BC-MIG焊在鋁/鋼異種金屬增材制造工藝中的應(yīng)用

李明琨，陳民昌，何資幟

（廣西南寧技師學(xué)院，廣西 南寧 530031）

增材制造技術(shù)也被稱為3D打印技術(shù)，在機械加工領(lǐng)域、汽車制造、航空航天以及軍事國防領(lǐng)域都有著誘人的應(yīng)用前景。增材制造是多個學(xué)科之間相互融合，以材料技術(shù)為依托而產(chǎn)生和發(fā)展的一項新型技術(shù)，增材制造技術(shù)的基本原理思路是將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件變成無數(shù)層二維的平面圖疊加，這就使材料的加工思路出現(xiàn)了根本的變化。這種技術(shù)加工效率高，加工速度快，節(jié)省了加工原料的消耗，降低了加工成本，有利于制造業(yè)技術(shù)變革的加速推進?，F(xiàn)在，增材制造技術(shù)已經(jīng)分別在一些高分子材料和金屬材料上實現(xiàn)了應(yīng)用，但這種應(yīng)用僅僅局限于同一種材料上，在異種金屬、異種高分子材料以及異種金屬和高分子材料組成的復(fù)合材料上的增材制造技術(shù)研究尚少。

1 BC-MIG焊工藝的特點研究

MIG焊（熔化極惰性氣體保護焊），稱為熔化極氣體保護電弧焊。用實芯焊絲的惰性氣體（Ar或He）保護電弧焊法稱為熔化極惰性氣體保護焊，簡稱MIG焊。MIG焊接除用金屬絲代替焊炬內(nèi)的鎢電極外，其他和TIG焊一樣。因此，焊絲由電弧熔化，送入焊接區(qū)。電力驅(qū)動輥按照焊接所需從線軸把焊絲送入焊炬。熱源也是直流電弧，但極性和TIG焊接時所用的正好相反。所用保護氣體也不同，要在氬氣內(nèi)加入1%氧氣，來改善電弧的穩(wěn)定性。

近年來，降低能耗以及減輕重量已經(jīng)成為新型材料關(guān)注的焦點問題，對材料的特殊性能也提出了越來越高的要求，鋁合金是一種輕質(zhì)的合金，作為一種薄板材料，廣泛應(yīng)用于各種需要高強度結(jié)構(gòu)中。在薄板鋁合金的焊接過程中，采用電弧焊接很容易產(chǎn)生一些缺陷，MIG焊正是焊接薄板鋁合金最好的焊接工藝，在MIG焊的焊接工藝體系中根據(jù)焊接的特點衍生出很多種MIG焊的方法，其中旁路分流MIG焊就是一種典型的輕質(zhì)高強度鋁合金焊接方法。旁路分流MIG焊又叫作BC-MIG焊，是全新的MIG焊焊接工藝，這種焊接工藝需要的熱量輸入較低，其電弧增材的效率很高。大量的研究表明，這種新型的焊接工藝電弧熔敷效率極高，焊縫的沉積速率快，增材成形的精度很高，同種材料經(jīng)過BC-MIG焊所獲得的增材效果良好，例如鋼材料、鋁合金材料以及銅材料之間的焊接。異種材料諸如鋁合金和鋼材料的焊接，鋁合金和鈦材料的焊接也能夠得到良好的焊接性能。

2 增材制造試驗方法及試驗參數(shù)

本文選擇Q235作為基板，其材料由鍍鋅鋼組成，增材材料選擇鋁合金作為焊絲，型號為4043鋁合金，利用上述兩種材料進行異種金屬增材試驗研究，由金相顯微鏡來觀察所制備的4043鋁合金沉積層組織形貌，通過顯微硬度計和萬能拉伸試驗機表征沉積層的力學(xué)性能。選擇Q235基板的厚度為2mm，選擇直徑為1.5mm的4043鋁合金作為焊絲。焊接是采用自行制作的BC-MIG焊設(shè)備進行實驗，在基材上進行腹板的堆焊，堆焊的形式以逐層堆焊進行。實質(zhì)上旁路分流MIG焊就是將MIG焊槍的另一側(cè)增加一個分流焊槍，經(jīng)過分流焊槍的分流后原本的主弧電流被分為2個部分，其中一部分電流通過旁路流回焊接電源，另一部分電流則是直接作用于母材的電流，在保證完全熔化焊絲的前提下合理地控制母材的熱量輸入，從每道工序和每層焊縫上進行質(zhì)量控制，獲得良好的增材效果。經(jīng)過多次工藝試驗優(yōu)化后，將工藝參數(shù)中主路電流設(shè)置為75A，將電弧電壓調(diào)節(jié)為16.5V，將旁路分流的焊槍電流輸入調(diào)節(jié)為54A，焊接速度控制為0.8m/min，鎢極和焊絲之間的距離固定為5mm，鎢極和母材之間的距離也保持在5mm，焊接主路的焊槍噴嘴和母材之間保持10mm的距離，旁路焊槍和主路焊槍的保護氣體流量分別控制在5L/min和15L/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 增材成形情況

經(jīng)過此焊接工藝得到的T型材焊縫形貌良好，結(jié)構(gòu)均勻。可以看出，腹板焊縫由呈層狀結(jié)構(gòu)堆垛，經(jīng)測量得知其高度達到9mm，寬度為5mm，增材制造的腹板外觀光滑，表面美觀。焊縫的表面可以看到銀灰色的光澤，進行整體評估后得知焊縫的增材成形精度很高，質(zhì)量較好。將異種材料焊接所得的焊件進行切割后表征其截面形貌。鋁合金焊縫的堆焊痕跡清晰可見，層與層之間的重疊性優(yōu)良，結(jié)合良好。焊縫沉積層中由于焊接過程不可避免地產(chǎn)生一些氣孔，但氣孔數(shù)量較少。

3.2 沉積層微觀組織特點

異種金屬BC-MIG焊得到的增材制造件的截面圖，異種金屬的焊接界面，界面的下側(cè)是鋼結(jié)構(gòu)的基材，焊縫中下側(cè)呈帶狀結(jié)構(gòu)，而上側(cè)則是類似于針狀的組織結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)的針狀結(jié)構(gòu)是因鐵元素的擴散而形成的，由于鐵元素能夠在鋁材質(zhì)的焊縫材料中相對較快的擴散，因此在鋁焊縫中形成針狀結(jié)構(gòu)。而由于鋁元素在鋼結(jié)構(gòu)中的擴散速度慢、擴散難度大，因此在鋼結(jié)構(gòu)中只形成了帶狀結(jié)構(gòu)，這種帶狀結(jié)構(gòu)的形成是由于鋁元素的富集作用而形成的金屬間化合物作用，這種金屬間化合物主要是鐵鋁金屬間化合物。焊縫橫截面的中間部位組織結(jié)構(gòu)形貌圖，焊縫材料結(jié)晶性良好，焊絲金屬呈樹枝晶的方式生長。

3.3 顯微硬度分析

對材料的顯微硬度測試是一項基本的測試項目，顯微硬度能夠體現(xiàn)出焊縫的焊接質(zhì)量好壞，對焊件進行顯微硬度測試時首先要對顯微硬度的測試區(qū)域進行選擇，通常顯微硬度的測試范圍包括全部堆焊層區(qū)域，顯微硬度探針每間隔0.5mm進行一次顯微硬度測試，設(shè)置顯微硬度的施加載荷為1.96N，顯微硬度計探針壓入之后對其載荷進行保持，將載荷的保持時間設(shè)置為10s。經(jīng)過顯微硬度測試數(shù)據(jù)的結(jié)果分析可知，在整個沉積層的硬度測試數(shù)據(jù)中，位于沉積層底部的增材硬度達到整個沉積層硬度的最高值，為65HV10，在沉積層底部硬度較高是鐵元素較密集導(dǎo)致的。沉積層的中部顯微硬度測試結(jié)果相比于焊縫底部的顯微硬度測試結(jié)果較小，這是由于鐵元素的滲入量在縱向上有一個遞減的過程，并且其結(jié)構(gòu)的硬度相對比較均勻，顯微硬度在不同位置的上下浮動較小，兩個堆焊層之間的熔和情況良好，無論從組織結(jié)構(gòu)的均勻性和顯微硬度的均勻性來講，該焊接制造工藝都較為可行。

3.4 力學(xué)性能研究

本研究采用電子的萬能材料試驗機對所得到的焊件進行力學(xué)性能表征，主要對材料進行剪切試驗，進行力學(xué)性能表征時無須采用標(biāo)準(zhǔn)的試樣，本研究采用非標(biāo)準(zhǔn)的光滑試樣進行實驗，在電子萬能材料試驗機工作時測得的工作溫度是27℃。在進行剪切試驗時首先要將待試驗的試件放在豎直的位置，將T型試件的翼板用夾具固定住，在腹板的中間位置垂直施加作用力，借助施力的行程和腹板的尺寸可以求出剪切角，可以通過試驗機直接讀出此次剪切試驗的剪切力大小。根據(jù)直接讀出的剪切力大小和計算出的剪切角大小可知，經(jīng)BC-MIG焊的T型焊件能夠承受的剪切力極限為2100N，剪切力沒有達到1950N時，T型焊件隨后發(fā)生塑性變形，塑性變形角度范圍為6°～13°，在這種剪切條件下焊件被不可逆轉(zhuǎn)的損壞，剪切力的逐漸增加使得焊件的塑性變形逐漸增加，直到剪切角度增加至14°時，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)裂紋。根據(jù)焊件所出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象的位置可知，焊件的斷裂位置在焊件根部附近，對焊件進行觀察可知，堆焊層本身在焊件斷裂時沒有斷裂，觀察整個堆焊層的截面情況也是如此，這表明BC-MIG焊所形成的堆焊層抗剪切的能力較強。

4 結(jié)語

本文選擇了鋼材料和鋁合金材料作為異種金屬進行增材制造實驗，增材制造采用BC-MIG焊的焊接工藝，經(jīng)過焊接之后，獲得了表面形貌較為美觀的堆焊層，通過一系列的顯微觀察以及力學(xué)性能實驗后進行分析得知，BC-MIG焊制備而成的型材性能良好，符合設(shè)計預(yù)期。對其沉積層進行觀察和分析得知，在BC-MIG焊電弧的作用下沉積層的熔合性能優(yōu)異，形成的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，組織也非常均勻。由于鐵元素的擴散作用，沉積層局部硬度上升，最高可達到65HV10。經(jīng)BC-MIG焊的T型焊件能夠承受的剪切力極限為2100N，直到剪切角度增加至14°時，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)裂紋。對焊件進行觀察可知，堆焊層本身在焊件斷裂時沒有斷裂，表明BC-MIG焊所形成的堆焊層抗剪切的能力較強。