王 強(qiáng)，霍文濤，恒俊楠

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著國家大力推進(jìn)節(jié)能減排，清潔能源的使用得到快速發(fā)展。但是由于電池等清潔能源續(xù)航里程的瓶頸，對汽車車身在保證安全的前提下減重勢在必行，鋁合金逐漸成為汽車零部件生產(chǎn)制造所必需的材料之一[1]。汽車輕量化勢在必行，全鋁車身應(yīng)運(yùn)而生。但由于鋁合金本身特點(diǎn)，導(dǎo)熱快，膨脹系數(shù)大，對薄板的焊接容易產(chǎn)生較大的焊接變形，降低焊接結(jié)構(gòu)件的尺寸精度，鋁合金薄板焊接過程中的問題歸根結(jié)底就是焊接熱輸入量過大導(dǎo)致的。

冷金屬過渡焊接技術(shù)(CMT)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，低熱輸入量和無飛濺等特點(diǎn)，其通過控制焊絲的回抽運(yùn)動，幫助焊絲與熔滴分離，焊絲的機(jī)械式回抽運(yùn)動就保證了熔滴的正常脫落，從而使得熔滴過渡實現(xiàn)無飛濺，又避免了較大的熱輸入量(圖1)。其最大的特點(diǎn)是總結(jié)了普通MIG焊接技術(shù)在薄板焊接中的缺陷，采用送絲運(yùn)動和熔滴過渡相結(jié)合的方式，是一種“熱-冷-熱”連續(xù)交替的焊接過程，可以大大降低焊接時的熱輸入量，目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[3,4]。

圖1 CMT焊機(jī)短路過渡原理圖Fig.1 CMT welder short circuit transition schematic diagram

目前已有不少關(guān)于CMT焊接技術(shù)的實際成果，主要包括鋼鋁異種金屬焊接、鋁合金薄板焊接，多數(shù)集中在薄板領(lǐng)域，對于應(yīng)用到實際鋁合金汽車白車身較少，實際項目焊接過程較為復(fù)雜，焊接變形多變。本文結(jié)合焊接試驗對鋁合金薄板焊接進(jìn)行研究和分析，驗證CMT焊接技術(shù)在實際項目中可以提高薄板焊接質(zhì)量、控制焊接變形量，提高生產(chǎn)效率。

1 試驗及分析

1.1 CMT焊與普通MIG焊薄板搭接焊縫試驗

試驗材料為6005A-T6板材，為Al-Mg-Si系合金，厚度1mm。焊絲為ER5087，規(guī)格為Φ1.2mm，化學(xué)成分見表1，進(jìn)行搭接焊縫的焊接試驗。

表1 鋁合金型材及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Chemical composition of aluminum alloy profiles and welding wires(wt.%)

由圖2所示，搭接焊縫外觀可以明顯對比出，普通MIG焊焊接1mm薄板，由于焊接沖擊力及熱輸入量過大，導(dǎo)致焊縫扁平，同時出現(xiàn)燒穿、焊洇等嚴(yán)重缺陷；而CMT可以焊接出合格的焊縫外觀，且焊縫背部無焊洇現(xiàn)象，避免后續(xù)裝配干涉，無需打磨處理，節(jié)省工時，提高效率。

圖2 搭接焊縫外觀試驗Fig.2 Appearance test of lap weld

1.2 CMT和MIG對接焊縫焊接試驗

1.2.1 焊接準(zhǔn)備及焊接試驗

焊接試驗采用汽車用板材5052-H11，其尺寸為300mm×100mm×2mm，焊絲為ER5087，規(guī)格為Φ1.2mm，采用I型坡口對接，化學(xué)成分見表2。焊接設(shè)備為福尼斯TPS4000 MIG焊機(jī)和TPS 5000 CMT焊機(jī)。使用氣動鋼絲碗刷和無水乙醇做好母材焊前清理工作，焊前進(jìn)行試焊以確定最佳焊接規(guī)范。具體焊接參數(shù)為，MIG焊接組對間隙0～1mm，焊接電流60A～70A，送絲速度4.5m/min；CMT焊接組對間隙0～1mm，焊接電流85A～95A，送絲速度6m/min。

表2 母材5052-H11及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.2 Chemical composition of base metal 5052-H11 and welding wire(wt.%)

1.2.2 試驗結(jié)果及分析

(1)焊接效率分析。經(jīng)過對焊接過程時間測算，相同板厚(2mm)、相同長度(300mm)的試板，每種試板焊接3次，取其平均值計算焊接時長，具體時間見表3。

表3 焊接時間對比Tab.3 Comparison of welding time

可以看出，在合理的焊接參數(shù)下，MIG焊平均焊接時間為32.67s，CMT焊平均焊接時間為24.67s。對于生產(chǎn)實際來說，焊接速度是評價生產(chǎn)效率的一項重要指標(biāo)，同時更短的時間也可以降低焊接操作人員的勞動強(qiáng)度。而且時間更短，說明CMT焊接過程中焊接熱輸入量更低，所以焊接薄板過程更容易操作，焊接質(zhì)量更易控制。

(2)焊縫外觀分析。對比兩種焊接方法的焊縫成形情況，如圖3所示，焊接薄板時，采用普通MIG焊接時，焊接熱輸入量較大，薄板焊縫基本沒有余高，在部分位置出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)塌陷和焊漏現(xiàn)象。而采用CMT焊接時，焊縫外觀美觀成形良好，焊縫余高均勻飽滿，與母材過渡圓滑。這是因為CMT焊接通過電源的DSP芯片控制，可以將送絲機(jī)構(gòu)與焊接過程聯(lián)動控制起來，在熔滴短路過渡時，電源自動采集短路電流信號，會立刻切斷電流，焊絲同步回抽幫助熔滴進(jìn)入熔池，從而實現(xiàn)瞬時無電流熔滴過渡，即熔滴“冷過渡”[5,6]，可以有效控制焊縫的熱輸入量，焊接人員更容易操控焊槍，實現(xiàn)對焊縫成形的控制。

圖3 焊縫外觀Fig.3 Welding visual test

(3)焊縫斷面分析。對比兩種焊接工藝的焊縫宏觀形貌，如圖4(a)(b)所示。兩種焊縫斷面均熔合良好，均能實現(xiàn)單面焊雙面成型，但是MIG焊接試樣明顯看出焊縫背透要比CMT焊接試樣要大，說明MIG焊的焊接過程中熱輸入量要高于CMT。對比焊縫微觀組織也可以看出，CMT焊縫的斷面成型效果更理想，如圖4(c)(d)所示。

圖4 焊縫組織形貌Fig.4 Weld section

對比兩種焊接接頭的顯微組織可以看出，焊縫區(qū)域存在明顯的等軸樹枝晶，焊縫熔合線靠近焊縫側(cè)為粗大的柱狀晶[7]，同時因鋁合金焊縫凝固過程，靠近母材區(qū)域的焊縫先凝固，但是因焊縫區(qū)域散熱均需經(jīng)過熔合區(qū)傳導(dǎo)，所以晶體會明顯向著母材方向生長，形成定向晶體[8]。觀察組織斷面可以看出，由于MIG焊比CMT焊熱輸入量大，相比較CMT晶體組織，MIG焊的晶體有更長的時間生長，晶粒長大更明顯，出現(xiàn)更為粗大的晶體組織，析出相增多，并且晶粒大小更不均勻[9]，所以CMT的晶粒組織要更均勻細(xì)小。

(4)力學(xué)性能試驗分析。按ISO 4136:2012《金屬材料焊縫破壞性試驗-橫向拉伸試驗》要求制備焊接試樣，在AG-X 100KN電子萬能拉伸測試機(jī)上對不同焊接方法的焊接接頭試樣進(jìn)行拉伸測試，試驗結(jié)果見表4。采用普通MIG焊接5052-H11+5052-H11材料時，接頭的平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到133MPa；而采用CMT焊接時，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到138.7MPa，采用CMT焊接接頭的力學(xué)性能要略高于普通MIG焊接接頭，且斷后伸長率CMT(22.83mm)明顯高于普通MIG斷后伸長率(16mm)。

表4 焊縫接頭力學(xué)性能試驗Tab.4 Mechanical performance test of welded joints

結(jié)合焊縫金相分析，在達(dá)到相同焊接效果的前提下，CMT焊縫的焊接熱輸入量比普通MIG焊的熱輸入量要小，晶粒長大情況不明顯，焊縫的融合效果更均勻，所以CMT焊的試件力學(xué)性能略高于普通MIG焊的。

2 實際項目應(yīng)用對比分析

2.1 焊接白車身側(cè)圍對比

將CMT焊和普通MIG焊同時應(yīng)用到某全鋁白車身S51EV項目側(cè)圍骨架焊接、側(cè)圍鈑金件焊接，進(jìn)行焊接對比試驗。主要焊接位置板厚為，側(cè)圍骨架為1.8mm～2.5mm的鋁合金型材對接焊縫，側(cè)圍鈑金件為1.0mm～1.5mm鋁合金鈑金件與型材的搭接。焊接完成后送檢，利用便攜式三坐標(biāo)進(jìn)行檢測，如圖5、圖6所示。

圖5 全鋁白車身側(cè)圍組焊Fig. 5 All-aluminum body-in-white side panel welding

圖6 全鋁白車身側(cè)圍三坐標(biāo)檢測Fig. 6 Three-coordinate detection of side wall of all-aluminum body in white

利用車間三坐標(biāo)檢測報告結(jié)果見表5，在總檢測點(diǎn)數(shù)為213個、關(guān)鍵點(diǎn)檢測數(shù)為99個時，CMT尺寸符合率(82.63%)明顯高于普通MIG(49.3%)尺寸符合率。同時CMT焊最大超差尺寸不超過2.5mm，普通MIG焊最大超差尺寸已達(dá)到10mm以上。說明利用CMT焊接工藝方法，能有效控制實際產(chǎn)品的焊接變形，即使是在白車身側(cè)圍這樣復(fù)雜的焊接構(gòu)件，相同的焊接順序，在白車身薄板件焊接過程，更容易控制焊接變形，對工裝夾具要求會進(jìn)一步降低。

表5 檢測點(diǎn)符合率對比表Tab.5 Comparison table of coincidence rate of detection points

3 結(jié)論

(1)采用CMT焊接薄板時，焊縫美觀成形良好，焊縫余高均飽滿，實現(xiàn)飛濺少，與母材圓滑過渡，焊縫均勻一致，可以實現(xiàn)1mm鋁板焊接。

(2)通過與普通MIG焊在薄板焊接對比試驗，發(fā)現(xiàn)CMT焊在薄板焊接方面具有焊接變形量小、焊接效率高，可廣泛應(yīng)用于鋁合金薄板焊接領(lǐng)域。

(3)通過實際汽車白車身側(cè)圍焊接試驗，CMT焊接在控制焊接變形量和焊接效率上，具有更明顯的優(yōu)勢。