吳 丹， 田春英， 王 軍， 于弘揚(yáng)， 李慕勤

(佳木斯大學(xué)材料學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

近年來(lái)，環(huán)保問(wèn)題越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，解決環(huán)保問(wèn)題的壓力也直接傳遞到汽車制造業(yè).為了節(jié)約燃料、保護(hù)環(huán)境，汽車輕量化已成為一個(gè)重要的發(fā)展方向，這也對(duì)汽車選用的材料提出了更高要求.增加鋁材的用量是汽車輕量化的重要措施之一，所以在汽車工業(yè)生產(chǎn)中，“鋁+鋼”雙金屬焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛.

圖1 焊接速度為0.5mm/min不同焊接電流的焊縫形貌

從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，鋁－鋼之間的連接涉及到壓焊、釬焊和熔焊等多種焊接方法[1－9]，其關(guān)鍵問(wèn)題在于金屬間化合物層的控制.壓力焊和釬焊由于基體可以在焊接過(guò)程中保持固態(tài)，同時(shí)焊接熱輸入容易控制，因此接頭的性能一般不受限于金屬間化合物的厚度，但是這種焊接方法效率較低，對(duì)工件的尺寸和形狀有特殊的要求，不適于大批量生產(chǎn)[10].很多研究學(xué)者[11]通過(guò)試驗(yàn)證明采用MIG焊接方法，同時(shí)填充A1Si5合金，通過(guò)控制焊接熱輸入，可以連接鋁合金AlMg0.4Si1－鍍鋅鋼板DX 53 Z異種金屬接頭.接頭實(shí)質(zhì)上由兩個(gè)接頭組成，一個(gè)是與鋁板相連的熔焊接頭，另一個(gè)是與鋼板相連的釬焊接頭.而熔焊方法比較靈活，效率較高，但是金屬間化合物又成為不可避免的附加產(chǎn)物，降低了焊接接頭的性能.

CMT是cold metal transfer的縮寫(xiě)(冷金屬過(guò)渡)，同傳統(tǒng)的熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)相比金屬過(guò)渡溫度更低，能夠有效抑制金屬間化合物的產(chǎn)生.由于浸鋁鋼板的浸鋁層與鋁焊縫金屬的熔合性好;同時(shí)浸鋁鋼板中浸鋁層與鋼板基體之間已形成薄金屬間化合物層，其在焊接過(guò)程中對(duì)鋁與鋼的混合能起到天然的屏障作用，因此采用CMT技術(shù)對(duì)浸鋁鋼板－鋁板進(jìn)行連接是一個(gè)具有可行性的新研究.

本文采用CMT技術(shù)對(duì)浸鋁鋼板－鋁板進(jìn)行連接，通過(guò)改變焊接速度和焊接電流兩個(gè)參數(shù)，觀察對(duì)焊縫成形的影響，并最終獲得一個(gè)好的成形工藝參數(shù)且具有優(yōu)良的力學(xué)性能.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

焊接材質(zhì)選擇厚度為1mm的鋁合金板6061.浸鋁鋼板SA1C鍍鋁層厚度為20－30μm，鍍層為Al－Si合金，其中含鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.2%，含Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.8%.焊絲選用1.2mm直徑的4043(AlSi5)，材料的化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)見(jiàn)下表1和表2.

表1 鋁合金的化學(xué)成分 (wt.%)

表2 浸鋁鋼板基材化學(xué)成分 (wt.%)

采用奧地利Fronius公司生產(chǎn)的CMT 5000i系列焊機(jī)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，其原理是當(dāng)熔滴即將進(jìn)入短路階段時(shí)瞬間將焊絲回抽，以提高焊接的穩(wěn)定性和抑制焊接飛濺.焊前用丙酮對(duì)工件表面進(jìn)行清洗去除氧化膜，試樣放在卡具上搭接放好，通過(guò)調(diào)節(jié)焊接電流和焊接速度兩個(gè)工藝參數(shù)獲得最佳焊接工藝，并且獲取不同工藝參數(shù)對(duì)焊縫形貌及性能的影響規(guī)律.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同焊接電流對(duì)焊縫形貌的影響

2.1.1 焊接速度相同為0.5m/min時(shí)，焊接電流不同對(duì)焊縫形貌影響，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3.

表3 焊接速度0.5m/min，電流不同工藝參數(shù)

由圖1可見(jiàn)，在焊接電流不同，焊接速度為0.5m/min的情況下，焊縫整體上都有起弧處成形效果不好，収弧處有弧坑兩種現(xiàn)象存在.這主要是由于起弧時(shí)溫度較低，焊絲不能在材料表面很好的鋪展，而收弧時(shí)焊槍未做一個(gè)短暫的停留原因造成的.這種現(xiàn)象屬于正常的薄板焊接工藝缺欠，可以通過(guò)外加引弧板和収弧板加以解決.隨著焊接電流的加大，焊縫的寬度增加，焊縫余高升高.焊接電流為85A時(shí)，焊寬最大為9.0mm，余高最高為 1.7mm.通過(guò)反面觀察可以判定焊接電流越大，焊縫熱輸入越大.較大的焊寬，會(huì)引發(fā)焊縫縱向收縮力的增加，從而造成薄板變形過(guò)大.過(guò)大的余高會(huì)使整個(gè)焊接接頭在承受動(dòng)載時(shí)，壽命降低.對(duì)于搭接接頭決定計(jì)算厚度，以上三組參數(shù)的焊縫計(jì)算厚度差別不大，為節(jié)省能源，所以此時(shí)可以采用低電流.另外過(guò)大的熱輸入顯然會(huì)影響到鋁鋼界面，以上三組熱輸入比較大，因此為減小熱輸入，可以通過(guò)提高焊接速度加以解決.

2.1.2 焊接速度相同為0.75m/min時(shí)，焊接電流不同對(duì)焊縫形貌影響，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4

表4 接速度0.75m/min，電流不同工藝參數(shù)

由圖2可見(jiàn)，在電流不同，焊接速度提高為0.75m/min時(shí)，與速度為0.5m/min比較，焊縫的寬度和余高整體上降低，在焊接電流為85A時(shí)焊縫的寬度降為7.40mm，余高為0.72mm，從焊縫背面觀察判定焊縫的熱輸入明顯變小，在較低電流下幾乎看不到熱輸入對(duì)焊縫背面有影響，如圖a)和圖b)所示，由于熱輸入過(guò)低焊絲熔化和在焊縫表面鋪展效果不好，導(dǎo)致焊縫成形不好.但當(dāng)電流為96A時(shí)，焊縫又由于焊絲回填不足出現(xiàn)了咬邊的現(xiàn)象.只有在焊接電流為85A時(shí)，焊縫成形最為平整.

圖2 焊接速度為0.75mm/min焊接電流不同的焊縫形貌

圖3 焊接速度為1mm/min焊接電流不同的焊縫形貌

2.1.3 焊接速度相同為1m/min時(shí)，焊接電流不同對(duì)焊縫形貌影響，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表5所示.

表5 焊接速度1m/min，電流不同工藝參數(shù)

由圖3可見(jiàn)，在不同電流下，焊接速度繼續(xù)增大為1m/min，與速度為 0.5m/min、0.75m/min 時(shí)相比這三組焊縫都具有隨著焊接電流的加大焊縫的寬度增加，焊縫余高增高，但焊縫的焊寬和余高整體上都沒(méi)有前兩組大的特點(diǎn)，只有在大電流時(shí)觀察到熱輸入且并不明顯，在此速度下，無(wú)論是大電流還是小電流焊縫成形均出現(xiàn)較明顯的問(wèn)題，當(dāng)焊接電流為64A時(shí)，速度快、電流小導(dǎo)致焊絲融化不鋪展，焊縫出現(xiàn)了不規(guī)則形狀，同樣在電流為96A時(shí)，焊縫明顯出現(xiàn)了焊絲回填不足的現(xiàn)象.當(dāng)電流為85A時(shí)焊縫成形最好.

圖4 焊接電流和速度對(duì)焊縫的影響

以上三組數(shù)據(jù)可以表達(dá)速度－電流對(duì)焊接形貌的綜合影響，見(jiàn)圖4.焊接速度越小可以使用的有效焊接電流越多，隨著焊接速度的增大可用的有效焊接電流在逐步的減少，這有助于對(duì)鋁－鋼薄板搭接CMT焊工藝的優(yōu)化.

2.2 不同焊接速度對(duì)焊縫形貌的影響

從上述不同還接參數(shù)中得出，電流為85A時(shí)焊縫的成形均比較好，表面缺陷最少，最能表達(dá)其隨速度變化的特點(diǎn)，所以選擇電流為85A.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6.

表6 電流85A，不同焊接速度參數(shù)

圖5 焊接電流85A，焊接速度不同的焊縫形貌

圖5所示，在焊接速度不同，焊接電流為85A時(shí)，隨著速度的增加焊接余高變低由1.66mm下降到 0.74mm，焊寬變窄由 9.00mm 變?yōu)?7.40mm，并且隨速度的加快，在宏觀上的熱輸入越來(lái)越小.當(dāng)速度為0.75m/min時(shí)焊縫最為光滑平整.

3 結(jié)論

(1)焊接速度不變時(shí)，隨焊接電流的增大焊縫余高、焊縫寬度及熱輸入增大.

(2)焊接速度越小可以使用的有效焊接電流越多，隨著焊接速度的增大可用的有效焊接電流在逐步的減少.

(3)焊接電流不變時(shí)，隨焊接速度的增大焊縫余高、焊縫寬度及熱輸入都減小.

[1]李榮鋒，張錦云，解德.鋁－鋼爆炸復(fù)合板的研究[J].材料保護(hù)，1999，32(6):31－3.

[2]雷震，秦國(guó)良，林尚揚(yáng)，王旭友，王威.鋁/鋼異種金屬 Nd:YAG激光－MIG復(fù)合熱源熔－釬焊接工藝[J].焊接，2006，6:35－37.

[3]Fukumoto S.Frictionwelding Process of 5052 Aluminium Alloy to 304 Stainless Steel[J].Materials Science and Tech － nology，1999，15(9):1080－1086.

[4]Yokoyama T.Impact Tensile Properties of 6061 Aluminium Alloy to SUS 304 Stainless Steel Friction － Welded Butt Joints[J].Welding Internationa，2003，17(7):514 －523.

[5]Huseyin U.Friction Stir Welding of Dissimilar Al 6013 －T4ToX5CrNi18 － 10 Stainless Steel[J].Materials and Design，2005，26(1):41－46.

[6]何鵬，馮吉才，錢(qián)乙余.接觸反應(yīng)法解決鋁/不銹鋼釬焊的缺陷及脆性[J].材料科學(xué)與工藝，2005，13(1):82－85.

[7]鄭照東，X70管線鋼焊接工藝研究[J].焊管，2001，24(6):9－13.

[8]李建智，張新華，鋁－鋼爆炸焊接試驗(yàn)與分析[J].工程爆破，2007，12(4):16 －18.

[9]吳軍，李亮，激光焊接工藝對(duì)鋁—鋼焊接質(zhì)量影響研究[J].焊接技術(shù)，2000，29(5):19 －20.

[10]張洪濤，何鵬，孔慶偉，鋁鋼異種材料焊接研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].焊接，2007，12:7 －12.

[11]Vranakova R.Arc Welding of Joints between Zinc－Coated Steel and Aluminium[J].Welding in the World，2005，49(6):105－109.