摘要：結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，采用 CMT 焊接工藝可以獲得表面成形良好的焊接接頭。焊接接頭的熱影響區(qū)較窄，晶粒稍有長(zhǎng)大，硬度值相對(duì)稍低。焊縫區(qū)組織均勻，晶粒細(xì)小。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到母材的80%左右。

前 言

鋁合金具有大的比強(qiáng)度、高的塑性、良好的耐腐蝕性能以及優(yōu)異的機(jī)械加工性能、較高的回收率等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、船舶、汽車、軌道車輛等交通運(yùn)輸業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，交通運(yùn)輸業(yè)用鋁量占鋁總消費(fèi)量的 30%以上，成為鋁材最大用戶，鋁材正在部分替代鋼鐵成為交通運(yùn)輸工業(yè)的基礎(chǔ)材料[5]。目前我國(guó)的 CRH1、CRH2、CRH3、CRH5 四種類型的高速動(dòng)車組列車，除 CRH1 型車體采用的是不銹鋼外，其余三種動(dòng)車組車體均為鋁合金。

有資料表明，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有鋁合金車體制造中有超過(guò) 90%的焊縫采用 MIG 或 TIG 焊工藝。然而，使用傳統(tǒng)熔化焊工藝焊接這類鋁合金時(shí)，

主要出現(xiàn)的焊接性問(wèn)題有：焊縫中的氣孔、焊接熱裂紋、接頭變形及軟化等。這些焊接性問(wèn)題與鋁合金的物理性質(zhì)有關(guān)，很難得到根本的解決，在一定程度上也制約其應(yīng)用前景。

奧地利 Fronius 公司 CMT 冷金屬過(guò)渡技術(shù)是在短路過(guò)渡基礎(chǔ)上開發(fā)的。普通的短路過(guò)渡過(guò)程是：焊絲熔化形成熔滴、熔滴同熔池短路、短路橋爆斷，短路時(shí)伴有大的電流（大的熱輸入量）和飛濺。

而 CMT 過(guò)渡方式正好相反，在熔滴短路時(shí)，數(shù)字化電源輸出電流幾乎為零，同時(shí)焊絲的回抽運(yùn)動(dòng)幫助熔滴脫落，從根本上消除了產(chǎn)生飛濺的因素。

使 CMT 焊相比普通 MIG/MAG 焊有一定的優(yōu)勢(shì)：

（1） CMT 幾乎無(wú)電流狀態(tài)下的熔滴過(guò)渡，焊接熱輸入量極低，焊接變形小；

（2）CMT 焊弧長(zhǎng)控制精確，電弧更穩(wěn)定；

（3）焊縫成形均勻一致。

本文主要探討鎂合金的 CMT 焊方法，對(duì)鋁合金在工業(yè)中的應(yīng)用具有重要意義。

試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用6061鋁合金板材，焊絲采用ER5183 鋁合金，焊絲直徑φ1.2mm。焊接過(guò)程中選用99.99%的高純氬氣做保護(hù)氣，并且在焊前去除試樣表面的油脂及氧化膜。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)6061 鋁合金板材進(jìn)行對(duì)接 CMT 焊試驗(yàn)。焊接后，經(jīng)切割、研磨、拋光和腐蝕，制備成試件。采用金相顯微鏡進(jìn)行分析，得到接頭的金相顯微組織照片。拉伸試樣按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB2651‐2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》中規(guī)定取樣，采用 CMT5205 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊接接頭的拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為 2mm/min。測(cè)量試件硬度負(fù)載為 25g。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接工藝參數(shù)

試驗(yàn)采用平板對(duì)接焊，采用高純氬氣作為保護(hù)氣體。由于焊接參數(shù)多而復(fù)雜，工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量起至關(guān)重要的作用，CMT 焊機(jī)本身自帶經(jīng)過(guò)優(yōu)化的焊接參數(shù)專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，其焊接電流、電壓與送絲速度是協(xié)調(diào)線性調(diào)節(jié)的，只需要調(diào)節(jié)送絲速度，電流和電壓會(huì)對(duì)應(yīng)隨之變化。

同時(shí)可以通過(guò)弧長(zhǎng)修正和電感修正來(lái)微調(diào)電流和電壓，以達(dá)到最佳的焊接效果。本套 CMT 設(shè)備可以選擇不同的焊接模式，每種模式下對(duì)應(yīng)的可調(diào)節(jié)參數(shù)略有不同。試驗(yàn)中選用 CMT 模式，經(jīng)過(guò)前期的工藝試驗(yàn)，總結(jié)出影響焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)包括焊接電流、電壓、送絲速度、焊接速度、弧長(zhǎng)修正、焊槍位置及姿態(tài)、保護(hù)氣流量等。

試驗(yàn)選擇焊接電流和焊接速度作為可調(diào)參數(shù)，焊接電流、焊接電壓、送絲速度是從焊機(jī)控制面板上設(shè)定的，系統(tǒng)根據(jù)自帶的專家?guī)鞂?duì)焊接過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行即時(shí)調(diào)節(jié)，所以焊接時(shí)的實(shí)際參數(shù)與設(shè)定值略有偏差。

采用不同的焊接電流和焊接速度對(duì)鎂合金搭接焊接，研究焊接電流和焊接速度對(duì)焊接成形質(zhì)量的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著焊接電流的增大，焊縫的熔深和熔寬隨之增大；當(dāng)焊接速度增大時(shí)，焊縫的熔深和熔寬呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

通過(guò)試驗(yàn)的觀察以及對(duì)電弧的穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)整，得到較佳的焊接工藝為焊接電流 160A，焊接電壓19V，送絲速度9.3m/min，焊接速度900mm/min,保護(hù)氣流量17L/min。

得到的焊縫成形良好，上表面連續(xù)平整，為魚鱗狀波紋，并且沒有咬邊、裂紋、表面氣孔等缺陷，如圖1所示。
 

2.2 接頭力學(xué)性能分析

在優(yōu)化的焊接工藝下，得到鋁合金 CMT 焊接對(duì)接試樣，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)將試樣上下表面磨平，去除余高，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試樣如圖 2 所示，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表1。
 

拉伸結(jié)果顯示，接頭的斷裂位置均在鋁合金焊縫處，最大抗拉強(qiáng)度為199.47Mpa，達(dá)到母材的80%左右，基本滿足強(qiáng)度要求。

4號(hào)試樣由于焊接速度過(guò)快而導(dǎo)致熱輸入過(guò)低，產(chǎn)生未熔合缺陷，從而抗拉強(qiáng)度較低。5號(hào)試樣焊接電流最小同時(shí)焊接速度相對(duì)較快，熱輸入過(guò)低使得焊縫未焊透，故抗拉強(qiáng)度最低。

對(duì)焊接試樣的室溫拉伸試驗(yàn)斷口進(jìn)行觀察，掃描電鏡圖如上，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)量較多韌窩存在于斷裂起始位置，韌窩類型為穿晶型斷裂。

圖中，韌窩分部較為均勻，大小相對(duì)不一致。斷裂時(shí)，位錯(cuò)堆積首先產(chǎn)生在焊縫區(qū)域內(nèi)部的晶界、夾雜、析出物以及一些塑性變形不連續(xù)的部位，在鋁合金中主要發(fā)生在氣孔區(qū)域，應(yīng)力集中在這些區(qū)域發(fā)生，

之后在局部塑性變形區(qū)域出現(xiàn)微孔形核。隨著塑性變形的發(fā)展，微孔長(zhǎng)大，并發(fā)生聚集，最后相互連接導(dǎo)致斷裂的發(fā)生，同時(shí)在斷裂面上出現(xiàn)形態(tài)、大小及深淺不一的韌窩。

為了研究焊接接頭的硬度分布，對(duì)焊接接頭截面的焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)進(jìn)行顯微硬度測(cè)定。采用MH‐5D自動(dòng)轉(zhuǎn)塔式顯微維氏硬度計(jì)，打硬度后，不同區(qū)域的顯微硬度分布如圖3。

由此可見試件的硬度大約分布在60——74HV之間，其中焊縫的硬度大約分布在63——74HV之間，熔合線附近硬度值最高約為74HV。在熱影響區(qū)內(nèi)距熔合線約3mm的地方存在一個(gè)硬度最低的區(qū)，即軟化區(qū)，其硬度值約60HV。母材硬度曲線較為平均，在65HV左右。
 

由于試樣在焊接熱源的作用下，熱影響區(qū)的固溶區(qū)溫度比較高，由于鎂原子、硅原子大量聚集，使得母相發(fā)生了晶格畸變，由質(zhì)變引起的右邊場(chǎng)阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致焊接接頭得到加強(qiáng)。

而在距離焊縫較遠(yuǎn)的地方，即熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)軟化區(qū)，這是由于焊接時(shí)，該區(qū)域的加熱溫度大于原來(lái)時(shí)效處理的溫度，但是低于固溶溫度，使得強(qiáng)化粒子Mg2Si漸漸從母相分離，使得該區(qū)域的接頭硬度降低，即產(chǎn)生了所謂的“過(guò)時(shí)效”現(xiàn)象，在熱影響區(qū)內(nèi)得到了軟化區(qū)。該區(qū)域是焊接接頭的薄弱區(qū)，當(dāng)軟化現(xiàn)象嚴(yán)重在、是，接頭的機(jī)械性能也會(huì)產(chǎn)生惡化。

2.3 微觀組織特征分析

沿垂直于焊縫方向取樣，將制備好的金相試樣，用凱勒試劑腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察焊接接頭的組織特征。圖4為6061鋁合金的顯微組織照片。
 

圖中從左到右分別為母材、熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫。圖中的母材區(qū)域，晶粒沿著軋制方向延長(zhǎng)，呈纖維狀。且在上面的圖中能夠看到發(fā)亮的熔合線，

這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，由于被加熱，離焊縫較近的熔合區(qū)溫度較高，母材時(shí)效出的 Mg2Si 粒子大部分固溶到 α（Al）固溶體之中，形成了過(guò)飽和的固溶體，從而讓顏色變淺。

圖 4 為典型的焊接接頭組織照片，從圖中可以看出焊縫區(qū)與熱影響區(qū)的分界十分明顯。熱影響區(qū)是典型的過(guò)熱組織，晶粒較粗大，熱影響區(qū)很窄，雖然其晶粒與母材相比有所長(zhǎng)大，但是并不是特別明顯。

圖中存在一些黑點(diǎn)，產(chǎn)生這些黑點(diǎn)的原因是由于焊接過(guò)程中，焊縫中彌散分布著破碎的氧化物，液態(tài)的焊縫處于流動(dòng)的狀態(tài)之下，表面層狀態(tài)不均勻，引起了氧化物顆粒在部分地區(qū)分布稠密，造成了富氧區(qū)，之后在腐蝕劑的作用下就成了黑點(diǎn)。而焊縫區(qū)的晶粒則明顯比熱影響區(qū)和母材細(xì)小，是典型的鑄造急冷組織。

接頭處出現(xiàn)上述組織，主要是與焊接熱循環(huán)過(guò)程和鋁合金的物理特性有關(guān)。在焊接過(guò)程中，焊縫區(qū)的母材吸收大量的熱而熔化，凝固時(shí)由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱快，促進(jìn)了焊縫區(qū)金屬的快速凝固結(jié)晶，從而導(dǎo)致了焊縫區(qū)的晶粒細(xì)化，因此在焊縫區(qū)處得到細(xì)小的等軸晶。

熱影響區(qū)晶粒粗大且較寬，則是由于鋁合金的熔點(diǎn)低，導(dǎo)熱快，焊接加熱時(shí)需要大功率，熱影響區(qū)寬且易于過(guò)熱，吸收的熱量使熱影響區(qū)的組織發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致了熱影響區(qū)的組織晶粒粗大，從而使得熱影響區(qū)力學(xué)性能有所下降。

  結(jié) 論    

（1）采用 CMT 焊工藝可以在獲得 6061 鋁合金板材高質(zhì)量的焊接接頭. 其表面成形良好，無(wú)明顯缺陷；

（2）焊接接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材 80%左右，力學(xué)性能良好。熱影響區(qū)出現(xiàn)了軟化區(qū)，硬度較其他區(qū)域低；

（3）焊接接頭的熱影響區(qū)較窄，晶粒稍有長(zhǎng)大。焊縫區(qū)組織均勻，晶粒細(xì)小，主要由細(xì)小的等軸晶組成。

文章轉(zhuǎn)自焊接技術(shù)