不同CMT焊接工藝對5083鋁合金焊縫成形及性能的影響

雷小偉，馬照偉，陳利陽，張 楠

洛陽船舶材料研究所，河南 洛陽 471039

0 前言

5083鋁合金具有比強度較高、低溫性能優(yōu)良、耐腐蝕性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于液化天然氣運輸船的建造中，目前采用的主要焊接方法有鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）、熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）和激光電弧復(fù)合焊（Laser-MIG/TIG）。近些年，冷金屬過渡技術(shù)（Cold Metal Transfer，CMT）成為一種新興的鋁合金焊接技術(shù)。CMT技術(shù)是在短路過渡基礎(chǔ)上開發(fā)的，普通的短路過渡過程是：焊絲持續(xù)送進(jìn)，其端部熔化形成熔滴，熔滴與熔池接觸形成短路，短路橋爆斷，熔滴散入熔池，上述過程不斷重復(fù)便形成了典型的短路過渡，常伴有大量飛濺。而在CMT焊接過程中，如圖1所示，焊絲向前送進(jìn)的同時還有往回抽的動作，送絲/回抽運動的平均頻率高達(dá)70 Hz，可以有效降低焊接熱輸入，減小焊接飛濺。

圖1 CMT工藝原理Fig.1 Principle of CMT process

CMT的強制短路過渡使得其相比傳統(tǒng)的MIG/MAG焊接有著許多優(yōu)點[1-3]：①熱輸入量大大降低。短路過程電流降低至幾乎為零，大大降低了熱輸入。②焊接無飛濺。CMT強制過渡，完全消除了飛濺。③焊縫搭橋能力好。較低的熱輸入，不容易出現(xiàn)燒穿，所以搭橋能力優(yōu)異。④焊接過程穩(wěn)定。由于電弧始終處于穩(wěn)定的控制中，避免了外界因素干擾，可大大提升焊接速度。⑤異種金屬焊接性優(yōu)異。

基于以上優(yōu)點，CMT技術(shù)成為近年來備受青睞、發(fā)展迅速的新技術(shù)。在CMT基礎(chǔ)上又衍生了其他焊接工藝組合：直流CMT焊接（DCEP-CMT）、變極性CMT焊接（VP-CMT）、CMT混合脈沖過渡焊（CMT-P）和變極性CMT混合脈沖過渡焊（VP-CMTP）。其中VP-CMT是在普通CMT的基礎(chǔ)上，引入變極性功能，其波形如圖2所示，變極性帶來的最大優(yōu)勢是使CMT在焊接過程能夠分配電弧能量在焊絲和母材之間的比例，使得焊接工藝更加具有柔性和可操作性[4-6]。相比于直流CMT，變極性CMT優(yōu)點更加突出：一是變極性CMT熔覆效率更高。GMAW為冷陰極，母材獲得的電弧能量較高，變極性CMT能夠控制電弧能量在焊絲和母材之間的分配，大大提升其熔覆效率；二是變極性CMT具有更好的工藝穩(wěn)定性。變極性與CMT的完美結(jié)合，對于不同的產(chǎn)品可以選擇其最適合的焊接模式，工藝適應(yīng)性更佳，工藝更穩(wěn)定[7-9]。本文基于CMT4000Advanced設(shè)備進(jìn)行了鋁合金CMT、VP-CMT、CMT-P和VP-CMT-P四種焊接工藝研究。

圖2 變極性CMT波形Fig.2 Wave form of variable polarity CMT

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料和焊接設(shè)備

試驗材料選用厚度為8 mm的5083-H112鋁合金板材，試板尺寸為300 mm×400 mm，材質(zhì)符合GB/T3190-2008要求，力學(xué)性能符合GB/T3880-2006要求，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。焊絲采用直徑1.2 mm的ER5183焊絲，滿足NB/T47018-2017的要求，其化學(xué)成分如表2所示。

表1 5083鋁合金化學(xué)成分和力學(xué)性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of 5083 aluminium alloy

表2 ER5183化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Chemical composition of ER5183（wt.%）

焊接電源采用福尼斯的CMT4000 Advanced變極性CMT焊接電源，并配備RCU編程器，可以實現(xiàn)鋁合金的脈沖過渡、DCEP-CMT過渡、DCEN-CMT過渡，以及脈沖過渡和CMT過渡的混合過渡。

1.2 試驗方法

試驗分為平板堆焊試驗和對接試驗。平板試驗進(jìn)行外觀檢測及焊縫外觀對比，對接試驗進(jìn)行外觀對比、無損檢測、工藝性能、截面分析、微氣孔分析、微觀組織分析和力學(xué)性能等性能測試。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 平板堆焊試驗

為了對比傳統(tǒng)的脈沖熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG-P）、DCEP-CMT、DCEP-CMT+P、VP-CMT、VP-CMT+P焊接成形及熔敷特點，設(shè)計了5組平板堆焊試驗。第一組試驗氣體選用純Ar氣，氣流量20～25 L/min，干伸長保證10～15 mm，焊接電流及焊接速度如表3所示，焊接電壓等焊接參數(shù)由焊接電源自動匹配。

表3 第一組平板試驗焊接參數(shù)Table 3 First group plate welding parameters

第一組平板焊縫外觀對比如圖3所示。可以看出，焊縫外觀均為銀白色，1#焊縫外觀平滑，屬于普通脈沖MIG焊縫形貌；2#焊縫相比1#焊縫寬度略窄，余高略高，其收弧位置可以看出CMT電弧推力明顯小于脈沖MIG焊；3#為脈沖過渡和CMT的混合過渡，可以調(diào)節(jié)其混合比例來控制焊接成形，其工藝柔性更強，形貌介于1#和2#之間；4#為變極性CMT，即DCEP-CMT和DCEN-CMT的混合過渡，通常情況下，無論是脈沖過渡還是CMT過渡，均為DCEP，此時母材接為陰極，不但有陰極霧化作用，同時具有冷陰極可加大熔深[10]；當(dāng)采用變極性CMT時，DCEP比例不能無限降低到0，這是由于鋁合金焊接需要進(jìn)行陰極霧化，采用純DCEN-CMT焊接成形及質(zhì)量不能得到保證；4#可以看到明顯的由于極性切換形成的波紋；5#為變極性CMT+P，可以看出由CMT向P過渡形成波紋明顯，從理論上講，變極性CMT+P既可以調(diào)節(jié)CMT中DCEP和DCEN的比例，即通常所說的Balance（交流平衡），也可以調(diào)節(jié)CMT和P的比例，工藝的柔性相比直流CMT+P又有較大提升，因此，直流CMT+P和變極性CMT+P將是未來低熱輸入GMAW焊接的方向。

圖3 第一組平板試驗焊縫外觀對比Fig.3 Weld appearance comparison of first group plate welding test

為了研究Balance對VP-CMT的影響，開展了第二組平板試驗，交流平衡值B分別為B=-3、B=0、B由0～+5、0～-5變化，VP-CMT+P，氣體選用純Ar氣，氣流量20～25 L/min，干伸長保證10～15 mm，焊接電流/焊接速度及交流平衡如表4所示，焊接照片如圖4所示。

表4 第二組平板試驗焊接參數(shù)Table 4 Second group plate welding parameters

圖4 第二組平板試驗焊縫外觀對比Fig.4 Weld appearance comparison of second group plate welding test

由圖4可知，當(dāng)B為負(fù)值時，DCEN的比例較高，焊縫更傾向于堆焊；B=0是一個比較好的平衡點，此時DCEN與DCEP比例協(xié)調(diào)，焊縫外觀成形美觀；由8#和9#焊縫外觀可以看出，當(dāng)B由正值向負(fù)值變化時，DCEN的比例增大，余高變窄，更趨向于堆焊效果；從10#焊縫可以看出，VP-CMT+P模式下，當(dāng)B＞0時，焊接成形更加良好，同時脈沖的引入加強了焊接過程的穩(wěn)定性。

2.2 對接試板焊接試驗

完成平板堆焊試驗后，根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行平板對接焊接試驗，同樣采用8 mm試板，開60°坡口，不留鈍邊，底邊間隙約0.5 mm，分兩層、每層一道焊接，坡口見圖5。試驗分為4組，11#為CMT，12#為VP-CMT（B=0），13#為CMT+P，14#為VP-CMT+P，焊接電流如表5所示，焊接速度600 mm/min，焊接電壓等焊接參數(shù)由焊接電源自動匹配。焊后焊縫外觀如圖6所示。

表5 對接試驗Table 5 Butt welding test

圖5 對接試驗坡口Fig.5 Groove of butt welding

圖6 對接試驗焊縫外觀對比Fig.6 Weld appearance comparison of butt welding

從圖6可以看出，四種模式均可實現(xiàn)打底焊接，CMT與CMT+P屬于強制成形，外觀良好，而VP-CMT背面成形能力略有不足，VP-CMT+P成形外觀較差，這是在VP-CMT和VP-CMT+P模式下打底時母材獲得能量過低所致，因此VP-CMT與VPCMT+P不適合打底使用。VP-CMT+P由于焊接過程中不斷進(jìn)行DCEN和DCEP的過渡及CMT和P的變換，使得焊縫邊緣存在擾流現(xiàn)象，焊縫邊緣不夠美觀，甚至出現(xiàn)咬邊，使用時需要設(shè)置合適的Balance以及C和P的比例。其他三種模式，蓋面外觀成形良好。同時，同樣電流情況下，VP-CMT、VPCMT+P熔寬和余高也略大，這是因為相同電流下，CMT比P送絲速度更大[11]，變極性比直流送絲速度更大。該特點也可以通過RCU控制器送絲速度監(jiān)視器體現(xiàn)，例如，CMT焊接時，當(dāng)電流為150 A時，送絲速度約為6.7 m/min，而VP-CMT焊接時，當(dāng)電流為150A時，送絲速度約為7.8 m/min。

2.3 無損檢測

根據(jù)NB/T47013.2-2005承壓設(shè)備無損檢測標(biāo)準(zhǔn)，對11#～14#四種焊縫和近縫區(qū)母材進(jìn)行X射線檢測，未出現(xiàn)不良焊接缺陷，評定級別均為Ⅰ級。

2.4 焊縫剖面分析

采用ZEISS Observer.Z1m金相顯微鏡對11#～14#接頭進(jìn)行宏觀金相檢測，結(jié)果如圖7所示，四種焊接方法均成形良好，無超標(biāo)缺陷。但仔細(xì)觀察仍存在0.1 mm級別氣孔，經(jīng)過對比，VP-CMT+P氣孔體積和數(shù)量均較多，原因在于雖然VP-CMT+P焊接電流和其他幾組試驗電流相當(dāng)，但由于其采用變極性，送絲速度比直流的大，同時，CMT變極性和脈沖過渡方式的反復(fù)切換增加了氣孔產(chǎn)生的概率。

圖7 對接試驗金相對比Fig.7 Microscope contrast between of butt welding

對每種焊接工藝隨機(jī)取3個剖面，統(tǒng)計焊縫剖面0.08～0.2 mm的微小氣孔，結(jié)果如圖8所示，CMT+P焊接接頭中的微氣孔數(shù)量最少，而VP-CMT+P焊接接頭的微氣孔數(shù)量最多。這是由于VP-CMT+P方法的脈沖波形和變極性波形的組合錯綜復(fù)雜，導(dǎo)致焊接過程的不穩(wěn)定性，焊縫中易卷入氣孔；另外VP-CMT+P方法對母材的熱輸入較低，熔池的高溫持續(xù)時間短，氣孔不易逸出。

圖8 焊縫區(qū)截面微氣孔數(shù)量對比Fig.8 Comparison of the numberof micro pores in section of weld zone

對11#～14#焊接接頭焊縫區(qū)進(jìn)行高倍金相檢測，結(jié)果如圖9所示。四種接頭焊縫區(qū)均為α相（Al）、顆粒狀析出相和彌散相組織，與傳統(tǒng)的脈沖過渡5083鋁合金焊接接頭焊縫區(qū)一致，VP-CMT的顆粒狀析出相少于其他焊接工藝。

圖9 焊縫區(qū)高倍金相對比Fig.9 Comparison of microstructure in welding zone

2.5 力學(xué)性能測試及結(jié)果

按照NB/T47014-2011對四種試板接頭進(jìn)行拉伸及彎曲性能測試，拉伸設(shè)備采用300KN材料試驗機(jī)，彎曲試驗采用BHT5106電液伺服彎曲試驗機(jī)，結(jié)果如表6所示。可以看出，受拉面均未出現(xiàn)裂紋，說明四種工藝焊接的焊縫橫向彎曲性能良好。拉伸性能對比如圖10所示，除VP-CMT+P試樣的拉伸性能低于母材規(guī)定最低值（275 MPa）外，其余焊縫的強度均滿足要求，其中CMT+P試樣的拉伸性能最好，優(yōu)于其他焊接方法。VP-CMT+P試樣拉伸性能不合格的原因在于14#試樣打底不均勻且表面焊縫存在咬邊，在一定程度上降低了焊縫強度。

圖10 接頭拉伸性能對比Fig.10 Comparison of tensile properties of joints

表6 接頭力學(xué)性能試驗結(jié)果Table 6 Mechanical test results of joints

3 結(jié)論

（1）脈沖熔化極氣體保護(hù)焊、直流/變極性冷金屬過渡焊、直流/變極性冷金屬過渡混合脈沖焊均能形成優(yōu)良的堆焊焊縫，CMT-P及VP-CMT-P可調(diào)節(jié)性強，適用性優(yōu)良。

（2）變極性冷金屬過渡焊時，當(dāng)交流平衡值由正值向負(fù)值變化時，負(fù)極性的比例增大，熔深將逐步減小，更趨于堆焊；交流平衡為正值時，焊接成形良好。

（3）采用CMT、VP-CMT和CMT+P方法均能實現(xiàn)8 mm厚5083鋁合金的焊接，其中CMT+P工藝焊接的試樣微氣孔最少，力學(xué)性能最優(yōu)。

（4）5083的焊縫組織均由α相（Al）、顆粒狀析出相和彌散相組織構(gòu)成，與傳統(tǒng)的脈沖過渡5083鋁合金焊接接頭焊縫區(qū)一致。