铝－浸铝钢板异种金属连接CMT焊接工艺研究①

吴 丹， 田春英， 王 军， 于弘扬， 李慕勤

(佳木斯大学材料学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引言

近年来，环保问题越来越受到世界各国的重视，解决环保问题的压力也直接传递到汽车制造业.为了节约燃料、保护环境，汽车轻量化已成为一个重要的发展方向，这也对汽车选用的材料提出了更高要求.增加铝材的用量是汽车轻量化的重要措施之一，所以在汽车工业生产中，“铝+钢”双金属焊接结构的应用将会越来越广泛.

图1 焊接速度为0.5mm/min不同焊接电流的焊缝形貌

从国内外的研究现状来看，铝－钢之间的连接涉及到压焊、钎焊和熔焊等多种焊接方法[1－9]，其关键问题在于金属间化合物层的控制.压力焊和钎焊由于基体可以在焊接过程中保持固态，同时焊接热输入容易控制，因此接头的性能一般不受限于金属间化合物的厚度，但是这种焊接方法效率较低，对工件的尺寸和形状有特殊的要求，不适于大批量生产[10].很多研究学者[11]通过试验证明采用MIG焊接方法，同时填充A1Si5合金，通过控制焊接热输入，可以连接铝合金AlMg0.4Si1－镀锌钢板DX 53 Z异种金属接头.接头实质上由两个接头组成，一个是与铝板相连的熔焊接头，另一个是与钢板相连的钎焊接头.而熔焊方法比较灵活，效率较高，但是金属间化合物又成为不可避免的附加产物，降低了焊接接头的性能.

CMT是cold metal transfer的缩写(冷金属过渡)，同传统的熔化极气体保护焊(GMAW)相比金属过渡温度更低，能够有效抑制金属间化合物的产生.由于浸铝钢板的浸铝层与铝焊缝金属的熔合性好;同时浸铝钢板中浸铝层与钢板基体之间已形成薄金属间化合物层，其在焊接过程中对铝与钢的混合能起到天然的屏障作用，因此采用CMT技术对浸铝钢板－铝板进行连接是一个具有可行性的新研究.

本文采用CMT技术对浸铝钢板－铝板进行连接，通过改变焊接速度和焊接电流两个参数，观察对焊缝成形的影响，并最终获得一个好的成形工艺参数且具有优良的力学性能.

1 实验材料及方法

焊接材质选择厚度为1mm的铝合金板6061.浸铝钢板SA1C镀铝层厚度为20－30μm，镀层为Al－Si合金，其中含铝的质量分数为94.2%，含Si的质量分数为5.8%.焊丝选用1.2mm直径的4043(AlSi5)，材料的化学成分(质量百分比)见下表1和表2.

表1 铝合金的化学成分 (wt.%)

表2 浸铝钢板基材化学成分 (wt.%)

采用奥地利Fronius公司生产的CMT 5000i系列焊机进行工艺试验，其原理是当熔滴即将进入短路阶段时瞬间将焊丝回抽，以提高焊接的稳定性和抑制焊接飞溅.焊前用丙酮对工件表面进行清洗去除氧化膜，试样放在卡具上搭接放好，通过调节焊接电流和焊接速度两个工艺参数获得最佳焊接工艺，并且获取不同工艺参数对焊缝形貌及性能的影响规律.

2 实验结果及分析

2.1 不同焊接电流对焊缝形貌的影响

2.1.1 焊接速度相同为0.5m/min时，焊接电流不同对焊缝形貌影响，实验参数如表3.

表3 焊接速度0.5m/min，电流不同工艺参数

由图1可见，在焊接电流不同，焊接速度为0.5m/min的情况下，焊缝整体上都有起弧处成形效果不好，収弧处有弧坑两种现象存在.这主要是由于起弧时温度较低，焊丝不能在材料表面很好的铺展，而收弧时焊枪未做一个短暂的停留原因造成的.这种现象属于正常的薄板焊接工艺缺欠，可以通过外加引弧板和収弧板加以解决.随着焊接电流的加大，焊缝的宽度增加，焊缝余高升高.焊接电流为85A时，焊宽最大为9.0mm，余高最高为 1.7mm.通过反面观察可以判定焊接电流越大，焊缝热输入越大.较大的焊宽，会引发焊缝纵向收缩力的增加，从而造成薄板变形过大.过大的余高会使整个焊接接头在承受动载时，寿命降低.对于搭接接头决定计算厚度，以上三组参数的焊缝计算厚度差别不大，为节省能源，所以此时可以采用低电流.另外过大的热输入显然会影响到铝钢界面，以上三组热输入比较大，因此为减小热输入，可以通过提高焊接速度加以解决.

2.1.2 焊接速度相同为0.75m/min时，焊接电流不同对焊缝形貌影响，实验参数如表4

表4 接速度0.75m/min，电流不同工艺参数

由图2可见，在电流不同，焊接速度提高为0.75m/min时，与速度为0.5m/min比较，焊缝的宽度和余高整体上降低，在焊接电流为85A时焊缝的宽度降为7.40mm，余高为0.72mm，从焊缝背面观察判定焊缝的热输入明显变小，在较低电流下几乎看不到热输入对焊缝背面有影响，如图a)和图b)所示，由于热输入过低焊丝熔化和在焊缝表面铺展效果不好，导致焊缝成形不好.但当电流为96A时，焊缝又由于焊丝回填不足出现了咬边的现象.只有在焊接电流为85A时，焊缝成形最为平整.

图2 焊接速度为0.75mm/min焊接电流不同的焊缝形貌

图3 焊接速度为1mm/min焊接电流不同的焊缝形貌

2.1.3 焊接速度相同为1m/min时，焊接电流不同对焊缝形貌影响，实验参数如表5所示.

表5 焊接速度1m/min，电流不同工艺参数

由图3可见，在不同电流下，焊接速度继续增大为1m/min，与速度为 0.5m/min、0.75m/min 时相比这三组焊缝都具有随着焊接电流的加大焊缝的宽度增加，焊缝余高增高，但焊缝的焊宽和余高整体上都没有前两组大的特点，只有在大电流时观察到热输入且并不明显，在此速度下，无论是大电流还是小电流焊缝成形均出现较明显的问题，当焊接电流为64A时，速度快、电流小导致焊丝融化不铺展，焊缝出现了不规则形状，同样在电流为96A时，焊缝明显出现了焊丝回填不足的现象.当电流为85A时焊缝成形最好.

图4 焊接电流和速度对焊缝的影响

以上三组数据可以表达速度－电流对焊接形貌的综合影响，见图4.焊接速度越小可以使用的有效焊接电流越多，随着焊接速度的增大可用的有效焊接电流在逐步的减少，这有助于对铝－钢薄板搭接CMT焊工艺的优化.

2.2 不同焊接速度对焊缝形貌的影响

从上述不同还接参数中得出，电流为85A时焊缝的成形均比较好，表面缺陷最少，最能表达其随速度变化的特点，所以选择电流为85A.实验数据如表6.

表6 电流85A，不同焊接速度参数

图5 焊接电流85A，焊接速度不同的焊缝形貌

图5所示，在焊接速度不同，焊接电流为85A时，随着速度的增加焊接余高变低由1.66mm下降到 0.74mm，焊宽变窄由 9.00mm 变为 7.40mm，并且随速度的加快，在宏观上的热输入越来越小.当速度为0.75m/min时焊缝最为光滑平整.

3 结论

(1)焊接速度不变时，随焊接电流的增大焊缝余高、焊缝宽度及热输入增大.

(2)焊接速度越小可以使用的有效焊接电流越多，随着焊接速度的增大可用的有效焊接电流在逐步的减少.

(3)焊接电流不变时，随焊接速度的增大焊缝余高、焊缝宽度及热输入都减小.

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