汽車鋁合金薄板CMT和MIG對比焊接工藝研究

王 強，霍文濤，恒俊楠

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著國家大力推進節(jié)能減排，清潔能源的使用得到快速發(fā)展。但是由于電池等清潔能源續(xù)航里程的瓶頸，對汽車車身在保證安全的前提下減重勢在必行，鋁合金逐漸成為汽車零部件生產制造所必需的材料之一[1]。汽車輕量化勢在必行，全鋁車身應運而生。但由于鋁合金本身特點，導熱快，膨脹系數大，對薄板的焊接容易產生較大的焊接變形，降低焊接結構件的尺寸精度，鋁合金薄板焊接過程中的問題歸根結底就是焊接熱輸入量過大導致的。

冷金屬過渡焊接技術(CMT)是Fronius公司開發(fā)出的一種新型焊接工藝[2]，具有高熔敷效率，低熱輸入量和無飛濺等特點，其通過控制焊絲的回抽運動，幫助焊絲與熔滴分離，焊絲的機械式回抽運動就保證了熔滴的正常脫落，從而使得熔滴過渡實現(xiàn)無飛濺，又避免了較大的熱輸入量(圖1)。其最大的特點是總結了普通MIG焊接技術在薄板焊接中的缺陷，采用送絲運動和熔滴過渡相結合的方式，是一種“熱-冷-熱”連續(xù)交替的焊接過程，可以大大降低焊接時的熱輸入量，目前已經得到了廣泛應用[3,4]。

圖1 CMT焊機短路過渡原理圖Fig.1 CMT welder short circuit transition schematic diagram

目前已有不少關于CMT焊接技術的實際成果，主要包括鋼鋁異種金屬焊接、鋁合金薄板焊接，多數集中在薄板領域，對于應用到實際鋁合金汽車白車身較少，實際項目焊接過程較為復雜，焊接變形多變。本文結合焊接試驗對鋁合金薄板焊接進行研究和分析，驗證CMT焊接技術在實際項目中可以提高薄板焊接質量、控制焊接變形量，提高生產效率。

1 試驗及分析

1.1 CMT焊與普通MIG焊薄板搭接焊縫試驗

試驗材料為6005A-T6板材，為Al-Mg-Si系合金，厚度1mm。焊絲為ER5087，規(guī)格為Φ1.2mm，化學成分見表1，進行搭接焊縫的焊接試驗。

表1 鋁合金型材及焊絲化學成分(質量分數，%)Tab.1 Chemical composition of aluminum alloy profiles and welding wires(wt.%)

由圖2所示，搭接焊縫外觀可以明顯對比出，普通MIG焊焊接1mm薄板，由于焊接沖擊力及熱輸入量過大，導致焊縫扁平，同時出現(xiàn)燒穿、焊洇等嚴重缺陷；而CMT可以焊接出合格的焊縫外觀，且焊縫背部無焊洇現(xiàn)象，避免后續(xù)裝配干涉，無需打磨處理，節(jié)省工時，提高效率。

圖2 搭接焊縫外觀試驗Fig.2 Appearance test of lap weld

1.2 CMT和MIG對接焊縫焊接試驗

1.2.1 焊接準備及焊接試驗

焊接試驗采用汽車用板材5052-H11，其尺寸為300mm×100mm×2mm，焊絲為ER5087，規(guī)格為Φ1.2mm，采用I型坡口對接，化學成分見表2。焊接設備為福尼斯TPS4000 MIG焊機和TPS 5000 CMT焊機。使用氣動鋼絲碗刷和無水乙醇做好母材焊前清理工作，焊前進行試焊以確定最佳焊接規(guī)范。具體焊接參數為，MIG焊接組對間隙0～1mm，焊接電流60A～70A，送絲速度4.5m/min；CMT焊接組對間隙0～1mm，焊接電流85A～95A，送絲速度6m/min。

表2 母材5052-H11及焊絲化學成分(質量分數，%)Tab.2 Chemical composition of base metal 5052-H11 and welding wire(wt.%)

1.2.2 試驗結果及分析

(1)焊接效率分析。經過對焊接過程時間測算，相同板厚(2mm)、相同長度(300mm)的試板，每種試板焊接3次，取其平均值計算焊接時長，具體時間見表3。

表3 焊接時間對比Tab.3 Comparison of welding time

可以看出，在合理的焊接參數下，MIG焊平均焊接時間為32.67s，CMT焊平均焊接時間為24.67s。對于生產實際來說，焊接速度是評價生產效率的一項重要指標，同時更短的時間也可以降低焊接操作人員的勞動強度。而且時間更短，說明CMT焊接過程中焊接熱輸入量更低，所以焊接薄板過程更容易操作，焊接質量更易控制。

(2)焊縫外觀分析。對比兩種焊接方法的焊縫成形情況，如圖3所示，焊接薄板時，采用普通MIG焊接時，焊接熱輸入量較大，薄板焊縫基本沒有余高，在部分位置出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)塌陷和焊漏現(xiàn)象。而采用CMT焊接時，焊縫外觀美觀成形良好，焊縫余高均勻飽滿，與母材過渡圓滑。這是因為CMT焊接通過電源的DSP芯片控制，可以將送絲機構與焊接過程聯(lián)動控制起來，在熔滴短路過渡時，電源自動采集短路電流信號，會立刻切斷電流，焊絲同步回抽幫助熔滴進入熔池，從而實現(xiàn)瞬時無電流熔滴過渡，即熔滴“冷過渡”[5,6]，可以有效控制焊縫的熱輸入量，焊接人員更容易操控焊槍，實現(xiàn)對焊縫成形的控制。

圖3 焊縫外觀Fig.3 Welding visual test

(3)焊縫斷面分析。對比兩種焊接工藝的焊縫宏觀形貌，如圖4(a)(b)所示。兩種焊縫斷面均熔合良好，均能實現(xiàn)單面焊雙面成型，但是MIG焊接試樣明顯看出焊縫背透要比CMT焊接試樣要大，說明MIG焊的焊接過程中熱輸入量要高于CMT。對比焊縫微觀組織也可以看出，CMT焊縫的斷面成型效果更理想，如圖4(c)(d)所示。

圖4 焊縫組織形貌Fig.4 Weld section

對比兩種焊接接頭的顯微組織可以看出，焊縫區(qū)域存在明顯的等軸樹枝晶，焊縫熔合線靠近焊縫側為粗大的柱狀晶[7]，同時因鋁合金焊縫凝固過程，靠近母材區(qū)域的焊縫先凝固，但是因焊縫區(qū)域散熱均需經過熔合區(qū)傳導，所以晶體會明顯向著母材方向生長，形成定向晶體[8]。觀察組織斷面可以看出，由于MIG焊比CMT焊熱輸入量大，相比較CMT晶體組織，MIG焊的晶體有更長的時間生長，晶粒長大更明顯，出現(xiàn)更為粗大的晶體組織，析出相增多，并且晶粒大小更不均勻[9]，所以CMT的晶粒組織要更均勻細小。

(4)力學性能試驗分析。按ISO 4136:2012《金屬材料焊縫破壞性試驗-橫向拉伸試驗》要求制備焊接試樣，在AG-X 100KN電子萬能拉伸測試機上對不同焊接方法的焊接接頭試樣進行拉伸測試，試驗結果見表4。采用普通MIG焊接5052-H11+5052-H11材料時，接頭的平均抗拉強度達到133MPa；而采用CMT焊接時，接頭的抗拉強度達到138.7MPa，采用CMT焊接接頭的力學性能要略高于普通MIG焊接接頭，且斷后伸長率CMT(22.83mm)明顯高于普通MIG斷后伸長率(16mm)。

表4 焊縫接頭力學性能試驗Tab.4 Mechanical performance test of welded joints

結合焊縫金相分析，在達到相同焊接效果的前提下，CMT焊縫的焊接熱輸入量比普通MIG焊的熱輸入量要小，晶粒長大情況不明顯，焊縫的融合效果更均勻，所以CMT焊的試件力學性能略高于普通MIG焊的。

2 實際項目應用對比分析

2.1 焊接白車身側圍對比

將CMT焊和普通MIG焊同時應用到某全鋁白車身S51EV項目側圍骨架焊接、側圍鈑金件焊接，進行焊接對比試驗。主要焊接位置板厚為，側圍骨架為1.8mm～2.5mm的鋁合金型材對接焊縫，側圍鈑金件為1.0mm～1.5mm鋁合金鈑金件與型材的搭接。焊接完成后送檢，利用便攜式三坐標進行檢測，如圖5、圖6所示。

圖5 全鋁白車身側圍組焊Fig. 5 All-aluminum body-in-white side panel welding

圖6 全鋁白車身側圍三坐標檢測Fig. 6 Three-coordinate detection of side wall of all-aluminum body in white

利用車間三坐標檢測報告結果見表5，在總檢測點數為213個、關鍵點檢測數為99個時，CMT尺寸符合率(82.63%)明顯高于普通MIG(49.3%)尺寸符合率。同時CMT焊最大超差尺寸不超過2.5mm，普通MIG焊最大超差尺寸已達到10mm以上。說明利用CMT焊接工藝方法，能有效控制實際產品的焊接變形，即使是在白車身側圍這樣復雜的焊接構件，相同的焊接順序，在白車身薄板件焊接過程，更容易控制焊接變形，對工裝夾具要求會進一步降低。

表5 檢測點符合率對比表Tab.5 Comparison table of coincidence rate of detection points

3 結論

(1)采用CMT焊接薄板時，焊縫美觀成形良好，焊縫余高均飽滿，實現(xiàn)飛濺少，與母材圓滑過渡，焊縫均勻一致，可以實現(xiàn)1mm鋁板焊接。

(2)通過與普通MIG焊在薄板焊接對比試驗，發(fā)現(xiàn)CMT焊在薄板焊接方面具有焊接變形量小、焊接效率高，可廣泛應用于鋁合金薄板焊接領域。

(3)通過實際汽車白車身側圍焊接試驗，CMT焊接在控制焊接變形量和焊接效率上，具有更明顯的優(yōu)勢。