BC-MIG焊在铝/钢异种金属增材制造工艺中的应用

李明琨，陈民昌，何资帜

（广西南宁技师学院，广西 南宁 530031）

增材制造技术也被称为3D打印技术，在机械加工领域、汽车制造、航空航天以及军事国防领域都有着诱人的应用前景。增材制造是多个学科之间相互融合，以材料技术为依托而产生和发展的一项新型技术，增材制造技术的基本原理思路是将复杂结构的零件变成无数层二维的平面图叠加，这就使材料的加工思路出现了根本的变化。这种技术加工效率高，加工速度快，节省了加工原料的消耗，降低了加工成本，有利于制造业技术变革的加速推进。现在，增材制造技术已经分别在一些高分子材料和金属材料上实现了应用，但这种应用仅仅局限于同一种材料上，在异种金属、异种高分子材料以及异种金属和高分子材料组成的复合材料上的增材制造技术研究尚少。

1 BC-MIG焊工艺的特点研究

MIG焊（熔化极惰性气体保护焊），称为熔化极气体保护电弧焊。用实芯焊丝的惰性气体（Ar或He）保护电弧焊法称为熔化极惰性气体保护焊，简称MIG焊。MIG焊接除用金属丝代替焊炬内的钨电极外，其他和TIG焊一样。因此，焊丝由电弧熔化，送入焊接区。电力驱动辊按照焊接所需从线轴把焊丝送入焊炬。热源也是直流电弧，但极性和TIG焊接时所用的正好相反。所用保护气体也不同，要在氩气内加入1%氧气，来改善电弧的稳定性。

近年来，降低能耗以及减轻重量已经成为新型材料关注的焦点问题，对材料的特殊性能也提出了越来越高的要求，铝合金是一种轻质的合金，作为一种薄板材料，广泛应用于各种需要高强度结构中。在薄板铝合金的焊接过程中，采用电弧焊接很容易产生一些缺陷，MIG焊正是焊接薄板铝合金最好的焊接工艺，在MIG焊的焊接工艺体系中根据焊接的特点衍生出很多种MIG焊的方法，其中旁路分流MIG焊就是一种典型的轻质高强度铝合金焊接方法。旁路分流MIG焊又叫作BC-MIG焊，是全新的MIG焊焊接工艺，这种焊接工艺需要的热量输入较低，其电弧增材的效率很高。大量的研究表明，这种新型的焊接工艺电弧熔敷效率极高，焊缝的沉积速率快，增材成形的精度很高，同种材料经过BC-MIG焊所获得的增材效果良好，例如钢材料、铝合金材料以及铜材料之间的焊接。异种材料诸如铝合金和钢材料的焊接，铝合金和钛材料的焊接也能够得到良好的焊接性能。

2 增材制造试验方法及试验参数

本文选择Q235作为基板，其材料由镀锌钢组成，增材材料选择铝合金作为焊丝，型号为4043铝合金，利用上述两种材料进行异种金属增材试验研究，由金相显微镜来观察所制备的4043铝合金沉积层组织形貌，通过显微硬度计和万能拉伸试验机表征沉积层的力学性能。选择Q235基板的厚度为2mm，选择直径为1.5mm的4043铝合金作为焊丝。焊接是采用自行制作的BC-MIG焊设备进行实验，在基材上进行腹板的堆焊，堆焊的形式以逐层堆焊进行。实质上旁路分流MIG焊就是将MIG焊枪的另一侧增加一个分流焊枪，经过分流焊枪的分流后原本的主弧电流被分为2个部分，其中一部分电流通过旁路流回焊接电源，另一部分电流则是直接作用于母材的电流，在保证完全熔化焊丝的前提下合理地控制母材的热量输入，从每道工序和每层焊缝上进行质量控制，获得良好的增材效果。经过多次工艺试验优化后，将工艺参数中主路电流设置为75A，将电弧电压调节为16.5V，将旁路分流的焊枪电流输入调节为54A，焊接速度控制为0.8m/min，钨极和焊丝之间的距离固定为5mm，钨极和母材之间的距离也保持在5mm，焊接主路的焊枪喷嘴和母材之间保持10mm的距离，旁路焊枪和主路焊枪的保护气体流量分别控制在5L/min和15L/min。

3 结果与讨论

3.1 增材成形情况

经过此焊接工艺得到的T型材焊缝形貌良好，结构均匀。可以看出，腹板焊缝由呈层状结构堆垛，经测量得知其高度达到9mm，宽度为5mm，增材制造的腹板外观光滑，表面美观。焊缝的表面可以看到银灰色的光泽，进行整体评估后得知焊缝的增材成形精度很高，质量较好。将异种材料焊接所得的焊件进行切割后表征其截面形貌。铝合金焊缝的堆焊痕迹清晰可见，层与层之间的重叠性优良，结合良好。焊缝沉积层中由于焊接过程不可避免地产生一些气孔，但气孔数量较少。

3.2 沉积层微观组织特点

异种金属BC-MIG焊得到的增材制造件的截面图，异种金属的焊接界面，界面的下侧是钢结构的基材，焊缝中下侧呈带状结构，而上侧则是类似于针状的组织结构。出现的针状结构是因铁元素的扩散而形成的，由于铁元素能够在铝材质的焊缝材料中相对较快的扩散，因此在铝焊缝中形成针状结构。而由于铝元素在钢结构中的扩散速度慢、扩散难度大，因此在钢结构中只形成了带状结构，这种带状结构的形成是由于铝元素的富集作用而形成的金属间化合物作用，这种金属间化合物主要是铁铝金属间化合物。焊缝横截面的中间部位组织结构形貌图，焊缝材料结晶性良好，焊丝金属呈树枝晶的方式生长。

3.3 显微硬度分析

对材料的显微硬度测试是一项基本的测试项目，显微硬度能够体现出焊缝的焊接质量好坏，对焊件进行显微硬度测试时首先要对显微硬度的测试区域进行选择，通常显微硬度的测试范围包括全部堆焊层区域，显微硬度探针每间隔0.5mm进行一次显微硬度测试，设置显微硬度的施加载荷为1.96N，显微硬度计探针压入之后对其载荷进行保持，将载荷的保持时间设置为10s。经过显微硬度测试数据的结果分析可知，在整个沉积层的硬度测试数据中，位于沉积层底部的增材硬度达到整个沉积层硬度的最高值，为65HV10，在沉积层底部硬度较高是铁元素较密集导致的。沉积层的中部显微硬度测试结果相比于焊缝底部的显微硬度测试结果较小，这是由于铁元素的渗入量在纵向上有一个递减的过程，并且其结构的硬度相对比较均匀，显微硬度在不同位置的上下浮动较小，两个堆焊层之间的熔和情况良好，无论从组织结构的均匀性和显微硬度的均匀性来讲，该焊接制造工艺都较为可行。

3.4 力学性能研究

本研究采用电子的万能材料试验机对所得到的焊件进行力学性能表征，主要对材料进行剪切试验，进行力学性能表征时无须采用标准的试样，本研究采用非标准的光滑试样进行实验，在电子万能材料试验机工作时测得的工作温度是27℃。在进行剪切试验时首先要将待试验的试件放在竖直的位置，将T型试件的翼板用夹具固定住，在腹板的中间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，可以通过试验机直接读出此次剪切试验的剪切力大小。根据直接读出的剪切力大小和计算出的剪切角大小可知，经BC-MIG焊的T型焊件能够承受的剪切力极限为2100N，剪切力没有达到1950N时，T型焊件随后发生塑性变形，塑性变形角度范围为6°～13°，在这种剪切条件下焊件被不可逆转的损坏，剪切力的逐渐增加使得焊件的塑性变形逐渐增加，直到剪切角度增加至14°时，结构开始出现裂纹。根据焊件所出现断裂现象的位置可知，焊件的断裂位置在焊件根部附近，对焊件进行观察可知，堆焊层本身在焊件断裂时没有断裂，观察整个堆焊层的截面情况也是如此，这表明BC-MIG焊所形成的堆焊层抗剪切的能力较强。

4 结语

本文选择了钢材料和铝合金材料作为异种金属进行增材制造实验，增材制造采用BC-MIG焊的焊接工艺，经过焊接之后，获得了表面形貌较为美观的堆焊层，通过一系列的显微观察以及力学性能实验后进行分析得知，BC-MIG焊制备而成的型材性能良好，符合设计预期。对其沉积层进行观察和分析得知，在BC-MIG焊电弧的作用下沉积层的熔合性能优异，形成的结构较为稳定，组织也非常均匀。由于铁元素的扩散作用，沉积层局部硬度上升，最高可达到65HV10。经BC-MIG焊的T型焊件能够承受的剪切力极限为2100N，直到剪切角度增加至14°时，结构开始出现裂纹。对焊件进行观察可知，堆焊层本身在焊件断裂时没有断裂，表明BC-MIG焊所形成的堆焊层抗剪切的能力较强。