超聲清洗鋁合金冷金屬過渡焊縫組織性能研究

張安，邢彥鋒，曹菊勇，王影，于鐵軍

（1.201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院；2.201799 上海市 上海和達汽車配件有限公司）

0 引言

冷金屬過渡焊接由于其低熱量輸入和無飛濺，是鋁合金薄板較為理想的連接方式之一，但焊接過程中的表面氧化膜會對焊縫組織造成不利影響，降低焊縫的機械性能。研究發現，雜質元素對合金焊接斷裂裂紋有著重要影響，但其單獨或者協同對斷裂裂紋的具體影響仍需進一步分析[1]。一般而言，較少的氧化膜顆粒可以提高焊縫強度，但氧化膜顆粒超過特定質量分數的焊縫性能會急劇下降[2]。相同的實驗條件下，同一焊縫的疲勞性能會因焊接脈沖電流不穩定而存在較大的波動[3]，因此控制特定的焊接脈沖電流可以改變熔池浸潤效果，提升焊縫機械性能[4]。除此之外，熱量輸入不穩定會導致焊接過程不連續[5]，精確控制熱量輸入可以獲得強度與鋁合金基材相當的焊縫[6]。電弧不對稱會造成熔池受熱不均勻，對氣孔的大小與分布有較大影響[7]，由于氣孔主要分布于焊縫上部[8]，創造氣孔逃逸通道可明顯減少氣孔缺陷產生[9]。實驗研究發現，超聲沖擊可明顯提高鎂合金十字接頭的疲勞強度[10]，因此將超聲沖擊和表面清洗工藝相結合，尋求合理的方法降低氧化膜對鋁合金薄板冷金屬過渡焊縫的負面影響，是當下薄板連接領域的重要課題。基于相關研究結論，本文通過超聲清洗工藝，在相應的實驗條件下，分析其對鋁合金冷金屬過渡焊縫組織形成的影響以及其對鋁合金冷金屬過渡焊縫機械性能的影響。

1 焊接實驗程序

1.1 實驗材料

在尺寸為200 mm×200 mm×2 mm 的普通6061鋁合金薄板和超聲清洗處理6061 鋁合金薄板上分別進行CMT 搭接焊，普通鋁合金薄板的表面氧化膜厚度為50～60 μm，超聲處理鋁合金薄板的表面氧化膜厚度為5～10 μm。CMT 搭接焊采用ER4043鋁硅焊絲，焊接過程進行高純氬氣保護處理。6061鋁合金，表面氧化膜和ER4043 鋁硅焊絲的標準化學成分見表1。

表1 6061 鋁合金，表面氧化膜和ER4043 焊絲的標準化學成分Tab.1 Standard chemical composition of 6061 aluminum alloy,oxide film and ER4043 welding wire

1.2 實驗流程

首先將普通6061 鋁合金薄板利用定位夾具固定在焊接平臺上，KUKA 機械臂輔助CMT 焊槍移動工藝，以控制CMT 焊槍的移動路徑和移動速度，焊槍移動速度設定為0.40 m/min。焊絲饋送系統調節焊絲進給速度，以控制焊接速度，焊絲進給速度設定為5.00 m/min。焊絲和鋁合金上表面初始距離固定，焊槍在移動過程中始終位于鋁合金基板上方并且進給熔融焊絲，形成連接焊縫，而后將超聲清洗處理6061鋁合金薄板進行相同操作，如圖1所示。焊接完成后，觀測CMT 焊縫正面和側面的結構尺寸，比較其幾何差異。再觀察焊縫內部氣孔大小和氣孔分布，分析焊縫截面的晶體組織。再選取焊縫截面試樣進行機械拉伸試驗，并且記錄下拉伸數據。最后，利用掃描電鏡對拉伸斷口裂紋進行微觀組織觀察，并且分析其斷裂機理。

2 組織分析

2.1 截面形貌

焊縫的熔深和余高是反映焊縫連接效果的標準之一，在相同焊接條件下，熔深值在不高于鋁合金厚度的條件下越大，余高值在不低于鋁合金上表面的條件下越小，表明焊縫的連接效果越好。

對于普通6061 鋁合金薄板的焊接過程，在相同的焊接脈沖電流狀況下，選取同一焊縫的2 個截面，截面1 焊縫寬度為5.9 mm，高度為3.0 mm；截面2 焊縫寬度為6.2 mm，高度為3.1 mm，基本符合連接要求。另外，截面1 上存在較小的氣孔，截面2 上存在較大的氣孔，氣孔會降低焊縫有效連接面積，對焊縫造成負面影響，如圖2 所示。此狀態下焊縫的截面形貌較差，連接效果較差。

對于超聲清洗處理6061 鋁合金薄板的焊接，在相同焊接脈沖電流下，選取同一焊縫的2 個截面，截面1 焊縫寬度為6.0 mm，高度為3.0 mm；截面2 焊縫寬度為6.3 mm，高度為3.1 mm，基本符合連接要求。截面1 和截面2 上均不存在較大的宏觀氣孔，焊縫有效連接面積基本沒有減少，不會對焊縫造成太大負面影響，如圖3 所示。此狀態下焊縫的截面形貌較好，連接效果較好。

2.2 氣孔缺陷分析

對于普通6061 鋁合金薄板的焊接過程，焊縫截面的微觀組織如圖4 所示。在焊縫中心熔化區，分布著均勻的柱狀晶顆粒，晶粒尺寸在合理范圍之內，其平均晶粒度為14.3± 0.5 μm。由于熔池液態金屬兩側和鋁合金薄板的連接區在焊接過程中形成焊縫熔合區，并且熔池液態金屬兩側和鋁合金薄板的連接區存在較多的氧化膜顆粒，因此在焊縫熔合區，氣孔的形核過程是異質形核，氣孔成長速率較快，在這種情況下，氣孔的形核和成長依賴于氧化膜焊渣，氣孔分布不均，平均直徑較大，氣孔內部還存在形狀不規則的氧化膜焊渣。

對于超聲清洗處理6061 鋁合金薄板的焊接過程，焊縫截面的微觀組織如圖5 所示。在焊縫中心熔化區，分布著均勻的柱狀晶顆粒，晶粒尺寸在合理范圍之內，其平均晶粒度為14.1±0.5 μm。由于熔池液態金屬兩側和鋁合金薄板的連接區在焊接過程中形成焊縫熔合區，但熔池液態金屬兩側和鋁合金薄板的連接區不存在氧化膜焊渣，因此在焊縫熔合區，氣孔的形核過程是均質形核，氣孔成長速率較慢。在這種情況下，氣孔的形核和成長是隨機的過程，氣孔分布不均，平均直徑較小，氣孔內表面較為平滑。

3 機械性能

3.1 機械性能

對于普通6061 鋁合金薄板的焊縫，在相同的焊接脈沖電流狀況下，截面1 左側焊縫拉伸強度為146.8 MPa，右側焊縫拉伸強度為143.2 MPa；截面2 左側焊縫拉伸強度為148.5 MPa，右側焊縫拉伸強度為139.8 MPa，如圖6 所示。拉伸試驗結果表明，此狀態下焊縫抗拉強度較低。

對于超聲清洗處理6061 鋁合金薄板的焊縫，在相同的焊接脈沖電流狀況下，截面1 左右側焊縫拉伸強度分別為184.3 MPa、192.7 MPa；截面2 左右側焊縫拉伸強度為182.5 MPa、198.8 MPa，如圖7 所示。拉伸試驗結果表明，此狀態下焊縫抗拉強度較高。

3.2 斷口裂紋分析

對于普通6061 鋁合金薄板的焊接過程，焊縫截面的拉伸斷口組織如圖8 所示，焊縫的拉伸斷口基本是沿著拉伸方向上有效面積最小的截面斷裂，但由于存在氧化膜焊渣的作用，焊縫的斷口上分布著規模相對較大的氣孔，焊縫在該方向上的拉伸強度較低。又由于在斷口上存在較小的韌窩，說明沉積墻體在該方向上的韌性較差，在相同的極限拉伸強度條件下，其屈服強度較小。

對于超聲清洗處理6061 鋁合金薄板的焊接過程，焊縫截面的拉伸斷口組織如圖9 所示，焊縫的拉伸斷口基本是沿著拉伸方向上有效面積最小的截面斷裂，但由于不存在氧化膜焊渣的作用，焊縫的斷口上分布著規模相對較小的氣孔，焊縫在該方向上的拉伸強度較低。又由于在斷口上存在較大的韌窩，說明沉積墻體在該方向上的韌性較好，在相同的極限拉伸強度條件下，其屈服強度較大。

4 結論

本文通過超聲清洗工藝，在相同的脈沖電流條件下，分析其對鋁合金冷金屬過渡焊縫組織形成的影響以及對鋁合金冷金屬過渡焊縫機械性能的影響，結論如下：

（1）普通鋁合金薄板CMT 焊接存在較多氧化膜顆粒并促進氣孔異質形核，加快氣孔形成速率。超聲清洗處理鋁合金薄板CMT 焊接存在較少的氧化膜顆粒，減緩氣孔形成速率。

（2）普通鋁合金薄板焊縫的拉伸斷口上存在較小的韌窩，焊縫韌性較差。超聲清洗處理鋁合金薄板焊縫的拉伸斷口上存在較大的韌窩，焊縫韌性較好。

（3）超聲清洗處理鋁合金薄板焊縫組織性能達到最佳時的脈沖電流較大，且其極限抗拉強度由144.6 MPa 提升到189.6 MPa，組織性能明顯好于普通鋁合金薄板焊縫。