CMT Mix在铝合金电池托盘焊接中的工艺研究

马 骏，单世瑞，赵 军

伏能士智能设备（上海）有限公司，上海 201900

0 前言

随着国内外新能源汽车的迅猛发展，铝合金电池托盘作为新能源汽车动力电池的主要承载结构件，其焊接质量受到广泛关注，如图1所示。铝型材框架的焊接方法主要有MIG焊、搅拌摩擦焊、TIG焊以及激光复合焊［1］，综合考虑生产效率和生产成本，现阶段自动化电池托盘焊接生产线仍以MIG焊为主。

图1 铝合金电池托盘焊接Fig.1 Aluminum alloy battery tray welding

冷金属过渡（CMT）属于一种短路过渡工艺［2］，通过频率高达170 Hz的高精度马达实现焊丝回抽运动，在熔滴刚接触熔池时电流发生衰减，使熔滴在机械力的作用下几乎无飞溅地进入熔池，避免了不必要的能量损耗，整个焊接过程在送丝和回抽之间来回交替，因而热输入更低，较传统MIG焊具有焊后角变形小、飞溅低、气孔少，力学性能略有提高等优点。然而在电池托盘的焊接中，对于中等厚度的铝型材，需要电弧具有更大的热量以熔化母材，CMT因可调热输入有限并不适用于厚度大于3 mm的中厚板铝合金的焊接。CMT Mix作为CMT的一种衍生工艺，将脉冲电流融合进焊丝回抽运动中，在脉冲阶段可实现“一脉一滴”，因而在整个焊接周期内具有更大的热输入，并且Mix工艺可以通过修正脉冲阶段时间、CMT阶段电流及CMT周期，精确控制焊接热输入［3-6］；同时在短路过渡阶段保留了CMT工艺飞溅少、电弧稳定的特性，短路过渡和脉冲过渡交替进行，加剧熔滴对熔池的“搅拌效应”，有利于铝合金焊缝中的气孔溢出。因此将CMT Mix工艺应用在铝合金电池托盘焊接中具有一定的指导意义。

段金龙［7］提出铝合金焊缝中气孔的形成与氢的溶解度变化密切相关，通过选择合适的焊接工艺参数、有效的气路保护和焊前清洗等措施，可控制焊缝气孔。王清涛［8］等采用CMT Mix+协同脉冲工艺研究了6063铝合金焊接接头性能，发现随着焊接速度的提升，气孔率和气孔尺寸随之增加，焊接速度的变化对焊缝抗拉强度影响较小。尹洪权等［9］从焊缝成形及焊接过程实时高速摄像两个方面分析了CMT弧长修正及电感修正对焊缝成形的影响，弧长修正和电感修正对焊缝余高影响不大，但均对焊缝熔深和熔宽产生显著影响；通过高速摄像观察看出，弧长修正对熔滴形状改变不大，而电感修正使得熔滴尺寸变大。

在上述研究结果的基础上，本文采用基于Fronius的CMT Mix焊接工艺对2.5 mm厚6061铝合金进行搭接焊试验研究，对比分析不同保护气、弧长修正、电感修正对焊缝成形的影响，以期为铝合金电池托盘的焊接工艺优化提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为尺寸为150 mm×50 mm×2.5 mm的6061铝合金，接头形式为搭接。填充材料为直径1.2 mm的ER4043铝合金焊丝，具有良好的润湿性和较低的开裂倾向。其化学成分和力学性能如表1、表2所示。分别采用99.99%的纯Ar和φ（Ar）70%+φ（He）30%混合气体作为保护气，流量为20 L/min。

表1 6061和ER4043铝合金化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of 6061 and ER4043（wt.%）

表2 6061和ER4043铝合金力学性能Table 2 Mechanical properties of 6061 and ER4043

1.2 试验方法

试验设备为Fronius TPS600i焊接电源和MTB 400i水冷焊枪，采用CMTMix工艺对2.5 mm+2.5 mm的铝合金进行搭接焊试验。焊前采用无水乙醇去除母材表面油污，用钢丝刷清除表面杂质。焊丝干伸长15 mm，焊枪与焊缝夹角为10°，搭接面宽度30 mm，如图2a所示。

采用控制变量法，即在相同的焊接速度、送丝速度、焊接电流的前提下，对比分析不同保护气体种类（纯Ar、φ（Ar）70%+φ（He）30%）对焊缝内部气孔形成的影响规律；在保护气体为纯Ar的条件下研究CMT Mix弧长修正、电感修正对焊缝成形及内部气孔的影响规律。设置焊缝长度恒定为100 mm，截取焊缝中间位置30 mm并观察其纵向截面上的内部气孔，如图2b所示。每组参数各取2个样件，分别用于焊缝熔深测量和内部气孔测量。

图2 搭接焊缝示意Fig.2 Schematic diagram of lap joint

基于前期的焊接工艺验证，对于2.5 mm厚铝合金CMT Mix搭接焊，设定的焊接参数为：送丝速度6 m/min、焊接电流125 A、焊接电压17.9 V、高能量时间修正为0、低能量时间修正为+5、低能量修正为+3时，焊缝成形良好。10组不同的参数修正如表3所示，弧长修正的调节区间是［-10，10］，0时为初始值，-10代表弧长被压低的程度，+10代表弧长被拉长的程度。

表3 焊接工艺参数Table 3 Welding parameters

2 试验结果及分析

2.1 不同保护气对焊缝成形的影响

采用相同的焊接参数，弧长修正和电感修正均为0，对比分析99.99%Ar和φ（Ar）70%+φ（He）30%两种不同的保护气对焊缝内部气孔的影响。结果发现，在Ar保护气加入30%的He时，焊缝气孔数量和孔径均大幅降低，气孔数量由19降低至2，最大孔径由0.41 mm降至0.25 mm，如图2所示。这是因为自然环境下He的密度约为Ar的10%，但导热性接近Ar的10倍，当Ar气中加入30%的He时，混合气的导热性相较于纯Ar更高，使得传递至熔池中的热量更多，有利于熔池中气孔的溢出，因此，He的加入对铝合金焊缝的气孔溢出具有促进作用。但是氦气价格过于昂贵，成本效益低，在电池托盘实际的焊接生产过程中尚未普及，目前仍采用高纯Ar作为铝合金电池托盘的焊接保护气。

图3 不同保护气体对焊缝内部气孔的影响Fig.3 Effect of different protect gas on the inner weld pore

2.2 弧长修正对焊缝成形的影响

CMT Mix弧长修正是通过调节电弧燃烧阶段的电弧长度进而改变电弧特性，如图4所示。当弧长修正为0时，弧长为默认值，如图4b所示；弧长修正为负向调节时，电弧压低，电弧燃烧时弧长变短，如图4a所示；弧长修正为正向调节时，电弧拉长，如图4c所示。

图4 弧长修正Fig.4 Arclength correction

CMT Mix弧长修正分别为0、-10、-5、+5、+10时的1#、3#、4#、5#、6#焊缝宏观形态如图5所示。可以看出，当弧长修正调至-10时，弧长最短，短路过渡不稳定，3#样件出现明显飞溅；当弧长修正调至+10时，弧长最长，电弧空间增大，电弧力减小，6#样件焊缝饱满，余高略高。

图5 弧长修正对焊缝宏观形态的影响Fig.5 Influence of Arclengthcorrection on macroscopic shape of welds

2.2.1 弧长修正对熔深的影响

在CMT Mix工艺中，弧长修正主要体现在弧长和熔滴过渡频率的变化。按T/CWAN标准取100 mm焊缝中点作为切片位置，对弧长修正样件进行熔深测量，结果如图6所示。弧长修正为0时，下板熔深为0.64 mm，弧长正向修正为+5、+10时，熔深分别减少至0.45 mm、0.35 mm；弧长负向修正为-5、-10时，熔深增加至0.84 mm、0.91 mm。

图6 CMT Mix弧长修正对熔深的影响Fig.6 Effects of CMT Mix Arclength correction on the penetration

分析认为，CMT Mix弧长正向修正时，CMT阶段增加了短路过渡周期内的焊丝回抽时间，降低了电弧燃烧时的送丝速度，导致弧长变长；脉冲过渡阶段则通过缩短杆伸长进行弧长修正，因此整个CMT Mix的过渡周期内弧长正向调节时弧长变长，电弧空间变大，电弧压力减小，导致传输到母材上的热量不足以熔化更深的母材，因此焊缝熔深减小。CMT Mix弧长负向修正时，修正原理与正向修正相反，电弧热量集中在更小的弧柱空间内，电弧压力增大，因而可以熔化更深的母材。

2.2.2 弧长修正对焊缝宽度的影响

CMT Mix弧长修正对焊缝宽度的影响如图7所示。CMT Mix弧长修正为0时，搭接焊缝宽度为7.84 mm，随着弧长正向修正为+5、+10时，焊缝宽度分别减少至7.32 mm、7.14 mm；弧长负向修正-5、-10时，焊缝宽度分别减少至7.55 mm、6.75 mm，即弧长修正为0时焊缝宽度最宽，正/负向修正均会使焊缝宽度减小。

图7 CMT Mix弧长修正对焊缝宽度的影响Fig.7 Effects of CMT Mix Arclength correction on weld width

这是因为CMT Mix弧长正向修正时，CMT阶段弧长变长，熔滴过渡频率降低，因而送丝速度减小，热输入降低，使得焊缝变窄；脉冲阶段，弧长和电压增加，送丝速度未发生变化，对焊缝宽度无明显影响，因此CMT Mix正向弧长修正时，整体上焊缝因热输入减小变窄。CMT Mix弧长负向调节时，CMT阶段缩短了焊丝的回抽时间，增加了电弧燃烧时的送丝速度，但较高的送丝速度要在即将发生短路过渡时实现匀速回抽，会导致熔滴过渡时间变长，电弧燃烧时间变短，相应地又会导致送丝速度和过渡频率再次降低，此时一元化调节机制的TPSi焊机焊接电流随着送丝速度的降低而减小，因而热输入减小；脉冲阶段，弧长变短，电压降低，送丝速度未发生变化，对焊缝宽度无明显影响，因而，CMT Mix负向弧长修正时，整体上焊缝因热输入减少变窄。综上可知，CMT Mix工艺的焊缝宽度主要受CMT阶段的短路过渡影响，与脉冲过渡无明显关系，弧长无论是正向修正还是负向修正均会导致焊缝宽度减小。

2.2.3 弧长修正对焊缝内部气孔的影响

CMT Mix弧长修正对焊缝内部气孔的影响如图8所示。以氩气作为保护气，当弧长修正为0时，30 mm范围内焊缝截面气孔数量为19个，最大孔径为0.41 mm；弧长正向修正时，气孔数量变化不大，孔径呈现忽大忽小的不稳定性；弧长负向修正时，气孔数量降至2，气孔直径降至0.3 mm以下。这是因为弧长负向修正导致电弧压低，短路过渡时加剧了电弧与熔池的“搅拌效应”，脉冲过渡阶段较高的热量有助于焊缝内部的气孔溢出，因此CMT Mix弧长负向修正可以有效抑制气孔的产生与长大。

图8 CMT Mix弧长修正对焊缝内部气孔的影响Fig.8 Effects of CMT Mix Arclength correction on inner pores

2.3 电感修正对焊缝成形的影响

CMT Mix电感修正主要表现为脉冲阶段的能量调节，对CMT阶段无明显作用，因而对焊缝宽度无明显影响。电感修正分别为-10、-5、+5、+10时的7#、8#、9#、10#样件焊缝宏观形态如图9所示，当电感修正调至-10时，脉冲频率加快，电弧声音尖锐，焊缝余高最低；当电感修正调至+10时，电弧柔软，鱼鳞纹更加清晰，焊缝余高最高。

图9 电感修正对焊缝宏观形态的影响Fig.9 Influence of dynamic correction on macroscopic shape of welds

2.3.1 电感修正对焊缝熔深的影响

CMT Mix电感修正对熔深的影响如图10所示，随着电感修正从-10至+10，焊缝熔深呈现递减趋势。电感修正为0时，下板熔深为0.64 mm，当电感修正调至-10、-5时，熔深升至1.27 mm、0.90 mm，明显高于弧长负向修正对熔深的改善效果；当电感修正调至+5、+10，熔深分别降至0.58 mm、0.44 mm。这是因为电感负向调节时，脉冲频率增加，脉冲阶段的基值电流升至峰值电流、峰值电流降至基值电流的时间缩短，因而熔滴尺寸更小，熔滴过渡频率更快，电弧压力更大，电弧更硬，能量更集中，因而焊缝熔深更大；反之，电弧变软，熔深减小。

图10 CMT Mix电感修正对熔深的影响Fig.10 Effects of CMT Mix dynamic correction on penetration

2.3.2 电感修正对焊缝内部气孔的影响

CMT Mix电感修正对焊缝内部气孔的影响如图11所示，无论电感正向或负向调节，气孔数量均明显下降，但孔径大小呈现一定的不规则性，最大可达2.07 mm。这是因为电感修正仅改变脉冲阶段的能量，高低能量交替变快或变慢，均导致大孔径的气孔在焊缝内部不断长大来不及溢出。

图11 CMT Mix电感修正对焊缝内部气孔的影响Fig.11 Effects of CMT Mix dynamic correction on inner pores

3 结论

（1）CMT Mix工艺结合了精确可控的CMT过渡和脉冲过渡，飞溅小，高低能量交替输入，热变形小，对铝合金电池托盘焊接具有一定的指导意义。

（2）在使用φ（Ar）70%+φ（He）30%的保护气时，焊缝内部气孔数量大幅减少，保护效果明显优于纯Ar，但He的成本太高影响其在实际中的应用。

（3）CMT Mix弧长正向修正时熔深减小，气孔倾向增大，负向修正时熔深增大，气孔数量和尺寸明显降低。CMT Mix弧长修正为0时焊缝宽度最大，无论正向或负向调节，焊缝宽度均减小。

（4）CMT Mix电感修正正向修正时熔深减小，负向修正时熔深增大，且电感修正对熔深的改善效果优于弧长修正；电感修正对气孔无明显影响。

（5）CMT Mix工艺现已有效解决了4系铝合金焊接的气孔问题，但对于加入Si元素的5系铝合金母材，仅凭工艺修正仍无法完全消除因熔池流动性差导致的焊缝内部H2气孔。5系铝合金焊接的关键在于焊前排查一切可能的H2来源（母材表面、焊丝、保护气、冷却水管路等）并进行化学清洁，调整CMT Mix高低能量比例，使得气孔在熔池冷却与气孔溢出之间达到动态平衡。