基于超聲清洗的CMT焊縫質(zhì)量分析

楊 帥, 邢彥鋒, 劉文杰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 上海 201620)

鋁合金作為一種輕型結(jié)構(gòu)材料具有自重輕、耐腐蝕和易加工等優(yōu)異性能[1-2],廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、船舶和化工等領(lǐng)域.冷金屬過渡(Cold Metal Transition,CMT)技術(shù)由于具有電弧穩(wěn)定、焊接過程中熱輸入量小、起弧無飛濺、弧長控制精確等優(yōu)點,在各種行業(yè)中應(yīng)用的越來越廣泛.在車身鋁合金焊接過程中,氧化膜的存在會影響焊接性能,如何處理表面氧化膜,提升鋁合金的焊接性能變得至關(guān)重要.

目前,涉及CMT焊接焊縫中鋁合金表面氧化膜的研究相對較少.有關(guān)研究中,李艷等[3-4]使用X線衍射法和金相法,對1420合金板材在氬弧焊中的氣孔來源進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)接頭處的氧化膜是焊縫中形成氣孔的主要原因.李俐群等[5]使用激光自熔焊研究不同焊接速度和送絲方式對焊接氣孔的影響,發(fā)現(xiàn)在低速焊接和后送絲方式的焊縫中會存在大量氣孔.Yonekura等[6]對超聲波輔助無鉛焊料與玻璃釬焊的機(jī)理進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)運(yùn)用超聲波輔助釬焊時釬料在玻璃表面具有很好的潤濕性,但如果超聲波沒有參與到焊接過程中,熔化的釬料則不能很好的粘附于玻璃表面.Zhu等[7]通過導(dǎo)電原子力顯微鏡(CAFM)技術(shù)明確了氯化物釬焊熔劑中各組分在去除氧化膜過程中的作用,展示了氧化膜去除的機(jī)理,發(fā)現(xiàn)F離子滲透進(jìn)入到Al2O3晶格的間隙位置會引起晶格畸變,導(dǎo)致氧化膜與基底鋁之間的局部裂解;Zn離子在膜下產(chǎn)生Zn沉淀,破壞了氧化膜與鋁基板之間的結(jié)合;證明了氯化物釬焊活性劑中對去除氧化膜起作用的主要是F離子和Zn離子.Yu等[8]使用Sn-Ag-Ti釬料通過超聲波振動輔助鋁和石墨的焊接,產(chǎn)生了穩(wěn)定焊接接頭,并證明了超聲波振動輔助焊接可以去除金屬和釬料本身的表面氧化膜,改善液態(tài)釬料的潤濕性和延展性.Farzia等[9]將光纖傳感器和直流電化學(xué)方式相結(jié)合,在陽極氧化的過程中實時監(jiān)測氧化膜厚度,為測試氧化膜提供了新的方向.王力鋒等[10]根據(jù)氣孔率分析焊縫氣孔產(chǎn)生的原因,并研究激光—電弧復(fù)合焊接中熔池流動對焊接氣孔的影響,最終發(fā)現(xiàn)氣孔率與焊接能量有直接聯(lián)系,適當(dāng)控制焊接能量可以減小焊接氣孔.

關(guān)于焊接中鋁合金表面氧化膜的研究,目前主要集中在小型釬焊和傳統(tǒng)弧焊的領(lǐng)域,而對使用超聲清洗處理再進(jìn)行CMT焊接的研究較少.為提高CMT焊接質(zhì)量,本文對鋁合金薄板件使用超聲水洗和超聲鹽酸清洗兩種工藝進(jìn)行處理,并對清洗工藝進(jìn)行了研究.

1 超聲清洗及焊接試驗

試驗材料為汽車車身所用的鋁合金板件,型號為AA6061-T6,尺寸為150 mm×150 mm×2 mm,焊接布置方式為搭接焊.試驗所用焊機(jī)為Fronius 4000,超聲清洗機(jī)為DK-3610D,如圖1所示.焊絲材料為4043鋁硅,焊絲直徑為1.2 mm,采用CMT焊接方法,焊接參數(shù)見表1.每組焊接試驗前,分別用超聲波+鹽酸/超聲波+自來水的方式對含有氧化膜的鋁板在50～60 ℃溫度下進(jìn)行清洗,研究超聲鹽酸清洗法對焊縫質(zhì)量的影響.焊接采用平焊的焊接方式.

圖1 超聲清洗及焊接設(shè)備Fig.1 Ultrasonic cleaning and welding equipment

表1 焊接參數(shù)Table 1 Welding parameters

無清洗板件表面含有油污、顆粒等不可控因素,所以對無清洗板件進(jìn)行4組焊接試驗,不同工藝超聲清洗后的板件分別進(jìn)行2組焊接試驗,具體參數(shù)和樣品編號見表2.對焊后樣本進(jìn)行切割、鑲嵌、拋光處理,使用凱勒試劑對焊接截面進(jìn)行腐蝕,最后使用徠卡金相顯微鏡DM4M對熔深、熔寬進(jìn)行分析.根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010制定靜拉伸試樣,在型號為MJDW-200B的萬能試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗,拉伸試樣如圖2所示.

表2 試驗方案Table 2 Experimental scheme

圖2 試樣尺寸示意圖Fig.2 Sample size diagram

2 超聲清洗焊接結(jié)果與分析

2.1 超聲清洗效果分析

使用掃描電子顯微鏡(SEM)對試驗樣品進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)超聲鹽酸清洗使鋁合金表面形貌發(fā)生了變化.不同處理狀態(tài)的試樣表面微觀形貌如圖3所示.從圖3(a)可以看出,沒有清洗的鋁合金表面存在劃痕和污漬.不同處理方式的表面形貌如圖3(b)所示,從圖3(b)可以看出無清洗板件的表面存在油污且顏色暗黃,使用鹽酸對板件表面進(jìn)行腐蝕,鹽酸腐蝕后的表面出現(xiàn)白色顆粒狀的物質(zhì),顏色較暗且粗糙度也更大,使用凱勒試劑對鋁合金板件進(jìn)行腐蝕,表面出現(xiàn)氣泡,酒精沖洗后表面出現(xiàn)白色的膜狀物質(zhì),且膜狀物質(zhì)基本覆蓋了整個試件.經(jīng)過超聲鹽酸清洗處理后表面較為潔凈,表面同時出現(xiàn)泛白的膜狀物質(zhì),并出現(xiàn)更白的雪花狀花紋,這表明稀釋鹽酸與超聲空化效應(yīng)相結(jié)合共同對表面處理發(fā)揮了作用.

圖3 不同處理方式試樣的表面狀態(tài)Fig.3 Surface states of samples treated in different ways

在500倍顯微鏡下,發(fā)現(xiàn)未清洗的鋁合金氧化膜表面存在大量的劃痕及凹陷,如圖3(a)所示,這是由于試驗原材料的表面工藝導(dǎo)致表面缺陷.放大10 000倍后,可以在鋁合金氧化膜表面觀察到長約50 μm大小的雜質(zhì)顆粒,這種缺陷有可能影響焊接熔滴的潤濕性,進(jìn)而改變焊接熔深和熔寬.

經(jīng)過超聲清洗之后,板件表面存在微量的氯(Cl)元素,如圖3(c)所示,這表明鹽酸的反應(yīng)可以在超聲處理中正常發(fā)生.由于稀釋鹽酸酸性較弱,與鋁合金表面氧化膜和鋁基質(zhì)反應(yīng)效果較差,鋁合金表面氧化膜輕微破裂,通過超聲加熱清洗的輔助作用可以使表面氧化膜破裂程度提高并清洗表面雜質(zhì),反應(yīng)式為

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2.2 焊縫成型及拉伸力學(xué)性能分析

熔深和清洗效果如圖4所示.焊縫熔深效果較為理想,均可以達(dá)到母材厚度的0.25.由焊縫成型系數(shù)φ=W/D(D為熔深,W為熔寬)可知,超聲鹽酸清洗的焊材φ值比非鹽酸清洗工藝下的φ值大,計算超聲鹽酸清洗兩種工藝下的φ均值和非鹽酸清洗兩種工藝下的φ均值可知,超聲鹽酸清洗的均值比非鹽酸清洗的均值大67.8%.超聲鹽酸清洗9 min時φ值最大,熔融焊材在母材表面的流動性提高,焊縫成型最好,且熔深、熔寬也較好.由此可知超聲鹽酸清洗可以優(yōu)化焊縫成型質(zhì)量.

圖4 焊接熔深Fig.4 Welding penetration

在相同試驗條件下分別對4種焊接試樣進(jìn)行拉伸試驗,試驗結(jié)果對比如圖5所示.由試驗結(jié)果可知,焊接后熔合的焊縫材料為金屬混合物,具有非線性材料的特性.對比超聲水洗和無清洗的試驗數(shù)據(jù)可知,超聲鹽酸清洗5 min對焊接拉伸性能影響較小,載荷為6.827 kN.超聲水洗9 min所承受的載荷為5.388 kN,為所有試驗條件中的最小值.由此可知超聲鹽酸清洗可以在一定程度上優(yōu)化焊接拉伸性能.

圖5 試樣拉伸力學(xué)分析Fig.5 Tensile analysis of samples

2.3 焊接熔深和氣孔分析

由于焊縫的不均勻性,單一測點的截面熔深很難體現(xiàn)焊縫不同位置的熔深情況[11-12].為評估焊縫總體熔深,沿著焊縫中間位置進(jìn)行縱向剖切,如圖6所示.隨機(jī)選取間距為10 mm的13個測點,測量各個測點處的熔深.

圖6 多測點清洗效果Fig.6 Multi-point cleaning effect

不同清洗時間縱向測點熔深對比如圖7所示.圖中出現(xiàn)熔深為0的測點,是由于切割位置誤差導(dǎo)致.相對橫向切割測得的熔深,在縱向不同測點處熔深波動較大,一定程度上證明了焊縫的不均勻性.無清洗的樣品縱向測點的熔深主要集中在0.3～1.1 mm;超聲水洗9 min樣品的縱向測點熔深差距較大,主要分布在0.5～1.0 mm;超聲鹽酸清洗5 min樣品縱向測點熔深主要集中在0.6～0.8 mm;超聲鹽酸清洗9 min樣品縱向測點熔深主要集中在0.4～0.7 mm;超聲鹽酸清洗5和9 min后樣品縱向測點熔深有明顯改善,測點之間的熔深波動較小,焊縫均勻性較好.

圖7 縱向測點熔深對比Fig.7 Penetration comparison of longitudinal measuring points

不同清洗條件下測得的氣孔數(shù)量和氣孔尺寸對比如圖8和圖9所示.由圖可見,無清洗處理的試樣焊接后氣孔較多,氣孔尺寸較大.由孔徑變化可知,超聲清洗處理后的氣孔數(shù)目和大小均有所改善.長為15 cm的無清洗焊接試樣,焊接后的氣孔數(shù)在5～9個,平均每條焊縫中的氣孔數(shù)為7個.超聲水洗9 min的樣品,氣孔數(shù)量相比未清洗試樣明顯減少,平均氣孔數(shù)為2.5個,超聲鹽酸清洗5和9 min的樣品氣孔數(shù)量差異不太明顯,平均氣孔數(shù)也維持在2.5個,但超聲鹽酸清洗5 min時出現(xiàn)氣孔數(shù)為0的情況,這是因為鋁合金由于其金屬活潑性,容易產(chǎn)生氧化膜,經(jīng)過超聲鹽酸清洗后的焊接試樣,雖然氣孔數(shù)量有所減少,但產(chǎn)生的氣孔數(shù)量仍會有一定的波動.

圖8 氣孔數(shù)量對比圖Fig.8 Comparison of pores number

分析氣孔尺寸中位數(shù)(圖9中黑色虛線)可知,超聲清洗可以降低焊縫中氣孔尺寸的大小,無清洗的焊接試樣中氣孔較大,最大尺寸為2.67 mm,最小為0.361 mm,嚴(yán)重影響了焊接質(zhì)量.超聲鹽酸清洗5和9 min的樣品氣孔尺寸變化較小.

圖9 氣孔尺寸對比Fig.9 Comparison of pores size

3 結(jié) 語

對鋁合金板件進(jìn)行超聲清洗,研究超聲清洗工藝對焊縫質(zhì)量的影響.研究結(jié)果表明使用超聲工藝清洗鋁合金可以使焊縫熔深達(dá)到母材的0.25;超聲鹽酸清洗后的焊縫成型系數(shù)均值比非鹽酸清洗的均值大67.8%;超聲鹽酸清洗5 min時焊縫拉伸性能較好,熔深、熔寬,焊縫均勻性較好;超聲清洗還可以減少氣孔數(shù)量和氣孔尺寸.

使用超聲鹽酸清洗可以利用超聲的空化作用,使得鋁合金表面的氧化膜發(fā)生破裂,并通過鹽酸反應(yīng)達(dá)到破壞氧化膜和清洗試件表面雜質(zhì)的效果,減小了焊接時氧化膜以及表面雜質(zhì)對焊接的影響,提高了焊縫的熔深熔寬.經(jīng)過超聲清洗的試樣,表面的氧化膜得到高效清理,從而減小了焊接時熔池中由于氧化膜而形成的氣泡,進(jìn)而減小了焊縫的氣孔數(shù)量和氣孔尺寸.