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点击查看详细介绍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摘 要针对铝合金电池托盘焊接中经常出现的过热变形、焊缝熔深不足、气孔倾向大等缺陷问题，以2.5 mm厚6061铝合金为研究对象，采用CMT Mix焊接工艺研究保护气种类、弧长修正以及电感修正对焊缝内部气孔、熔深及焊缝宽度的影响规律。结果表明：CMT Mix工艺结合了CMT短路过渡和脉冲过渡的双重特征，搭接焊缝表面成形良好，熔深满足要求，焊接过程飞溅少，焊缝内部的气孔得到有效控制，焊接接头符合T/CWAN 0027—2022电池托盘焊接制造规范。采用 φ （Ar）70%+ φ （He）30%混合气比纯Ar更有利于焊缝内部气孔的溢出，气孔数量和尺寸显著减小，保护效果更佳。弧长修正负向调节时，焊缝熔深增加，同时焊缝内部气孔数量及尺寸显著减小；电感修正负向调节时，焊缝熔深显著增加，但焊缝内部气孔尺寸明显增大；相较于弧长修正，电感修正对熔深的影响更为明显。关键词CMT Mix工艺；弧长修正；电感修正；气孔倾向；电池托盘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.1Aluminum 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 ER40431.2 试验方法试验设备为Fronius TPS600i焊接电源和MTB 400i水冷焊枪，采用CMT Mix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。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 parameters2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2搭接焊缝示意Fig.2Schematic diagram of lap joint图3不同保护气体对焊缝内部气孔的影响Fig.3Effect of different protect gas on the inner weld pore2.2 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.4Arclength correction（a）弧长修正为负 （b）弧长修正为0 （c）弧长修正为正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.5Influence of Arclengthcorrection on macroscopic shape of welds2.2.1 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6CMT Mix弧长修正对熔深的影响Fig.6Effects 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7CMT Mix弧长修正对焊缝宽度的影响Fig.7Effects 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8CMT Mix弧长修正对焊缝内部气孔的影响Fig.8Effects of CMT Mix Arclength correction on inner pores2.3 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.9Influence of dynamic correction on macroscopic shape of welds2.3.1 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10CMT Mix电感修正对熔深的影响Fig.10Effects of CMT Mix dynamic correction on penetration2.3.2 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11CMT Mix电感修正对焊缝内部气孔的影响Fig.11Effects of CMT Mix dynamic correction on inner pores3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H 2 气孔。5系铝合金焊接的关键在于焊前排查一切可能的H 2 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。1. 吴志明，李金龙，彭章祝.轨道交通车体用铝合金材料及其焊接技术［J］.金属加工：热加工，2021（02）：5-10.Wu Z M， Li J L， Peng Z Z. 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Jiangsu： Jiangsu University， 2016.Study on CMT Mix Welding Technology for Aluminum Alloy Battery TrayMA JunSHAN ShiruiZHAO JunAbstract:On account of the defects such as welding deformation, unqualified penetration and large porosity tendency in aluminum alloy battery trays welding, the 2.5 mm thickness 6061 aluminum alloy plate is taken as the research object. Based on the CMT Mix process from Fronius, the effects of shielding gas, Arclength correction and dynamic correction on the inner pore, penetration and weld width were studied. The results showe that the CMT Mix combines the characteristics of CMT short-circuit transfer and pulse transfer, the weld surface is well formed, the penetration is qualified, and the welding process has less spatter, the inner pores are well controlled, the welded joint is corresponding to the criterion of T/CWAN 0027—2022 battery tray weld manufacturing. Compared with pure Ar shielding gas, the protection effect of Ar+30%He is better, the pore number and size are more significantly reduced. When the Arclength correction is negative, the penetration of the weld increases, while the number and size of the pores inside the weld significantly reduce; when the dynamic correction is negative, the penetration and the size of the pores inside the weld obviously increase. Compared to the Arclength correction,the dynamic correction has a more obvious effect on the penetration than that of Arclength correction.Keywords:CMT Mix；arclength correction；dynamic correction；porosity tendency；battery tray引用本文：马骏，单世瑞，赵军.CMT Mix在铝合金电池托盘焊接中的工艺研究［J］.电焊机，2022，52（10）：51-56. (MA Jun, SHAN Shirui, ZHAO Jun.Study on CMT Mix Welding Technology for Aluminum Alloy Battery Tray[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(10): 51-56.)作者简介：马骏（1994—），男，硕士，焊接应用工程师，主要从事MIG/TIG/Plasma工艺应用的研究。中图分类号：TG442文献标识码：A本文编辑：唐凰