汽車用鎂、鈦異種金屬CMT焊的結(jié)合機(jī)制研究

陳莉

摘要：本文采用CMT焊接技術(shù)，利用熔釬焊原理對(duì)1mm厚AZ31B鎂合金和TA2工業(yè)純鈦進(jìn)行異種金屬焊接。通過(guò)改變焊接電壓、送絲速度以及偏移量等工藝參數(shù)，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響。

關(guān)鍵詞：CMT焊結(jié)合機(jī)制；鎂/鈦；工藝參數(shù)

一、鎂鈦異種金屬CMT焊的結(jié)合機(jī)制

鎂合金和鈦合金作為輕量高強(qiáng)金屬材料的代表在工業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在鎂鈦異種金屬的CMT熔釬焊過(guò)程中，鈦板在上，鎂板在下，焊槍作用在鈦板邊緣，鎂合金熔化形成熔池，熱量向熔池兩側(cè)傳導(dǎo)，鈦母材的熱導(dǎo)率相對(duì)較低，能量在鎂合金一側(cè)迅速傳導(dǎo)，促使鈦合金的溫度始終處于液相線之下或接近，導(dǎo)致鈦側(cè)母材不熔化，形成釬焊界面。

二、異種金屬焊接的主要困難

異種金屬焊接時(shí)，無(wú)論從焊接機(jī)理和操作技術(shù)上都比同種金屬?gòu)?fù)雜得多，這是因?yàn)楫惙N金屬的物理性能、化學(xué)性能及化學(xué)成分等有顯著差異。異種金屬焊接時(shí)的主要困難如下：

1）異種金屬的熔點(diǎn)、線脹系數(shù)、電磁性、熱導(dǎo)率和比熱容相差愈大，愈難進(jìn)行焊接。2）異種金屬的氧化性愈強(qiáng)，愈難進(jìn)行焊接。3）異種金屬之間形成的金屬間化合物愈多，愈難進(jìn)行焊接。由于金屬間化合物具很大的脆性，容易使焊縫產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂。4）異種金屬焊接時(shí)，焊縫和兩種母材金屬不易達(dá)到等強(qiáng)度。這是由于焊接時(shí)熔點(diǎn)低的金屬元素容易燒損、蒸發(fā)，從而使焊縫的化學(xué)成分發(fā)生變化，力學(xué)性能降低。尤其是焊接異種有色金屬，這種現(xiàn)象更為明顯。

三、異種金屬焊接存在的問(wèn)題

1）異種金屬之間不能形成合金。2）異種金屬的線脹系數(shù)不同，容易引起熱應(yīng)力，而且這種熱應(yīng)力往往不易消除，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的焊接變形。3）異種金屬在焊接過(guò)程中，由于金相組織變化或生成新的組織，都可使焊接接頭的組織性能變差，給焊接帶來(lái)很大困難。4）異種金屬焊接的熔合區(qū)及熱影響區(qū)的力學(xué)性能較差，特別是塑性明顯下降。5）異種金屬的焊接接頭，由于焊接應(yīng)力和脆性的增加。容易產(chǎn)生裂紋，尤其是熱影響區(qū)更容易產(chǎn)生裂紋，甚至發(fā)生斷裂。

四、焊接參數(shù)對(duì)焊縫形貌的影響

利用CMT焊接實(shí)現(xiàn)鎂鈦異種金屬的焊接。CMT焊接時(shí)鎂合金母材熔化實(shí)現(xiàn)熔化焊，熔化的焊絲和鎂母材向鈦母材鋪展，在鈦一側(cè)形成釬焊接頭。本內(nèi)容主要研究焊接速度、焊接電壓、送絲速度及偏移量對(duì)焊縫成形及接頭力學(xué)性能的影響。

（一）鎂/鈦熔釬焊焊縫形貌

根據(jù)熔釬焊的原理，將焊槍作用在鈦板邊緣，實(shí)現(xiàn)了鎂合金的深化，同時(shí)工業(yè)純鈦的溫度并沒(méi)有達(dá)到熔點(diǎn)仍然保持固態(tài)。在不加任何釬劑釬料的前提下，即滿足了鎂合金熔化焊的特點(diǎn)，也滿足了鈦釬焊的特征。通過(guò)CMT熔釬焊得到的焊縫形貌如圖1所示。圖1中所示的焊縫為焊絲中心與鈦板邊緣對(duì)齊時(shí)所焊。

● 圖1（a）鎂鈦異種金屬CMT焊正面焊縫形貌

● 圖1（b）鎂鈦異種金屬CMT焊背面焊縫形貌

觀察圖1（a）、（b）的焊縫發(fā)現(xiàn)，焊絲中心與鈦板邊緣對(duì)齊時(shí)所焊焊縫正面、背面均成形良好，無(wú)明顯缺陷。由此可知鎂鈦異種金屬的CMT焊接時(shí)選擇合適的焊接參數(shù)和偏移量能夠得到成形良好的焊縫。

（二）不同焊接電壓下的焊縫形貌

在用AZ61鎂焊絲鈦上鎂下多元系統(tǒng)焊接時(shí)，設(shè)定送絲速度5.0m/min，焊接速度7.14mm/s，改變焊接電壓分別為10V、12V、14V、進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，焊縫正面及背面外觀形貌如表1所示。

● 表1不同焊接電壓下的焊縫形貌

焊 接電

壓（V） 焊 縫 形 貌

1# 10 正面

背面

3# 12 正面

背面

4# 14 正面

背面

在其他條件一定的情況下，提高焊接電壓，焊接功率相應(yīng)增加。但是焊接電壓的增加是通過(guò)增加電弧長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電弧長(zhǎng)度增加使得電弧熱源半徑增大，電弧散熱增加，輸入焊件的能量密度減小，因此熔深略有減小而熔寬增大。同時(shí)，由于焊接電流不變，焊絲的熔化量基本不變，使得焊縫余高減小。

電弧電壓對(duì)焊縫形狀的影響如圖2所示，圖中H表示焊縫厚度，B表示焊縫寬度，a表示余高，U表示焊接電壓。由圖中可以看出電弧電壓增長(zhǎng)，焊縫寬度顯著增加而焊縫厚度和余高將略有減少。

根據(jù)焊縫成形系數(shù)：

Φ=BH

式中B-焊縫寬度；H-焊縫厚度[18]。

由公式可以看出，隨著焊縫寬度增加，焊縫厚度減小，焊縫的成形系數(shù)將逐漸增大。

（三）不同送絲速度下的焊縫形貌

在用AZ61鎂焊絲鈦上鎂下一元系統(tǒng)焊接時(shí)，將焊接速度設(shè)定為12.5mm/s，調(diào)節(jié)送絲速度分別為9.5m/min、10.5m/min、11.5m/min、12.5m/min、13.5m/min，焊縫正、背面形貌如表2所示。

● 表2不同送絲速度下的焊縫形貌

送絲速度

（m/min） 焊縫形貌

2# 9.5 正面

背面

4# 10.5 正面

背面

6# 11.5 正面

背面

8# 12.5 正面

背面

10# 13.5 正面

背面

對(duì)比表2中不同送絲速度下的焊縫形貌看出，隨著送絲速度的逐漸增大，焊縫寬度逐漸增大，熔深增大。在送絲速度小于10.5m/min是焊縫寬度增大趨勢(shì)較明顯，焊縫局部有未熔透現(xiàn)象。送絲速度大于10.5m/min焊縫寬度增大增大趨勢(shì)不明顯，焊縫全部熔透。這就說(shuō)明送絲速度對(duì)焊縫成形及熔深有很大影響。對(duì)比圖中各個(gè)送絲速度下的焊縫發(fā)現(xiàn)，送絲速度為11.5m/min的焊縫成形最好。

五、結(jié)論

1.鎂鈦異種金屬的CMT焊中，對(duì)鎂板在下，鈦板在上的接頭形式，適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)可以獲得較好的焊縫成形，但是焊接電壓過(guò)大會(huì)使得成形系數(shù)過(guò)大，送絲速度過(guò)大也會(huì)是焊縫高度過(guò)高，影響成形。

2.通過(guò)對(duì)焊縫表面形狀分析初步得出工藝參數(shù)：一元系統(tǒng)焊接時(shí)送絲速度為11.5m/min，焊接速度12.5mm/s。多元系統(tǒng)焊接焊接電壓14V，送絲速度5.0m/min，送絲速度為7.14m/min。焊縫成形較好。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陸剛.鋁、鎂、鈦合金材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].上海有色金屬，2006（02）

[2]李亞江，王娟，劉鵬.異種難焊材料的焊接及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003（12）

[3]楊修榮.超薄板的CMT冷金屬過(guò)渡技術(shù)[J].焊接，2005（12）

[4]劉中青，邸斌.異種材料的焊接[M].北京：科學(xué)出版社，1990

【作者單位：新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院】