6005A鋁合金CMT與MIG焊接頭組織及性能研究

周金旭，李 巖，楊 宇，林傳冬，齊芃芃，張春旭

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金因其密度低、比強度高、焊接性能良好，回收利用率高等優(yōu)點被廣泛應用于航空航天[1]、軌道車輛、汽車制造等領域，但是由于鋁合金在焊接過程中會產(chǎn)生較大的焊接變形和接頭軟化問題，大大降低了焊接結構的精度及質量。冷金屬過渡(cold metal transfer，CMT)焊接技術是Fronius公司開發(fā)出的一種新型焊接工藝[2]，具有高熔敷效率、低熱輸入和無飛濺等特點[3]，被廣泛應用于鋁合金焊接結構，改善了傳統(tǒng)MIG焊接鋁合金變形大的問題，減少了焊后校正的工作量，提高了生產(chǎn)效率[4]。同時CMT焊接技術具有更低的熱輸入增強了焊接接頭的強度，CMT焊接技術的應用也增加了焊接工藝技術的選擇性。本文針對2mm厚6005A鋁合金進行了CMT和MIG焊接工藝研究，對比了兩種焊接接頭的焊縫成型、力學性能、接頭微觀組織形貌并對斷口進行了微觀分析。

1 試驗材料及方法

試驗母材為6005A-T6可熱處理強化鋁合金，尺寸為300 mm×150 mm×2 mm；填充材料為ER5087，焊絲直徑為Φ1.2 mm；保護氣體為Ar，純度>99.99%。母材和焊絲化學成分如表1所示，母材力學性能如表2所示。焊縫采用對接不開坡口，焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰塵等，用氣動鋼絲刷打磨焊縫及其兩側25 mm區(qū)域內氧化膜至露出金屬光澤，并用酒精對待焊部位進行清理。

試驗采用Fronius CMT 5000焊機及KUKA KR90機器人等設備進行焊接，CMT焊接工藝送絲速度與電流、電壓為一元化調節(jié)方式，即通過選擇送絲速度來設置焊接電流和電弧電壓，電弧電壓可以通過弧長修正進行調節(jié)[5]，根據(jù)前期大量的工藝實驗得出了合理的焊接工藝參數(shù)對試板進行焊接，焊接工藝參數(shù)見表3。

表1 6005A鋁合金和ER5087焊絲化學成分(質量分數(shù)，%)

表2 6005A鋁合金母材力學性能

表3 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結果及分析

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鱗文；圖2(a)(b)分別為CMT和MIG焊接頭的宏觀形貌。從試驗結果可知，在合理的焊接工藝下，兩種焊接方法均實現(xiàn)了單面焊雙面成型，對焊縫進行宏觀觀察，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋、氣孔等缺陷，焊接接頭質量良好。

2.2 拉伸性能分析

根據(jù)GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗方法進行拉伸試樣的制備，焊后使用島津AG-X 100KNH型電子萬能試驗機對焊接接頭進行橫向拉伸破壞性試驗，試驗結果見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]，焊接接頭的抗拉強度分別達到實際母材抗拉強度的70%和67%，CMT焊接試件抗拉強度略高于MIG焊接試件。

表4 拉伸試驗結果

對斷口進行微觀分析可以發(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，韌窩大而淺同時存在準解理面，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電子萬能試驗機對兩種焊接接頭進行彎曲試驗，試驗結果見表5，焊接接頭彎曲后宏觀形貌如圖5所示。符合ISO15614-2評定標準，彎曲結果合格。

編號焊接方法彎曲類型彎曲角度壓頭直徑/mm試驗結果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)存在明顯的等軸樹枝晶，熔合線靠近焊縫一側為粗大的柱狀晶[7]，靠近母材一側為等軸晶;CMT焊縫組織更為細小，這是因為CMT焊接技術焊接熱輸入低，焊接過程中快速冷卻，焊縫組織來不及長大，快速的冷卻速度也將導致焊縫過冷度大形核效率更高阻礙晶粒的生長。熔合線靠近母材一側形成細小的等軸晶是由于靠近母材側過冷度較大，大大增加了形核效率，形成細小的等軸晶粒。

3 結論

(1)CMT和MIG焊接接頭的平均抗拉強分別為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，韌窩大而淺同時存在明顯的準解理面，斷裂形式為混合形斷裂。

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