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        基于Al-Mg焊絲的鋁/鋼激光-CMT復(fù)合熔釬焊試驗研究

        2019-07-23 01:11:35曾梓桐陳禹昕房博楊志斌
        山東工業(yè)技術(shù) 2019年20期
        關(guān)鍵詞:激光

        曾梓桐 陳禹昕 房博 楊志斌

        摘 要:本文開展了鋁-鎂焊絲的鋁/鋼激光-CMT復(fù)合熔釬焊,結(jié)果表明隨激光功率增加,鋁正面鋪展距離先增大后減小,增加送絲速度有利于鋁在鋼表面的鋪展。最優(yōu)焊接參數(shù)下接頭拉伸強度為188.89MPa,達鋁母材的77.1%,接頭薄弱區(qū)域為焊縫/不銹鋼界面,接頭界面金屬間化合物層厚度為5-8μm,呈針狀由不銹鋼向鋁側(cè)生長,主要成分為Fe4Al13、Fe2Al5、FeAl3和α-Al。

        關(guān)鍵詞:鋁鋼異種材料;激光-CMT復(fù)合焊;熔釬焊;Al-Mg焊絲

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.020

        0 引言

        冷金屬過渡(cold metal transfer,CMT) 技術(shù),具有飛濺小、熱輸入量低等特點,可以很好的控制金屬間化合物層的厚度,適用于鋁/鋼異種金屬的焊接[1]。激光-CMT電弧復(fù)合焊接采用激光/電弧復(fù)合熱源,焊接速度快,峰值溫度高,同時能精確控制能量密度,工藝穩(wěn)定性更好,能有效控制界面金屬間化合物的生長,實現(xiàn)鋁/鋼的優(yōu)質(zhì)焊接[2]。本試驗采用鋁-鎂焊絲,對鋁合金和不銹鋼板進行激光-CMT復(fù)合熔釬焊,研究焊接參數(shù)對焊縫成型的影響規(guī)律,確定優(yōu)化的焊接參數(shù),獲得接頭的微觀組織及力學(xué)性能。

        1 試驗材料、設(shè)備及方法

        試驗選擇2mm厚的SUS301L奧氏體不銹鋼板和2.5mm厚的6A01-T5鋁合金,焊絲采用1.2mm的ER5183鋁-鎂焊絲。使用YLS 6000光纖激光器、TPS 500i CMT焊機進行熔釬焊,保護氣體為純度99.99%的氬氣,氣體流量為20L/min。激光與焊絲的距離為3mm,電弧與水平夾角為60°,激光與法線夾角為10°,并偏移鋼側(cè)0.6mm。接頭形式為對接,間隙為0.3mm。試樣規(guī)格為100mm×50mm,鋼側(cè)開20°的V型坡口。焊前將Nocolok釬劑和丙酮調(diào)成稀糊狀,均勻地涂在不銹鋼坡口以及附近上下表面,待丙酮蒸發(fā)后進行試驗。

        2 試驗結(jié)果與討論

        焊接試驗參數(shù)如表1所示,獲得的焊接接頭成形如表2所示。

        1號接頭成型不理想,正面焊縫成型不均勻,有凹陷現(xiàn)象,背面焊縫成型波動較大。鋁在鋼表面的鋪展情況不理想,鋁的背面鋪展距離略大于正面鋪展距離,但鋪展不均勻,有未鋪展的現(xiàn)象。接頭抗拉強度為87.59MPa,斷裂在焊縫/不銹鋼界面處。2號接頭成型良好,正面、背面焊縫比較均勻,背面鋪展效果很好,鋪展距離很大。接頭抗拉強度為131.19MPa,斷裂在焊縫/不銹鋼界面處。3號接頭成型良好,無明顯缺陷,接頭正面與背面比較對稱,成型效果相當,鋪展效果理想。接頭抗拉強度為188.89MPa,達到了鋁母材的77.1%,斷裂在焊縫/不銹鋼界面。4號接頭正面成型不均勻,背面焊縫寬度減小,鋪展不均勻,存在未鋪展的問題。拉伸試驗測得的抗拉強度為112.86MPa,沿焊縫/不銹鋼界面斷裂。

        比較這四組焊接工藝參數(shù)可以發(fā)現(xiàn),激光功率的增加有利于鋁的鋪展,但是當激光功率達到2100W時,激光對鋁板的預(yù)熱效果增強,熔化的鋁母材增多,更容易流向鋼背面,使鋁的背面鋪展距離增加,正面鋪展距離減小,不利于接頭性能的提高。當送絲速度為4.0m/min時,較低的電弧熱輸入和填充金屬量不能實現(xiàn)鋁的良好鋪展,將送絲速度提高至4.5m/min時,鋁的鋪展效果理想,配合適當?shù)募す夤β?,得到了力學(xué)性能優(yōu)良的焊接接頭。最佳焊接工藝參數(shù)為:激光功率2000W,焊接速度1.2m/min,送絲速度4.5m/min。接頭的薄弱區(qū)域為焊縫/不銹鋼界面。

        圖1為3號接頭試樣的SEM照片,界面處形成了一層致密的金屬間化合物,平均厚度為5-8μm,有研究表明,當界面化合物層的厚度小于10μm時,能夠保證接頭的力學(xué)性能。金屬間化合物呈針狀由不銹鋼向鋁側(cè)生長。圖2所示為金屬間化合物層的XRD圖譜,可見其主要成分為Fe4Al13、Fe2Al5、FeAl3和α-Al,主要形成富鋁的化合物,

        這是因為鐵在鋁中的擴散系數(shù)遠大于鋁在鐵中的擴散系數(shù)。

        3 結(jié)論

        (1)基于鋁-鎂焊絲的激光-CMT復(fù)合熔釬焊實現(xiàn)了鋁/不銹鋼的優(yōu)質(zhì)連接,激光功率的增加有利于鋁的鋪展,但是當激光功率達到2100W時,鋁的正面鋪展距離減小;送絲速度的增加有利于鋁在鋼正、背面的鋪展。

        (2)激光功率為2000W、焊接速度為1.2m/min、送絲速度為4.5m/min為最優(yōu)焊接工藝參數(shù)組合,接頭的抗拉強度達到了188.89MPa,為鋁母材的77.1%;接頭的薄弱區(qū)域為焊縫/不銹鋼界面。

        (3)最優(yōu)焊接參數(shù)下,接頭界面的金屬間化合物層平均厚度為5-8μm,呈針狀由不銹鋼向鋁側(cè)生長,主要成分為Fe4Al13、Fe2Al5、FeAl3和α-Al。

        參考文獻:

        [1]郝軒,黃永德,陳偉,陳玉華.基于CMT技術(shù)的鋁合金電弧增材制造研究現(xiàn)狀[J].精密成形工程,2018,10(05):88-94.

        [2]Selvi S,Vishvaksenan A,Rajasekar E. Cold metal transfer (CMT) technology-An overview[J].Defence technology,2018, 14(01):28-44.

        基金項目:2018年大連交通大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目

        作者簡介:曾梓桐(1997-),男,湖北襄陽人,本科在讀,主要從事焊接工藝方面研究工作。

        指導(dǎo)教師:楊志斌

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