CMT焊接

CMT焊接目前国内外低热输入焊接新工艺CMT(coldmetaltransfer)一冷金属过渡焊是低热输入焊接工艺中的佼佼者，CMT技术是福尼斯公司开发的一种低热输入焊接工艺。该技术在熔滴短路时电源输出电流几乎为零，同时焊丝回抽帮助熔滴脱落，实现熔滴“冷”过渡，大大降低了焊接过程的热输入。1.CMT焊接研究现状图1CMT焊与P-MIG焊熔滴过渡形式分布CMT技术的发展过程经历了几个阶段:90年代初，奥地利福尼斯公司是为研究钢铝的异种焊接而开始;到90年代末，开发了无飞溅引弧技术(SFI，此技术为CMT的研究奠定了基础;在接下来的几年到1999年，使得CMT技术得以问世;到2010年，Fronius公司对CMT焊接系统进行开发，发展到了CMTAdvanced和CMTAdvanced+P焊接技术。发展到现在，CMT焊与P-MIG焊熔滴过渡形式电流电压的分布如图1所示，CMT技术的热输入量达到的范围明显的小于P-MIG。CMT技术创新的将熔滴过渡过程与送丝运动相结合，该创新处大大降低了焊接过程的热输入量，真正实现了无飞溅焊接。此焊接工艺不仅提高焊后工件表面质量，还减小金属的损失，降低焊接过程中的烟尘、有害气体，对环境的污染进一步减小是一种绿色环保的焊接技术。目前CMT焊接的研究主要涉及到薄板焊接、异种焊接、钎焊等，利用的均是其热输入低的特点。CMT焊可以焊接薄板低至0.3mm的超薄板，CMT焊接工艺己研究应用的有3mm及以下的铝合金焊接、镁铝异种焊接、铝钢异种焊接、钦铜异种焊接等。CMT技术问世后专家学者不断的进行研究，目前关于CMT技术复合热源也出现了。国外学者利用CMT-GMAW焊接镍基超耐热不锈钢，河北科技大学也正在研究利用CMT与高频复合焊接铝锂合金。2.CMT焊接原理与特点CMT(冷金属过渡技术)的熔滴过渡形式是在短路过渡基础上开发的，普通的短路过渡过程如下:焊丝端部熔化形成熔滴，熔滴与熔池接触形成小桥，焊丝在小桥处爆断，短路时伴有大的电流和飞溅。熔滴短路过渡时CMT技术焊机得到短路信号后会切断电流，此时熔滴短路时数字化电源输出电流几乎为零，同时焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，实现熔滴的冷过渡，消除了飞溅现象。众所周知，传统短路过渡存在飞溅、成形差和焊接薄板时热输入量大等问题。在焊接薄板时，焊件在连续的热输入下极易出现焊塌、焊漏的现象。在焊接过程中，如果能将焊接过程中的能量降低，使用“冷”金属过渡，焊接过程便能够实现顺利进行。CMT熔滴过渡过程中的“cold'，来源于电弧有规律的不连续，即焊接过程中熔滴的“热一冷一热一冷”的循环过程，因此显著降低了热输入量。图2交流CMT焊不同极性的熔滴过渡的特点关于CMT焊接的研究使用的多是传统的CMT焊接技术，Fronius公司新研制出的CMTAdvanced4000R系列焊机，在焊接过程中不仅可以实现传统的CMT焊接，还可以实现CMTAdvanced焊接即交流CMT焊接。交流CMT焊接焊丝接负(EN-阶段)，由于阴极雾化作用和焊丝为冷阴极，焊接过程中出现爬弧现象对熔滴的加热严重熔滴生长尺寸较大，焊丝的熔化量要远远大于焊丝接正(EP-阶段)，图2为交流CMT焊接时的熔滴过渡过程。在EN-阶段，焊接中的能量主要用于加热焊丝，对熔池的热输入减小，交流CMT焊接的热输入比传统CMT焊接的热输入还要小，交流CMT还继承了传统CMT的高速焊特性、对间隙的适应性更强。在焊接原理上，CMT焊与传统的MIG/MAG焊相比有三个明显的不同主要体现在系统的控制方式、焊接波形、波形组合:(1)整个焊接系统为闭环控制如图3所示，焊接系统中包含焊丝的运动控制。采用两部分控制焊丝的运动，焊机中有推丝装置，焊枪中伺服拉丝装置，为平衡两装置减弱两送丝系统对焊丝的冲击力，在两系统中间安置了一个缓冲器。在普通的GMAW焊中送丝系统都是独立的，并没有实现闭环控制，这是其重大的创新之处。CMT焊中首次将焊丝的运动同熔滴过渡过程相结合，图1-4给出了CMT焊的焊接过程。当焊丝受热熔化熔滴形成时，焊丝下移电流下降实现冷金属过渡。CMT焊的熔滴过渡过程，也就是通过焊丝运动变化来控制的，目前CMTAdvanced4000焊机焊丝的“前送/回抽’，频率可高达70次/秒。图3CMT的焊接控制系统图4CMT的熔滴过渡过程（2)数字化控制的CMT焊接系统，自动监控短路过渡的过程，图5为CMT短路过渡时电流电压的变化过程，熔滴过渡短路时电压和电流同时几乎为零。熔滴过渡时刻，焊接电流、电压降至非常低，靠焊丝的回抽将焊丝与熔池分离，熔滴的温度低，也使得热输入量也几乎为零，大幅降低热输入量。CMT焊与P-MIG焊相比不仅热输入小而且焊丝熔化速率快，在熔化相同量的焊丝时所用对应在不同的参数阶段，如图6所示。图5CMT短路过渡时电流电压的变化图6焊丝熔化量相同时各焊接工艺的焊接参数的变化（3)交流CMT技术第一次成功的将焊接电流的极性与金属丝逆向运动结合，交流CMT焊与交流CMT与P-MIG焊，两种焊接工艺电流、电压与送丝速度的匹配关系，如图7所示。交流CMT焊接EN-阶段与EP-阶段的焊丝熔化规律相同，由上文知也就使得EP-CMT-phase阶段的时间要大于EN-CMT-phase阶段，两阶段均为CMT过渡，焊丝表现为前送/回抽，焊接参数的调整要与送丝速度相配合。此焊接工艺对母材的热输入量更小，搭桥能力也更强，图8为交流CMT焊接2mm的钢板和2mm的铝板的断面宏观照片。CMTAdvanced+P焊，在Pulse-phase阶段焊丝接正，对母材的热输入量较大，焊丝的熔化量一直处于稳定的正值；在EN-CMT-phase阶段熔滴为CMT过渡，此种焊接工艺可以在实现焊丝较高的比熔化量和保证焊接熔深。图7交流CMT焊焊接参数与送丝速度的匹配图8交流CMT焊焊件3.CMT焊的应用CMT技术几乎可以应用于所有已知的材料，拥有广泛的应用领域，包括微电子器件、机车制造行业、航天领域、桥梁和钢结构等领域。Frouius最新的CMT外部根焊管焊工艺在管道管理局进行的焊接演示中展示了其优异的特性，被认定为西气东输工程的备选工艺之一。CMT焊接技术由于具有热输人量小、无飞溅、焊接速度快、焊接质量好、装配间隙容忍度高、焊接变形小、焊缝均匀一致等优点，拓宽了普通MIG/MAG焊难以涉及的领域，如薄板或超薄板(0.3-3.0mm)的焊接，电镀锌板或热镀锌板的无飞溅CMT钎焊，钢与铝异种材料连接等领域。3.1CMT技术钢材表面熔覆在航空和航天领域及兵器制造业，为了改善钢材的导电、导热性能和表面硬度，通常需要在钢基体表面熔覆较薄的铜层，国内外一些研究者早期采用堆焊技术熔覆铜，但堆焊是以基体作为一个电极，由于电弧加热温度和热量分布不均匀，基体容易熔化，造成电弧堆焊稀释率往往大于10%，即使采用带极堆焊稀释率也相当大，渗铁成了堆焊工艺的技术难点与影响焊接性能的重要因素。近年来，国内一些研究者采用感应熔覆工艺、气体保护连续炉中熔覆工艺、电弧熔覆工艺和熔铸熔覆工艺等方法实现了无熔深表面熔覆，但熔覆工艺比较繁琐，效率较低。利用CMT技术在30CrMnSi钢板表面熔覆CuSi3可以得到稀释率极低的熔覆层，熔覆层与基体间能够实现冶金结合，送丝速度为5.0m/min，焊接速度为17.0mm/s时，熔覆层的稀释率极低。CMT熔覆技术具有稀释率低及工艺简单高效等优点。3.2铝镁异种金属CMT焊接采用A1Si，焊丝对铝镁异种材料进行CMT焊接，由于超低的焊接热输人以及Si元素的添加阻止了脆性金属化合物的形成，有利于提高接头的强度[6〕。在镁基体侧产生了明显的多层组织，包括固溶体、共晶组织、Mg17Al12层和Mg2Al3层，拉伸试验中表现为典型的脆性断裂。3.3薄铝板CMT焊接薄铝板由于质量轻、强度高在汽车等行业得到广泛应用，解决薄铝板的焊接问题是加速其应用的重要因素。普通MIG焊由于容易造成烧穿，故难以用于薄铝板的焊接。热输人小的短路焊接虽可以用于薄铝板焊接但存在飞溅问题。CMT技术热输人小可以控制熔深，同时可以实现无飞溅的熔滴过渡，适用于薄铝板焊接。利用CMT技术焊接1mm厚薄铝板时，间隙容忍度高，通过控制电流、电压波形以及送丝机构的送丝运动，熔滴过渡十分稳定，焊缝成形美观，无飞溅。CMT技术通过与脉冲MIG焊混合使用，可以增加铝板的焊接厚度。3.4钢与镍基合金异种材料CMT焊接镍基合金具有优异的高温性能，在航空航天工业中应用广泛。传统的炉中钎焊与真空钎焊由于热输人高，容易造成焊件的变形及镍基合金的氧化。采用CMT技术焊接2mm厚镍基合金与不锈钢的CMT焊接时，电流85A，电压12.6V,焊接速度120cm/min，送丝速度5m/min，气体流量12L/min时，焊缝质量最好，最大剪切强度可达184.9MPa，破坏发生在焊缝的不锈钢侧。3.5铝钢异种材料CMT焊接汽车工业正朝着节能、环保和安全的方向发展，而节能又是其中的核心问题。节能的有效措施便是降低汽车自重，即汽车轻量化。因此钢和铝合金的有效连接受到重视然而，钢和铝的熔点存在巨大差异，且铝与钢中的铁易产生脆性的金属间化合物，如FeA13和Fe2Al5。另外，不同的热物理性能如膨胀系数、导热率和比热，也将导致焊后巨大的内应力。PintoH等人对铝钢MIG焊、CMT焊及激光焊的热影响区及残余应力进行了对比，CMT与激光焊几乎观察不到热影响区，同时残余应力比MIG焊小。AgudoL等人的研究表明铝钢CMT焊接的残余应力分布属于典型的无相变接头应力分布。钢母材存在压应力，钢与铝合金的热影响区为压应力，由于铝合金的导热率比钢的大，铝合金热影响区的拉应力较大。熔焊由于其高效性成为铝铜异种材料连接的研究热点，低输入的短路金属过渡焊接，为解决铝钢异种材料焊接提供了途径，但是短路过渡焊接中的飞溅较大，影响了焊接质量。在过去，铝和钢的连接主要通过激光或电子束焊接，现在CMT可实现这样的异种金属连接，接头和外观都具有很高的合格率。CMT焊接技术在实现低热输入的同时，可以实现无飞溅金属过渡。铝钢CMT焊接接头示意图如图3所示。图9铝钢CMT焊接接头示意图铝钢焊接过程中产生的金属间化合物会严重影响接头的力学性能。研究表明，当化合物的厚度小于10um时，接头的力学性能是比较理想的。CMT技术焊接0.6mm镀锌板与1mm铝板时，通过控制电源波形与焊丝回抽力，能够实现电源小的热输人，同时熔滴过渡稳定。钢与接头界面处的金属化合物为Fe2Al5和FeAl3，厚度小于5um，焊接质量能够得到保证，接头抗拉强度可达83MPa。对1mm镀锌钢板和1mm铝板异种材料进行CMT熔钎焊连接时，铝和镀锌钢能得到成形良好的搭接接头。拉伸试验时断裂发生在铝母材的热影响区，接头强度为72.09MPa。在CMT熔钎焊过程中，形成了中间厚两边薄的界面区，中间界面区组织和元素线扫描照片如图10所示，在熔化区一侧边缘形成了富Zn区，界面区组织成分由致密的FeA13金属间化合物层变为。固溶体和FeA13化合物混合层，而富Zn区是由富A1的α固溶体和残留的A1组成的。焊丝中的Mn,Si元素会显著影响金属间化合物的结构和形态。低的热输入同时选择合理的焊丝，能够有效控制金属间化合物的厚度，获得良好的抗拉、冲击等力学性能CMT焊接镀锌钢板与铝板时，温度对Zn元素的分布起着决定性作用，树枝晶内的Zn元素含量高于晶界处，热影响区的镀Zn层会严重烧损，接头的抗腐蚀性降低。（a）SEM照片（b）线扫描照片图10中间界面区组织和元素先扫描照片