铝合金和钢异种金属CMT焊接性分析

/(10-6·Ω·cm)
σb/MPa
6061 610 146.511.76 2.7
23.6
4.0
280
钢板 1500
77.5
7.86
11.76
1.5
350
1.2 试验方法
本试验采用奥地利Fronius公司生产TPS3200
系列数字化CMT焊机对铝和镀锌钢板进行搭接焊。
焊前，先用砂纸和钢丝刷将铝合金试件表面的氧化
12
2 1 2 3 3 1 2 3 1 2 3 1 2 2.790 1.988 4.778
13
2231123231 3 1 2 0
0
0
14
2 2 3 1 2 3 1 3 1 2 1 2 3 2.784 2.766 5.55
15
2 2 3 1 3 1 2 1 2 3 2 3 1 3.534 3.012 6.546
表 5（c）B×C 的二元表
C C1
C2
C3
B
B1 2.698 2.952 3.471 B2 2.384 2.229 1.091 B3 2.04 1.331 2.80 从A×B表上看，应选A1B1、A3B3或A2B1;从A×C表 上看，应选A2C3或A3C2;从B×C表上看,应选B1C3综合 这三张表，得到最优组合是A2B1C3D2E3F2G3，即在送丝 速度5.0m/min，焊接速度6.0m/s，偏离中心距离 2mm，焊接电压为13V，镀锌层厚度为120g/m2，焊丝
母材 类型
G 5183 6061 7075
表 2 折算系数表
水平数 m
2
3
4
5
6
7
8
9 10
折算数 d 0.71 0.52 0.45 0.4 0.37 0.35 0.34 0.32 0.3
表 4 极差分析表
试验号 K1
K2
K3
k1 k2 k3 极差 R 调整 R’ 主次顺序
A
26.77 8
46.72 4
表 1 正交实验的各因素和水平
因素
代号 一水平 二水平 三水平
送丝速度/ （m/min）
A 3 5 7
焊接速度/ （mm/s）
B 6 10 13
偏离距离/ （mm）
C 0 1 2
电压/ （v）
D 10 13 16
镀锌层厚度/ （g/m2） E 40 60 120
焊丝 型号
F 5356 4043 4047
2
1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4.292 4.276 8.568
3
1 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4.250 4.246 8.496
4
1 2 2 2 1 1 1 2 2 2 3 3 3 3.440 2.884 6.324
5
1222222333 1 1 1 0
膜去除，再用丙酮去除铝合金和镀锌钢板上的水渍
和油污，最后对上述清洗后的铝合金分别进行碱洗
和酸洗。将表面处理干净的试板组合成搭接接头
(6061 铝合金板在上，镀锌钢板在下)。采用正交
设计法对铝钢进行连接，采用Ar气保护，其流量为
20 L/min，焊接形式如图1所示。通过正交设计得
到最优的焊接规范，正交试验因素和水平如表1所
表 5（a）A×B 的二元表
B B1
B2
B3
A
A1 3.409 1.054 0 A2 3.079 2.016 2.692 A3 2.632 2.634 3.479
表 5（b）A×C 的二元表
C C1
C2
C3
A
A1 1.619 1.428 1.416 A2 2.717 1.729 3.341 A3 2.786 3.355 2.605
0
0
6
1222333111 2 2 2 0
0
0
7
1333111333 2 2 2 0
0
0
8
1333222111 3 3 3 0
0
0
9
1333333222 1 1 1 0
0
0
10
2 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4.550 4.326 8.876
11
2 1 2 3 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2.412 -- 4.824
系列4043以及铝母材为7075时，可得到良好的焊接 接头。 2.2 焊缝成型与接头形貌
焊接过程中通过焊接参数的优化，从而得到较 好的焊缝成形。焊接试样的焊缝表面成形如图3所 示，接头的正面成形美观，接头表面形成连续均匀 的、无飞溅的、窄而低的鱼鳞状的焊缝，从焊接接 头的背面可以看到镀锌钢板颜色略有变化，这表明 其镀锌层被烧损较少，有利于保持镀锌钢板的抗腐 蚀性。
20
3 1 3 2 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2.040 2.280 4.32
21
3 1 3 2 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3.900 3.652 7.552
22
3 2 1 3 1 3 2 2 1 3 3 2 1 4.020 3.958 7.978
23
3 2 1 3 2 1 3 3 2 1 1 3 2 3.976 3.848 7.824
铝钢焊接技术的发展有重大意义，但是铝钢焊 接又存在很多难点，基于此本文重点研究铝钢CMT 方法焊接的工艺技术以及相关的内在机理。
丝直径为1.2mm。
表1 铝、钢的物理性能
材料 熔点
热导率λ/
密度 p/ 线膨胀系数
密度电阻率ρ
抗拉强度
T/℃ [W·(m·K)-1]
(g·cm-3)
α/(10-6·K-1)
B×C
46.36 29.07
4 43.11
2 5.15 3.23 4.79 1.92 2.016
F
17.30 4
55.23 2
53.43 6
1.922 6.136 5.938 4.214 4.425
G
45.7 33.16
6 47.10
6 5.068 3.686 5.234 1.548 1.625
因素A、B以及他们之间的交互作用和C的交互作用 很重要，因此要列出A×B、B×C、A×C的二元表， 画出相应的表格a，b，c,如表5所示：
4.252 4.342 4.5 5.036 5.424 5.612 4.498
3.808 4.908 3.954 4.992 5.16 3.772 4.922
2.048 0.566 1.59 1.068 2.012 1.84 0.796
2.150 0.594 1.670 1.121 2.113 1.932 0.836 F > A > A×B > B > B×C > D > A×C> G > E >C
16
2 3 1 2 1 2 3 3 1 2 2 3 1 3.992 3.434 7.426
17
23122wenku.baidu.com1123 3 1 2 0
0
0
18
2 3 1 2 3 1 2 2 3 1 1 2 3 4.498 4.226 8.724
19
3 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1.960 -- 3.92
关键词：冷金属过渡 熔钎焊 组织特征 力学性能
0 前言
为了减少污染、节约能源，汽车工业通过引进 一些铝合金来代替车身部分的钢结构。铝合金的引 入解决了很重要的问题[1]。铝合金本身焊接就很难， 异种金属之间的焊接通常要比同种金属的焊接困 难。钢和铝或铝合金的焊接性较差，故焊接时存在 以下问题[2-3]:(1)被焊接头容易氧化;(2)焊缝成分 不均匀;(3)焊接变形大;(4)焊接接头容易产生裂 纹。在钢与铝或铝合金的焊接过程中，会产生各种 金属间化合物，这就增加了焊缝的脆性，降低了焊 缝的塑性和韧性。采用一般的熔化焊接方法时，以 上这些因素给两者之间的连接造成了困难。若采用 其他焊接方法，比如压力焊接和钎焊[3]，接头的形 状受到限制，且效率也大大降低。
52.47 2.976 5.192
5.83 2.854 2.997
B
54.72 4
34.22 2
37.02 6
6.08 3.802 4.114 2.278 2.392
A×B
52.40 6
45.67 8
27.88 8
5.822 5.076 3.098 2.724 2.860
A×B
C
A×C A×C B×C
24
3213321132 2 1 3 0
0
0
25
3 3 2 1 1 3 2 3 2 1 2 1 3 2.400 2.416 4.816
26
3 3 2 1 2 1 3 1 3 2 3 2 1 3.992 -- 7.984
27
3 3 2 1 3 2 1 2 1 3 1 3 2 3.888 4.188 8.076
D
E
52.70
35.71 30.71 41.51
6 42.73 49.89
6
6
8 37.13
38.26
40.49
48.81 50.50 40.47
6 39.07
8 45.33
4
6
8
44.17 35.58 44.92 46.44 33.94 44.29
34.28
2
4
6
2
8
2
5.856 4.748 5.544 3.968 3.412 4.614 4.126
示（考虑交互作用：A×B ;A×C ; B×C）。通过这
部分实验结果的分析找出最优的水平组合。结合焊
接接头力学性能测试以及接头的显微组织观察以
及能谱分析(EDAX)综合分析该种接头连接的内在
机理，力学性能测试示意图如图2所示。
1 试验材料及方法 1.1 试验材料
试验材料为镀锌层厚度（单面重量）分别为40、 60、120（单位：g/m2）镀锌钢板和5183、6061、7075 铝合金板，所有板材规格均为200 mm×100 mm×1 mm，选用牌号分别为4043、4047和5356的焊丝，焊
表 3 考虑交互作用：A×B ;A×C ; B×C 的正交试验结果及分析
列
1
A
试
号
验
号
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
B A× A× C A× A× B× D
E B× F
G
B
B
C
C
C
C
实验结果 P（KN）
P1
P2 合计
P
1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1.726 1.664 3.39
（b）焊缝的背面
图 3 焊缝的宏观成形 (mm)
2.2.1 工艺参数对接头形貌的影响 焊接时的工艺参数的选择对接头形貌有很大
的影响，本实验中可调的工艺参数为送丝速度、焊 接速度、焊枪偏移距离和电压。从正交实验结果可 知，送丝速度、焊接速度、焊枪偏移距离和电压对 焊缝接头形貌影响较大。结果表明：当焊枪的偏移 距离为0mm时，接头形貌最好。此时在较小的焊接 热输入下就能获得成形良好的接头，对镀锌板锌层 的烧损较少，而且铝母材一侧的热影响区也小。当 焊枪偏离其他位置时，只有当焊接热输入量增大到 一定程度时，才能得到熔合的接头，这样对镀锌层 的烧损较大，也对铝一侧产生了较大的影响，随着 焊枪偏离距离的增大，接头形貌和焊接的效果也越 差，如图4所示。
铝板 钢板
铝板 钢板
（a） 焊缝的正面
连续的接头，但由于焊接速度过快，铝不能有充足 的时间在镀锌钢板上完全的润湿铺展，而形成均匀 的、美观的焊缝。当送丝速度和焊接电压减小时， 线能量减小，单位时间内熔化的铝量较少，熔化的 铝不足以形成连续的焊缝的焊缝。所以采用CMT法 焊接铝和钢时应选取适当的送丝速度、焊接速度、 焊枪偏移距离和电压，不能或大或小。如图5、6所 示：
图 1 焊接示意图
2.1 正交实验结果及分析
实验结果极差分析，R ' = dR r ( r 为因素每
图 2 拉伸试样示意图 (mm)
2 实验结果及分析
个水平试验重复数；d 折算系数，与因素水平有关。) 折算系数表如2所示。考虑交互作用的正交分析表 如表3所示。从极差的大小如表4所示排出因素的重 要次序是：F > A > A×B > B > B×C > D > A× C> G > E >C,可见因素F的影响最大，它的三个水 平不同对载荷P影响很大，以第二水平最大，又因 为它与别的因素没有交互作用，因此可以决定选F2
CMT冷金属过渡技术技术有广泛的应用领域， 几乎可以应用于已知的所有可焊材料,如微电子器 件,机车制造行业,航天领域及桥梁和钢结构。CMT 工艺将焊丝的运动同熔滴过渡过程相结合,在焊接 过程中实现冷- 热交替焊接,大幅度降低热输入 量。这一创新工艺热输入量小、变形小、无飞溅、 搭桥能力好、焊缝均匀一致、焊接速度高、运行成 本低,为薄板的焊接提供了完美的解决方案,并已 为众多欧州、日本和美国的公司所接受和采用。
铝合金和钢异种金属 CMT 焊接性分析
曹 睿 余 刚 陈剑虹 (兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室, 兰州 730050)
摘要：本文针对汽车工业中铝合金和镀锌钢板的轻量化结构制造，利用正交实验法对铝合金与镀锌钢薄板搭接件进行了 异种材料冷金属过渡(CMT)熔钎焊，研究了工艺参数、焊丝成分以及镀锌层厚度对焊缝表面成形和接头力学性能的影响。铝/ 镀锌钢板CMT熔-钎焊的接头为典型的搭接接头形貌，在整个焊接过程中，硅和锌很好的起到了促进熔化的铝在钢板表面湿润 和铺展的作用。接头的界面组织分析表明，焊接接头被分成熔化区、中间界面区、过渡界面区和富锌区。在焊缝金属和镀锌 板的界面区形成的金属间化合物层，主要成分为Fe2Al5和FeAl3，焊丝中硅含量控制在5%左右可获得性能良好焊接接头。 通过实验得出理想的工艺参数：7075系列铝材在焊接电压13V，送丝速度5.0m/min，焊接速度：6.0m/s，偏离中心距离2mm， 镀锌层厚度：120g/m2，焊丝系列：4043可得到良好的焊接接头。