6061鋁合金CMT與MIG焊接頭組織及性能研究

董 穎，于建明，康 銘，鄧 鑫，楊振東

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

近年來，隨著全球工業(yè)化的不斷發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺問題日益突出。在充分滿足使用要求的前提下，如果能夠大量采用輕金屬替代鋼鐵等密度較大的金屬材料，就可使結構輕量化。鋁合金因其質量輕、強度高以及優(yōu)良的加工性能被廣泛應用于航空航天、交通運輸和建筑等領域[1-3]。6061 屬于Al-Mg-Si 系可熱處理強化型鋁合金，因其具有中等強度、可成型性、可焊性、耐蝕性良好等優(yōu)點廣泛應用于具有一定強度要求且抗蝕性高的各種工業(yè)構件，如新能源汽車、城鐵客車、塔式建筑或固定裝置等[4-5]。

鋁合金焊接技術主要包括熔化極惰性氣體保護焊（MIG）、激光焊、攪拌摩擦焊等[6]。由于可熱處理強化鋁合金在熔焊時產生的較大熱輸入會導致接頭的熱影響區(qū)產生強度損失，從而降低接頭質量，因此合理控制熱輸入量在一定程度上會改善接頭質量。CMT（冷金屬過渡技術）在焊接時采用抽拉絲的方式控制熱輸入，熔滴在熄弧狀態(tài)下過渡到焊縫，從而降低了焊接熱輸入量。本文選用MIG焊和CMT焊對2 mm厚的6061鋁合金進行對比性工藝研究，對兩種焊接接頭的表面成形、力學性能、接頭微觀組織進行了對比分析。

1 試驗材料及方法

試驗母材為6061-T6可熱處理強化鋁合金，尺寸為300 mm×150 mm×2 mm。填充材料為ER5356，焊絲直徑為1.2 mm。保護氣體為Ar，純度＞99.99%，母材和焊絲化學成分如表1所示，母材力學性能如表2所示。焊縫采用對接不開坡口形式，焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰塵等，用氣動鋼絲刷打磨焊縫及其兩側25 mm區(qū)域內氧化膜直至露出金屬光澤，并用酒精對待焊部位進行清理。裝配壓緊后，在焊前再次使用酒精清洗焊接部位。

表1 6061鋁合金和ER5356焊絲化學成分（質量分數/%）

表2 6061鋁合金母材力學性能

試驗采用Fronius CMT 5 000 焊機及KUKA KR90 機器人等設備進行焊接。CMT 焊接工藝中的送絲速度與焊接電流及電壓為一元化調節(jié)方式，即通過選擇送絲速度來設置焊接電流和電弧電壓，電弧狀態(tài)可以通過弧長修正進行調節(jié)[7]。焊接工藝參數如表2所示。

表3 焊接工藝參數

2 試驗結果與分析

2.1 焊縫成形情況

圖1 所示分別為CMT、MIG 焊縫外觀形貌，圖2為二者的宏觀形貌。從圖1中可看出CMT焊接接頭表面光滑，MIG 焊縫表面存在均勻的魚鱗紋。從試驗結果可知，在合理的焊接工藝下兩種焊接方法均取得了較好的表面成形，未發(fā)現宏觀裂紋、氣孔等缺陷，焊接接頭內部質量良好。

圖1 焊縫外觀形貌

圖2 焊縫宏觀形貌

2.2 拉伸性能分析

對拉伸試樣的焊接接頭進行橫向拉伸破壞性試驗，其結果見表4。由表中數據可知，試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū)，CMT、MIG焊接接頭的平均抗拉強分別為205.671 MPa和195.710 MPa，分別達到實際母材抗拉強度的74%和72%。

CMT 焊接試件的抗拉強度略高于MIG 焊接試件，這可能是CMT 特有的冷技術過渡技術造成的。在焊接過程中的熔滴過渡時，電弧呈熄滅狀態(tài)，熔滴短路過渡，有效地減少了對焊縫的熱輸入，進而形成不同性能的焊縫熱影響區(qū)。

表4 接頭拉伸試驗結果

2.3 彎曲性能分析

對焊接接頭進行彎曲測試，其結果如表5和圖3所示。結果表明：6061-T6鋁合金CMT焊接和MIG焊接接頭彎曲性能良好，彎曲試驗合格。

表5 彎曲試驗結果

圖3 焊接接頭彎曲式樣

2.4 焊接接頭金相組織

接頭焊縫區(qū)及熔合區(qū)的微觀組織如圖4 和圖5所示。由圖可見，在兩種焊接方法的焊縫區(qū)中，多元低熔點共晶組織呈網狀分布在枝晶間[8]。相對于MIG 焊來說，CMT 焊縫枝晶網更小，晶粒分布均勻。熔合區(qū)附近的母材處于熔化和半熔化狀態(tài)，伸向焊縫金屬內的枝晶生長緩慢，呈柱狀，且釋放出來的凝固熱量都向熱影響區(qū)的固相方向散去。兩種焊接方法下的晶粒均發(fā)生長大，MIG焊接（圖4（b））相對于CMT 焊（圖4（a））晶粒尺寸略大，并且在晶界上有明顯的第二相析出。CMT焊縫組織更為細小，低熔點共晶引起的晶界粗化特征較小，因此CMT焊縫具有相對較高的力學性能。

圖4 焊接接頭焊縫區(qū)顯微組織

圖5 焊接接頭熔合區(qū)顯微組織

3 結論

（1）6061-T6 鋁合金通過CMT 和MIG 焊均能得到較好的焊縫成形，且焊縫金屬表面均勻、無缺陷。

（2）CMT 和MIG 焊接接頭的平均抗拉強分別為205.671 MPa和195.710 MPa，試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū)，CMT焊接接頭的抗拉強度略好于MIG焊接接頭。

（3）焊縫區(qū)存在明顯的等軸樹枝晶，熔合線靠近焊縫一側為粗大的柱狀晶，靠近母材一側晶粒長大，CMT焊縫組織更為細小。