薄板铝合金的CMT焊工艺研究

郭文涛

摘 要：为了解决传统焊接方法焊接铝合金时容易造成的生产效率低、焊接变形大以及夹钨、裂纹、气孔、飞溅等缺陷。本次主要研究LY12、LF5铝合金1.0～3.0mm薄板材的CMT焊接工艺，从而制定一套切实可行的CMT焊接加工工艺，从而提高工厂生产加工效率。为后续产品实现CMT自动化焊接打下坚实的基础。

关键词：CMT焊;熔化极;焊接;工艺

1.前言

铝及铝合金在航天航空中应用极为广泛，主要用于型材骨架、飞机蒙皮、整流罩，铝及铝合金在工业加工过程中焊接应用非常普遍。焊接方法主要有：气焊、焊条电弧焊、钨极氩弧焊（TIG）、熔化极惰性气体保护焊（MIG）。在航天航空中铝合金主要焊接方法为钨极氩弧焊（TIG）、熔化极惰性气体保护焊（MIG）。

TIG焊接铝及铝合金时，从“阴极雾化[1]”作用和电流方向考虑，一般采用交流钨极氩弧焊，氩弧焊电弧稳定，热量集中、其焊缝组织致密、成形美观、强度和塑性高，并且工件变形小。但是因受到钨极许用电流限制，电弧的熔透力较小，所以一般用于板厚在6mm以下薄板件的焊接。

MIG焊电弧功率大，热量集中，因为MIG焊在熔滴短路过渡过程中，当液桥收缩变细时，短路电流密度增大，使得液桥迅速汽化而发生爆炸，即焊接飞溅较大。

CMT焊接铝及铝合金时，热影响区小、热输入量低，焊接变形小，生产效率可比TIG焊提高三倍以上，因此特别适用于铝及铝合金1.0～3.0mm薄板结构件的焊接。

2. 铝及铝合金焊接特点

2.1.容易氧化

铝的化学性质活泼，与氧的亲和力很强，在空气中容易与氧结合成致密的Al2O3膜。Al2O3高达2050℃，远超过铝及铝合金的熔点，因此焊接时容易形成未熔合及夹渣等缺陷，使接头的性能降低，还会影响电弧的正常燃烧。

2.2.焊接时耗能量大

由铝及铝合金的物理性能可以看出（表1）：铝合金的熔点虽低，但其比热容高（约是钢的2倍），热导率大（约是钢的三倍）。而且铝的线膨胀系数大约是钢的3倍，在焊接过程中容易产生变形，为获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率密度大的热源，对于厚件有时还需采用预热等工艺措施。

2.3.焊缝容易产生气孔

气孔是铝及铝合金焊接时的最常见的缺陷。氢是铝在熔焊时产生气孔的主要原因。在焊接高温下，焊接区周围的水，油、空气中的水分等浸入焊接电弧中很容易分解成氢原子或质子，溶入过热熔融金属中。由于氢在液态和固态铝中的溶解度相差很大（近20倍），因此，高温下溶入的大量气体，在焊后冷却凝固过程中来不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔。

2.4.焊接熱裂纹倾向大

纯铝与非热处理强化铝合金（LF21、LF6、LF5），一般不容易产生裂纹，而硬铝及大部分热处理强化铝合金，产生裂纹的倾向较大。铝及铝合金焊接时产生的裂纹大部分为结晶裂纹，有时在热影响区[2]也可能出现液化裂纹。

2.5.焊接接头的力学性能下降

对于热处理强化铝合金（LY12），无论焊前是时效状态还是退火状态，焊后接头力学性能都比母材低。即使焊后进行人工时效，往往也达不到焊前母材的水平。热处理强化铝合金焊接接头的组织如（图一）。其中性能变化较大的是焊缝，半熔化区和过时效软化区。一般焊接接头的拉伸断裂位置处于热影响区，其最高拉伸强度约为母材的61%，拉伸断口形貌为塑性断口.

3  CMT焊技术特点和应用

冷金属过渡（CMT）焊是奥地利福尼斯公司在MIG/MAG焊的基础上开发出的一种新型焊接技术，当发生熔滴短路过渡时，CMT焊技术的控制系统在采集到短路电流信号时，将会马上切断焊接电流，同时焊枪处的前送丝机构将会回抽焊丝，从而帮助熔滴过渡[3]到熔池，实现无电流下的熔滴过渡（图二），从而避免了焊接飞溅，且可获得较小的热输入量，因而非常适用于薄板的焊接。

当熔滴过渡瞬间，焊机会让电流降至几乎为零，当熔滴通过焊丝回抽拉断后，又回到正常的电压和电流，整个焊接过程实现“热-冷-热”交替转换。

3.1 CMT焊接的优点：热输入量低，焊接变形小;焊接过程无飞溅;焊缝机械性能高，裂纹倾向小;间隙熔忍性好，对装配要求低;焊接质量可靠性高，质量再现性好;焊丝回抽引弧，引弧无飞溅，引弧速度快，电弧稳定，精确控制的电流输入，使得焊缝成形均匀一致，特别适用于薄板甚至0.3mm超薄版的焊接。

3.2 CMT技术的优点及应用范围

（1） 铝及铝合金、不锈钢等材料薄板，或超薄板的焊接，解决了焊接变形和烧穿的问题。

（2） 电镀锌板和热镀锌板的无飞溅焊接，减小了渡层的烧损。

（3） 钢与铝等异种金属焊接。CMT 技术正是为解决钢和铝的异种金属焊接问题而创新研发的。过去钢和铝的焊接采用激光或电子束焊，成本高昂。现在采用CMT焊，质量优良，成本大幅降低。

4 试验材料与设备

4.1 试验材料

试验下料为LF5、LY12-M的铝合金，厚度分别为1mm、1.5mm、2mm。铝合金试板尺寸为100mm×80mm，焊丝分别选用S15356、φ1.2铝硅焊丝;S14043、φ1.2铝铜焊丝。

4.2 试验设备

试验设备主要由TPS4000型CMT焊机、ABB IRB 1410型机器人系统等组成，保护气体采用99.999%高纯氩气，流量为10～15L/min，弧长修正系数为0%，焊缝为无坡口形式Ⅰ型。

5.结果与分析

5.1焊缝宏观形貌

当焊接速度为10mm/s、弧长修正系数为0%、焊接电流变化范围为30～90A时，分别对LF5、LY12-M厚度分别为1mm、1.5mm、2mm试板上进行CMT焊试验.不同厚度板材焊缝宏观外形、熔宽、深宽比和焊缝背面形貌如（图三）所示：

试件焊缝正反面成形美观，焊缝无飞溅，热影响区较小，热输入量低，焊接变形小，焊缝质量高，焊后可以直接用手接触试件。

5.2 X光射线检测

MG320型X光机分别对LF5、LY12-M六种试件（各三件）焊缝按HB5375-87，Ⅲ级进行X射线检测，均符合Ⅲ级焊缝要求。

5.3拉伸试验

利用Ag-1250千牛电子拉力试验机对六种铝合金试件（各三件）进行拉伸试验，加载位移速度为3mm/min，拉伸试验结果如（图四）所示，抗拉强度LY12-M范围为161～216MPa;LF5范围为169～190MPa。

对1～18号试件拉伸，试件均从母材或焊缝热影响区拉伸断裂，断裂部位多数发生在热影响区的软化区，断裂后拉伸试样的实物照片如（图五）所示：

为了研究LF5、LY12铝合金CMT焊焊接接头拉伸试验的断裂机制，对拉伸后的试样断口进行微观组织观察，结果如（图六）所示，由图六可见，拉伸断口存在很多大小不一的韧口，且韧口有深有浅，拉伸断口形貌表现为塑性断口。

5.4 焊缝硬度试验

利用HV-1000型维氏显微硬度计对完成拉伸试验的LF5、LY12铝合金的焊接接头焊缝区、热影响区、母材区的显微硬度进行测量，结果如（图七）所示，由图九可见，LF5、LY12铝合金母材区的硬度约为91～94HV，热影响区硬度约为58～91HV，而焊缝区硬度约为62～71HV。可见，热影响区硬度低于母材，这是因为热影响区受到焊接热输入的影响，使得该区发生了“时效”组织转变，导致其硬度降。

5.5 焊接工艺参数

因CMT焊采用熔滴短路过渡，可以焊接所有铝合金和不锈钢，即工艺参数对焊缝成形与强度的影响，所以焊接时必须采用合理的焊接参数，只有参数选择合格，才能使CMT焊接能顺利施焊，达到理想的焊缝要求，体现薄板焊接的优越性。经过试件的施焊，工艺参数对焊缝成形具有较大影响，随着焊接电流的增加，焊缝熔宽、熔深隨之增大，随着焊接速度的增加，焊缝熔宽、熔深随之减小。

6 结论

通过以上试验分析可以得到如下结论：

1） 确定了板厚1mm、1.5mm、2mm（LY12/LF5）铝合金的最佳CMT焊接工艺参数可以避免传统焊接方法生产效率低、夹钨、裂纹、气孔、焊接变形大等缺陷，且可以获得较高的焊接接头抗拉强度。

2） 焊接工艺参数对焊缝成形具有较大影响随着焊接电流的增加，焊缝熔宽、熔深随之增大，随着焊接速度的增加，焊缝熔宽、熔深随之减少。

3） LF5、LY12铝合金母材区的硬度约为91～94HV，热影响区硬度约为58～91HV，而焊缝区硬度约为62～71HV。

4） 焊接接头最高抗拉强度为190MPa，约为母材抗拉强度的61%，拉伸断裂位置处于热影响区，拉伸断口形貌表现为塑性断口。

CMT焊的工艺研究，充分说明了CMT焊对铝及铝合金（LY12/LF5）薄板材焊接的适应范围，CMT焊与TIG、MIG焊的区别和优缺点，CMT焊特别使用于铝及铝合金薄板的焊接，采用熔滴短路过渡既能保证焊接质量，又能大大提高工厂生产加工效率，减小工人劳动强度。达到设计要求目的，为后续产品实现CMT自动化焊接打下坚实的基础。

参考文献：

[1]中国机械学会焊接学会编·焊接手册（第二卷）·材料的焊接·第  1版·北京：机械工业出版社，1992.

[2]何月秋·焊工技师 手册·北京：机械工业出版社1998.

[3]杨修荣·超薄板的MIG/MAG 焊——CMT 冷金属过渡技术[J].电焊机，2006，36（6）：5-7.