BC-MIG焊在鋁/鋼異種金屬增材制造工藝中的應用

李明琨，陳民昌，何資幟

（廣西南寧技師學院，廣西 南寧 530031）

增材制造技術也被稱為3D打印技術，在機械加工領域、汽車制造、航空航天以及軍事國防領域都有著誘人的應用前景。增材制造是多個學科之間相互融合，以材料技術為依托而產生和發展的一項新型技術，增材制造技術的基本原理思路是將復雜結構的零件變成無數層二維的平面圖疊加，這就使材料的加工思路出現了根本的變化。這種技術加工效率高，加工速度快，節省了加工原料的消耗，降低了加工成本，有利于制造業技術變革的加速推進。現在，增材制造技術已經分別在一些高分子材料和金屬材料上實現了應用，但這種應用僅僅局限于同一種材料上，在異種金屬、異種高分子材料以及異種金屬和高分子材料組成的復合材料上的增材制造技術研究尚少。

1 BC-MIG焊工藝的特點研究

MIG焊（熔化極惰性氣體保護焊），稱為熔化極氣體保護電弧焊。用實芯焊絲的惰性氣體（Ar或He）保護電弧焊法稱為熔化極惰性氣體保護焊，簡稱MIG焊。MIG焊接除用金屬絲代替焊炬內的鎢電極外，其他和TIG焊一樣。因此，焊絲由電弧熔化，送入焊接區。電力驅動輥按照焊接所需從線軸把焊絲送入焊炬。熱源也是直流電弧，但極性和TIG焊接時所用的正好相反。所用保護氣體也不同，要在氬氣內加入1%氧氣，來改善電弧的穩定性。

近年來，降低能耗以及減輕重量已經成為新型材料關注的焦點問題，對材料的特殊性能也提出了越來越高的要求，鋁合金是一種輕質的合金，作為一種薄板材料，廣泛應用于各種需要高強度結構中。在薄板鋁合金的焊接過程中，采用電弧焊接很容易產生一些缺陷，MIG焊正是焊接薄板鋁合金最好的焊接工藝，在MIG焊的焊接工藝體系中根據焊接的特點衍生出很多種MIG焊的方法，其中旁路分流MIG焊就是一種典型的輕質高強度鋁合金焊接方法。旁路分流MIG焊又叫作BC-MIG焊，是全新的MIG焊焊接工藝，這種焊接工藝需要的熱量輸入較低，其電弧增材的效率很高。大量的研究表明，這種新型的焊接工藝電弧熔敷效率極高，焊縫的沉積速率快，增材成形的精度很高，同種材料經過BC-MIG焊所獲得的增材效果良好，例如鋼材料、鋁合金材料以及銅材料之間的焊接。異種材料諸如鋁合金和鋼材料的焊接，鋁合金和鈦材料的焊接也能夠得到良好的焊接性能。

2 增材制造試驗方法及試驗參數

本文選擇Q235作為基板，其材料由鍍鋅鋼組成，增材材料選擇鋁合金作為焊絲，型號為4043鋁合金，利用上述兩種材料進行異種金屬增材試驗研究，由金相顯微鏡來觀察所制備的4043鋁合金沉積層組織形貌，通過顯微硬度計和萬能拉伸試驗機表征沉積層的力學性能。選擇Q235基板的厚度為2mm，選擇直徑為1.5mm的4043鋁合金作為焊絲。焊接是采用自行制作的BC-MIG焊設備進行實驗，在基材上進行腹板的堆焊，堆焊的形式以逐層堆焊進行。實質上旁路分流MIG焊就是將MIG焊槍的另一側增加一個分流焊槍，經過分流焊槍的分流后原本的主弧電流被分為2個部分，其中一部分電流通過旁路流回焊接電源，另一部分電流則是直接作用于母材的電流，在保證完全熔化焊絲的前提下合理地控制母材的熱量輸入，從每道工序和每層焊縫上進行質量控制，獲得良好的增材效果。經過多次工藝試驗優化后，將工藝參數中主路電流設置為75A，將電弧電壓調節為16.5V，將旁路分流的焊槍電流輸入調節為54A，焊接速度控制為0.8m/min，鎢極和焊絲之間的距離固定為5mm，鎢極和母材之間的距離也保持在5mm，焊接主路的焊槍噴嘴和母材之間保持10mm的距離，旁路焊槍和主路焊槍的保護氣體流量分別控制在5L/min和15L/min。

3 結果與討論

3.1 增材成形情況

經過此焊接工藝得到的T型材焊縫形貌良好，結構均勻。可以看出，腹板焊縫由呈層狀結構堆垛，經測量得知其高度達到9mm，寬度為5mm，增材制造的腹板外觀光滑，表面美觀。焊縫的表面可以看到銀灰色的光澤，進行整體評估后得知焊縫的增材成形精度很高，質量較好。將異種材料焊接所得的焊件進行切割后表征其截面形貌。鋁合金焊縫的堆焊痕跡清晰可見，層與層之間的重疊性優良，結合良好。焊縫沉積層中由于焊接過程不可避免地產生一些氣孔，但氣孔數量較少。

3.2 沉積層微觀組織特點

異種金屬BC-MIG焊得到的增材制造件的截面圖，異種金屬的焊接界面，界面的下側是鋼結構的基材，焊縫中下側呈帶狀結構，而上側則是類似于針狀的組織結構。出現的針狀結構是因鐵元素的擴散而形成的，由于鐵元素能夠在鋁材質的焊縫材料中相對較快的擴散，因此在鋁焊縫中形成針狀結構。而由于鋁元素在鋼結構中的擴散速度慢、擴散難度大，因此在鋼結構中只形成了帶狀結構，這種帶狀結構的形成是由于鋁元素的富集作用而形成的金屬間化合物作用，這種金屬間化合物主要是鐵鋁金屬間化合物。焊縫橫截面的中間部位組織結構形貌圖，焊縫材料結晶性良好，焊絲金屬呈樹枝晶的方式生長。

3.3 顯微硬度分析

對材料的顯微硬度測試是一項基本的測試項目，顯微硬度能夠體現出焊縫的焊接質量好壞，對焊件進行顯微硬度測試時首先要對顯微硬度的測試區域進行選擇，通常顯微硬度的測試范圍包括全部堆焊層區域，顯微硬度探針每間隔0.5mm進行一次顯微硬度測試，設置顯微硬度的施加載荷為1.96N，顯微硬度計探針壓入之后對其載荷進行保持，將載荷的保持時間設置為10s。經過顯微硬度測試數據的結果分析可知，在整個沉積層的硬度測試數據中，位于沉積層底部的增材硬度達到整個沉積層硬度的最高值，為65HV10，在沉積層底部硬度較高是鐵元素較密集導致的。沉積層的中部顯微硬度測試結果相比于焊縫底部的顯微硬度測試結果較小，這是由于鐵元素的滲入量在縱向上有一個遞減的過程，并且其結構的硬度相對比較均勻，顯微硬度在不同位置的上下浮動較小，兩個堆焊層之間的熔和情況良好，無論從組織結構的均勻性和顯微硬度的均勻性來講，該焊接制造工藝都較為可行。

3.4 力學性能研究

本研究采用電子的萬能材料試驗機對所得到的焊件進行力學性能表征，主要對材料進行剪切試驗，進行力學性能表征時無須采用標準的試樣，本研究采用非標準的光滑試樣進行實驗，在電子萬能材料試驗機工作時測得的工作溫度是27℃。在進行剪切試驗時首先要將待試驗的試件放在豎直的位置，將T型試件的翼板用夾具固定住，在腹板的中間位置垂直施加作用力，借助施力的行程和腹板的尺寸可以求出剪切角，可以通過試驗機直接讀出此次剪切試驗的剪切力大小。根據直接讀出的剪切力大小和計算出的剪切角大小可知，經BC-MIG焊的T型焊件能夠承受的剪切力極限為2100N，剪切力沒有達到1950N時，T型焊件隨后發生塑性變形，塑性變形角度范圍為6°～13°，在這種剪切條件下焊件被不可逆轉的損壞，剪切力的逐漸增加使得焊件的塑性變形逐漸增加，直到剪切角度增加至14°時，結構開始出現裂紋。根據焊件所出現斷裂現象的位置可知，焊件的斷裂位置在焊件根部附近，對焊件進行觀察可知，堆焊層本身在焊件斷裂時沒有斷裂，觀察整個堆焊層的截面情況也是如此，這表明BC-MIG焊所形成的堆焊層抗剪切的能力較強。

4 結語

本文選擇了鋼材料和鋁合金材料作為異種金屬進行增材制造實驗，增材制造采用BC-MIG焊的焊接工藝，經過焊接之后，獲得了表面形貌較為美觀的堆焊層，通過一系列的顯微觀察以及力學性能實驗后進行分析得知，BC-MIG焊制備而成的型材性能良好，符合設計預期。對其沉積層進行觀察和分析得知，在BC-MIG焊電弧的作用下沉積層的熔合性能優異，形成的結構較為穩定，組織也非常均勻。由于鐵元素的擴散作用，沉積層局部硬度上升，最高可達到65HV10。經BC-MIG焊的T型焊件能夠承受的剪切力極限為2100N，直到剪切角度增加至14°時，結構開始出現裂紋。對焊件進行觀察可知，堆焊層本身在焊件斷裂時沒有斷裂，表明BC-MIG焊所形成的堆焊層抗剪切的能力較強。