汽车用镁、钛异种金属CMT焊的结合机制研究

陈莉

摘要：本文采用CMT焊接技术，利用熔钎焊原理对1mm厚AZ31B镁合金和TA2工业纯钛进行异种金属焊接。通过改变焊接电压、送丝速度以及偏移量等工艺参数，研究了不同工艺参数对焊缝成形的影响。

关键词：CMT焊结合机制；镁/钛；工艺参数

一、镁钛异种金属CMT焊的结合机制

镁合金和钛合金作为轻量高强金属材料的代表在工业中得到越来越广泛的应用。在镁钛异种金属的CMT熔钎焊过程中，钛板在上，镁板在下，焊枪作用在钛板边缘，镁合金熔化形成熔池，热量向熔池两侧传导，钛母材的热导率相对较低，能量在镁合金一侧迅速传导，促使钛合金的温度始终处于液相线之下或接近，导致钛侧母材不熔化，形成钎焊界面。

二、异种金属焊接的主要困难

异种金属焊接时，无论从焊接机理和操作技术上都比同种金属复杂得多，这是因为异种金属的物理性能、化学性能及化学成分等有显著差异。异种金属焊接时的主要困难如下：

1）异种金属的熔点、线胀系数、电磁性、热导率和比热容相差愈大，愈难进行焊接。2）异种金属的氧化性愈强，愈难进行焊接。3）异种金属之间形成的金属间化合物愈多，愈难进行焊接。由于金属间化合物具很大的脆性，容易使焊缝产生裂纹，甚至断裂。4）异种金属焊接时，焊缝和两种母材金属不易达到等强度。这是由于焊接时熔点低的金属元素容易烧损、蒸发，从而使焊缝的化学成分发生变化，力学性能降低。尤其是焊接异种有色金属，这种现象更为明显。

三、异种金属焊接存在的问题

1）异种金属之间不能形成合金。2）异种金属的线胀系数不同，容易引起热应力，而且这种热应力往往不易消除，结果会产生很大的焊接变形。3）异种金属在焊接过程中，由于金相组织变化或生成新的组织，都可使焊接接头的组织性能变差，给焊接带来很大困难。4）异种金属焊接的熔合区及热影响区的力学性能较差，特别是塑性明显下降。5）异种金属的焊接接头，由于焊接应力和脆性的增加。容易产生裂纹，尤其是热影响区更容易产生裂纹，甚至发生断裂。

四、焊接参数对焊缝形貌的影响

利用CMT焊接实现镁钛异种金属的焊接。CMT焊接时镁合金母材熔化实现熔化焊，熔化的焊丝和镁母材向钛母材铺展，在钛一侧形成钎焊接头。本内容主要研究焊接速度、焊接电压、送丝速度及偏移量对焊缝成形及接头力学性能的影响。

（一）镁/钛熔钎焊焊缝形貌

根据熔钎焊的原理，将焊枪作用在钛板边缘，实现了镁合金的深化，同时工业纯钛的温度并没有达到熔点仍然保持固态。在不加任何钎剂钎料的前提下，即满足了镁合金熔化焊的特点，也满足了钛钎焊的特征。通过CMT熔钎焊得到的焊缝形貌如图1所示。图1中所示的焊缝为焊丝中心与钛板边缘对齐时所焊。

● 图1（a）镁钛异种金属CMT焊正面焊缝形貌

● 图1（b）镁钛异种金属CMT焊背面焊缝形貌

观察图1（a）、（b）的焊缝发现，焊丝中心与钛板边缘对齐时所焊焊缝正面、背面均成形良好，无明显缺陷。由此可知镁钛异种金属的CMT焊接时选择合适的焊接参数和偏移量能够得到成形良好的焊缝。

（二）不同焊接电压下的焊缝形貌

在用AZ61镁焊丝钛上镁下多元系统焊接时，设定送丝速度5.0m/min，焊接速度7.14mm/s，改变焊接电压分别为10V、12V、14V、进行焊接实验，焊缝正面及背面外观形貌如表1所示。

● 表1不同焊接电压下的焊缝形貌

焊 接电

压（V） 焊 缝 形 貌

1# 10 正面

背面

3# 12 正面

背面

4# 14 正面

背面

在其他条件一定的情况下，提高焊接电压，焊接功率相应增加。但是焊接电压的增加是通过增加电弧长来实现的，电弧长度增加使得电弧热源半径增大，电弧散热增加，输入焊件的能量密度减小，因此熔深略有减小而熔宽增大。同时，由于焊接电流不变，焊丝的熔化量基本不变，使得焊缝余高减小。

电弧电压对焊缝形状的影响如图2所示，图中H表示焊缝厚度，B表示焊缝宽度，a表示余高，U表示焊接电压。由图中可以看出电弧电压增长，焊缝宽度显著增加而焊缝厚度和余高将略有减少。

根据焊缝成形系数：

Φ=BH

式中B-焊缝宽度；H-焊缝厚度[18]。

由公式可以看出，随着焊缝宽度增加，焊缝厚度减小，焊缝的成形系数将逐渐增大。

（三）不同送丝速度下的焊缝形貌

在用AZ61镁焊丝钛上镁下一元系统焊接时，将焊接速度设定为12.5mm/s，调节送丝速度分别为9.5m/min、10.5m/min、11.5m/min、12.5m/min、13.5m/min，焊缝正、背面形貌如表2所示。

● 表2不同送丝速度下的焊缝形貌

送丝速度

（m/min） 焊缝形貌

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

对比表2中不同送丝速度下的焊缝形貌看出，随着送丝速度的逐渐增大，焊缝宽度逐渐增大，熔深增大。在送丝速度小于10.5m/min是焊缝宽度增大趋势较明显，焊缝局部有未熔透现象。送丝速度大于10.5m/min焊缝宽度增大增大趋势不明显，焊缝全部熔透。这就说明送丝速度对焊缝成形及熔深有很大影响。对比图中各个送丝速度下的焊缝发现，送丝速度为11.5m/min的焊缝成形最好。

五、结论

1.镁钛异种金属的CMT焊中，对镁板在下，钛板在上的接头形式，适当的工艺参数可以获得较好的焊缝成形，但是焊接电压过大会使得成形系数过大，送丝速度过大也会是焊缝高度过高，影响成形。

2.通过对焊缝表面形状分析初步得出工艺参数：一元系统焊接时送丝速度为11.5m/min，焊接速度12.5mm/s。多元系统焊接焊接电压14V，送丝速度5.0m/min，送丝速度为7.14m/min。焊缝成形较好。

【参考文献】

[1]陆刚.铝、镁、钛合金材料在汽车工业中的应用和发展[J].上海有色金属，2006（02）

[2]李亚江，王娟，刘鹏.异种难焊材料的焊接及应用[M].北京：化学工业出版社，2003（12）

[3]杨修荣.超薄板的CMT冷金属过渡技术[J].焊接，2005（12）

[4]刘中青，邸斌.异种材料的焊接[M].北京：科学出版社，1990

【作者单位：新乡职业技术学院】