周金旭，李 巖，楊 宇，林傳冬，齊芃芃，張春旭

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

鋁合金因其密度低、比強(qiáng)度高、焊接性能良好，回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天[1]、軌道車輛、汽車制造等領(lǐng)域，但是由于鋁合金在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形和接頭軟化問(wèn)題，大大降低了焊接結(jié)構(gòu)的精度及質(zhì)量。冷金屬過(guò)渡(cold metal transfer，CMT)焊接技術(shù)是Fronius公司開(kāi)發(fā)出的一種新型焊接工藝[2]，具有高熔敷效率、低熱輸入和無(wú)飛濺等特點(diǎn)[3]，被廣泛應(yīng)用于鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，改善了傳統(tǒng)MIG焊接鋁合金變形大的問(wèn)題，減少了焊后校正的工作量，提高了生產(chǎn)效率[4]。同時(shí)CMT焊接技術(shù)具有更低的熱輸入增強(qiáng)了焊接接頭的強(qiáng)度，CMT焊接技術(shù)的應(yīng)用也增加了焊接工藝技術(shù)的選擇性。本文針對(duì)2mm厚6005A鋁合金進(jìn)行了CMT和MIG焊接工藝研究，對(duì)比了兩種焊接接頭的焊縫成型、力學(xué)性能、接頭微觀組織形貌并對(duì)斷口進(jìn)行了微觀分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?005A-T6可熱處理強(qiáng)化鋁合金，尺寸為300 mm×150 mm×2 mm；填充材料為ER5087，焊絲直徑為Φ1.2 mm；保護(hù)氣體為Ar，純度>99.99%。母材和焊絲化學(xué)成分如表1所示，母材力學(xué)性能如表2所示。焊縫采用對(duì)接不開(kāi)坡口，焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰塵等，用氣動(dòng)鋼絲刷打磨焊縫及其兩側(cè)25 mm區(qū)域內(nèi)氧化膜至露出金屬光澤，并用酒精對(duì)待焊部位進(jìn)行清理。

試驗(yàn)采用Fronius CMT 5000焊機(jī)及KUKA KR90機(jī)器人等設(shè)備進(jìn)行焊接，CMT焊接工藝送絲速度與電流、電壓為一元化調(diào)節(jié)方式，即通過(guò)選擇送絲速度來(lái)設(shè)置焊接電流和電弧電壓，電弧電壓可以通過(guò)弧長(zhǎng)修正進(jìn)行調(diào)節(jié)[5]，根據(jù)前期大量的工藝實(shí)驗(yàn)得出了合理的焊接工藝參數(shù)對(duì)試板進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 6005A鋁合金和ER5087焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 6005A鋁合金母材力學(xué)性能

表3 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫成型情況

圖1(a)(b)分別為CMT和MIG焊縫外觀形貌，CMT焊接接頭表面光滑，MIG焊縫表面存在均勻的魚(yú)鱗文；圖2(a)(b)分別為CMT和MIG焊接頭的宏觀形貌。從試驗(yàn)結(jié)果可知，在合理的焊接工藝下，兩種焊接方法均實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成型，對(duì)焊縫進(jìn)行宏觀觀察，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋、氣孔等缺陷，焊接接頭質(zhì)量良好。

2.2 拉伸性能分析

根據(jù)GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行拉伸試樣的制備，焊后使用島津AG-X 100KNH型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)4，拉伸斷裂試樣如圖3所示。CMT和MIG焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)分別為202.681 MPa和193.078 MPa，試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū)[6]，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到實(shí)際母材抗拉強(qiáng)度的70%和67%，CMT焊接試件抗拉強(qiáng)度略高于MIG焊接試件。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)斷口進(jìn)行微觀分析可以發(fā)現(xiàn)CMT焊接接頭斷口存在大量韌窩，韌窩尺寸較小，更為密集，深度更深為明顯的韌性斷裂(圖4(a));MIG焊接接頭斷口韌窩數(shù)量少于CMT斷口韌窩，韌窩大而淺同時(shí)存在準(zhǔn)解理面，斷裂方式為混合形斷裂(圖4(b))。

2.3 彎曲性能分析

使用AG-X 250KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)兩種焊接接頭進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，焊接接頭彎曲后宏觀形貌如圖5所示。符合ISO15614-2評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，彎曲結(jié)果合格。

編號(hào)焊接方法彎曲類型彎曲角度壓頭直徑/mm試驗(yàn)結(jié)果C-3C-4C-5C-6M-3CMT面彎180°28合格背彎180°28合格面彎180°28合格背彎180°28合格面彎180°28合格M-4M-5M-6MIG背彎180°28合格面彎180°28合格背彎180°28合格

2.4 焊接接頭金相組織

圖6為焊接接頭微觀組織形貌，其中(a)(b)為CMT焊接頭焊縫區(qū)和熔合線附近組織，(c)(d)為MIG焊接頭焊縫區(qū)與熔合線附近組織。對(duì)比兩種焊接接頭的顯微組織可以看出，焊縫區(qū)存在明顯的等軸樹(shù)枝晶，熔合線靠近焊縫一側(cè)為粗大的柱狀晶[7]，靠近母材一側(cè)為等軸晶;CMT焊縫組織更為細(xì)小，這是因?yàn)镃MT焊接技術(shù)焊接熱輸入低，焊接過(guò)程中快速冷卻，焊縫組織來(lái)不及長(zhǎng)大，快速的冷卻速度也將導(dǎo)致焊縫過(guò)冷度大形核效率更高阻礙晶粒的生長(zhǎng)。熔合線靠近母材一側(cè)形成細(xì)小的等軸晶是由于靠近母材側(cè)過(guò)冷度較大，大大增加了形核效率，形成細(xì)小的等軸晶粒。

3 結(jié)論

(1)CMT和MIG焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)分別為202.681 MPa和193.078 MPa，試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū)，CMT焊接接頭的抗拉強(qiáng)度略好于MIG焊接接頭。

(2)CMT焊接接頭斷口存在大量韌窩，韌窩尺寸較小，更為密集，深度更深為明顯的韌性斷裂；MIG焊接接頭斷口韌窩數(shù)量少于CMT斷口韌窩，韌窩大而淺同時(shí)存在明顯的準(zhǔn)解理面，斷裂形式為混合形斷裂。

(3)對(duì)比焊接接頭的顯微組織可以看出焊縫區(qū)存在明顯的等軸樹(shù)枝晶，熔合線靠近焊縫一側(cè)為粗大的柱狀晶，靠近母材一側(cè)為等軸晶，CMT焊縫組織更為細(xì)小。