基于CMT 的車用鎂鋁薄板件點(diǎn)焊變形研究

王丹，卞海玲，殷光耀

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

0 引言

隨著能源問題和環(huán)境問題的發(fā)展，汽車輕量化成為汽車車身制造的重點(diǎn)研究方向，關(guān)系著節(jié)能減排的成效。輕質(zhì)金屬在汽車車身的應(yīng)用也越來越多，其中鋁合金和鎂合金因其自身良好的材料強(qiáng)度、剛度、耐蝕、耐磨、耐沖擊和較小的質(zhì)量在汽車制造中也越來越多被應(yīng)用[1]。有關(guān)鎂鋁合金材料之間的連接研究中，朱波[2]等將鎂鋁共晶合金粉末置于鎂合金和純鋁之間，采用熱壓法實(shí)現(xiàn)了兩者的復(fù)合連接；劉政軍[3]等則通過添加Ag 中間層來實(shí)現(xiàn)鎂合金與純鋁熱壓復(fù)合連接。前兩者僅針對(duì)鎂合金和純鋁的連接，而且中間層的成本和制備工藝不適合工業(yè)生產(chǎn)。王志[4]等利用釬焊實(shí)現(xiàn)了鎂合金與鋁合金的高強(qiáng)度連接；Liu[5]等利用添加鋅中間層實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金的攪拌摩擦焊連接；王志敏[6]等結(jié)合激光焊和熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Melt Inert-gas welding，MIG），采用復(fù)合焊工藝連接鋁合金和鎂合金；Wang H Y[7]等則僅通過激光焊接技術(shù)，添加鍍鋅鐵中間層來阻止了鎂鋁之間的擴(kuò)散，避免鎂鋁金屬間化合物的形成，從而實(shí)現(xiàn)鎂合金和鋁合金的連接。

冷金屬過渡（Cold Metal Transfer，CMT）焊接技術(shù)作為一種新型焊接技術(shù)，雖實(shí)質(zhì)上是一種熔釬焊，但因其無焊渣飛濺、熱輸入小而被廣泛應(yīng)用于異種金屬連接。Cao R[8]等利用CMT 焊接技術(shù)做了鎂合金和鋁合金的連接試驗(yàn)。焊接技術(shù)除了連接研究還有變形研究，陳強(qiáng)[9]等做了關(guān)于柔性薄板件的偏差分析研究。雖然鎂合金和鋁合金連接方法有許多學(xué)者做了大量研究，基于CMT焊接技術(shù)的鋁鋼焊接變形做了許多研究[10-13]，但基于CMT 的鎂鋁合金的焊接變形研究卻很少。Huang Hui[14]等也僅針對(duì)鎂合金的超聲焊接變形做了研究。

本文在基于CMT 焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)鎂鋁薄板件進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)，通過有限元仿真分析，將兩者的焊接變形量結(jié)果作對(duì)比，驗(yàn)證所建立有限元仿真模型的準(zhǔn)確性，并分析不同時(shí)間下鎂鋁連接件的應(yīng)力分布情況，在此基礎(chǔ)上研究鎂合金薄板件在不同的開孔直徑和板厚條件下其與鋁合金薄板件的焊接變形規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用試件為鎂合金和鋁合金板，材料的牌號(hào)與尺寸見表1。點(diǎn)焊搭接方式如圖1 所示，采用鎂上鋁下的搭接方式,并在鎂合金板上開孔，開孔中心在搭接中心處。

表1 試件牌號(hào)及尺寸Tab.1 Specimen grades and dimensions

圖1 試件搭接示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen lap

在焊接前，還需要對(duì)試件進(jìn)行預(yù)處理。由于鎂合金和鋁合金表面有一層致密的氧化膜，會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響，所以要使用磨光機(jī)對(duì)試件表面進(jìn)行打磨，并用丙酮和脫脂棉擦洗打磨表面，直至脫脂棉始終保持清潔為止。

1.2 焊接方法與工藝參數(shù)

試件預(yù)處理完成后，即可夾持在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行焊接。試驗(yàn)采用的CMT 焊機(jī)為Fronius 公司的TPS4000CMT 焊機(jī)。由于邊緣塞焊這種焊接方式可以使焊接熱輸入更加均勻，減少焊點(diǎn)處金屬氧化物的生成，穩(wěn)定性更好[15]，邊緣塞焊即焊槍槍頭垂直繞開孔邊緣運(yùn)動(dòng)，焊接示意圖如圖2 所示，之所以從圓孔的3/4 處即往圓心處收弧，是因?yàn)槿艉笜屵\(yùn)動(dòng)到起始點(diǎn)時(shí)再收弧會(huì)造成起始點(diǎn)處熱量過高，影響接頭質(zhì)量，利用焊絲熔化的流動(dòng)性可填補(bǔ)焊槍未經(jīng)過的區(qū)域，且可以減少焊接區(qū)的熱量輸入。故本次試驗(yàn)也采用圖2 邊緣塞焊的焊接方式。

圖2 邊緣塞焊示意圖Fig.2 Schematic diagram of edge plug welding

圖3 為CMT 焊機(jī)實(shí)物圖。確定焊接方式后，焊絲選用直徑為1.2 mm 的ER4047(AlSi5)焊絲，保護(hù)氬氣流量設(shè)置為20 L/min，預(yù)通氣和結(jié)束持續(xù)通氣時(shí)間均為3 s，氬氣為惰性氣體，在焊接前、焊接過程中和焊接結(jié)束后從焊槍槍頭處持續(xù)噴出，可最大限度地避免焊接區(qū)氧氣進(jìn)入與試件生成金屬氧化物，增強(qiáng)接頭質(zhì)量。通過預(yù)試驗(yàn)方式試參，最終的焊接參數(shù)設(shè)置為送絲速度5 m/min，焊接速度1.5 m/min，弧長修正10%。

圖3 CMT 焊機(jī)Fig.3 CMT welding machine

1.3 焊接變形

根據(jù)圖1 可知，焊接是沿著鎂板上直徑為8 mm 的開孔邊緣進(jìn)行焊接。雖然使用CMT 焊接可以減少焊接熱量輸入，但是焊接后仍然會(huì)產(chǎn)生很高的熱量輸入。焊接件如圖4 所示。在這種急劇的熱量輸入下，在焊接區(qū)金屬因受熱產(chǎn)生壓縮塑性變形，焊接完成后，焊接區(qū)在冷卻過程中受到周圍較低溫度金屬組織拉扯，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，試件會(huì)發(fā)生變形。變形量雖然很微小，但這種微小變形在實(shí)際生產(chǎn)中大面積使用焊接時(shí)會(huì)造成較大的裝配偏差。

圖4 焊接件Fig.4 Weld assembly

為準(zhǔn)確測量試件焊接后的變形情況，利用圖3 所示的工業(yè)相機(jī)的雙目視覺測量法進(jìn)行變形測量。雙目視覺測量是通過2 臺(tái)一樣的工業(yè)相機(jī)像人的眼睛一樣布置在焊槍兩邊，去拍攝同一目標(biāo)物，對(duì)兩張拍攝圖像進(jìn)行視差計(jì)算，從而得到試件的焊接變形量。該方法可以避免測量工具與試件直接接觸造成的形變誤差，提高測量的準(zhǔn)確性。經(jīng)過測量，焊接變形量最大處在焊接小孔處，測得的變形量為0.132 mm。

2 有限元仿真

2.1 模型建立

為減少試驗(yàn)次數(shù)和成本，采用有限元仿真方式進(jìn)行焊接變形研究，建立基于ANSYS 的有限元模型。模型按照圖1 實(shí)際試驗(yàn)試件的尺寸建立，模型單元類型選用Solid90，單元數(shù)為62 022，節(jié)點(diǎn)數(shù)為97 342。在確保精確度的前提下節(jié)省計(jì)算時(shí)間，小孔區(qū)域以及小孔周圍網(wǎng)格細(xì)化，遠(yuǎn)離小孔處網(wǎng)格粗略劃分，劃分后的模型如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格劃分模型Fig.5 Meshing model

值得注意的是，雖然采用點(diǎn)焊的焊接方式，但焊槍不是固定于一點(diǎn)處進(jìn)行焊接，而是繞小孔邊緣運(yùn)動(dòng)，將熔化的焊絲填滿小孔內(nèi)。焊接有限元仿真最重要的要素是熱源模型的選擇，熱源模型直接影響溫度場仿真分析的結(jié)果。針對(duì)焊接熱源熱集中、瞬時(shí)性和移動(dòng)性的特點(diǎn)，首先設(shè)計(jì)小孔為9 個(gè)相同形狀的扇形體和1 個(gè)圓柱體的組合（如圖6 所示），然后運(yùn)用生死單元技術(shù)，“殺死”“激活”這10 個(gè)部分的單元來模擬電弧的生成與熄滅。最后，實(shí)現(xiàn)熱源沿著小孔的扇形體勻速移動(dòng)，在中心處停止。

圖6 小孔形狀劃分示意圖Fig.6 Small hole shape division diagram

2.2 仿真結(jié)果及分析

在建立好仿真模型后，即可通過施加約束模擬夾具進(jìn)行應(yīng)力場的非線性求解。圖7 給出了最終的變形分布云圖。仿真得到的變形量為0.124 mm，與試驗(yàn)所測變形量在誤差允許范圍內(nèi)，故使用仿真模型替代試驗(yàn)。

圖7 焊接變形分布云圖Fig.7 Distribution nephogram of weld deformation

由于在焊接初始階段僅在熔滴滴落處有熱量輸入，所以小孔處發(fā)生形變，而熔滴外區(qū)域熱量輸入影響較小。隨著焊接過程的進(jìn)行，熱量的不斷輸入，上板鎂合金發(fā)生明顯的變形，然后逐漸沿徑向向外擴(kuò)散，同時(shí)下板鋁合金也發(fā)生變形。在焊接過程中，熔化的焊絲與鎂板和鋁板反應(yīng)生成金屬化合物形成焊核，以達(dá)到連接上下板重疊區(qū)域的目的。鎂板的線膨脹系數(shù)要大于鋁板，且熱傳導(dǎo)系數(shù)低于鋁板，所以焊接變形主要集中在鎂板上。另外，焊核冷卻后稱為焊點(diǎn)，焊點(diǎn)周圍會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力使得鎂板發(fā)生變形。

仿真整體用時(shí)101.67 s，其中焊接用時(shí)為1.67 s，冷卻用時(shí)100 s。整個(gè)仿真過程中，應(yīng)力在板材上的分布從不集中到集中。圖8 給出了不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖。如圖8 所示，在焊接未開始時(shí)，應(yīng)力主要集中在夾持點(diǎn)向搭接區(qū)延伸方向上。如前所述，在焊接的初始階段，熔滴主要作用在鎂板上，由于熔滴的流動(dòng)性，熔滴在開孔處展開，與下面的鋁板接觸。隨著時(shí)間推移，在開孔處形成熔池，鎂鋁接觸區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)塑性應(yīng)變區(qū)，此時(shí)高溫處形成一個(gè)稱之為“塑性環(huán)”的包圍區(qū)。如圖8 所示，“塑性環(huán)”可防止焊接區(qū)有較大的液體飛濺產(chǎn)生。從圖中可以看出，隨著焊接的進(jìn)行，應(yīng)力逐漸從開孔中心處向周圍擴(kuò)展，這是因?yàn)闊崃康膫鬟f使得板材都受到應(yīng)力作用。但是隨著焊接的結(jié)束，冷卻的開始，距離焊核較遠(yuǎn)的區(qū)域受到的應(yīng)力會(huì)逐漸減小。

圖8 焊接過程應(yīng)力分布云圖Fig.8 Stress distribution nephogram during welding

圖9 給出了冷卻階段的應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看到，相比于焊接結(jié)束后的應(yīng)力分布，冷卻完后的應(yīng)力分布會(huì)逐漸集中于焊點(diǎn)處，最大應(yīng)力為156 MPa。在夾持點(diǎn)處也存在殘余應(yīng)力，且鎂板夾持點(diǎn)處的殘余應(yīng)力面積區(qū)域要大于鋁板夾持點(diǎn)處的殘余應(yīng)力面積區(qū)域。

圖9 冷卻階段應(yīng)力分布云圖Fig.9 Stress distribution nephogram during cooling stage

3 孔徑和板厚對(duì)焊接變形的影響

經(jīng)過試驗(yàn)和仿真的結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，確保了仿真模型的準(zhǔn)確性，現(xiàn)利用仿真模型研究鎂板開孔的孔徑和板厚大小對(duì)焊接變形的影響規(guī)律。

首先在保持模型尺寸、邊界條件不變的前提下，僅改變孔徑大小，分別為6，8，10 mm，探究連接板件的變化情況。經(jīng)過仿真后所得結(jié)果如表2 所示。

表2 不同孔徑的焊接變形量Tab.2 Welding deformation of different apertures

從表2 可以看到，隨著孔徑的增加，變形量呈下降趨勢。這是由于隨著孔徑的增大，在一定程度上可以增大焊點(diǎn)面積和熱量分布范圍，使得焊點(diǎn)處的變形量受溫度的影響減小。所以可以在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)增加孔徑來減小焊接的變形量，但無休止地增大孔徑來達(dá)到降低變形量的目的是無法獲得質(zhì)量較好的接頭。這是因?yàn)榭讖竭^大時(shí)，相同焊接時(shí)間下的焊絲熔化量不變，導(dǎo)致熔化后的焊絲不能充分填充小孔。

固定模型其他條件不變，研究鎂板板厚對(duì)焊接變形的影響，分別設(shè)置板厚為1，2，3 mm。仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 不同板厚的焊接變形量Tab.3 Welding deformation of different plate thickness

從表3 可以看到，隨著板厚的增加，變形量呈下降趨勢。這是由于板材越薄，其受塑性應(yīng)變的影響越大，越容易發(fā)生形變。為保證焊接的整體裝配誤差在允許范圍內(nèi)，需要考慮滿足剛度要求下板厚和孔徑的配合。

4 結(jié)論

本文通過有限元模擬的方式對(duì)鎂鋁異種金屬CMT 點(diǎn)焊連接進(jìn)行仿真，分別從鎂板開孔孔徑大小和厚度對(duì)焊接變形的影響進(jìn)行了研究，并預(yù)先通過試驗(yàn)的方式為仿真結(jié)果做參照，保證了仿真模型的準(zhǔn)確性。通過分析可知：

（1）鎂鋁點(diǎn)焊的變形主要發(fā)生在鎂板側(cè)，最大變形量發(fā)生在開孔位置徑向上。

（2）鎂鋁CMT 點(diǎn)焊過程中，應(yīng)力主要集中在開孔處并向四周擴(kuò)展，且隨著距離的增大呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。焊接冷卻結(jié)束后的最大應(yīng)力達(dá)到156 MPa，夾持點(diǎn)處亦存在殘余應(yīng)力。

（3）在鎂板開孔孔徑和板厚的合適范圍內(nèi)，焊接試件的變形量隨孔徑和板厚的增大而減小。