薄板鋁合金的CMT焊工藝研究

郭文濤

摘 要：為了解決傳統(tǒng)焊接方法焊接鋁合金時(shí)容易造成的生產(chǎn)效率低、焊接變形大以及夾鎢、裂紋、氣孔、飛濺等缺陷。本次主要研究LY12、LF5鋁合金1.0～3.0mm薄板材的CMT焊接工藝，從而制定一套切實(shí)可行的CMT焊接加工工藝，從而提高工廠生產(chǎn)加工效率。為后續(xù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)CMT自動(dòng)化焊接打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：CMT焊;熔化極;焊接;工藝

1.前言

鋁及鋁合金在航天航空中應(yīng)用極為廣泛，主要用于型材骨架、飛機(jī)蒙皮、整流罩，鋁及鋁合金在工業(yè)加工過(guò)程中焊接應(yīng)用非常普遍。焊接方法主要有：氣焊、焊條電弧焊、鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）。在航天航空中鋁合金主要焊接方法為鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）。

TIG焊接鋁及鋁合金時(shí)，從“陰極霧化[1]”作用和電流方向考慮，一般采用交流鎢極氬弧焊，氬弧焊電弧穩(wěn)定，熱量集中、其焊縫組織致密、成形美觀、強(qiáng)度和塑性高，并且工件變形小。但是因受到鎢極許用電流限制，電弧的熔透力較小，所以一般用于板厚在6mm以下薄板件的焊接。

MIG焊電弧功率大，熱量集中，因?yàn)镸IG焊在熔滴短路過(guò)渡過(guò)程中，當(dāng)液橋收縮變細(xì)時(shí)，短路電流密度增大，使得液橋迅速汽化而發(fā)生爆炸，即焊接飛濺較大。

CMT焊接鋁及鋁合金時(shí)，熱影響區(qū)小、熱輸入量低，焊接變形小，生產(chǎn)效率可比TIG焊提高三倍以上，因此特別適用于鋁及鋁合金1.0～3.0mm薄板結(jié)構(gòu)件的焊接。

2. 鋁及鋁合金焊接特點(diǎn)

2.1.容易氧化

鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，與氧的親和力很強(qiáng)，在空氣中容易與氧結(jié)合成致密的Al2O3膜。Al2O3高達(dá)2050℃，遠(yuǎn)超過(guò)鋁及鋁合金的熔點(diǎn)，因此焊接時(shí)容易形成未熔合及夾渣等缺陷，使接頭的性能降低，還會(huì)影響電弧的正常燃燒。

2.2.焊接時(shí)耗能量大

由鋁及鋁合金的物理性能可以看出（表1）：鋁合金的熔點(diǎn)雖低，但其比熱容高（約是鋼的2倍），熱導(dǎo)率大（約是鋼的三倍）。而且鋁的線膨脹系數(shù)大約是鋼的3倍，在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生變形，為獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率密度大的熱源，對(duì)于厚件有時(shí)還需采用預(yù)熱等工藝措施。

2.3.焊縫容易產(chǎn)生氣孔

氣孔是鋁及鋁合金焊接時(shí)的最常見的缺陷。氫是鋁在熔焊時(shí)產(chǎn)生氣孔的主要原因。在焊接高溫下，焊接區(qū)周圍的水，油、空氣中的水分等浸入焊接電弧中很容易分解成氫原子或質(zhì)子，溶入過(guò)熱熔融金屬中。由于氫在液態(tài)和固態(tài)鋁中的溶解度相差很大（近20倍），因此，高溫下溶入的大量氣體，在焊后冷卻凝固過(guò)程中來(lái)不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。

2.4.焊接熱裂紋傾向大

純鋁與非熱處理強(qiáng)化鋁合金（LF21、LF6、LF5），一般不容易產(chǎn)生裂紋，而硬鋁及大部分熱處理強(qiáng)化鋁合金，產(chǎn)生裂紋的傾向較大。鋁及鋁合金焊接時(shí)產(chǎn)生的裂紋大部分為結(jié)晶裂紋，有時(shí)在熱影響區(qū)[2]也可能出現(xiàn)液化裂紋。

2.5.焊接接頭的力學(xué)性能下降

對(duì)于熱處理強(qiáng)化鋁合金（LY12），無(wú)論焊前是時(shí)效狀態(tài)還是退火狀態(tài)，焊后接頭力學(xué)性能都比母材低。即使焊后進(jìn)行人工時(shí)效，往往也達(dá)不到焊前母材的水平。熱處理強(qiáng)化鋁合金焊接接頭的組織如（圖一）。其中性能變化較大的是焊縫，半熔化區(qū)和過(guò)時(shí)效軟化區(qū)。一般焊接接頭的拉伸斷裂位置處于熱影響區(qū)，其最高拉伸強(qiáng)度約為母材的61%，拉伸斷口形貌為塑性斷口.

3? CMT焊技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用

冷金屬過(guò)渡（CMT）焊是奧地利福尼斯公司在MIG/MAG焊的基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種新型焊接技術(shù)，當(dāng)發(fā)生熔滴短路過(guò)渡時(shí)，CMT焊技術(shù)的控制系統(tǒng)在采集到短路電流信號(hào)時(shí)，將會(huì)馬上切斷焊接電流，同時(shí)焊槍處的前送絲機(jī)構(gòu)將會(huì)回抽焊絲，從而幫助熔滴過(guò)渡[3]到熔池，實(shí)現(xiàn)無(wú)電流下的熔滴過(guò)渡（圖二），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。

當(dāng)熔滴過(guò)渡瞬間，焊機(jī)會(huì)讓電流降至幾乎為零，當(dāng)熔滴通過(guò)焊絲回抽拉斷后，又回到正常的電壓和電流，整個(gè)焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)“熱-冷-熱”交替轉(zhuǎn)換。

3.1 CMT焊接的優(yōu)點(diǎn)：熱輸入量低，焊接變形小;焊接過(guò)程無(wú)飛濺;焊縫機(jī)械性能高，裂紋傾向小;間隙熔忍性好，對(duì)裝配要求低;焊接質(zhì)量可靠性高，質(zhì)量再現(xiàn)性好;焊絲回抽引弧，引弧無(wú)飛濺，引弧速度快，電弧穩(wěn)定，精確控制的電流輸入，使得焊縫成形均勻一致，特別適用于薄板甚至0.3mm超薄版的焊接。

3.2 CMT技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范圍

（1） 鋁及鋁合金、不銹鋼等材料薄板，或超薄板的焊接，解決了焊接變形和燒穿的問題。

（2） 電鍍鋅板和熱鍍鋅板的無(wú)飛濺焊接，減小了渡層的燒損。

（3） 鋼與鋁等異種金屬焊接。CMT 技術(shù)正是為解決鋼和鋁的異種金屬焊接問題而創(chuàng)新研發(fā)的。過(guò)去鋼和鋁的焊接采用激光或電子束焊，成本高昂?，F(xiàn)在采用CMT焊，質(zhì)量?jī)?yōu)良，成本大幅降低。

4 試驗(yàn)材料與設(shè)備

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)下料為L(zhǎng)F5、LY12-M的鋁合金，厚度分別為1mm、1.5mm、2mm。鋁合金試板尺寸為100mm×80mm，焊絲分別選用S15356、φ1.2鋁硅焊絲;S14043、φ1.2鋁銅焊絲。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要由TPS4000型CMT焊機(jī)、ABB IRB 1410型機(jī)器人系統(tǒng)等組成，保護(hù)氣體采用99.999%高純氬氣，流量為10～15L/min，弧長(zhǎng)修正系數(shù)為0%，焊縫為無(wú)坡口形式Ⅰ型。

5.結(jié)果與分析

5.1焊縫宏觀形貌

當(dāng)焊接速度為10mm/s、弧長(zhǎng)修正系數(shù)為0%、焊接電流變化范圍為30～90A時(shí)，分別對(duì)LF5、LY12-M厚度分別為1mm、1.5mm、2mm試板上進(jìn)行CMT焊試驗(yàn).不同厚度板材焊縫宏觀外形、熔寬、深寬比和焊縫背面形貌如（圖三）所示：

試件焊縫正反面成形美觀，焊縫無(wú)飛濺，熱影響區(qū)較小，熱輸入量低，焊接變形小，焊縫質(zhì)量高，焊后可以直接用手接觸試件。

5.2 X光射線檢測(cè)

MG320型X光機(jī)分別對(duì)LF5、LY12-M六種試件（各三件）焊縫按HB5375-87，Ⅲ級(jí)進(jìn)行X射線檢測(cè)，均符合Ⅲ級(jí)焊縫要求。

5.3拉伸試驗(yàn)

利用Ag-1250千牛電子拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)六種鋁合金試件（各三件）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，加載位移速度為3mm/min，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如（圖四）所示，抗拉強(qiáng)度LY12-M范圍為161～216MPa;LF5范圍為169～190MPa。

對(duì)1～18號(hào)試件拉伸，試件均從母材或焊縫熱影響區(qū)拉伸斷裂，斷裂部位多數(shù)發(fā)生在熱影響區(qū)的軟化區(qū)，斷裂后拉伸試樣的實(shí)物照片如（圖五）所示：

為了研究LF5、LY12鋁合金CMT焊焊接接頭拉伸試驗(yàn)的斷裂機(jī)制，對(duì)拉伸后的試樣斷口進(jìn)行微觀組織觀察，結(jié)果如（圖六）所示，由圖六可見，拉伸斷口存在很多大小不一的韌口，且韌口有深有淺，拉伸斷口形貌表現(xiàn)為塑性斷口。

5.4 焊縫硬度試驗(yàn)

利用HV-1000型維氏顯微硬度計(jì)對(duì)完成拉伸試驗(yàn)的LF5、LY12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(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如（圖七）所示，由圖九可見，LF5、LY12鋁合金母材區(qū)的硬度約為91～94HV，熱影響區(qū)硬度約為58～91HV，而焊縫區(qū)硬度約為62～71HV?？梢?，熱影響區(qū)硬度低于母材，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)受到焊接熱輸入的影響，使得該區(qū)發(fā)生了“時(shí)效”組織轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致其硬度降。

5.5 焊接工藝參數(shù)

因CMT焊采用熔滴短路過(guò)渡，可以焊接所有鋁合金和不銹鋼，即工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形與強(qiáng)度的影響，所以焊接時(shí)必須采用合理的焊接參數(shù)，只有參數(shù)選擇合格，才能使CMT焊接能順利施焊，達(dá)到理想的焊縫要求，體現(xiàn)薄板焊接的優(yōu)越性。經(jīng)過(guò)試件的施焊，工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形具有較大影響，隨著焊接電流的增加，焊縫熔寬、熔深隨之增大，隨著焊接速度的增加，焊縫熔寬、熔深隨之減小。

6 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)分析可以得到如下結(jié)論：

1） 確定了板厚1mm、1.5mm、2mm（LY12/LF5）鋁合金的最佳CMT焊接工藝參數(shù)可以避免傳統(tǒng)焊接方法生產(chǎn)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(qiáng)度。

2） 焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形具有較大影響隨著焊接電流的增加，焊縫熔寬、熔深隨之增大，隨著焊接速度的增加，焊縫熔寬、熔深隨之減少。

3） LF5、LY12鋁合金母材區(qū)的硬度約為91～94HV，熱影響區(qū)硬度約為58～91HV，而焊縫區(qū)硬度約為62～71HV。

4） 焊接接頭最高抗拉強(qiáng)度為190MPa，約為母材抗拉強(qiáng)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。

CMT焊的工藝研究，充分說(shuō)明了CMT焊對(duì)鋁及鋁合金（LY12/LF5）薄板材焊接的適應(yīng)范圍，CMT焊與TIG、MIG焊的區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)，CMT焊特別使用于鋁及鋁合金薄板的焊接，采用熔滴短路過(guò)渡既能保證焊接質(zhì)量，又能大大提高工廠生產(chǎn)加工效率，減小工人勞動(dòng)強(qiáng)度。達(dá)到設(shè)計(jì)要求目的，為后續(xù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)CMT自動(dòng)化焊接打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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