劉立峰，楊帥，于鐵軍，賈慎鋒，邢彥鋒

（1.201712 上海市 上海和達汽車配件有限公司；2.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

冷金屬過渡技術(shù)（Cold Metal Transfer，簡稱CMT）因其具有無飛濺、低熱輸入量等特點，對獲得高強度焊接接頭、控制熱影響區(qū)更加有利。眾多學者為了獲取更好的焊接接頭，對CMT 焊接展開了一系列試驗研究。Feng J[1]等利用CMT低熱輸入特點進行了薄板焊接實驗，焊接了1 mm的純鋁板且撓曲變形較?。籆ao R[2-4]等采用CMT焊接技術(shù)，進行了一系列異種金屬焊接，得到的焊接接頭強度能夠符合要求；Tian Y[5-6]等研究發(fā)現(xiàn)，在CMT 焊接過程中，應(yīng)用超聲波振動能夠增加熔深和焊縫強度，并減小焊接接頭處的氣孔。由于CMT 受控短路過渡的特點，因此CMT 在異種金屬焊接以及薄板焊接方面具有優(yōu)勢。

鋁合金作為輕質(zhì)材料，在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中逐漸被重視。由于6 系鋁合金具有中等強度、耐蝕性能好、成形性和工藝性能良好等優(yōu)點，已成為汽車制造中使用廣泛的材料之一，但是焊接鋁合金薄板時，容易產(chǎn)生焊縫缺陷，容易熔透。為了獲得良好的焊縫，學者們針對鋁合金焊接展開了一系列研究。雷祥[7]等針對6005A 鋁合金激光MIG 復合焊基于正交實驗研究了焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響；黃勇[8]等發(fā)現(xiàn)采用活性劑對鋁合金A-TIG 焊熔深有一定增加；黃健康[9]等針對鋁合金雙脈沖MIG 焊接提出通過改變周期性雙脈沖中的高能脈沖時間來調(diào)整熱輸入從而對熔寬進行控制；Wang Peng[10]等針對6061-T6 鋁合金CMT 焊接基于5 個特征參數(shù)（升壓電流、燃弧電流、短路電流、升壓電壓、焊絲運動速度）、從3 個階段（升壓階段、燃弧階段、短路階段）來分析能量輸入、熔滴過渡、焊縫形貌、微觀結(jié)構(gòu)；Kumar[11]等針對CMT 周期電流變化進行分析，來量化CMT 焊接熱輸入，研究焊接電流與焊接速度對熔深熔寬余高的影響，發(fā)現(xiàn)單位長度的熱輸入隨著焊接速度的增加而減少，稀釋率隨單位長度的熱輸入的增加而增加。通過合理的參數(shù)控制，可以有效地控制焊縫質(zhì)量，形成良好的焊縫。

由于鋁合金熱膨脹系數(shù)大，金屬活潑，且薄板件易熔透，因此參數(shù)選擇不當容易產(chǎn)生缺陷，導致形成的焊縫熔寬較差，無法有效連接焊接試件。本文以AA6061-T6 鋁合金為對象，采用CMT 焊接，通過控制焊接速度、送絲速度以及弧長修正等參數(shù)研究了CMT 焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律，為焊接參數(shù)的優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 實驗方法及材料

試驗選取了AA6061-T6 變形鋁合金，尺寸為150 mm×150 mm×1.5 mm，焊絲選用直徑1.2 mm的ER4043 作為填充材料。實驗材料的化學成分如表1 所示。保護氣為純度99.995%的氬氣。

表1 實驗材料的化學成分Tab.1 Chemical composition of test material

接頭形式采用的是搭接，如圖1 所示。焊接采用Fronius 公司的TPS4000CMT 焊機，焊接示意如圖2 所示。

圖1 試件尺寸及接頭形式Fig.1 The size of test piece and joint form

圖2 焊接示意圖Fig.2 Welding schematic

焊接在平坦位置進行，使用夾具，以抑制焊接過程中的變形。在焊接過程中，焊槍始終與鋁板保持垂直。為了減少其他因素的影響，在焊前先對試件進行清理，首先采用機械法去除鋁板表面的陽極氧化膜，隨后使用酒精擦拭鋁板，去除污垢等。焊接完成后，按照拉伸和金相試樣制作標準，將試件沿焊縫橫截面切割，制備拉伸試樣和金相實驗。在萊卡顯微鏡下觀察焊縫形貌，并測量焊縫熔寬、熔深等數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果及分析

本試驗選取的主要影響因素有送絲速度vwf、焊接速度vw以及弧長修正ac等。利用響應(yīng)曲面法分析不同焊接參數(shù)之間的交互作用對熔寬增加的影響。應(yīng)用響應(yīng)面法建立了用于預測熔寬的數(shù)學模型，基于文中選取的因素vwf，vw，ac，響應(yīng)方程可以表示為

回歸方程可以進一步表示為

式中：B——回歸系數(shù)；W——熔寬；Xi——考察因素。

根據(jù)Box-Behnken 實驗設(shè)計原理采用三因素三水平響應(yīng)曲面分析。水平設(shè)置如表2 所示。

表2 焊接實驗因素水平表Tab.2 Welding experiment factor level

在三因素三水平條件下，進行17 組實驗，包括5 組中心點實驗，實驗參數(shù)及試驗結(jié)果如表3 所示。其中，焊接速度為0.4 m/min，弧長修正數(shù)值為0，送絲速度分別為4.0，4.3，5.2 m/min時的焊縫形貌如圖3 所示。由圖3 可知，隨著送絲速度的增加，焊縫熔寬有著顯著的增加。

圖3 送絲速度由4.0 m/min 增加到4.6 m/min 時焊縫形貌的變化（焊接速度為0.4 m/min、弧長修正為0%）Fig.3 Change of weld formation when wire feeding speed increases from 4.0 m/min to 4.6 m/min(welding speed is 0.4 m/min,arc correction is 0%)

為了進一步研究焊接參數(shù)對熔寬變化的影響，根據(jù)表3 實驗數(shù)據(jù)，對影響因素進行Cubic擬合，并剔除不顯著因素，得到以送絲速度、焊接速度、弧長修正為考察因素，以熔寬為響應(yīng)值的回歸方程：

表3 BBD 試驗設(shè)計Tab.3 Box-Behnken design

對數(shù)學模型的顯著性進行檢驗，得到熔寬的擬合方差分析表，結(jié)果如表4 所示。

表4 響應(yīng)面方差分析表Tab.4 Response surface variance

表4 中，A 為送絲速度；B 為焊接速度；C為弧長修正。當P 值<0.05 即可以認為因素顯著，P 值<0.01 可以認為因素非常顯著。該模型的F值=50.81，P 值<0.000 1，表示該模型非常顯著，失擬項的P>>0.05 說明失擬項不顯著。其中，P值不超過0.01 的因素有A，B，C，A2B，分別為送絲速度、焊接速度、弧長修正，以及送絲速度與焊接速度的交互作用，說明選取的影響因素對熔寬影響作用顯著。其中影響熔池寬度的因素按顯著性大小順序依次為焊接速度、送絲速度、弧長修正。

圖4 描述了各影響因素對焊接熔寬的直接影響變化。從圖中可以看出，3 個影響因素對熔寬增加的影響均顯著。送絲速度與弧長修正與熔寬增加的關(guān)系是正相關(guān)，焊接速度與熔寬增加的關(guān)系是負相關(guān)，其中焊接速度對熔寬增加的影響最顯著。由于焊接速度的增加減小了電弧在焊縫單位長度上的加熱時間，使得焊接過程中形成的熔池區(qū)域變小，因此隨著焊接速度的增加，熔寬逐漸減小。

圖4 各因素對熔寬的影響Fig.4 Influence of various factors on welding width

送絲速度的變化直接改變?nèi)刍附z的熱量。隨著送絲速度的增加，熔化焊絲所需要的電流增加，因此電弧熱增加，形成的熔池區(qū)域增加，焊絲加熱熔化率增加，過渡到板材內(nèi)的熔滴量增加，導致形成的熔寬增加。弧長修正并不是直接影響熱輸入，而是通過影響電弧形態(tài)來改變形成的熔寬。當弧長修正增加時，電弧半徑增加，但是能量密度下降，因此加熱區(qū)域增加，形成的熔池區(qū)域增加，但是熔池深度減小，因此隨著弧長修正的增加，熔寬逐漸增大，熔深減小。

通過分析，得到了各影響因素因素之間交互作用的響應(yīng)曲面圖。由圖5 可知，送絲速度與焊接速度的交互作用對熔池寬度的影響最顯著。

圖5 各工藝參數(shù)對熔寬影響的響應(yīng)曲面圖Fig.5 Response surface graphs depicting effects of process parameters

圖5（a）為保持弧長修正為0，控制其他參數(shù)不變時，送絲速度與焊接速度對熔寬的影響。當焊接速度與送絲速度均處0 水平時，熔寬變化趨勢最大；圖5（b）為保持焊接速度為0.6 m/min，控制其他參數(shù)不變時，送絲速度與弧長修正對熔寬的影響。熔寬隨著弧長修正水平的增加而增加，且在焊接速度最小時達到最大；圖5（c）為保持送絲速度為4.3 m/min，控制其他參數(shù)不變時焊接速度與弧長修正對熔寬的影響?？紤]到送絲速度過大導致的表面燒灼現(xiàn)象，對于1.5 mm 的鋁合金薄板，選取送絲速度為4.3 m/min，焊接速度為0.6 m/min，弧長修正為10%比較適宜。

3 結(jié)論

本文針對鋁AA6061-T6 搭接縫焊CMT 焊接，基于響應(yīng)曲面法分析了焊接工藝參數(shù)對熔寬增加的影響，得到以下結(jié)論：

（1）熔寬隨著送絲速度的提高逐漸增加，隨著焊接速度的提高逐漸減小，隨著弧長修正的提高逐漸增加。其中對影響熔寬的因素按顯著大小順序為焊接速度、送絲速度和弧長修正。

（2）熔寬變化顯著受到單位焊縫長度內(nèi)焊接熱輸入量的影響。當送絲速度提高時，熔絲焊絲需要的電流增加，焊接熱功率提高，形成的熔池區(qū)域增加，從而使得熔寬變大；當焊接速度增加時，單位焊縫的熱輸入減小，形成的熔池區(qū)域減小，從而使得熔寬減??；弧長修正增加時，電弧半徑增大，形成的熔池區(qū)域增加。

（3）焊接速度和送絲速度的交互作用對焊縫寬度影響較大，在低送絲速度和高焊接速度下，形成的焊縫熔寬不夠，而較大送絲速度又會造成表面燒灼，因此焊接參數(shù)選取送絲速度為4.3 m/min，焊接速度為0.6 m/min，弧長修正為10%比較適宜。