張安，邢彥鋒，曹菊勇，王影，于鐵軍

（1.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2.201799 上海市 上海和達(dá)汽車配件有限公司）

0 引言

冷金屬過(guò)渡焊接由于其低熱量輸入和無(wú)飛濺，是鋁合金薄板較為理想的連接方式之一，但焊接過(guò)程中的表面氧化膜會(huì)對(duì)焊縫組織造成不利影響，降低焊縫的機(jī)械性能。研究發(fā)現(xiàn)，雜質(zhì)元素對(duì)合金焊接斷裂裂紋有著重要影響，但其單獨(dú)或者協(xié)同對(duì)斷裂裂紋的具體影響仍需進(jìn)一步分析[1]。一般而言，較少的氧化膜顆?？梢蕴岣吆缚p強(qiáng)度，但氧化膜顆粒超過(guò)特定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的焊縫性能會(huì)急劇下降[2]。相同的實(shí)驗(yàn)條件下，同一焊縫的疲勞性能會(huì)因焊接脈沖電流不穩(wěn)定而存在較大的波動(dòng)[3]，因此控制特定的焊接脈沖電流可以改變?nèi)鄢亟?rùn)效果，提升焊縫機(jī)械性能[4]。除此之外，熱量輸入不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致焊接過(guò)程不連續(xù)[5]，精確控制熱量輸入可以獲得強(qiáng)度與鋁合金基材相當(dāng)?shù)暮缚p[6]。電弧不對(duì)稱會(huì)造成熔池受熱不均勻，對(duì)氣孔的大小與分布有較大影響[7]，由于氣孔主要分布于焊縫上部[8]，創(chuàng)造氣孔逃逸通道可明顯減少氣孔缺陷產(chǎn)生[9]。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，超聲沖擊可明顯提高鎂合金十字接頭的疲勞強(qiáng)度[10]，因此將超聲沖擊和表面清洗工藝相結(jié)合，尋求合理的方法降低氧化膜對(duì)鋁合金薄板冷金屬過(guò)渡焊縫的負(fù)面影響，是當(dāng)下薄板連接領(lǐng)域的重要課題。基于相關(guān)研究結(jié)論，本文通過(guò)超聲清洗工藝，在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件下，分析其對(duì)鋁合金冷金屬過(guò)渡焊縫組織形成的影響以及其對(duì)鋁合金冷金屬過(guò)渡焊縫機(jī)械性能的影響。

1 焊接實(shí)驗(yàn)程序

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

在尺寸為200 mm×200 mm×2 mm 的普通6061鋁合金薄板和超聲清洗處理6061 鋁合金薄板上分別進(jìn)行CMT 搭接焊，普通鋁合金薄板的表面氧化膜厚度為50～60 μm，超聲處理鋁合金薄板的表面氧化膜厚度為5～10 μm。CMT 搭接焊采用ER4043鋁硅焊絲，焊接過(guò)程進(jìn)行高純氬氣保護(hù)處理。6061鋁合金，表面氧化膜和ER4043 鋁硅焊絲的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 6061 鋁合金，表面氧化膜和ER4043 焊絲的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分Tab.1 Standard chemical composition of 6061 aluminum alloy,oxide film and ER4043 welding wire

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

首先將普通6061 鋁合金薄板利用定位夾具固定在焊接平臺(tái)上，KUKA 機(jī)械臂輔助CMT 焊槍移動(dòng)工藝，以控制CMT 焊槍的移動(dòng)路徑和移動(dòng)速度，焊槍移動(dòng)速度設(shè)定為0.40 m/min。焊絲饋送系統(tǒng)調(diào)節(jié)焊絲進(jìn)給速度，以控制焊接速度，焊絲進(jìn)給速度設(shè)定為5.00 m/min。焊絲和鋁合金上表面初始距離固定，焊槍在移動(dòng)過(guò)程中始終位于鋁合金基板上方并且進(jìn)給熔融焊絲，形成連接焊縫，而后將超聲清洗處理6061鋁合金薄板進(jìn)行相同操作，如圖1所示。焊接完成后，觀測(cè)CMT 焊縫正面和側(cè)面的結(jié)構(gòu)尺寸，比較其幾何差異。再觀察焊縫內(nèi)部氣孔大小和氣孔分布，分析焊縫截面的晶體組織。再選取焊縫截面試樣進(jìn)行機(jī)械拉伸試驗(yàn)，并且記錄下拉伸數(shù)據(jù)。最后，利用掃描電鏡對(duì)拉伸斷口裂紋進(jìn)行微觀組織觀察，并且分析其斷裂機(jī)理。

2 組織分析

2.1 截面形貌

焊縫的熔深和余高是反映焊縫連接效果的標(biāo)準(zhǔn)之一，在相同焊接條件下，熔深值在不高于鋁合金厚度的條件下越大，余高值在不低于鋁合金上表面的條件下越小，表明焊縫的連接效果越好。

對(duì)于普通6061 鋁合金薄板的焊接過(guò)程，在相同的焊接脈沖電流狀況下，選取同一焊縫的2 個(gè)截面，截面1 焊縫寬度為5.9 mm，高度為3.0 mm；截面2 焊縫寬度為6.2 mm，高度為3.1 mm，基本符合連接要求。另外，截面1 上存在較小的氣孔，截面2 上存在較大的氣孔，氣孔會(huì)降低焊縫有效連接面積，對(duì)焊縫造成負(fù)面影響，如圖2 所示。此狀態(tài)下焊縫的截面形貌較差，連接效果較差。

對(duì)于超聲清洗處理6061 鋁合金薄板的焊接，在相同焊接脈沖電流下，選取同一焊縫的2 個(gè)截面，截面1 焊縫寬度為6.0 mm，高度為3.0 mm；截面2 焊縫寬度為6.3 mm，高度為3.1 mm，基本符合連接要求。截面1 和截面2 上均不存在較大的宏觀氣孔，焊縫有效連接面積基本沒(méi)有減少，不會(huì)對(duì)焊縫造成太大負(fù)面影響，如圖3 所示。此狀態(tài)下焊縫的截面形貌較好，連接效果較好。

2.2 氣孔缺陷分析

對(duì)于普通6061 鋁合金薄板的焊接過(guò)程，焊縫截面的微觀組織如圖4 所示。在焊縫中心熔化區(qū)，分布著均勻的柱狀晶顆粒，晶粒尺寸在合理范圍之內(nèi)，其平均晶粒度為14.3± 0.5 μm。由于熔池液態(tài)金屬兩側(cè)和鋁合金薄板的連接區(qū)在焊接過(guò)程中形成焊縫熔合區(qū)，并且熔池液態(tài)金屬兩側(cè)和鋁合金薄板的連接區(qū)存在較多的氧化膜顆粒，因此在焊縫熔合區(qū)，氣孔的形核過(guò)程是異質(zhì)形核，氣孔成長(zhǎng)速率較快，在這種情況下，氣孔的形核和成長(zhǎng)依賴于氧化膜焊渣，氣孔分布不均，平均直徑較大，氣孔內(nèi)部還存在形狀不規(guī)則的氧化膜焊渣。

對(duì)于超聲清洗處理6061 鋁合金薄板的焊接過(guò)程，焊縫截面的微觀組織如圖5 所示。在焊縫中心熔化區(qū)，分布著均勻的柱狀晶顆粒，晶粒尺寸在合理范圍之內(nèi)，其平均晶粒度為14.1±0.5 μm。由于熔池液態(tài)金屬兩側(cè)和鋁合金薄板的連接區(qū)在焊接過(guò)程中形成焊縫熔合區(qū)，但熔池液態(tài)金屬兩側(cè)和鋁合金薄板的連接區(qū)不存在氧化膜焊渣，因此在焊縫熔合區(qū)，氣孔的形核過(guò)程是均質(zhì)形核，氣孔成長(zhǎng)速率較慢。在這種情況下，氣孔的形核和成長(zhǎng)是隨機(jī)的過(guò)程，氣孔分布不均，平均直徑較小，氣孔內(nèi)表面較為平滑。

3 機(jī)械性能

3.1 機(jī)械性能

對(duì)于普通6061 鋁合金薄板的焊縫，在相同的焊接脈沖電流狀況下，截面1 左側(cè)焊縫拉伸強(qiáng)度為146.8 MPa，右側(cè)焊縫拉伸強(qiáng)度為143.2 MPa；截面2 左側(cè)焊縫拉伸強(qiáng)度為148.5 MPa，右側(cè)焊縫拉伸強(qiáng)度為139.8 MPa，如圖6 所示。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，此狀態(tài)下焊縫抗拉強(qiáng)度較低。

對(duì)于超聲清洗處理6061 鋁合金薄板的焊縫，在相同的焊接脈沖電流狀況下，截面1 左右側(cè)焊縫拉伸強(qiáng)度分別為184.3 MPa、192.7 MPa；截面2 左右側(cè)焊縫拉伸強(qiáng)度為182.5 MPa、198.8 MPa，如圖7 所示。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，此狀態(tài)下焊縫抗拉強(qiáng)度較高。

3.2 斷口裂紋分析

對(duì)于普通6061 鋁合金薄板的焊接過(guò)程，焊縫截面的拉伸斷口組織如圖8 所示，焊縫的拉伸斷口基本是沿著拉伸方向上有效面積最小的截面斷裂，但由于存在氧化膜焊渣的作用，焊縫的斷口上分布著規(guī)模相對(duì)較大的氣孔，焊縫在該方向上的拉伸強(qiáng)度較低。又由于在斷口上存在較小的韌窩，說(shuō)明沉積墻體在該方向上的韌性較差，在相同的極限拉伸強(qiáng)度條件下，其屈服強(qiáng)度較小。

對(duì)于超聲清洗處理6061 鋁合金薄板的焊接過(guò)程，焊縫截面的拉伸斷口組織如圖9 所示，焊縫的拉伸斷口基本是沿著拉伸方向上有效面積最小的截面斷裂，但由于不存在氧化膜焊渣的作用，焊縫的斷口上分布著規(guī)模相對(duì)較小的氣孔，焊縫在該方向上的拉伸強(qiáng)度較低。又由于在斷口上存在較大的韌窩，說(shuō)明沉積墻體在該方向上的韌性較好，在相同的極限拉伸強(qiáng)度條件下，其屈服強(qiáng)度較大。

4 結(jié)論

本文通過(guò)超聲清洗工藝，在相同的脈沖電流條件下，分析其對(duì)鋁合金冷金屬過(guò)渡焊縫組織形成的影響以及對(duì)鋁合金冷金屬過(guò)渡焊縫機(jī)械性能的影響，結(jié)論如下：

（1）普通鋁合金薄板CMT 焊接存在較多氧化膜顆粒并促進(jìn)氣孔異質(zhì)形核，加快氣孔形成速率。超聲清洗處理鋁合金薄板CMT 焊接存在較少的氧化膜顆粒，減緩氣孔形成速率。

（2）普通鋁合金薄板焊縫的拉伸斷口上存在較小的韌窩，焊縫韌性較差。超聲清洗處理鋁合金薄板焊縫的拉伸斷口上存在較大的韌窩，焊縫韌性較好。

（3）超聲清洗處理鋁合金薄板焊縫組織性能達(dá)到最佳時(shí)的脈沖電流較大，且其極限抗拉強(qiáng)度由144.6 MPa 提升到189.6 MPa，組織性能明顯好于普通鋁合金薄板焊縫。