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    厚板铝合金 CMT 焊接工艺

    2019-12-26 11:15:16  来源:焊接学报

    铝合金在焊接过程中易出现气孔、热裂纹等焊
    接缺陷,以及热影响区软化导致的接头性能下降等
    问题,因此避免焊接缺陷产生,保证焊接质量,提高
    接头性能对高速列车的生产制造具有重要意义. 降
    低焊接热输入是防止热裂纹和减少热影响区软化的
    有效途径. 就目前铝合金焊接所采用脉冲 MIG 焊接
    工艺而言,通过调节焊接工艺降低热输入是不可取
    的,因为过低的热输入易造成未熔透或熔深不足等
    焊接缺陷. 而采用新的低热输入焊接技术可在保证
    熔透的前提下降低热输入,才是可行的技术方案.
    目前国内外主要低热输入焊接工艺有冷金属过
    渡 CMT 技术、cold arc 技术、cold process 焊技术、AC-
    CBT 技术,以及国内的本周期交流短路过渡控制法.
    其中 CMT 技术是低热输入焊接工艺中的佼佼者.
    CMT 技术是福尼斯公司于 2002 年开发成功的一种
    低热输入焊接工艺. 该技术在熔滴短路时电源输出
    电流几乎为零,同时焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落,
    实现熔滴的冷过渡,消除了飞溅现象,并大大降低了
    焊接过程的热输入 [1 -5] .
    文中比较了高速列车用厚板铝合金多层多道
    CMT 焊接工艺和脉冲焊接工艺,通过对温度场、焊
    接接头组织及力学性能等进行研究分析,展示了
    CMT 焊接工艺是一种可提高焊接质量的低热输入
    焊接新方法.


    1.1 CMT 焊接工艺
    在传统正极性(electrode positive) CMT 焊接技
    术的基础上,福尼斯公司在 2010 年开发出了 CMT
    Advanced 系列焊机,实现了极性变换,依靠负极性
    (electrode negative)阶段高的焊丝熔化效率,进一步
    降低了热输入. 新一代 CMT Advanced 系列焊机具
    有直流 CMT,交流 CMT,直流 CMT 与脉冲混合过渡,
    交流 CMT 与脉冲混合过渡,以及纯脉冲过渡等多种
    工作模式,进一步拓展了 CMT 焊接技术的应用
    范围.
    1.2 焊接工艺参数
    使用 CMT Advanced 焊机进行了 12 mm 厚高速
    列车用铝合金厚板焊接试验,分别采用直流 CMT 与
    脉冲混合过渡焊接工艺、脉冲 MIG 焊接工艺进行焊
    接. 平板对接试验件的坡口及焊道布置形式如图 1
    所示,其中 CMT 焊接时正面焊两道,背面焊一道,脉
    冲焊接时开 V 形坡口,留 0. 75 mm 钝边,不留间隙,
    共焊四道. 焊接工艺参数见表 1 所示,保护气体采
    用高纯氩气体,焊丝直径 1. 2 mm,焊接在机器人工
    作站上完成.


    2 焊接温度场
    使用温度场多点数据自动记录仪对 CMT 工艺
    和脉冲焊接工艺的温度场进行测量,比较分析 CMT
    和脉冲焊接温度场的不同特征. 图 2a 为测温点位
    置分布图,所有测温点分布在一条直线上,各测温点
    到焊缝的距离分别用 d 1 ,d 2 ,d 3 ,d 4 表示,测点 A,B,
    C 点距离焊缝坡口边缘分别为 5,15 和 25 mm. CMT
    工艺温度场测量时 D 点距离焊缝坡口边缘为 16
    mm,测量脉冲 MIG 焊接温度场时 D 点距离焊缝坡
    口边缘为 15 mm. 根据测试结果绘制的各点温度随
    时间变化曲线如图 2b,c 所示.
    从图 2 中可以看到,CMT 焊接工艺温度场整体
    温度比脉冲温度温度场数值低. 4 个测温点的 CMT
    焊接峰值温度均低于脉冲焊接. 距离坡口 5 mm 处
    的测温点 C 点,采用 CMT 焊接工艺时*高温度为
    450. 1 ℃,而脉冲焊工艺*高温度为 507. 1 ℃. 距离
    *远的 A 点处,采用 CMT 焊接工艺时*高温度为
    176. 5℃,脉冲焊工艺*高温度为 307. 2 ℃,相差
    130. 7 ℃. 从图 2 中也可以看到,脉冲焊工艺过程各
    测温点温度升高速度快,高温停留时间长,而直流
    CMT 焊接升温速度相对较慢,高温停留时间短. 脉
    冲焊工艺中各测温点的峰值温度差别小,而 CMT 工
    艺峰值温度差别大,说明 CMT 焊工艺焊缝热量向外
    扩散的范围小. 从温度场数据可以明显看出,当前
    试验工艺参数规范下,CMT 焊接实际热输入比脉冲
    焊要小的多,焊接接头各处温度要低几十摄氏度到
    上百摄氏度以上,且峰值停留时间短,有利于改善焊
    缝和热影响区组织和性能.
    CMT 过程属于短路过渡的一种形式,所形成的
    熔滴温度远低于脉冲焊接,且短路期间电流几乎为
    零,对母材的热输入很小,因此 CMT 焊接过程温度
    整体低于脉冲焊. 而脉冲焊由于形成熔滴过程电流
    大,熔滴温度也比 CMT 工艺高的多. 由于 CMT 工艺
    的熔滴温度低,对母材的热输入小,对铝合金接头性
    图 2 焊接温度场测量
    Fig. 2 Welding temperature field
    能的改善体现在两个方面:一是改善焊缝组织,二是
    减少热影响区软化.
    3 焊接接头力学性能
    3.1 焊接接头硬度分布
    硬度试验根据国际标准《金属材料焊缝破坏性
    试验—硬度试验—电弧焊接头硬度试验》(ISO9501.
    1:2001)进行. 硬度检定区域包括焊缝、热影响区及
    母材. 硬度试验选用维氏硬度载荷 4. 9 N,测点间距
    1 mm. 对于 12 mm 厚板,试验中分别测试焊接接头
    近上表面、中部、近下表面的硬度分布,测量位置见
    图 1 所示,接头硬度测试结果如图 3 所示.
    从图 3 中对接接头硬度分布看,焊缝处硬度低
    于母材,CMT 工艺的焊接接头硬度要高于脉冲焊接
    工艺的焊接接头硬度,尤其是受热多次的接头中间
    部位.
    3.2 焊接接头拉伸试验
    按照国家标准 GB/T 2651—2008《接头拉伸试
    验方法》的规定进行拉伸试验,然后用电子万能试验
    机进行拉伸试验. 试验结果如表 2 所示,拉伸试件
    均断裂在焊缝位置. 拉伸试验中,CMT 工艺焊接接
    头平均抗拉强度为 307 MPa,脉冲焊工艺焊接接头
    平均抗拉强度为312 MPa,CMT 焊接头比脉冲焊低了
    5 MPa,可以认为两种方法抗拉强度区别不明显.

    3.3 焊接接头冲击试验
    冲击试验参照国际标准 ISO 9016:2001《金属材
    料焊缝破坏性试验—冲击试验》进行试验,使用 JB-
    30B 型冲击试验机设备. 对于 12 mm 厚板对接接
    头,V 形缺口分别开在焊接热影响区上,冲击试验的
    厚度为 11 mm. 所有冲击试样冲击前均浸入液氮酒
    精溶液中,保证试验温度为 -40 ℃.
    从试验结果可以看到 CMT 工艺焊接接头热影
    响区的平均冲击吸收功值高于脉冲工艺焊接接头热
    影响区的冲击吸收功.



    厚板铝合金 CMT 焊接工艺
    焊接接头显微组织
    对 CMT 工艺和脉冲焊接工艺的焊接接头微观
    组织进行了观察,金相试样先用砂纸磨制,由粗到
    细,然后用抛光液抛光. 腐蚀后的试样采用蔡司显
    微镜观察.
    试验结果如图 4 所示. 图 4a 为 CMT 工艺 S 2 焊
    道组织形貌,可看到其中有少量气孔,组织形态为等
    轴晶;图4c 为 CMT 工艺 S 1 焊道微观组织形貌,由于
    经历了两次加热,S 1 焊道组织较粗大,析出相数目减
    少,发生重新溶解;图 4e 为 CMT 工艺 F 1 焊道微观
    组织形貌,*后焊接的 F 1 焊道组织*为细小,析出
    相大量析出且分布均匀. 图 4b 为脉冲焊工艺焊道
    S 4 微观组织,为典型的等轴树枝晶组织,析出相分布
    均匀、细密. 图 4d 为脉冲焊工艺 S 2 焊道组织,呈明
    显的受热流控制生长. 对比脉冲焊工艺 S 2 和 S 4 焊
    缝组织,可以发现受热次数多的焊道组织粗大,保留
    的析出物少. 图 4f 为脉冲焊工艺 S 1 焊道组织,可以
    看到晶粒尺寸*为粗大,呈等轴晶状态,晶粒生产方
    向差异性变小.
    从图 4 中微观组织的对比可以看到,厚板多层
    多道对接焊时,脉冲焊工艺时后焊焊道对先焊焊道
    的加热导致晶粒明显长大,受热次数越多的焊道组
    织越粗大.
    分析认为 CMT 工艺焊缝组织明显改善是由于
    CMT 熔滴温度低,熔滴过渡到熔池后,熔池内的液
    78 焊 接 学 报 第 36 卷
    图 4 焊接接头微观组织对比
    Fig. 4 Microstructure of weld bead
    态金属温度也相对低,导致凝固前沿实际温度梯度
    小,有利于成分过冷的产生. 过冷区域的增大导致
    在焊缝中心处等轴晶的出现,缩短了柱状晶生长范
    围,即减少了柱状晶区,扩大等轴晶区,且成分过冷
    度越大,形核率越大,等轴晶越细小. 采用脉冲焊接
    工艺时,由于熔滴温度高,实际温度梯度大,不利于
    成分过冷发生,导致柱状晶区域增加,且晶粒粗大,
    后焊焊道的热量影响到了所有的先焊焊道.
    5 结 论
    (1) CMT 焊接工艺焊接接头力学性能不低于脉
    冲焊接工艺,热影响区的冲击韧性有所提高,焊接接
    头的软化有所减弱.
    (2) CMT 工艺相对脉冲焊接工艺热输入小,厚
    板多层多道焊时,相对脉冲焊明显改善焊缝组织,扩
    大等轴晶区域并细化晶粒,减少对热影响区对焊接
    接头性能的影响.

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