王 强，霍文涛，恒俊楠

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

随着国家大力推进节能减排，清洁能源的使用得到快速发展。但是由于电池等清洁能源续航里程的瓶颈，对汽车车身在保证安全的前提下减重势在必行，铝合金逐渐成为汽车零部件生产制造所必需的材料之一[1]。汽车轻量化势在必行，全铝车身应运而生。但由于铝合金本身特点，导热快，膨胀系数大，对薄板的焊接容易产生较大的焊接变形，降低焊接结构件的尺寸精度，铝合金薄板焊接过程中的问题归根结底就是焊接热输入量过大导致的。

冷金属过渡焊接技术(CMT)是Fronius公司开发出的一种新型焊接工艺[2]，具有高熔敷效率，低热输入量和无飞溅等特点，其通过控制焊丝的回抽运动，帮助焊丝与熔滴分离，焊丝的机械式回抽运动就保证了熔滴的正常脱落，从而使得熔滴过渡实现无飞溅，又避免了较大的热输入量(图1)。其最大的特点是总结了普通MIG焊接技术在薄板焊接中的缺陷，采用送丝运动和熔滴过渡相结合的方式，是一种“热-冷-热”连续交替的焊接过程，可以大大降低焊接时的热输入量，目前已经得到了广泛应用[3,4]。

图1 CMT焊机短路过渡原理图Fig.1 CMT welder short circuit transition schematic diagram

目前已有不少关于CMT焊接技术的实际成果，主要包括钢铝异种金属焊接、铝合金薄板焊接，多数集中在薄板领域，对于应用到实际铝合金汽车白车身较少，实际项目焊接过程较为复杂，焊接变形多变。本文结合焊接试验对铝合金薄板焊接进行研究和分析，验证CMT焊接技术在实际项目中可以提高薄板焊接质量、控制焊接变形量，提高生产效率。

1 试验及分析

1.1 CMT焊与普通MIG焊薄板搭接焊缝试验

试验材料为6005A-T6板材，为Al-Mg-Si系合金，厚度1mm。焊丝为ER5087，规格为Φ1.2mm，化学成分见表1，进行搭接焊缝的焊接试验。

表1 铝合金型材及焊丝化学成分(质量分数，%)Tab.1 Chemical composition of aluminum alloy profiles and welding wires(wt.%)

由图2所示，搭接焊缝外观可以明显对比出，普通MIG焊焊接1mm薄板，由于焊接冲击力及热输入量过大，导致焊缝扁平，同时出现烧穿、焊洇等严重缺陷；而CMT可以焊接出合格的焊缝外观，且焊缝背部无焊洇现象，避免后续装配干涉，无需打磨处理，节省工时，提高效率。

图2 搭接焊缝外观试验Fig.2 Appearance test of lap weld

1.2 CMT和MIG对接焊缝焊接试验

1.2.1 焊接准备及焊接试验

焊接试验采用汽车用板材5052-H11，其尺寸为300mm×100mm×2mm，焊丝为ER5087，规格为Φ1.2mm，采用I型坡口对接，化学成分见表2。焊接设备为福尼斯TPS4000 MIG焊机和TPS 5000 CMT焊机。使用气动钢丝碗刷和无水乙醇做好母材焊前清理工作，焊前进行试焊以确定最佳焊接规范。具体焊接参数为，MIG焊接组对间隙0～1mm，焊接电流60A～70A，送丝速度4.5m/min；CMT焊接组对间隙0～1mm，焊接电流85A～95A，送丝速度6m/min。

表2 母材5052-H11及焊丝化学成分(质量分数，%)Tab.2 Chemical composition of base metal 5052-H11 and welding wire(wt.%)

1.2.2 试验结果及分析

(1)焊接效率分析。经过对焊接过程时间测算，相同板厚(2mm)、相同长度(300mm)的试板，每种试板焊接3次，取其平均值计算焊接时长，具体时间见表3。

表3 焊接时间对比Tab.3 Comparison of welding time

可以看出，在合理的焊接参数下，MIG焊平均焊接时间为32.67s，CMT焊平均焊接时间为24.67s。对于生产实际来说，焊接速度是评价生产效率的一项重要指标，同时更短的时间也可以降低焊接操作人员的劳动强度。而且时间更短，说明CMT焊接过程中焊接热输入量更低，所以焊接薄板过程更容易操作，焊接质量更易控制。

(2)焊缝外观分析。对比两种焊接方法的焊缝成形情况，如图3所示，焊接薄板时，采用普通MIG焊接时，焊接热输入量较大，薄板焊缝基本没有余高，在部分位置出现凹陷现象，甚至出现塌陷和焊漏现象。而采用CMT焊接时，焊缝外观美观成形良好，焊缝余高均匀饱满，与母材过渡圆滑。这是因为CMT焊接通过电源的DSP芯片控制，可以将送丝机构与焊接过程联动控制起来，在熔滴短路过渡时，电源自动采集短路电流信号，会立刻切断电流，焊丝同步回抽帮助熔滴进入熔池，从而实现瞬时无电流熔滴过渡，即熔滴“冷过渡”[5,6]，可以有效控制焊缝的热输入量，焊接人员更容易操控焊枪，实现对焊缝成形的控制。

图3 焊缝外观Fig.3 Welding visual test

(3)焊缝断面分析。对比两种焊接工艺的焊缝宏观形貌，如图4(a)(b)所示。两种焊缝断面均熔合良好，均能实现单面焊双面成型，但是MIG焊接试样明显看出焊缝背透要比CMT焊接试样要大，说明MIG焊的焊接过程中热输入量要高于CMT。对比焊缝微观组织也可以看出，CMT焊缝的断面成型效果更理想，如图4(c)(d)所示。

图4 焊缝组织形貌Fig.4 Weld section

对比两种焊接接头的显微组织可以看出，焊缝区域存在明显的等轴树枝晶，焊缝熔合线靠近焊缝侧为粗大的柱状晶[7]，同时因铝合金焊缝凝固过程，靠近母材区域的焊缝先凝固，但是因焊缝区域散热均需经过熔合区传导，所以晶体会明显向着母材方向生长，形成定向晶体[8]。观察组织断面可以看出，由于MIG焊比CMT焊热输入量大，相比较CMT晶体组织，MIG焊的晶体有更长的时间生长，晶粒长大更明显，出现更为粗大的晶体组织，析出相增多，并且晶粒大小更不均匀[9]，所以CMT的晶粒组织要更均匀细小。

(4)力学性能试验分析。按ISO 4136:2012《金属材料焊缝破坏性试验-横向拉伸试验》要求制备焊接试样，在AG-X 100KN电子万能拉伸测试机上对不同焊接方法的焊接接头试样进行拉伸测试，试验结果见表4。采用普通MIG焊接5052-H11+5052-H11材料时，接头的平均抗拉强度达到133MPa；而采用CMT焊接时，接头的抗拉强度达到138.7MPa，采用CMT焊接接头的力学性能要略高于普通MIG焊接接头，且断后伸长率CMT(22.83mm)明显高于普通MIG断后伸长率(16mm)。

表4 焊缝接头力学性能试验Tab.4 Mechanical performance test of welded joints

结合焊缝金相分析，在达到相同焊接效果的前提下，CMT焊缝的焊接热输入量比普通MIG焊的热输入量要小，晶粒长大情况不明显，焊缝的融合效果更均匀，所以CMT焊的试件力学性能略高于普通MIG焊的。

2 实际项目应用对比分析

2.1 焊接白车身侧围对比

将CMT焊和普通MIG焊同时应用到某全铝白车身S51EV项目侧围骨架焊接、侧围钣金件焊接，进行焊接对比试验。主要焊接位置板厚为，侧围骨架为1.8mm～2.5mm的铝合金型材对接焊缝，侧围钣金件为1.0mm～1.5mm铝合金钣金件与型材的搭接。焊接完成后送检，利用便携式三坐标进行检测，如图5、图6所示。

图5 全铝白车身侧围组焊Fig. 5 All-aluminum body-in-white side panel welding

图6 全铝白车身侧围三坐标检测Fig. 6 Three-coordinate detection of side wall of all-aluminum body in white

利用车间三坐标检测报告结果见表5，在总检测点数为213个、关键点检测数为99个时，CMT尺寸符合率(82.63%)明显高于普通MIG(49.3%)尺寸符合率。同时CMT焊最大超差尺寸不超过2.5mm，普通MIG焊最大超差尺寸已达到10mm以上。说明利用CMT焊接工艺方法，能有效控制实际产品的焊接变形，即使是在白车身侧围这样复杂的焊接构件，相同的焊接顺序，在白车身薄板件焊接过程，更容易控制焊接变形，对工装夹具要求会进一步降低。

表5 检测点符合率对比表Tab.5 Comparison table of coincidence rate of detection points

3 结论

(1)采用CMT焊接薄板时，焊缝美观成形良好，焊缝余高均饱满，实现飞溅少，与母材圆滑过渡，焊缝均匀一致，可以实现1mm铝板焊接。

(2)通过与普通MIG焊在薄板焊接对比试验，发现CMT焊在薄板焊接方面具有焊接变形量小、焊接效率高，可广泛应用于铝合金薄板焊接领域。

(3)通过实际汽车白车身侧围焊接试验，CMT焊接在控制焊接变形量和焊接效率上，具有更明显的优势。