采用雙絲冷金屬過渡(CMT)熔釬焊工藝對(duì)5083鋁合金和304不銹鋼進(jìn)行對(duì)接焊試驗(yàn)，在保證焊縫成形良好的條件下，研究了焊接熱輸入對(duì)接頭金屬間化合物(IMC)層厚度和拉伸性能的影響，并與單絲CMT熔釬焊接頭進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：雙絲和單絲CMT熔釬焊接頭焊縫獲得良好成形質(zhì)量的熱輸入范圍分別為213.8~486.0，379.6~590.6J·mm-1；雙絲CMT和單絲CMT熔釬焊接頭界面處的IMC均為FeAl3 相；隨著熱輸入的增加，單絲或雙絲CMT熔釬焊接頭IMC層厚度增加，抗拉強(qiáng)度降低；單絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為9.59μm，此時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最大，為76MPa，而雙絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為3.36μm，此時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最大，為109MPa。
一、試樣制備與試驗(yàn)方法
焊接用母材為5083-H111鋁合金板和固溶態(tài)304不銹鋼板，尺寸均為3.00mm×100mm×60mm。在母材單面開“V”形坡口，坡面角度為45°，根部間隙為1mm。焊前用鋼絲刷和砂紙去除表面氧化膜，然后用丙酮擦拭。將粒徑小于75μm、純度為99.99%的鋁粉與Nocolok釬劑按質(zhì)量比4∶6混合，然后加入少量丙酮調(diào)成糊狀，再加入顆粒直徑為1mm左右的分析純酒石酸鉀鈉，最后將混合釬劑刷在待焊不銹鋼板坡口面，厚度為0.2~0.5mm，置于無風(fēng)室內(nèi)晾干。焊接時(shí)所用的焊絲為直徑1.2mm的ER4043(AlSi5)鋁硅焊絲。
采用CMT焊機(jī)和弧焊機(jī)器人進(jìn)行單層單道雙絲CMT熔釬焊，前后焊絲采用的焊接參數(shù)一致。試驗(yàn)中保護(hù)氣體為純氬氣，氣體流量為20L·min-1。焊接時(shí)焊絲與焊件垂直，焊絲干伸長(zhǎng)量為12mm，對(duì)中焊接坡口間隙，具體焊接方法如圖1所示。對(duì)比試驗(yàn)為單絲CMT熔釬焊。雙絲CMT熔釬焊時(shí)2個(gè)電源同時(shí)工作，控制2根焊絲，單絲CMT熔釬焊時(shí)只有1個(gè)電源控制1根焊絲。以熔透、未燒穿且正反面成形良好為標(biāo)準(zhǔn)確定焊接參數(shù)，通過預(yù)試驗(yàn)確定的焊接參數(shù)如表1所示，其中雙絲CMT熔釬焊的熱輸入為2倍的電流和電壓的乘積除以焊接速度。
表1 焊接工藝參數(shù)
焊接完成后，待接頭冷卻到室溫后，用線切割機(jī)垂直焊接方向切取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，用Keller試劑腐蝕10~15s后，采用數(shù)字光學(xué)顯微鏡對(duì)不銹鋼母材、焊縫、鋁合金母材及各區(qū)域過渡處的顯微組織進(jìn)行觀察。使用超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和附帶的能譜儀(EDS)對(duì)界面層的微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分進(jìn)行分析，并測(cè)量界面處IMC層的厚度。按照GB/T 228.1—2010，在接頭上以焊縫為中心垂直焊接方向截取尺寸為10mm×120mm×3mm的拉伸試樣，使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1mm·min-1，測(cè)3次取平均值。
二、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 宏觀形貌和顯微組織
不同焊接熱輸入下鋁合金/不銹鋼雙絲和單絲CMT熔釬焊接頭的宏觀形貌和顯微組織相似，以熱輸入為213.8J·mm-1下的雙絲CMT熔釬焊接頭為例，進(jìn)行宏觀形貌和顯微組織分析。由圖2可以看出，鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊接頭未見明顯缺陷，焊縫成形質(zhì)量良好。與單絲CMT熔釬焊接頭相比，雙絲CMT熔釬焊接頭擴(kuò)大了熱輸入范圍。
由圖3可以看出，鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊接頭分為熔化區(qū)和固相區(qū)，其中鋁一側(cè)因熔點(diǎn)低，在雙絲電弧加熱作用下發(fā)生熔化，與焊縫金屬一起形成熔化焊接頭，而鋼一側(cè)則形成了釬焊接頭；因此雙絲CMT熔釬焊接頭具備熔焊及釬焊的雙重接頭特征。鋁一側(cè)接頭可以分為焊縫、熱影響區(qū)及母材。其中：焊縫由α-Al相和Al-Si共晶相組成，以柱狀晶為主；熱影響區(qū)的晶粒尺寸大于母材的晶粒尺寸，但小于焊縫的晶粒尺寸。釬焊接頭不銹鋼母材與焊縫金屬界面處存在鋸齒狀的IMC層，推斷為不銹鋼表面混合釬劑層在電弧的熱作用下迅速熔化，使填充金屬潤(rùn)濕不銹鋼表面，并在填充金屬與不銹鋼界面處形成了IMC，同時(shí)CMT焊接定期推拉焊絲的工作模式增強(qiáng)了熔池的流動(dòng)，破壞了IMC的生長(zhǎng)方向，從而使焊縫處的IMC層呈鋸齒狀。
2.2 金屬間化合物的物相組成和微觀形貌
由圖4可以看出，隨著熱輸入的增加，鋁合金/不銹鋼雙絲CMT和單絲CMT熔釬焊接頭中IMC層由平滑的形貌逐漸變?yōu)槊黠@的鋸齒狀形貌，厚度增加，且雙絲CMT熔釬焊熱輸入大于275.3J·mm-1時(shí)IMC層開始出現(xiàn)裂紋，單絲CMT熔釬焊熱輸入大于379.6J·mm-1時(shí)IMC層出現(xiàn)裂紋。熱輸入的增大使界面處溫度升高，有助于脆性IMC的生長(zhǎng)；同時(shí)鋁合金與不銹鋼熱膨脹系數(shù)的差異使界面處產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂紋。由于不同接頭中IMC的成分相似，僅以圖4(a)中IMC的成分為例進(jìn)行分析；能譜測(cè)得其化學(xué)成分(原子分?jǐn)?shù)/%)為66.34Al，21.15Fe，4.57Si，6.35Cr，1.59Ni，其中鐵與鋁的原子比約為1∶3，因此可判斷IMC為FeAl3。
由圖5可見：隨著焊接熱輸入從213.8J·mm-1增加到486.0J·mm-1，鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度從3.36μm增加到18.12μm；隨著焊接熱輸入從379.6J·mm-1增加到590.6J·mm-1，鋁合金/不銹鋼單絲CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度從9.59μm增加到26.55μm。隨著熱輸入的增加，接頭中IMC層厚度均呈線性增加趨勢(shì)。在鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊過程中，鋁熔化，鋼保持固態(tài)，形成了鋁/鋼固液界面反應(yīng)體系。隨著熱輸入的增加，鐵和鋁原子的擴(kuò)散速率顯著增加，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，從而有利于IMC的生長(zhǎng)，因此IMC層的厚度增加。
2.3 拉伸性能
由圖6可以看出，隨著熱輸入的增加，鋁合金/不銹鋼雙絲CMT和單絲CMT熔釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度均降低。結(jié)合圖5可知：當(dāng)雙絲CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度從3.36μm增加到18.12μm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度從109MPa降低到26MPa；當(dāng)單絲CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度從9.59μm增加到26.55μm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度從76MPa降低到22MPa。雙絲CMT熔釬焊接頭的最大抗拉強(qiáng)度比單絲CMT熔釬焊接頭高約30%。
焊接接頭界面IMC層厚度決定了鋁/鋼異種金屬接頭的強(qiáng)度。隨著熱輸入的增大，CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度增加，但是過厚的IMC層不僅存在裂紋，而且也易成為裂紋擴(kuò)展的路徑，從而導(dǎo)致接頭斷裂。因此，為了獲得良好的鋁合金/不銹鋼接頭，應(yīng)減小焊接熱輸入，將IMC層厚度控制在較小值。無論是單絲還是雙絲CMT熔釬焊，當(dāng)電流和電壓確定時(shí)，焊接速度的提高伴隨著焊接熱輸入的降低。雙絲CMT熔釬焊雖然有2個(gè)熱源，但焊接速度更快，能以大于單絲CMT熔釬焊2~4倍的焊接速度使焊縫獲得良好的成形質(zhì)量，因此雙絲CMT熔釬焊可以采用較低的熱輸入進(jìn)行焊接。在保證焊縫良好成形質(zhì)量的條件下，單絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為9.59μm，此時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最大，為76MPa；雙絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為3.36μm，此時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最大，為109MPa?？芍p絲CMT熔釬焊具有高速、低熱輸入的特征，在接頭IMC層厚度控制及抗拉強(qiáng)度提高方面比單絲CMT熔釬焊更具優(yōu)勢(shì)。
三、結(jié) 論
(1) 采用雙絲CMT熔釬焊工藝對(duì)鋁合金/不銹鋼異種金屬進(jìn)行焊接，鋁側(cè)熔化形成熔焊接頭，鋼側(cè)與焊縫金屬生成金屬化合物，形成釬焊接頭。當(dāng)熱輸入為213.8~486.0J·mm-1時(shí)，雙絲CMT熔釬焊接頭焊縫具有良好成形質(zhì)量，而當(dāng)熱輸入為379.6~590.6J·mm-1時(shí)，單絲CMT熔釬焊接頭焊縫具有良好成形質(zhì)量。
(2) 鋁合金/不銹鋼雙絲CMT和單絲CMT熔釬焊接頭界面處的IMC均為FeAl3 相，且隨著熱輸入的增加，IMC層由平滑的形貌逐漸變?yōu)槊黠@的鋸齒狀形貌，IMC層厚度增加，接頭的抗拉強(qiáng)度降低。在保證焊縫良好成形質(zhì)量的條件下，單絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為9.59μm，此時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最大，為76MPa，而雙絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為3.36μm，此時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最大，為109MPa。雙絲CMT熔釬焊具有高速、低熱輸入的特征，在接頭IMC層厚度控制及抗拉強(qiáng)度提高方面比單絲CMT熔釬焊更具優(yōu)勢(shì)。
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