深與深寬比大體上也隨之增加.由圖5可見，當焊接電流為100A時，焊縫尚未完全焊透，表明此時的焊接電流偏小，熱輸入量不足；當焊接電流達到105A時，厚度為2mm的鋁合金試板已被熔透，且隨著焊接電流的增大，焊接區(qū)面積也隨之增加.圖2焊接電流對焊縫宏觀成型性的影響Fig.2Effectofweldingcurrentonmacroformationofweld2.1.2焊接速度的影響當焊接電流為105A、弧長修正系數(shù)為0%、焊接速度的變化范圍為90~120cm/min時，得到的焊縫宏觀形貌如圖6所示.圖3焊接電流對熔深、熔寬的影響Fig.3Effectofweldingcurrentonwelddepthandweldwidth圖4焊接電流對深寬比的影響Fig.4Effectofweldingcurrentondepth-widthratio圖5焊接電流對橫斷面形貌的影響Fig.5Effectofweldingcurrentonmorphologiesofcrosssection焊接速度對焊縫熔深、熔寬、深寬比和橫斷面形貌的影響如圖7~9所示.由圖7可見，焊接速度對焊縫熔寬和熔深具有較大影響.隨著焊接速度的增加，焊縫熔深、熔寬大體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢.由圖8可見，隨著焊接速度的增加，深寬比呈現(xiàn)先增后減的趨勢.由圖9可見，當焊接速度為120cm/min時，焊縫尚未焊透.這是因為當焊接電流一定時焊接速度過大導致焊接熱輸入下降的緣故.為了提高焊接生產率，可以適當提高焊接速度，但要確保焊縫能夠焊透，避免出現(xiàn)未焊透等缺陷.圖6焊接速度對焊縫宏觀成型性的影響Fig.6Effectofweldingspeedonmacroformationofweld圖7焊接速度對熔深、熔寬的影響Fig.7Effectofweldingspeedonwelddepthandweldwidth圖8焊接速度對深寬比的影響Fig.8Effectofweldingspeedondepth-widthratio圖9焊接速度對橫斷面形貌的影響Fig.9Effectofweldingspeedonmorphologiesofcrosssection通過上述試驗，采用控制變量法確定了在最佳CMT焊工藝參數(shù)條件下，弧長修正系數(shù)為0%，焊接電流為105A，焊接速度為110cm/min.在最佳焊接工藝參數(shù)條件下，不僅可以獲得具有適當熔深和熔寬的焊縫，而且所得焊縫表面成型美觀且色澤光亮.2.1.3焊接對比試驗對2mm板厚的6082-T6鋁合金進行MIG與CMT焊對比試驗.試驗中焊接電流為105A，焊接速度為110cm/min，保護氣體（高純氬氣）流量為15L/mins^口形式為I型坡口.焊后焊縫的宏觀形貌如圖10所示.由圖10可見，由MIG焊獲得的焊縫具有明顯飛濺，這是因為在MIG焊的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，從而導致飛濺的產生.與相同工藝參數(shù)下的CMT焊縫進行對比后發(fā)現(xiàn)，由CMT焊獲得的焊縫無飛濺產生，且成型美觀.圖10不同焊接方法下焊縫的宏觀形貌Fig.10Macromorphologiesofweldunderdifferentweldingmethods2.2焊接接頭微觀組織經過研磨和拋光后，采用凱勒試劑（1mL氫氟酸+1.5mL鹽酸+2.5mL硝酸+95mL水）對6082-T6鋁合金焊接接頭進行腐蝕，腐蝕時間約為40s.腐蝕完成后，立刻用大量清水沖洗掉殘留腐蝕劑，然后用無水酒精清洗干凈，再用吹風機吹干，最后利用金相顯微鏡進行組織觀察.結果發(fā)現(xiàn)，焊縫組織主要由a-Al固溶體組成.2.2.1焊接電流的影響在6082-T6鋁合金CMT焊焊接試驗中，當焊接速度為110cm/min、弧長修正系數(shù)為0%時，不同焊接電流對焊縫金屬顯微組織的影響如圖11所示.由圖11可見，在其他焊接工藝參數(shù)不變的前提下，隨著焊接電流的增加，焊縫組織逐漸變得粗大.這是因為隨著焊接電流的增加，焊接熱輸入量隨之增加，焊縫金屬凝固時間變長導致晶粒充分長大的緣故.不同熱輸入條件下焊縫區(qū)的組織形態(tài)具有較大差別.當焊接電流較小時，焊縫組織呈不連續(xù)短棒狀形態(tài)分布；當焊接電流較大時，焊縫組織呈連續(xù)粗大網(wǎng)狀形態(tài)分布.圖11焊接電流對焊縫金屬顯微組織的影響Fig.11Effectofweldingcurrentonmicrostructureofweldmetal當焊接電流為105A、弧長修正系數(shù)為0%時，不同焊接速度對焊縫金屬顯微組織的影響如圖12所示.由圖12可見，隨著焊接速度的增大，焊縫金屬的顯微組織變得越來越細小.這是因為隨著焊接速度的增大，焊接線能量不斷減小，焊接熔池凝固速度變快，高溫停留時間變短導致晶粒未充分長大的緣故.2.3拉伸試驗利用萬能試驗機對6082-T6鋁合金進行拉伸試驗，加載位移速度為3mm/min，拉伸試驗結果如表2所示.由表2可見，2mm板厚的6082-T6鋁合金焊接接頭的拉伸最大力平均值為4.055kN，抗拉強度范圍為166.79-188.53MPa.與其他試樣相比，1號和8號拉伸試樣的抗拉強度較小，這是因為這兩個試件的焊接工藝參數(shù)不合理導致焊縫中存在焊接缺陷(未焊透)的緣故.此外，拉伸試件的斷裂部位均發(fā)生于焊接熱影響區(qū)的軟化區(qū)，斷裂后拉伸試樣的實物照片如圖13所示.圖12焊接速度對焊縫金屬顯微組織的影響Fig.12Effectofweldingspeedonmicrostructuresofweldmetal表2焊接接頭拉伸試驗結果Tab.2Tensiletestresultsofweldingjoints試樣編號焊接電流A焊接速度(cm?min-1)最大力kN抗拉強度MPa伸長率％11001103.249137.011.0221051104.204176.033.4031101104.449188.533.0941151104.292180.322.865105903.970166.793.7161051004.432186.203.4671051104.427187.133.7281051203.416143.991.06圖13斷裂后拉伸試樣照片F(xiàn)ig.13Photooftensilesampleafterfracture6082-T6鋁合金焊接接頭的最大抗拉強度為188.53MPa，與6082-T6鋁合金母材的抗拉強度平均值310.24MPa相比，焊接接頭的最大抗拉強度約為母材的61%.觀察表2可以發(fā)現(xiàn)，當焊接電流為110A、焊接速度為110cm/min、弧長修正系數(shù)為0%時，6082-T6鋁合金焊接接頭的抗拉強度值最大，此時焊接接頭的伸長率為3.09%.為了研究6082-T6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，結果如圖14所示.由圖14可見，拉伸斷口存在很多大小不一的韌窩，且韌窩有深有淺，拉伸斷口形貌表現(xiàn)為塑性斷口.圖14焊接接頭拉伸試樣斷口形貌Fig.14Fracturesurfacemorphologyoftensilesampleofweldingjoint2.4維氏硬度試驗利用HV-1000型維氏顯微硬度計對完成拉伸試驗的6082-T6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，結果如圖15所示.由圖15可見，6082-T6鋁合金母材區(qū)的硬度約為95~98HV,熱影響區(qū)硬度約為60~95HV,而焊縫區(qū)硬度約為65~73HV.可見，熱影響區(qū)硬度低于母材，這是因為6082-T6鋁合金是通過固溶處理加人工時效處理進行強化的，焊接熱影響區(qū)受到焊接熱輸入的影響，使得該區(qū)發(fā)生了“過時效”轉變，導致其硬度降低.圖15焊接接頭硬度分布Fig.15Hardnessdistributionofweldedjoint3結論通過以上試驗分析可以得到如下結論：1） 2mm板厚的6082-T6鋁合金在最佳CMT焊接工藝參數(shù)條件下焊接電流為105A，焊接速度為110cm/min，弧長修正系數(shù)為0%，保護氣體（高純氬氣）流量為15L/min.2） 焊接工藝參數(shù)對焊縫成型具有較大影響.隨著焊接電流的增加，焊縫熔寬、熔深大體上隨之增大.隨著焊接速度的增加，焊縫熔寬、熔深大體上隨之減少.3） 6082-T6鋁合金焊縫區(qū)硬度約為65~73HV，熱影響區(qū)硬度約為60~95HV,母材區(qū)硬度約為95~98HV.4） 焊接接頭最高抗拉強度為188.53MPa,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.當對厚度為2mm的6082-T6鋁合金進行CMT焊時，采用最佳焊接工藝參數(shù)可以避免傳統(tǒng)焊接方法生產效率低、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.參考文獻(References)：【相關文獻】汪軍.汽車用鋁合金沖壓成型性能研究[J].熱加工工藝，2015，44(17):123-125.(WANGJun.Studyonstampingformingperformanceofaluminumalloyforautomobile[J].HotWorkingTechnology，2015，44(17):123-125.)王鋒，遲長志，臺立民，等.鋁硅合金變質處理研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2016，45(11):9-10.(WANGFeng，CHIChang-zhi，TAILi-min，etal.ResearchstatusofmodificationofAlSialloy[J].HotWorkingTechnology，2016，45(11):9-10.)李國棟，栗卓新.MIG焊指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.(LIGuo-dong，LIZhuo-xin.GuideofMIG[M].Beijing:ChinaMachinePress，2009.)周瑾，崔凱工業(yè)純鋁的焊接技術[J].焊接技術，2006，35(5):71-72.(ZHOUJin，CUIKai.Weldingtechnologyofindustrialpurealuminium[J].WeldingTechnique，2006，35(5):71-72.)劉強，張亞雄，張南南.送絲速度對6061鋁合金CMT焊接接頭性能的影響[J].熱加工工藝，2016，45(17):222-224.(LIUQiang，ZHANGYa-xiong，ZHANGNan-nan.Influenceofwirefeedingspeedonpropertiesof6061aluminumalloyCMTweldedjoint[J].HotWorkingTechnology，2016，45(17):222-224.)陳媛媛，徐浩，魏慶豐.淺談薄板CMT焊接技術[J].汽車零部件，2013(9):76-77.(CHENYuan-yuan，XUHao，WEIQing-feng.BriefdiscussiononsheetCMTweldingtechnology[J].AutoParts，2013(9):76-77.)曹睿，余建永，陳劍虹.鎂/鍍鋅鋼板CMT熔釬焊連接機制分析[J].焊接學報，2013，34(9):21-24.(CAORui，YUJian-yong，CHENJian-hong.Mechanismanalysis