第３８卷第４期 ２０１２年８月 兰州理工大学学报 ＶｏＬ ３８ Ｎｏ．４ ＡｔＩｇ．２０１２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 文章编号：１６７３—５１９６（２０１２）０４－００２３－０４ 铝一钢脉冲ＤＥ—ＧＭＡＷ与ＣＭＴ熔钎 焊热循环曲线测试与对比 石 牙 ，王 钊 ，董兵天。，卢立晖 ，黄健康 ，樊 丁 （１．兰州理工大学甘肃省有色金属新材料重点实验室，甘肃兰州兰州７３００５０；３．甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃金昌７３００５０；２．兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室，甘肃 ７３７１００） 摘要：介绍一种新的铝一钢异种金属焊接方法——脉冲旁路耦合电弧ＭＩＧ焊（ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ－ＧＭＡＷ），将该方法应用 于铝和镀锌钢板的焊接，得到成型良好的焊缝．采用接触式测量法测量ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ－ＧＭＡＷ法在不同焊接参数下的 热循环曲线，并与ＣＭＴ进行对比分析，结果表明：ＣＭＴ法通过推拉丝及短路波形控制能减小焊接过程中的热输 入；而ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ－ＧＭＡＷ法通过增加旁路电流达到分流的目的，也可以降低输入母材的热量，２种方法的热输入控 制效果相当，均能较好实现铝一钢异种金属的焊接． 关键词：脉冲旁路耦合电弧ＭＩＧ焊；ＣＭＴ；铝一钢；热循环曲线 中图分类号：ＴＧ４０９ 文献标识码：Ａ Ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｙｃｌｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐｕｌｓｅｄ ｍｅｌｔｉｎｇ－ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ ｗｅｌｄｉｎｇ ＤＥ－ＧＭＡＷ ａｎｄ ＣＭＴ ｆｏｒ ｂｏｎｄｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｗｉｔｈ ａｌｕｍｉｎｕｍ ＳＨＩ Ｙｕ ，ＷＡＮＧ Ｚｈａｏ ，ＤＯＮＧ Ｂｉｎｇ－ｔｉａｎ。，ＬＵ Ｌｉ－ｈｕｉ ，ＨＵＡＮＧ Ｊ ｉａｎ－ｋａｎｇ ，ＦＡＮ Ｄｉｎｇ （１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇａｎｓｕ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｍｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｅｈ．，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０；２．Ｋｅｙ ａｂＬｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌ，Ｔｈｅ Ａｌｌｏｙｓ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｃｈ．，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０；３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ— ｉｎｇ，Ｇａｎｓｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｊｉｎｃｈａｎｇ ７３７１００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍｅｔａｌ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ ｓｔｅｅｌ（ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ’ＧＭＡＷ） ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａ ｗｅｌｌ—ｆｏｒｍｅｄ ｗｅｌｄ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｗｅｌｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ ｇａｌｖａｎｉｚｅｄ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ—ｔｙｐｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｙｃｌｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ＿ＧＭＡＷ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｗａｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ＣＭＴ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＣＭＴ ｃｏｕｌｄ ｒｅｄｕｃｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｈｅａｔ－ｉｎｐｕｔ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｐｕｓｈｉｎｇ－ｄｒａｗｉｎｇ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｗｉｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ．Ａｎｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ－ＧＭＡＷ，ｔｈｅ ｈｅａｔ— ｉｎｐｕｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｂｙ－ｐａｓｓ ｃｕｒｒｅｎｔ．Ｗｈｅｔｈｅｒ ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ—ＧＭＡＷ ｏｒ ＣＭＴ ｃｏｕｌｄ ｅｑｕａｌｌｙ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｔｈｅ ｈｅａｔ—ｉｎｐｕｔ ｂｅｔｔｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍｅｔａｌ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ ｓｔｅｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ－ＧＭＡＷ；ＣＭＴ；ａｌｕｍｉｎｕｍ－ｓｔｅｅｌ；ｔｈｅｒｍａｌ ｃｙｃｌｉｎｇ ｃｕｒｖｅ 在异种金属的焊接中，铝及铝合金与钢的连接 具有广泛的应用前景，铝具有比强度大、重量轻、耐 中容易引发较大的焊接应力．而且铝和钢在接触区 容易产生大量脆性金属间化合物，降低接头的力学 性能，因此实现铝一钢的焊接十分困难［３－４３．国内外学 者利用钎焊、激光焊、扩散焊、搅拌摩擦焊等技术对 铝一钢异种金属的焊接进行了一系列研究，结果表 明：降低母材热输入，减少界面区金属间化合物的生 成是铝一钢焊接的关键［５ ］． 冷金属过渡（ＣＭＴ）是ＦＲＯＮＩＵＳ公司提出的 种新型精确控制型电弧焊方法，近年来在铝一钢的 一腐蚀等一系列优点，应用领域不断扩大．例如汽车工 业中，用铝及其合金代替钢是降低结构重量、提高机 械性能的重要措施，因此实现铝一钢的焊接具有重要 的社会价值Ｅｌ－ｚ］．然而，由于铝和钢在熔点、线膨胀系 数等热物理性能上存在较大差异，所以在焊接过程 收稿日期：２０１１—０１—１５ 基金项目：国家自然科学基金（５１１６５０２３） 作者简介：石开（１９７３一），男，湖北武汉人，博士，副教授． 焊接上展现出新的活力．ＣＭＴ通过焊丝回抽可以 实现小电流下短路过渡，焊接热输入极低，但是该方 ・２４・ 兰州理工大学学报 第３８卷 法设备复杂、成本高；脉冲旁路耦合电弧ＭＩＧ焊 （ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ－ＧＭＡＷ）是兰州理工大学提出的一种 新型电弧焊方法，机理上不同于现存精确控制型电 弧焊方法，通过焊接过程中引入旁路电弧，能够同时 满足高熔滴温度和低母材热输入，有利于铝一钢异种 金属的熔钎焊过程［８＿ ］． 铝一钢界面生成的脆性金属间化合物是影响接 头力学性能的关键，其是原子扩散反应的结果，并受 焊接热输入的影响，因此研究焊接热输入具有重要 意义．本文分别采用ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ－ＧＭＡＷ和ＣＭＴ法 对铝一镀锌钢板进行焊接，并通过测量焊接过程中的 母材热循环曲线分析对比２种方法的焊接热输入， 为减少界面区化合物生成，优化铝一钢低热输入焊接 参数提供参考依据． 图１ ＣＭＴ焊接及信号采集系统 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａ罟聃ｍｏｆＣＭＴｗｅｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｇａｔｈｅｒ— ｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 统结构图，该系统由２个脉冲电源分别与一个ＭＩＧ 焊和一个ＴＩＧ焊相连，主路为ＭＩＧ焊，旁路 为ＴＩＧ焊．各焊接回路中的电流有如下关系： ｆｂ｜ｎ＝卜一Ｊｂｐ （１） １试验系统及原理 １．１ ＣＭＴ焊接系统 其中，Ｊｈｎ为流入母材电流，Ｉｂｐ为旁路电弧电流，Ｊ为 实验采用ＣＭＴ ＴＰＳ３２００焊接系统，其优势在 于由前、后２套协同工作的焊丝输送机构组成换向 送丝系统，如图１所示．使焊丝的输送过程具有间断 焊丝熔化电流．由公式（１）可知，在总电流保证焊丝 高熔敷率的前提下，通过调节旁路电流和主路电流， 可以控制流人母材的电流．同时，脉冲电源的引入， 有利于进一步精确控制母材热输入和进一步促进小 电流下熔滴的稳定过渡，可在远低于传统ＭＩＧ焊自 由过渡临界电流的情况下保持稳定的射滴过渡．该 性．焊接过程中熔滴依靠焊丝的回抽过渡到熔池中， 消除了短路过渡时对电磁能量的要求，因此在短路 过渡的时候，电流无需升高到很高的电流值，大大降 低了母材的热输入． １．２脉冲旁路耦合ＭＩＧ焊实验系统 图２为脉冲旁路耦合电弧ＭＩＧ熔钎焊试验系 实验系统中主路、旁路均采用接口可控脉冲焊机，另 外还包括工业控制计算机、采集卡等硬件系统和基 于ｘＰＣ的快速原型软件系统． 图２脉冲旁路耦合电弧ＭＩＧ熔钎焊（ｐｕｔ￣ｄＤＥ－ＧＭＡＷ）试验系统结构图 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｆｏｒｐｕｌｓｅｄＤＥ－ＧＭＡＷ ２铝一镀锌钢板焊接工艺实验及热循 曲线测量 在建立的ＣＭＴ及ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ－ＧＭＡＷ实验系 统平台上进行铝一镀锌钢板焊接工艺实验，并在焊接 ｍｍＸ ２ ｍｍ的镀锌钢板，保护气为纯氩气．焊接试 验采用平板堆焊的方式，焊前将镀锌钢板用铁砂布 打磨并用丙酮清洗，以除去表面污渍．具体焊接参数 如表１和表２所示． 过程中测量母材的热循环曲线．焊丝采用直径１．２ ｍｍ的ＥＲ５３５６铝镁焊丝，母材为３００ ｍｍ×１００ 焊接过程中采用接触法对母材的热循环曲线进 行测量，测量系统由Ｋ型热电偶、ＡＤＡＭ－４０１８温度 采集模块和软件Ａｄａｍ．ｎｅｔ Ｕｔｉｌｉｔｙ等组成．热电偶 ・２６・ 兰州理工大学学报 第３８卷 ＼ 赠 时间／ｓ 图６ ＣＭＴ热循环曲线 啦６ Ｔｈｅｒｍａｌ ｃｙｃｌｉｎｇ ｃｌｌｒｖｅ ｏｆＣＭＴ 图７为热循环曲线的最高温度示意图．结合图 ５、图７可以发现：采用ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ－ＧＭＡＷ方法焊接 时，随着旁路电流的增加，母材热循环曲线中的最高 温度和保温时间均降低，说明该焊接系统在总电流 不变的情况下增加旁路电流，可以降低母材热输入， 且旁路电流越大，母材热输入越小． ｐ ＼ 赠 旁路电流／ｈ 图７热循环曲线最高温度示意图 Ｆｉｇ．７ Ｍａｉｍｔｅｍｐｅｒａｔｌｍｅ帆ｔｈｅｒｍａｌ ｃｙｃｌｉｎｇ ｃｕｒｖｅ 观察图７，当旁路电流为３２、４５、５５ Ａ时，热循 环曲线的最高温度分别为６０９．７、５８４．７、５５８．２℃， 均小于ＣＭＴ法的６２４℃，这也说明脉冲旁路耦合 ＭＩＧ焊独特的电流分配方式可以显著降低输入到 母材的热量，达到甚至超越ＣＭＴ法焊接效果，在 铝一钢异种金属焊接方面具有广泛的应用前景． ４结论 １）ｐｕｌｓｅｄ ＤＥ－ＧＭＡＷ与ＣＭＴ法均可以实现 铝一钢异种金属的焊接，得到的焊缝连续均匀，成型 良好． ２）ｐｕｌｓｅｄ Ｄ￣ＧＭＡＷ焊接系统在保证焊丝熔 化电流不变的情况下，通过控制旁路电弧的分流作 用，减少流人母材的电流，显著降低母材热量输入， 有利于得到高质量的铝一钢焊缝，与ＣＭＴ推拉丝系 统相比在成本上更具优势． 致谢：本文得到兰州理工大学优秀青年教师培 养计划（Ｑ２ＯＯ９Ｏ１），陇原青年创新人才扶持计划的 资助，在此表示感谢． 参考文献： ［１３杨洋，石岩．铝和钢异种金属焊接发展现状［Ｊ］．长春大学 学报，２０１１，２１（２）：２１—２５． ［２］陈健，浦娟，吴铭方，等．铝及铝合金与钢连接技术研究进 展［Ｊ］．江苏科技大学学报，２００８，２２（２）：３９－４４． ［３］李亚江，王娟，刘强．有色金属焊接及应用［Ｍ］．北京：化 学工业出版杜，２００６． ［４］王兴庆，隋永江，吕海波．铁铝原子在金属间化合物形成中的扩 散［Ｊ］．上海交通大学学报，１９９８，４（６）：６６１—６６７． ［５］ＲＯＵＬＩＮ＾，Ｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｕｒｎａｃｅ－ｂｒａｚｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ， １９９９，７８（５）：１５１－１５５． ［６］Ｂ Ｐ．里亚博夫．铝及铝合金与其它金属的焊接［Ｍ］．王义衡， 赵瑞湘，译．北京：宇航出版社，１９９０． ［７］张洪涛．铝域锌钢板ＣＭＴ熔—钎焊机理研究［Ｄ］．哈尔滨：哈 尔滨工业大学，２００８． ［８］石开，温俊霞，黄健康，等．基于旁路耦合电弧的铝钢ＭＩＧ熔 钎焊研究［Ｊ］．机械工程学报，２０１１，４７（１６）：２５－２９． ［９３卢立晖。石开，黄健康．基于Ｉ 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