5754铝合金/镀锌钢CMT焊接接头微观组织和力学性能的研究

徐德进 冯菲玥 李芳 陈云霞

摘要：分别选用ER4043焊丝和ER4047焊丝，采用CMT焊对AA5754铝合金板和DC56+Z50镀锌钢板异种材料进行焊接，通过拉伸、弯曲、疲劳以及金相分析等试验对铝/钢焊接接头力学性能与显微组织进行了研究。结果表明：在CMT电流模式下，采用ER4043焊丝和ER4047焊丝均能得到成形良好的焊接件。拉伸断裂在铝侧焊缝，同时生成的金属化合物层厚小于10 µm，主要是Fe2Al5和FeAl3。焊接电流为60 A，采用ER4043焊丝的焊接接头抗拉性能较为理想，在焊缝处均没有出现裂纹，铝/钢搭接接头的断裂位置在铝侧焊缝处，但是接头疲劳性能存在较大的波动，接头的疲劳寿命达到107次时加载应力仅为63 MPa。

关键词：冷金属过渡焊;铝合金;镀锌板;微观组织;力学性能

中图分类号：TG457.14      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）06-0081-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.15

0    前言

节能减排及环境保护的全球战略对现代航空航天、轨道交通、海洋工程等结构设计轻量化提出了越来越高的要求，为了降低工程装备的重量，同时保证工程装备的安全性，钢和铝合金及其异质材料的连接构件得到了日益广泛的应用[1-4]。然而铝/钢在物理化学性能方面差异明显，导热率、线膨胀系数相差较大导致焊后接头发生严重变形，存在很大的残余应力;钢材熔点高，铝合金熔点低，使得冷却结晶后的焊缝成分分布不均匀，接头性能降低;铁在铝中的固溶度几乎为零，所以铁铝会产生多种硬脆相的金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC），如η相Fe2Al5和θ相FeAl3，其中Fe2Al5硬度约为1 050 HV，FeAl3硬度为900 HV[5];铝合金和钢在焊接过程中还容易出现气孔、裂纹、未熔合等问题。因此其连接接头的可靠性成为影响铝/钢连接件高品质制造的关键问题。

冷金属过渡焊（Cold Metal Transfer，CMT）技术是由Fronius公司在2002年研发出的一种无飞溅和焊渣且热输入量低的新型焊接技术。该技术基于短路过渡的熔化极气体保护焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）技术，在熔滴短路时，焊丝发生回抽，帮助熔滴过渡到熔池中，减少了飞溅和焊渣的产生，同时短路的输出电流趋近于零，因而具有较小的热输入量[6]。王志平[7]等使用CMT焊机对镀锌板/铝进行焊接，研究了镀锌板厚度对焊缝形状、界面组织和接头抗拉强度等的影响，通过控制镀锌板厚度，改善了CMT熔钎焊中存在的接头缺陷，获得了良好的接头。

文中采用ER4043和ER4047两种不同焊丝对5754铝合金和DC56+Z50镀锌钢板进行CMT搭接熔焊，通过优化焊接工艺参数获得了良好的铝/钢焊接接头，并研究不同焊接电流对5754铝合金和DC56+Z50镀锌钢板焊接接头组织和力学性能的影响。

1 试验材料与方法

试验母材选用板厚2 mm的 AA5754车用铝合金板和 DC56+Z50镀锌钢板，焊丝分别选用直径为1.2 mm的ER4043和ER4047，母材及焊丝主要化学成分与抗拉强度如表1、表2所示。

焊接设备选用Fronius公司Advanced 4000R 焊机、CMT VR7000 送丝系统和YASKAWA公司生产的 MOTOMAN焊接机器人系统对车用铝合金和镀锌板进行搭接焊接。焊前使用丙酮清洗去除铝合金板及镀锌钢板表面污迹，再用机械方法去除铝合金表面及侧边氧化膜。铝/钢CMT搭接焊接试验的工装示意如图1所示，其中铝合金板被安放在镀锌钢板上面，搭接量为10 mm。试验中焊枪与焊件的夹角为45°，垂直距离为10 mm。试验分别采用交流-深熔焊（AC-DP）、交流-熔焊（AC-P）、直流-熔焊（DC-P）和CMT焊四种模式。主要焊接试验参数为：焊接速度0.36 m/min，焊接电压11.2 V，焊接电流50 A。保护气体使用Ar+CO2，气体流量20 L/min。

获得不同焊接工艺下铝/钢搭接焊接接头，为进一步研究铝/钢界面组织及力学性能，焊后用线切割在焊件接头上沿垂直焊缝方向分别切割出80 mm×12 mm的条形试样，并保证焊缝处于试样中部，切割制成室温拉伸、弯曲、疲劳试样，每组焊接参数取三根试样，使用MTS810材料万能试验机对焊后接头进行拉伸力学性能测试，拉伸试验参照GB_228.1-2010标准进行，拉伸速度为1 mm/min。疲劳试验过程中应保证工件处于竖直状态，当采用横轴加载时试样只受到轴向拉应力的作用。采用常规的金相试样制备方法制备焊接接头截面的金相试样，选取Keller试剂对打磨抛光后的试样进行腐蚀，腐蚀时间为1 min。利用蔡司Imager A2金相显微镜和JSM-7600F扫描电子显微镜对铝/钢焊接接头的微观组织及断口形貌进行观察和表征。

2 试验结果及讨论

2.1 焊接工艺性评估

ER4043焊丝和ER4047焊丝在4种不同电流模式下进行系列焊接试验，焊后分别从焊縫表面色泽、飞溅、焊缝成形、可操作性4个方面对不同焊丝的焊接工艺性进行评估。焊丝与对应焊接方法的评估结果如表3所示。由表3可知，与AC-DP、AC-P、DC-P三种电流模式相比，CMT焊接飞溅最小、焊缝表面不发黑、没有出现夹渣、气孔、未熔合及裂纹等现象，焊缝成形好。

2.2 接头微观组织

在异质合金接头的结合界面上，出现薄且均匀的金属间化合物层IMC则标志着二者之间产生了良好的冶金结合，有利于提高焊接接头力学性能[8]。铝/钢焊接接头的力学性能与IMC层的成分、含量、分布形态及厚度密切相关，很多学者认为应将IMC层厚度控制在10 µm以内[9-12]。采用ER4043焊丝和ER4047焊丝的CMT焊接接头界面处的IMC层的组织形貌如图2所示，两种焊丝的IMC层厚度均小于10 µm，其中使用ER4043的IMC层厚度更小。文献[13]提到，当铝/钢焊接界面处生成的 IMC层呈非均匀分布，IMC层的状态不再是平直，而表现为锯齿状分布时，形成的凹槽不仅增加了铝/钢的有效连接面积，更增强了机械咬合作用，从而提高了接头的力学性能。由图2可知，焊接接头中Fe、Al在界面层处发生了扩散。使用ER4047的IMC层分布较为平滑，相比之下，使用ER4043的IMC层分布显然呈锯齿状分布，说明使用此焊丝制备的接头力学性能更佳。同时，根据文献[13-14]可以得出，靠近钢侧处均为针状Fe2Al5，靠近铝侧处为平板状FeAl3。

鋁/钢界面处的IMC层是由铁铝之间的扩散-反应机制控制的[11]，即铁原子向铝液态池中扩散以及铝原子向固相钢中扩散，二者相遇反应生成铁铝金属间化合物。J.L.Song等人[15]计算了Al-Fe-Si三元相在IMC界面层的形成焓，Al-Fe-Si三元相的形成焓低于Fe-Al二元相的形成焓，添加Si元素可以降低IMC层的形成焓，因此使用ER4043焊丝和ER4047焊丝均能获得较小的IMC层厚度。但是随着含硅量的增加，针状η相Fe2Al5变化量不大，平板状θ相FeAl3增加，IMC层厚度增加。

2.3 接头拉伸性能及断口分析

拉伸试验中，铝/钢CMT焊接接头共有两种形式断裂出现，分别是铝侧焊缝和钢母材断裂。不同焊接电流下CMT焊接接头界面处的IMC层组织形貌如图3所示，其中电流为60 A的铝/钢界面处IMC层厚度仅为2.5 µm。

常温拉伸试样的断裂位置如表4所示。其中电流为50 A时，断裂位置是在铝侧焊缝，平均抗拉强度约为224 MPa：当电流为60 A时，断裂位置大部分在钢母材，平均抗拉强度约为278 MPa;当电流为70 A时，断裂位置在钢母材，平均拉力为2 755 N，对应的抗拉强度约为290 MPa，略大于钢母材的抗拉强度（母材DC56+Z实测的抗拉强度为287 MPa）。后续对试样进行了低温拉伸试验，发现铝/钢接头的低温拉伸与常温拉伸的性能差异不大，抗拉强度和断裂位置基本没有差别。

拉伸断口区域的微观形貌如图4所示。区域A是裂缝萌生区域，裂缝在焊缝根部萌生（应力集中）。区域B为裂纹扩展区（铝焊缝侧），从微观上分析是沿树枝晶的晶界及二次、三次枝晶的界面处开裂，属沿晶断裂，在裂缝萌生后以及拉伸应力的作用下，裂缝扩展。区域C为裂纹扩展区（钢侧），从IMC界面发生脆性断裂。区域D是拉伸试样快速断裂区（铝焊缝侧），此时均为韧性断裂。

2.4 弯曲性能和疲劳性能

弯曲试验是评定焊接接头质量的常用方法，主要用来测试工作焊缝在弯曲载荷作用下的塑性变形能力。在进行弯曲试验时，试样横截面的应力、应变分布是不均匀的，表面材料受到的应力、应变最大。因此，此测试的结果可以较灵敏地反映出材料的表面缺陷情况[16]。室温弯曲试验在CM5105微机控制电子万能试验机上按照标准GB/T2653-2008《金属材料焊缝的破坏性试验—弯曲试验》进行，根据ISO15614-1标准对工作焊缝进行2个面弯和2个背弯试验，弯曲试验参数如表5所示。

弯曲试验结果如图5所示。结果表明，采用CMT方法配ER4043焊丝制备的焊接接头的弯曲性能较好，连续性和致密性都达到了标准。无论面弯、背弯，铝/钢焊缝与基体的结合表现良好，接头塑性较好，在焊缝处均没有出现裂纹。

5754 铝合金/DC56+Z50 镀锌钢CMT 搭接焊接接头的疲劳性能测试（GB/T 26077-2010 金属材料疲劳试验轴向应变控制方法）结果如表6 所示，接头的疲劳断裂位置位于铝侧焊缝处。可看出，接头的疲劳寿命达到107次时加载应力仅为63 MPa，是静态拉伸（290 MPa）的22%。随着应力加载级别的增大，接头的疲劳寿命逐渐降低，而且其下降幅度不断增大。

3 结论

（1）通过5754铝合金/DC56+Z50镀锌钢的搭接接头系列工艺试验，结果表明，CMT电流模式下获得的接头与AC-DP模式相比，焊接过程稳定，无飞溅，焊缝成形美观。

（2）常温拉伸试验结果表明，电流从50～70 A，铝/钢接头的抗拉性能略有增加，60 A时较理想。

（3）铝/钢接头弯曲试验结果表明，采用ER4043焊丝CMT方法焊接制备的焊接接头的弯曲性能较好，无论正弯、背弯，在焊缝出均没有出现裂纹。

（4）铝/钢接头的疲劳结果发现，铝/钢搭接接头的断裂位置在铝侧焊缝处。但是接头疲劳性能存在较大的波动，铝/钢搭接接头达到107次时对应的拉应力为63 MPa。

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