5754鋁合金/鍍鋅鋼CMT焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能的研究

徐德進(jìn) 馮菲玥 李芳 陳云霞

摘要：分別選用ER4043焊絲和ER4047焊絲，采用CMT焊對(duì)AA5754鋁合金板和DC56+Z50鍍鋅鋼板異種材料進(jìn)行焊接，通過拉伸、彎曲、疲勞以及金相分析等試驗(yàn)對(duì)鋁/鋼焊接接頭力學(xué)性能與顯微組織進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在CMT電流模式下，采用ER4043焊絲和ER4047焊絲均能得到成形良好的焊接件。拉伸斷裂在鋁側(cè)焊縫，同時(shí)生成的金屬化合物層厚小于10 μm，主要是Fe2Al5和FeAl3。焊接電流為60 A，采用ER4043焊絲的焊接接頭抗拉性能較為理想，在焊縫處均沒有出現(xiàn)裂紋，鋁/鋼搭接接頭的斷裂位置在鋁側(cè)焊縫處，但是接頭疲勞性能存在較大的波動(dòng)，接頭的疲勞壽命達(dá)到107次時(shí)加載應(yīng)力僅為63 MPa。

關(guān)鍵詞：冷金屬過渡焊;鋁合金;鍍鋅板;微觀組織;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG457.14 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）06-0081-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.15

0 ? ?前言

節(jié)能減排及環(huán)境保護(hù)的全球戰(zhàn)略對(duì)現(xiàn)代航空航天、軌道交通、海洋工程等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化提出了越來越高的要求，為了降低工程裝備的重量，同時(shí)保證工程裝備的安全性，鋼和鋁合金及其異質(zhì)材料的連接構(gòu)件得到了日益廣泛的應(yīng)用[1-4]。然而鋁/鋼在物理化學(xué)性能方面差異明顯，導(dǎo)熱率、線膨脹系數(shù)相差較大導(dǎo)致焊后接頭發(fā)生嚴(yán)重變形，存在很大的殘余應(yīng)力;鋼材熔點(diǎn)高，鋁合金熔點(diǎn)低，使得冷卻結(jié)晶后的焊縫成分分布不均勻，接頭性能降低;鐵在鋁中的固溶度幾乎為零，所以鐵鋁會(huì)產(chǎn)生多種硬脆相的金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC），如η相Fe2Al5和θ相FeAl3，其中Fe2Al5硬度約為1 050 HV，F(xiàn)eAl3硬度為900 HV[5];鋁合金和鋼在焊接過程中還容易出現(xiàn)氣孔、裂紋、未熔合等問題。因此其連接接頭的可靠性成為影響鋁/鋼連接件高品質(zhì)制造的關(guān)鍵問題。

冷金屬過渡焊（Cold Metal Transfer，CMT）技術(shù)是由Fronius公司在2002年研發(fā)出的一種無飛濺和焊渣且熱輸入量低的新型焊接技術(shù)。該技術(shù)基于短路過渡的熔化極氣體保護(hù)焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）技術(shù)，在熔滴短路時(shí)，焊絲發(fā)生回抽，幫助熔滴過渡到熔池中，減少了飛濺和焊渣的產(chǎn)生，同時(shí)短路的輸出電流趨近于零，因而具有較小的熱輸入量[6]。王志平[7]等使用CMT焊機(jī)對(duì)鍍鋅板/鋁進(jìn)行焊接，研究了鍍鋅板厚度對(duì)焊縫形狀、界面組織和接頭抗拉強(qiáng)度等的影響，通過控制鍍鋅板厚度，改善了CMT熔釬焊中存在的接頭缺陷，獲得了良好的接頭。

文中采用ER4043和ER4047兩種不同焊絲對(duì)5754鋁合金和DC56+Z50鍍鋅鋼板進(jìn)行CMT搭接熔焊，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)獲得了良好的鋁/鋼焊接接頭，并研究不同焊接電流對(duì)5754鋁合金和DC56+Z50鍍鋅鋼板焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用板厚2 mm的 AA5754車用鋁合金板和 DC56+Z50鍍鋅鋼板，焊絲分別選用直徑為1.2 mm的ER4043和ER4047，母材及焊絲主要化學(xué)成分與抗拉強(qiáng)度如表1、表2所示。

焊接設(shè)備選用Fronius公司Advanced 4000R 焊機(jī)、CMT VR7000 送絲系統(tǒng)和YASKAWA公司生產(chǎn)的 MOTOMAN焊接機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)車用鋁合金和鍍鋅板進(jìn)行搭接焊接。焊前使用丙酮清洗去除鋁合金板及鍍鋅鋼板表面污跡，再用機(jī)械方法去除鋁合金表面及側(cè)邊氧化膜。鋁/鋼CMT搭接焊接試驗(yàn)的工裝示意如圖1所示，其中鋁合金板被安放在鍍鋅鋼板上面，搭接量為10 mm。試驗(yàn)中焊槍與焊件的夾角為45°，垂直距離為10 mm。試驗(yàn)分別采用交流-深熔焊（AC-DP）、交流-熔焊（AC-P）、直流-熔焊（DC-P）和CMT焊四種模式。主要焊接試驗(yàn)參數(shù)為：焊接速度0.36 m/min，焊接電壓11.2 V，焊接電流50 A。保護(hù)氣體使用Ar+CO2，氣體流量20 L/min。

獲得不同焊接工藝下鋁/鋼搭接焊接接頭，為進(jìn)一步研究鋁/鋼界面組織及力學(xué)性能，焊后用線切割在焊件接頭上沿垂直焊縫方向分別切割出80 mm×12 mm的條形試樣，并保證焊縫處于試樣中部，切割制成室溫拉伸、彎曲、疲勞試樣，每組焊接參數(shù)取三根試樣，使用MTS810材料萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊后接頭進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試，拉伸試驗(yàn)參照GB_228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，拉伸速度為1 mm/min。疲勞試驗(yàn)過程中應(yīng)保證工件處于豎直狀態(tài)，當(dāng)采用橫軸加載時(shí)試樣只受到軸向拉應(yīng)力的作用。采用常規(guī)的金相試樣制備方法制備焊接接頭截面的金相試樣，選取Keller試劑對(duì)打磨拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為1 min。利用蔡司Imager A2金相顯微鏡和JSM-7600F掃描電子顯微鏡對(duì)鋁/鋼焊接接頭的微觀組織及斷口形貌進(jìn)行觀察和表征。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊接工藝性評(píng)估

ER4043焊絲和ER4047焊絲在4種不同電流模式下進(jìn)行系列焊接試驗(yàn)，焊后分別從焊縫表面色澤、飛濺、焊縫成形、可操作性4個(gè)方面對(duì)不同焊絲的焊接工藝性進(jìn)行評(píng)估。焊絲與對(duì)應(yīng)焊接方法的評(píng)估結(jié)果如表3所示。由表3可知，與AC-DP、AC-P、DC-P三種電流模式相比，CMT焊接飛濺最小、焊縫表面不發(fā)黑、沒有出現(xiàn)夾渣、氣孔、未熔合及裂紋等現(xiàn)象，焊縫成形好。

2.2 接頭微觀組織

在異質(zhì)合金接頭的結(jié)合界面上，出現(xiàn)薄且均勻的金屬間化合物層IMC則標(biāo)志著二者之間產(chǎn)生了良好的冶金結(jié)合，有利于提高焊接接頭力學(xué)性能[8]。鋁/鋼焊接接頭的力學(xué)性能與IMC層的成分、含量、分布形態(tài)及厚度密切相關(guān)，很多學(xué)者認(rèn)為應(yīng)將IMC層厚度控制在10 μm以內(nèi)[9-12]。采用ER4043焊絲和ER4047焊絲的CMT焊接接頭界面處的IMC層的組織形貌如圖2所示，兩種焊絲的IMC層厚度均小于10 μm，其中使用ER4043的IMC層厚度更小。文獻(xiàn)[13]提到，當(dāng)鋁/鋼焊接界面處生成的 IMC層呈非均勻分布，IMC層的狀態(tài)不再是平直，而表現(xiàn)為鋸齒狀分布時(shí)，形成的凹槽不僅增加了鋁/鋼的有效連接面積，更增強(qiáng)了機(jī)械咬合作用，從而提高了接頭的力學(xué)性能。由圖2可知，焊接接頭中Fe、Al在界面層處發(fā)生了擴(kuò)散。使用ER4047的IMC層分布較為平滑，相比之下，使用ER4043的IMC層分布顯然呈鋸齒狀分布，說明使用此焊絲制備的接頭力學(xué)性能更佳。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]可以得出，靠近鋼側(cè)處均為針狀Fe2Al5，靠近鋁側(cè)處為平板狀FeAl3。

鋁/鋼界面處的IMC層是由鐵鋁之間的擴(kuò)散-反應(yīng)機(jī)制控制的[11]，即鐵原子向鋁液態(tài)池中擴(kuò)散以及鋁原子向固相鋼中擴(kuò)散，二者相遇反應(yīng)生成鐵鋁金屬間化合物。J.L.Song等人[15]計(jì)算了Al-Fe-Si三元相在IMC界面層的形成焓，Al-Fe-Si三元相的形成焓低于Fe-Al二元相的形成焓，添加Si元素可以降低IMC層的形成焓，因此使用ER4043焊絲和ER4047焊絲均能獲得較小的IMC層厚度。但是隨著含硅量的增加，針狀η相Fe2Al5變化量不大，平板狀θ相FeAl3增加，IMC層厚度增加。

2.3 接頭拉伸性能及斷口分析

拉伸試驗(yàn)中，鋁/鋼CMT焊接接頭共有兩種形式斷裂出現(xiàn)，分別是鋁側(cè)焊縫和鋼母材斷裂。不同焊接電流下CMT焊接接頭界面處的IMC層組織形貌如圖3所示，其中電流為60 A的鋁/鋼界面處IMC層厚度僅為2.5 μm。

常溫拉伸試樣的斷裂位置如表4所示。其中電流為50 A時(shí)，斷裂位置是在鋁側(cè)焊縫，平均抗拉強(qiáng)度約為224 MPa：當(dāng)電流為60 A時(shí)，斷裂位置大部分在鋼母材，平均抗拉強(qiáng)度約為278 MPa;當(dāng)電流為70 A時(shí)，斷裂位置在鋼母材，平均拉力為2 755 N，對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度約為290 MPa，略大于鋼母材的抗拉強(qiáng)度（母材DC56+Z實(shí)測(cè)的抗拉強(qiáng)度為287 MPa）。后續(xù)對(duì)試樣進(jìn)行了低溫拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋁/鋼接頭的低溫拉伸與常溫拉伸的性能差異不大，抗拉強(qiáng)度和斷裂位置基本沒有差別。

拉伸斷口區(qū)域的微觀形貌如圖4所示。區(qū)域A是裂縫萌生區(qū)域，裂縫在焊縫根部萌生（應(yīng)力集中）。區(qū)域B為裂紋擴(kuò)展區(qū)（鋁焊縫側(cè)），從微觀上分析是沿樹枝晶的晶界及二次、三次枝晶的界面處開裂，屬沿晶斷裂，在裂縫萌生后以及拉伸應(yīng)力的作用下，裂縫擴(kuò)展。區(qū)域C為裂紋擴(kuò)展區(qū)（鋼側(cè)），從IMC界面發(fā)生脆性斷裂。區(qū)域D是拉伸試樣快速斷裂區(qū)（鋁焊縫側(cè)），此時(shí)均為韌性斷裂。

2.4 彎曲性能和疲勞性能

彎曲試驗(yàn)是評(píng)定焊接接頭質(zhì)量的常用方法，主要用來測(cè)試工作焊縫在彎曲載荷作用下的塑性變形能力。在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣橫截面的應(yīng)力、應(yīng)變分布是不均勻的，表面材料受到的應(yīng)力、應(yīng)變最大。因此，此測(cè)試的結(jié)果可以較靈敏地反映出材料的表面缺陷情況[16]。室溫彎曲試驗(yàn)在CM5105微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T2653-2008《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)—彎曲試驗(yàn)》進(jìn)行，根據(jù)ISO15614-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工作焊縫進(jìn)行2個(gè)面彎和2個(gè)背彎試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)參數(shù)如表5所示。

彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，采用CMT方法配ER4043焊絲制備的焊接接頭的彎曲性能較好，連續(xù)性和致密性都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)。無論面彎、背彎，鋁/鋼焊縫與基體的結(jié)合表現(xiàn)良好，接頭塑性較好，在焊縫處均沒有出現(xiàn)裂紋。

5754 鋁合金/DC56+Z50 鍍鋅鋼CMT 搭接焊接接頭的疲勞性能測(cè)試（GB/T 26077-2010 金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向應(yīng)變控制方法）結(jié)果如表6 所示，接頭的疲勞斷裂位置位于鋁側(cè)焊縫處?？煽闯觯宇^的疲勞壽命達(dá)到107次時(shí)加載應(yīng)力僅為63 MPa，是靜態(tài)拉伸（290 MPa）的22%。隨著應(yīng)力加載級(jí)別的增大，接頭的疲勞壽命逐漸降低，而且其下降幅度不斷增大。

3 結(jié)論

（1）通過5754鋁合金/DC56+Z50鍍鋅鋼的搭接接頭系列工藝試驗(yàn)，結(jié)果表明，CMT電流模式下獲得的接頭與AC-DP模式相比，焊接過程穩(wěn)定，無飛濺，焊縫成形美觀。

（2）常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，電流從50～70 A，鋁/鋼接頭的抗拉性能略有增加，60 A時(shí)較理想。

（3）鋁/鋼接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，采用ER4043焊絲CMT方法焊接制備的焊接接頭的彎曲性能較好，無論正彎、背彎，在焊縫出均沒有出現(xiàn)裂紋。

（4）鋁/鋼接頭的疲勞結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋁/鋼搭接接頭的斷裂位置在鋁側(cè)焊縫處。但是接頭疲勞性能存在較大的波動(dòng)，鋁/鋼搭接接頭達(dá)到107次時(shí)對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力為63 MPa。

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