采用雙絲冷金屬過渡(CMT)熔釬焊工藝對5083鋁合金和304不銹鋼進行對接焊試驗，在保證焊縫成形良好的條件下，研究了焊接熱輸入對接頭金屬間化合物(IMC)層厚度和拉伸性能的影響，并與單絲CMT熔釬焊接頭進行對比。結果表明：雙絲和單絲CMT熔釬焊接頭焊縫獲得良好成形質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，抗拉強度降低；單絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為9.59μm，此時接頭的抗拉強度最大，為76MPa，而雙絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為3.36μm，此時接頭的抗拉強度最大，為109MPa。
一、試樣制備與試驗方法
焊接用母材為5083-H111鋁合金板和固溶態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釬劑按質量比4∶6混合，然后加入少量丙酮調成糊狀，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，置于無風室內晾干。焊接時所用的焊絲為直徑1.2mm的ER4043(AlSi5)鋁硅焊絲。
采用CMT焊機和弧焊機器人進行單層單道雙絲CMT熔釬焊，前后焊絲采用的焊接參數一致。試驗中保護氣體為純氬氣，氣體流量為20L·min-1。焊接時焊絲與焊件垂直，焊絲干伸長量為12mm，對中焊接坡口間隙，具體焊接方法如圖1所示。對比試驗為單絲CMT熔釬焊。雙絲CMT熔釬焊時2個電源同時工作，控制2根焊絲，單絲CMT熔釬焊時只有1個電源控制1根焊絲。以熔透、未燒穿且正反面成形良好為標準確定焊接參數，通過預試驗確定的焊接參數如表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
焊接完成后，待接頭冷卻到室溫后，用線切割機垂直焊接方向切取金相試樣，經研磨、拋光，用Keller試劑腐蝕10~15s后，采用數字光學顯微鏡對不銹鋼母材、焊縫、鋁合金母材及各區域過渡處的顯微組織進行觀察。使用超高分辨率場發射掃描電子顯微鏡(SEM)和附帶的能譜儀(EDS)對界面層的微觀結構和微區成分進行分析，并測量界面處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，使用電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1mm·min-1，測3次取平均值。
二、試驗結果與討論
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，焊縫成形質量良好。與單絲CMT熔釬焊接頭相比，雙絲CMT熔釬焊接頭擴大了熱輸入范圍。
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和固相區，其中鋁一側因熔點低，在雙絲電弧加熱作用下發生熔化，與焊縫金屬一起形成熔化焊接頭，而鋼一側則形成了釬焊接頭；因此雙絲CMT熔釬焊接頭具備熔焊及釬焊的雙重接頭特征。鋁一側接頭可以分為焊縫、熱影響區及母材。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CMT焊接定期推拉焊絲的工作模式增強了熔池的流動，破壞了IMC的生長方向，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為明顯的鋸齒狀形貌，厚度增加，且雙絲CMT熔釬焊熱輸入大于275.3J·mm-1時IMC層開始出現裂紋，單絲CMT熔釬焊熱輸入大于379.6J·mm-1時IMC層出現裂紋。熱輸入的增大使界面處溫度升高，有助于脆性IMC的生長；同時鋁合金與不銹鋼熱膨脹系數的差異使界面處產生較高的殘余應力，從而產生裂紋。由于不同接頭中IMC的成分相似，僅以圖4(a)中IMC的成分為例進行分析；能譜測得其化學成分(原子分數/%)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。在鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊過程中，鋁熔化，鋼保持固態，形成了鋁/鋼固液界面反應體系。隨著熱輸入的增加，鐵和鋁原子的擴散速率顯著增加，反應時間延長，從而有利于IMC的生長，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度均降低。結合圖5可知：當雙絲CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度從3.36μm增加到18.12μm時，其抗拉強度從109MPa降低到26MPa；當單絲CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度從9.59μm增加到26.55μm時，其抗拉強度從76MPa降低到22MPa。雙絲CMT熔釬焊接頭的最大抗拉強度比單絲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展的路徑，從而導致接頭斷裂。因此，為了獲得良好的鋁合金/不銹鋼接頭，應減小焊接熱輸入，將IMC層厚度控制在較小值。無論是單絲還是雙絲CMT熔釬焊，當電流和電壓確定時，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量，因此雙絲CMT熔釬焊可以采用較低的熱輸入進行焊接。在保證焊縫良好成形質量的條件下，單絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為9.59μm，此時接頭的抗拉強度最大，為76MPa；雙絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為3.36μm，此時接頭的抗拉強度最大，為109MPa。可知，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度提高方面比單絲CMT熔釬焊更具優勢。
三、結 論
(1) 采用雙絲CMT熔釬焊工藝對鋁合金/不銹鋼異種金屬進行焊接，鋁側熔化形成熔焊接頭，鋼側與焊縫金屬生成金屬化合物，形成釬焊接頭。當熱輸入為213.8~486.0J·mm-1時，雙絲CMT熔釬焊接頭焊縫具有良好成形質量，而當熱輸入為379.6~590.6J·mm-1時，單絲CMT熔釬焊接頭焊縫具有良好成形質量。
(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為明顯的鋸齒狀形貌，IMC層厚度增加，接頭的抗拉強度降低。在保證焊縫良好成形質量的條件下，單絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為9.59μm，此時接頭的抗拉強度最大，為76MPa，而雙絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為3.36μm，此時接頭的抗拉強度最大，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度提高方面比單絲CMT熔釬焊更具優勢。
