CMT Mix在鋁合金電池托盤焊接中的工藝研究

馬 駿，單世瑞，趙 軍

伏能士智能設(shè)備（上海）有限公司，上海 201900

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)外新能源汽車的迅猛發(fā)展，鋁合金電池托盤作為新能源汽車動(dòng)力電池的主要承載結(jié)構(gòu)件，其焊接質(zhì)量受到廣泛關(guān)注，如圖1所示。鋁型材框架的焊接方法主要有MIG焊、攪拌摩擦焊、TIG焊以及激光復(fù)合焊［1］，綜合考慮生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，現(xiàn)階段自動(dòng)化電池托盤焊接生產(chǎn)線仍以MIG焊為主。

圖1 鋁合金電池托盤焊接Fig.1 Aluminum alloy battery tray welding

冷金屬過渡（CMT）屬于一種短路過渡工藝［2］，通過頻率高達(dá)170 Hz的高精度馬達(dá)實(shí)現(xiàn)焊絲回抽運(yùn)動(dòng)，在熔滴剛接觸熔池時(shí)電流發(fā)生衰減，使熔滴在機(jī)械力的作用下幾乎無飛濺地進(jìn)入熔池，避免了不必要的能量損耗，整個(gè)焊接過程在送絲和回抽之間來回交替，因而熱輸入更低，較傳統(tǒng)MIG焊具有焊后角變形小、飛濺低、氣孔少，力學(xué)性能略有提高等優(yōu)點(diǎn)。然而在電池托盤的焊接中，對(duì)于中等厚度的鋁型材，需要電弧具有更大的熱量以熔化母材，CMT因可調(diào)熱輸入有限并不適用于厚度大于3 mm的中厚板鋁合金的焊接。CMT Mix作為CMT的一種衍生工藝，將脈沖電流融合進(jìn)焊絲回抽運(yùn)動(dòng)中，在脈沖階段可實(shí)現(xiàn)“一脈一滴”，因而在整個(gè)焊接周期內(nèi)具有更大的熱輸入，并且Mix工藝可以通過修正脈沖階段時(shí)間、CMT階段電流及CMT周期，精確控制焊接熱輸入［3-6］；同時(shí)在短路過渡階段保留了CMT工藝飛濺少、電弧穩(wěn)定的特性，短路過渡和脈沖過渡交替進(jìn)行，加劇熔滴對(duì)熔池的“攪拌效應(yīng)”，有利于鋁合金焊縫中的氣孔溢出。因此將CMT Mix工藝應(yīng)用在鋁合金電池托盤焊接中具有一定的指導(dǎo)意義。

段金龍［7］提出鋁合金焊縫中氣孔的形成與氫的溶解度變化密切相關(guān)，通過選擇合適的焊接工藝參數(shù)、有效的氣路保護(hù)和焊前清洗等措施，可控制焊縫氣孔。王清濤［8］等采用CMT Mix+協(xié)同脈沖工藝研究了6063鋁合金焊接接頭性能，發(fā)現(xiàn)隨著焊接速度的提升，氣孔率和氣孔尺寸隨之增加，焊接速度的變化對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度影響較小。尹洪權(quán)等［9］從焊縫成形及焊接過程實(shí)時(shí)高速攝像兩個(gè)方面分析了CMT弧長(zhǎng)修正及電感修正對(duì)焊縫成形的影響，弧長(zhǎng)修正和電感修正對(duì)焊縫余高影響不大，但均對(duì)焊縫熔深和熔寬產(chǎn)生顯著影響；通過高速攝像觀察看出，弧長(zhǎng)修正對(duì)熔滴形狀改變不大，而電感修正使得熔滴尺寸變大。

在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文采用基于Fronius的CMT Mix焊接工藝對(duì)2.5 mm厚6061鋁合金進(jìn)行搭接焊試驗(yàn)研究，對(duì)比分析不同保護(hù)氣、弧長(zhǎng)修正、電感修正對(duì)焊縫成形的影響，以期為鋁合金電池托盤的焊接工藝優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為尺寸為150 mm×50 mm×2.5 mm的6061鋁合金，接頭形式為搭接。填充材料為直徑1.2 mm的ER4043鋁合金焊絲，具有良好的潤(rùn)濕性和較低的開裂傾向。其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。分別采用99.99%的純Ar和φ（Ar）70%+φ（He）30%混合氣體作為保護(hù)氣，流量為20 L/min。

表1 6061和ER4043鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of 6061 and ER4043（wt.%）

表2 6061和ER4043鋁合金力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 6061 and ER4043

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備為Fronius TPS600i焊接電源和MTB 400i水冷焊槍，采用CMTMix工藝對(duì)2.5 mm+2.5 mm的鋁合金進(jìn)行搭接焊試驗(yàn)。焊前采用無水乙醇去除母材表面油污，用鋼絲刷清除表面雜質(zhì)。焊絲干伸長(zhǎng)15 mm，焊槍與焊縫夾角為10°，搭接面寬度30 mm，如圖2a所示。

采用控制變量法，即在相同的焊接速度、送絲速度、焊接電流的前提下，對(duì)比分析不同保護(hù)氣體種類（純Ar、φ（Ar）70%+φ（He）30%）對(duì)焊縫內(nèi)部氣孔形成的影響規(guī)律；在保護(hù)氣體為純Ar的條件下研究CMT Mix弧長(zhǎng)修正、電感修正對(duì)焊縫成形及內(nèi)部氣孔的影響規(guī)律。設(shè)置焊縫長(zhǎng)度恒定為100 mm，截取焊縫中間位置30 mm并觀察其縱向截面上的內(nèi)部氣孔，如圖2b所示。每組參數(shù)各取2個(gè)樣件，分別用于焊縫熔深測(cè)量和內(nèi)部氣孔測(cè)量。

圖2 搭接焊縫示意Fig.2 Schematic diagram of lap joint

基于前期的焊接工藝驗(yàn)證，對(duì)于2.5 mm厚鋁合金CMT Mix搭接焊，設(shè)定的焊接參數(shù)為：送絲速度6 m/min、焊接電流125 A、焊接電壓17.9 V、高能量時(shí)間修正為0、低能量時(shí)間修正為+5、低能量修正為+3時(shí)，焊縫成形良好。10組不同的參數(shù)修正如表3所示，弧長(zhǎng)修正的調(diào)節(jié)區(qū)間是［-10，10］，0時(shí)為初始值，-10代表弧長(zhǎng)被壓低的程度，+10代表弧長(zhǎng)被拉長(zhǎng)的程度。

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同保護(hù)氣對(duì)焊縫成形的影響

采用相同的焊接參數(shù)，弧長(zhǎng)修正和電感修正均為0，對(duì)比分析99.99%Ar和φ（Ar）70%+φ（He）30%兩種不同的保護(hù)氣對(duì)焊縫內(nèi)部氣孔的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在Ar保護(hù)氣加入30%的He時(shí)，焊縫氣孔數(shù)量和孔徑均大幅降低，氣孔數(shù)量由19降低至2，最大孔徑由0.41 mm降至0.25 mm，如圖2所示。這是因?yàn)樽匀画h(huán)境下He的密度約為Ar的10%，但導(dǎo)熱性接近Ar的10倍，當(dāng)Ar氣中加入30%的He時(shí)，混合氣的導(dǎo)熱性相較于純Ar更高，使得傳遞至熔池中的熱量更多，有利于熔池中氣孔的溢出，因此，He的加入對(duì)鋁合金焊縫的氣孔溢出具有促進(jìn)作用。但是氦氣價(jià)格過于昂貴，成本效益低，在電池托盤實(shí)際的焊接生產(chǎn)過程中尚未普及，目前仍采用高純Ar作為鋁合金電池托盤的焊接保護(hù)氣。

圖3 不同保護(hù)氣體對(duì)焊縫內(nèi)部氣孔的影響Fig.3 Effect of different protect gas on the inner weld pore

2.2 弧長(zhǎng)修正對(duì)焊縫成形的影響

CMT Mix弧長(zhǎng)修正是通過調(diào)節(jié)電弧燃燒階段的電弧長(zhǎng)度進(jìn)而改變電弧特性，如圖4所示。當(dāng)弧長(zhǎng)修正為0時(shí)，弧長(zhǎng)為默認(rèn)值，如圖4b所示；弧長(zhǎng)修正為負(fù)向調(diào)節(jié)時(shí)，電弧壓低，電弧燃燒時(shí)弧長(zhǎng)變短，如圖4a所示；弧長(zhǎng)修正為正向調(diào)節(jié)時(shí)，電弧拉長(zhǎng)，如圖4c所示。

圖4 弧長(zhǎng)修正Fig.4 Arclength correction

CMT Mix弧長(zhǎng)修正分別為0、-10、-5、+5、+10時(shí)的1#、3#、4#、5#、6#焊縫宏觀形態(tài)如圖5所示?？梢钥闯觯?dāng)弧長(zhǎng)修正調(diào)至-10時(shí)，弧長(zhǎng)最短，短路過渡不穩(wěn)定，3#樣件出現(xiàn)明顯飛濺；當(dāng)弧長(zhǎng)修正調(diào)至+10時(shí)，弧長(zhǎng)最長(zhǎng)，電弧空間增大，電弧力減小，6#樣件焊縫飽滿，余高略高。

圖5 弧長(zhǎng)修正對(duì)焊縫宏觀形態(tài)的影響Fig.5 Influence of Arclengthcorrection on macroscopic shape of welds

2.2.1 弧長(zhǎng)修正對(duì)熔深的影響

在CMT Mix工藝中，弧長(zhǎng)修正主要體現(xiàn)在弧長(zhǎng)和熔滴過渡頻率的變化。按T/CWAN標(biāo)準(zhǔn)取100 mm焊縫中點(diǎn)作為切片位置，對(duì)弧長(zhǎng)修正樣件進(jìn)行熔深測(cè)量，結(jié)果如圖6所示?；￠L(zhǎng)修正為0時(shí)，下板熔深為0.64 mm，弧長(zhǎng)正向修正為+5、+10時(shí)，熔深分別減少至0.45 mm、0.35 mm；弧長(zhǎng)負(fù)向修正為-5、-10時(shí)，熔深增加至0.84 mm、0.91 mm。

圖6 CMT Mix弧長(zhǎng)修正對(duì)熔深的影響Fig.6 Effects of CMT Mix Arclength correction on the penetration

分析認(rèn)為，CMT Mix弧長(zhǎng)正向修正時(shí)，CMT階段增加了短路過渡周期內(nèi)的焊絲回抽時(shí)間，降低了電弧燃燒時(shí)的送絲速度，導(dǎo)致弧長(zhǎng)變長(zhǎng)；脈沖過渡階段則通過縮短桿伸長(zhǎng)進(jìn)行弧長(zhǎng)修正，因此整個(gè)CMT Mix的過渡周期內(nèi)弧長(zhǎng)正向調(diào)節(jié)時(shí)弧長(zhǎng)變長(zhǎng)，電弧空間變大，電弧壓力減小，導(dǎo)致傳輸?shù)侥覆纳系臒崃坎蛔阋匀刍畹哪覆?，因此焊縫熔深減小。CMT Mix弧長(zhǎng)負(fù)向修正時(shí)，修正原理與正向修正相反，電弧熱量集中在更小的弧柱空間內(nèi)，電弧壓力增大，因而可以熔化更深的母材。

2.2.2 弧長(zhǎng)修正對(duì)焊縫寬度的影響

CMT Mix弧長(zhǎng)修正對(duì)焊縫寬度的影響如圖7所示。CMT Mix弧長(zhǎng)修正為0時(shí)，搭接焊縫寬度為7.84 mm，隨著弧長(zhǎng)正向修正為+5、+10時(shí)，焊縫寬度分別減少至7.32 mm、7.14 mm；弧長(zhǎng)負(fù)向修正-5、-10時(shí)，焊縫寬度分別減少至7.55 mm、6.75 mm，即弧長(zhǎng)修正為0時(shí)焊縫寬度最寬，正/負(fù)向修正均會(huì)使焊縫寬度減小。

圖7 CMT Mix弧長(zhǎng)修正對(duì)焊縫寬度的影響Fig.7 Effects of CMT Mix Arclength correction on weld width

這是因?yàn)镃MT Mix弧長(zhǎng)正向修正時(shí)，CMT階段弧長(zhǎng)變長(zhǎng)，熔滴過渡頻率降低，因而送絲速度減小，熱輸入降低，使得焊縫變窄；脈沖階段，弧長(zhǎng)和電壓增加，送絲速度未發(fā)生變化，對(duì)焊縫寬度無明顯影響，因此CMT Mix正向弧長(zhǎng)修正時(shí)，整體上焊縫因熱輸入減小變窄。CMT Mix弧長(zhǎng)負(fù)向調(diào)節(jié)時(shí)，CMT階段縮短了焊絲的回抽時(shí)間，增加了電弧燃燒時(shí)的送絲速度，但較高的送絲速度要在即將發(fā)生短路過渡時(shí)實(shí)現(xiàn)勻速回抽，會(huì)導(dǎo)致熔滴過渡時(shí)間變長(zhǎng)，電弧燃燒時(shí)間變短，相應(yīng)地又會(huì)導(dǎo)致送絲速度和過渡頻率再次降低，此時(shí)一元化調(diào)節(jié)機(jī)制的TPSi焊機(jī)焊接電流隨著送絲速度的降低而減小，因而熱輸入減小；脈沖階段，弧長(zhǎng)變短，電壓降低，送絲速度未發(fā)生變化，對(duì)焊縫寬度無明顯影響，因而，CMT Mix負(fù)向弧長(zhǎng)修正時(shí)，整體上焊縫因熱輸入減少變窄。綜上可知，CMT Mix工藝的焊縫寬度主要受CMT階段的短路過渡影響，與脈沖過渡無明顯關(guān)系，弧長(zhǎng)無論是正向修正還是負(fù)向修正均會(huì)導(dǎo)致焊縫寬度減小。

2.2.3 弧長(zhǎng)修正對(duì)焊縫內(nèi)部氣孔的影響

CMT Mix弧長(zhǎng)修正對(duì)焊縫內(nèi)部氣孔的影響如圖8所示。以氬氣作為保護(hù)氣，當(dāng)弧長(zhǎng)修正為0時(shí)，30 mm范圍內(nèi)焊縫截面氣孔數(shù)量為19個(gè)，最大孔徑為0.41 mm；弧長(zhǎng)正向修正時(shí)，氣孔數(shù)量變化不大，孔徑呈現(xiàn)忽大忽小的不穩(wěn)定性；弧長(zhǎng)負(fù)向修正時(shí)，氣孔數(shù)量降至2，氣孔直徑降至0.3 mm以下。這是因?yàn)榛￠L(zhǎng)負(fù)向修正導(dǎo)致電弧壓低，短路過渡時(shí)加劇了電弧與熔池的“攪拌效應(yīng)”，脈沖過渡階段較高的熱量有助于焊縫內(nèi)部的氣孔溢出，因此CMT Mix弧長(zhǎng)負(fù)向修正可以有效抑制氣孔的產(chǎn)生與長(zhǎng)大。

圖8 CMT Mix弧長(zhǎng)修正對(duì)焊縫內(nèi)部氣孔的影響Fig.8 Effects of CMT Mix Arclength correction on inner pores

2.3 電感修正對(duì)焊縫成形的影響

CMT Mix電感修正主要表現(xiàn)為脈沖階段的能量調(diào)節(jié)，對(duì)CMT階段無明顯作用，因而對(duì)焊縫寬度無明顯影響。電感修正分別為-10、-5、+5、+10時(shí)的7#、8#、9#、10#樣件焊縫宏觀形態(tài)如圖9所示，當(dāng)電感修正調(diào)至-10時(shí)，脈沖頻率加快，電弧聲音尖銳，焊縫余高最低；當(dāng)電感修正調(diào)至+10時(shí)，電弧柔軟，魚鱗紋更加清晰，焊縫余高最高。

圖9 電感修正對(duì)焊縫宏觀形態(tài)的影響Fig.9 Influence of dynamic correction on macroscopic shape of welds

2.3.1 電感修正對(duì)焊縫熔深的影響

CMT Mix電感修正對(duì)熔深的影響如圖10所示，隨著電感修正從-10至+10，焊縫熔深呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。電感修正為0時(shí)，下板熔深為0.64 mm，當(dāng)電感修正調(diào)至-10、-5時(shí)，熔深升至1.27 mm、0.90 mm，明顯高于弧長(zhǎng)負(fù)向修正對(duì)熔深的改善效果；當(dāng)電感修正調(diào)至+5、+10，熔深分別降至0.58 mm、0.44 mm。這是因?yàn)殡姼胸?fù)向調(diào)節(jié)時(shí)，脈沖頻率增加，脈沖階段的基值電流升至峰值電流、峰值電流降至基值電流的時(shí)間縮短，因而熔滴尺寸更小，熔滴過渡頻率更快，電弧壓力更大，電弧更硬，能量更集中，因而焊縫熔深更大；反之，電弧變軟，熔深減小。

圖10 CMT Mix電感修正對(duì)熔深的影響Fig.10 Effects of CMT Mix dynamic correction on penetration

2.3.2 電感修正對(duì)焊縫內(nèi)部氣孔的影響

CMT Mix電感修正對(duì)焊縫內(nèi)部氣孔的影響如圖11所示，無論電感正向或負(fù)向調(diào)節(jié)，氣孔數(shù)量均明顯下降，但孔徑大小呈現(xiàn)一定的不規(guī)則性，最大可達(dá)2.07 mm。這是因?yàn)殡姼行拚齼H改變脈沖階段的能量，高低能量交替變快或變慢，均導(dǎo)致大孔徑的氣孔在焊縫內(nèi)部不斷長(zhǎng)大來不及溢出。

圖11 CMT Mix電感修正對(duì)焊縫內(nèi)部氣孔的影響Fig.11 Effects of CMT Mix dynamic correction on inner pores

3 結(jié)論

（1）CMT Mix工藝結(jié)合了精確可控的CMT過渡和脈沖過渡，飛濺小，高低能量交替輸入，熱變形小，對(duì)鋁合金電池托盤焊接具有一定的指導(dǎo)意義。

（2）在使用φ（Ar）70%+φ（He）30%的保護(hù)氣時(shí)，焊縫內(nèi)部氣孔數(shù)量大幅減少，保護(hù)效果明顯優(yōu)于純Ar，但He的成本太高影響其在實(shí)際中的應(yīng)用。

（3）CMT Mix弧長(zhǎng)正向修正時(shí)熔深減小，氣孔傾向增大，負(fù)向修正時(shí)熔深增大，氣孔數(shù)量和尺寸明顯降低。CMT Mix弧長(zhǎng)修正為0時(shí)焊縫寬度最大，無論正向或負(fù)向調(diào)節(jié)，焊縫寬度均減小。

（4）CMT Mix電感修正正向修正時(shí)熔深減小，負(fù)向修正時(shí)熔深增大，且電感修正對(duì)熔深的改善效果優(yōu)于弧長(zhǎng)修正；電感修正對(duì)氣孔無明顯影響。

（5）CMT Mix工藝現(xiàn)已有效解決了4系鋁合金焊接的氣孔問題，但對(duì)于加入Si元素的5系鋁合金母材，僅憑工藝修正仍無法完全消除因熔池流動(dòng)性差導(dǎo)致的焊縫內(nèi)部H2氣孔。5系鋁合金焊接的關(guān)鍵在于焊前排查一切可能的H2來源（母材表面、焊絲、保護(hù)氣、冷卻水管路等）并進(jìn)行化學(xué)清潔，調(diào)整CMT Mix高低能量比例，使得氣孔在熔池冷卻與氣孔溢出之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。