基于Al-Mg焊丝的铝/钢激光-CMT复合熔钎焊试验研究

曾梓桐 陈禹昕 房博 杨志斌

摘 要：本文开展了铝-镁焊丝的铝/钢激光-CMT复合熔钎焊，结果表明随激光功率增加，铝正面铺展距离先增大后减小，增加送丝速度有利于铝在钢表面的铺展。最优焊接参数下接头拉伸强度为188.89MPa，达铝母材的77.1%，接頭薄弱区域为焊缝/不锈钢界面，接头界面金属间化合物层厚度为5-8μm，呈针状由不锈钢向铝侧生长，主要成分为Fe4Al13、Fe2Al5、FeAl3和α-Al。

关键词：铝钢异种材料;激光-CMT复合焊;熔钎焊;Al-Mg焊丝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.020

0 引言

冷金属过渡（cold metal transfer，CMT） 技术，具有飞溅小、热输入量低等特点，可以很好的控制金属间化合物层的厚度，适用于铝/钢异种金属的焊接[1]。激光-CMT电弧复合焊接采用激光/电弧复合热源，焊接速度快，峰值温度高，同时能精确控制能量密度，工艺稳定性更好，能有效控制界面金属间化合物的生长，实现铝/钢的优质焊接[2]。本试验采用铝-镁焊丝，对铝合金和不锈钢板进行激光-CMT复合熔钎焊，研究焊接参数对焊缝成型的影响规律，确定优化的焊接参数，获得接头的微观组织及力学性能。

1 试验材料、设备及方法

试验选择2mm厚的SUS301L奥氏体不锈钢板和2.5mm厚的6A01-T5铝合金，焊丝采用1.2mm的ER5183铝-镁焊丝。使用YLS 6000光纤激光器、TPS 500i CMT焊机进行熔钎焊，保护气体为纯度99.99%的氩气，气体流量为20L/min。激光与焊丝的距离为3mm，电弧与水平夹角为60°，激光与法线夹角为10°，并偏移钢侧0.6mm。接头形式为对接，间隙为0.3mm。试样规格为100mm×50mm，钢侧开20°的V型坡口。焊前将Nocolok钎剂和丙酮调成稀糊状，均匀地涂在不锈钢坡口以及附近上下表面，待丙酮蒸发后进行试验。

2 试验结果与讨论

焊接试验参数如表1所示，获得的焊接接头成形如表2所示。

1号接头成型不理想，正面焊缝成型不均匀，有凹陷现象，背面焊缝成型波动较大。铝在钢表面的铺展情况不理想，铝的背面铺展距离略大于正面铺展距离，但铺展不均匀，有未铺展的现象。接头抗拉强度为87.59MPa，断裂在焊缝/不锈钢界面处。2号接头成型良好，正面、背面焊缝比较均匀，背面铺展效果很好，铺展距离很大。接头抗拉强度为131.19MPa，断裂在焊缝/不锈钢界面处。3号接头成型良好，无明显缺陷，接头正面与背面比较对称，成型效果相当，铺展效果理想。接头抗拉强度为188.89MPa，达到了铝母材的77.1%，断裂在焊缝/不锈钢界面。4号接头正面成型不均匀，背面焊缝宽度减小，铺展不均匀，存在未铺展的问题。拉伸试验测得的抗拉强度为112.86MPa，沿焊缝/不锈钢界面断裂。

比较这四组焊接工艺参数可以发现，激光功率的增加有利于铝的铺展，但是当激光功率达到2100W时，激光对铝板的预热效果增强，熔化的铝母材增多，更容易流向钢背面，使铝的背面铺展距离增加，正面铺展距离减小，不利于接头性能的提高。当送丝速度为4.0m/min时，较低的电弧热输入和填充金属量不能实现铝的良好铺展，将送丝速度提高至4.5m/min时，铝的铺展效果理想，配合适当的激光功率，得到了力学性能优良的焊接接头。最佳焊接工艺参数为：激光功率2000W，焊接速度1.2m/min，送丝速度4.5m/min。接头的薄弱区域为焊缝/不锈钢界面。

图1为3号接头试样的SEM照片，界面处形成了一层致密的金属间化合物，平均厚度为5-8μm，有研究表明，当界面化合物层的厚度小于10μm时，能够保证接头的力学性能。金属间化合物呈针状由不锈钢向铝侧生长。图2所示为金属间化合物层的XRD图谱，可见其主要成分为Fe4Al13、Fe2Al5、FeAl3和α-Al，主要形成富铝的化合物，

这是因为铁在铝中的扩散系数远大于铝在铁中的扩散系数。

3 结论

（1）基于铝-镁焊丝的激光-CMT复合熔钎焊实现了铝/不锈钢的优质连接，激光功率的增加有利于铝的铺展，但是当激光功率达到2100W时，铝的正面铺展距离减小;送丝速度的增加有利于铝在钢正、背面的铺展。

（2）激光功率为2000W、焊接速度为1.2m/min、送丝速度为4.5m/min为最优焊接工艺参数组合，接头的抗拉强度达到了188.89MPa，为铝母材的77.1%;接头的薄弱区域为焊缝/不锈钢界面。

（3）最优焊接参数下，接头界面的金属间化合物层平均厚度为5-8μm，呈针状由不锈钢向铝侧生长，主要成分为Fe4Al13、Fe2Al5、FeAl3和α-Al。

参考文献：

[1]郝轩，黄永德，陈伟，陈玉华.基于CMT技术的铝合金电弧增材制造研究现状[J].精密成形工程，2018，10（05）：88-94.

[2]Selvi S，Vishvaksenan A，Rajasekar E. Cold metal transfer （CMT） technology-An overview[J].Defence technology，2018， 14（01）：28-44.

基金项目：2018年大连交通大学大学生创新创业训练计划项目

作者简介：曾梓桐（1997-），男，湖北襄阳人，本科在读，主要从事焊接工艺方面研究工作。

指导教师：杨志斌