高质量经济的CO2焊接-CMT工艺

高质量，经济的CO2焊接——CMT工艺StephenEgerland黄兴杨修荣（珠海市福尼斯焊接技术有限公司广东珠海519015）摘要：CO2-气体保护焊的优点是抗锈能力强，对油污不敏感，焊缝含氢量低，抗裂性能好，气体资源丰富，价格低廉；缺点是焊缝成形较粗糙，飞溅较大，因而常被禁用于高质量要求的生产上。而CMT工艺出现，开辟了CO2保护气应用于高质量的，无飞溅的新的应用领域。在满足焊接质量的同时，又大幅降低了使用成本。关键词：Co2保护气、短路过渡、大颗粒过渡、CMT过渡CMT（冷金属过渡）工艺自2004年正式推出以来，一直被焊接行业广泛的关注，此工艺的初衷是利用其极稳定的电弧、极低的热输入量，无飞溅的焊接过程的特点，主要用来焊接薄板或超薄板（最薄可焊至0.3mm）。随着CMT工艺的研究的深入，CMT工艺的应用范围不断地被拓展，例如，通过CMT工艺同脉冲工艺相结合（CMT+P），在具有极稳定电弧，无飞溅焊接的同时，还可取得更高的焊接速度或更大的熔深，能焊接更大厚度的板材。本文介绍CMT工艺又一新的应用，使用经济的CO2气作保护气，实现高质量、无飞溅的焊接，值得一提的是，此工艺不仅可用于薄板的焊接，同样也适用于中厚板焊接。为了更容易理解CO2-CMT工艺，有必要先介绍各种熔滴过渡的方式及其特点。1熔滴过渡形式传统的熔滴过渡方式的一般分为四种形式：短路过渡，大颗粒过渡，喷射过渡，脉冲过渡。这几种过渡方式都是通过熔滴表面张力、电磁收缩力、熔滴重量综合起作用，属“自然”过渡，容易受外界条件的干扰。而CMT是一种全新的熔滴过渡方式，根据现有的溶滴过渡模式定义，是无法给CMT工艺分类的，其工作区间如图1图1：溶滴过渡模式取决于电弧功率CMT过渡短路过渡喷射过渡脉冲过渡旋转电弧U(v)I(A)大颗粒过渡2251.1短路过渡从图1可以看出，短路过渡是在电弧功率较小的区域，短路过渡模式的特性就是使用相对低的电流和电压。引弧之后，焊丝向工件方向移动，最后焊丝前端熔滴和熔池接触，形成短路，熔滴与熔池间短路后，在表面张力及电磁收缩力的作用下形成缩径小桥，缩径小桥在不断增大的短路电流作用下汽化爆断，将熔滴推向熔池，完成过渡见图2。这个脱落过程主要受表面张力的影响。图-2短路过渡过程的高速摄影实践证明使用Ar/CO2混合气比纯CO2气体，更易得到一个相对稳定和谐的溶滴过渡速度和相对高的短路过渡频率，焊接过程更稳定。由于焊接过程中采用相对低的工作电压，热输入量也相对较低（例如同脉冲焊相比），利于薄板的焊接；另外，其所产生飞溅的热量也相对较低，不易粘在工件表面上，飞溅的清除相对更容易。随着逆变电源技术的发展，短路过渡的也可以适当加以控制，比如调整上图中②-③上升时间及峰值，可减少焊接飞溅。但无论如何控制，短路过渡用于焊接更薄的板是因难的，这是因为它的特性决定的，即一旦焊丝与熔池发生短路，电流立刻增大。1.2大颗粒过渡当增大焊接电流和电压参数到一定程度时，熔滴过渡方式会产生改变，这就是短路过渡和喷射过渡之间的一个过渡区域，见图1。在这个区域，溶滴过渡频率降低，熔滴过渡不可控，部份熔滴颗粒较大，直接依靠重力使溶滴从焊丝端部脱落。见图3。图-3大颗粒过渡过程的高速摄影录像尽管这种焊接方式热量大，可以焊接厚板，但这种过渡方式无法像短路过渡或射流过渡一样均匀一致，另外熔滴体积较大，熔滴所含热量过大，导致熔池容易快速过热，伴随1234It12341234It1234111222333444It1234产生大量的飞溅。在Ar/CO2混合气或纯CO2气体保护下，都会出现这种过渡，焊接过程极其不稳定并产生大量飞溅（见图4），因而在气保焊生产中要尽量避免。图4CO2气保焊角焊产生大量的飞溅1.3脉冲过渡为了避免在焊接过程中出现大颗粒过渡，可以使用脉冲过渡方式（见图5）。从图1可以看到，脉冲过渡模式不存在大颗粒过渡区间。脉冲过渡方式是非接触式过渡，电弧稳定，飞溅小，焊接效果好，但由于脉冲需调节参数较多，因而需要智能化逆变电源的支持，需要根据被焊母材和填充材料来调节特殊的脉冲波形输出。图5脉冲溶滴过渡的高速摄影录像尽管如此，在特殊情况下，脉冲过渡也是会产生缺陷的，如未熔和，见图6，咬边，见图7。图6脉冲焊未熔合缺陷（侧弯试验ASTMA106GradeB）图7脉冲焊咬边缺陷（T型接头显微图）1.4CMT过渡CMT过渡首次将送丝运动和熔滴过渡进行协同控制，焊接时，焊丝向工件方向送丝，当焊机监测到焊丝与工件发生短路时，电流立即几乎为零，同时焊丝立刻回抽，焊丝离开熔池，完成熔滴过渡（见图9）。当然这种过渡方式除电源具有先进的控制技术外，还需要相应的硬件（如AC伺服的焊枪）。32143214227图8-单个CMT过渡的高速摄影CMT是基于短路过渡方式发展而成的，其物理原理同短路过渡是相同的，但前文提到，传统的短路过渡是一种“自由”的过渡方式，其状态较容易受到外部干扰；而CMT过渡是通过焊丝机械回抽方式来帮助熔滴脱落，工艺过程可以被精确控制，因而其短路过渡周期恒定，不再受随机变量的影响，一个溶滴过渡大概需要14.31ms，过渡频率大概为70HZ。图9-单个CMT溶滴过渡过程中电流、电压、和送丝方向示意图另外，CMT熔滴短路时，短路电流几乎为零，降低了热输入量，还避免了由于短路电流增加使溶滴过渡不稳，熔池过热和飞溅；采用这种可精确制的工艺，不仅可以取得良好的焊接质量（MIG/MAG焊或MIG钎焊），而且工艺稳定性好，重复精度高，对周边环境不太敏感。2CO2气体CMT在汽车部件上的实际应用本文介绍的案例是汽车的底盘部件（付车架），如图9。该部件产量大，要求自动化批量生产。并且在组装成整个部件前是不能进行脱脂处理的，因而工件表面附着的油，油脂在焊前是无法清理的，这就决定了脉冲工艺是不适合的，因为不清洁焊接区域影响脉冲电弧的稳定性，导致电压变化和咬边。试验是由来自世界最大汽车部件供应商之一和fronius公司的CMT的专家紧密合作来做的，目的是研究CMT工艺代替传统的MAG工艺（短路过渡或喷射过渡）究竟有多大优势。评估的指标是：焊接速度需大于19mm/s，工件熔深最低要求0.4mm，焊接工艺的重复精度、电弧和工艺的稳定性、焊后飞溅的处理成本、焊接的效率和经济性，。图10-需焊接的付车架部件部件使用的母材是热轧制高强钢（见表1），较低的屈服强度约340MPa，厚度2.5-3.0mm。标准（SEW092）屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）QStE340TM340420-540化学成份%CSiMnPSAlMoTiB≤0.120.201.300.0250.0100..15表1母材QStE340TM的强度和化学成份使用的填充焊丝是G3Si1，直径1.0mm。表2是填充焊丝的成分，标准号DINEN440CSiMnPSNiMoAlTi+Zr0.06-0.140.70-1.001.30-1.600.0250.0250.150.150.020.15表2填充金属G3Si1的典型化学成分（DINEN440）CMT焊接试验一开始是使用M21（82Ar+18CO2）保护气，焊接结果显示，焊缝外形成形美观，成形一致性非常良好，并且工件上无任何飞溅。但是有一点不足是熔深，所测量出的熔深有时可以达到最低要求，有时就无法满足，平均的熔深只能达到0.3mm。送丝速度（m/min）9.2平均电流(A)204平均电压(V)16.2焊接速度(mm/s)20表-3CMT工艺焊接参数（Ar/CO2混合保护气）及截面显微图尽管如此，但客户仍非常认可CMT工艺的稳定性，重复一致性，可靠性，及无飞溅。229现在唯一要做的就是如何改善熔深。接下来的实验尝试改用纯CO2气体代替Ar/CO2混合气,利用CO2的还原反应释放热量增加熔深。对于CMT工艺来说，使用Ar/CO2与使用纯CO2做保护气相比，其熔滴过渡的本质差别是很小的，不过区别还是存在的，主要是需要策略控制电流电压与送丝方向的协同，这是一个很复杂的过程。首先必须精确地控制电弧燃弧时间（见图8boostphase）；其次短路电流必须控制在一定水平，使收缩力和表面张力可以同时作用促进熔滴脱落（见图11）。图-11CMT纯CO2溶滴过渡高速摄影（显示过渡同电流、电压、送丝方向的关联）图12~15是使用显CO2保护气体CMT工艺的焊接效果，图12图13图14图15从上图焊接结果可看出，所有的焊缝同样没有飞溅和非常好外观质量，完全满足客户的要求。通过对内部质量做了一系列的试验，熔深明显优于Ar/CO2气体，焊缝截面形状和熔深也完全满足要求。另外，焊接速度达22mm/s，同比提高10%，之前使用Ar/CO2保护气，焊接速度为20mm/s，这提高了焊接效率。同时也必须认识到，使用CO2保护气，与Ar/CO2保护气相比，焊接电压也提高4~5V，电弧效率也得到了一定比例的提高。见表4送丝速度（m/min）10.2平均电流(A)205平均电压(V)20.5焊接速度(mm/s)22表-4CMT工艺焊接参数（CO2混合保护气）及截面形状及熔深为了让客户更容易理解CMT工艺的优势，测试过程中也试验了传统CO2短路过渡焊接T形角接焊缝，以下是两种工艺结果的对比。图16传统的CO2气体保护焊（焊缝表面粗糙且有飞溅）图17CMT100%CO2焊（成形美观，无飞溅）3经济性众所周知，保护气体的成本占焊接领域运营成本的一大块，使用纯CO2做保护气可显著节省运营成本，尤其在工业和科技高度发展的亚洲国家(如日本)。如单纯比较保护气的成本，我们可用表5来统计，在6年投资回报运营周期前提下，使用纯CO2保护气究竟可以节省多少成本。下述的1m3的价格是由德国一个大的气体供应商提供的。M21(82%Ar/18%CO2)=8.35EuroC1(100%CO2)=6.19Euro气流量（l/min）=10l/min(焊丝直径的10倍)气体消耗/小时=0.6m3(10l/min×60min)231从上表可以得出，CMT工艺使用纯CO2做保护气可以显著的降低成本，这对焊接工艺本身来讲是一个很大的优势。这里还有些成本没有计算，如降低工件报废率，减少返工的工作量，降低焊后清理工作(如清除飞溅)。4结论传统的CO2气保焊飞溅大，焊接质量差；传统的Ar/CO2气体保护焊小电流焊接时熔深不够，焊速低，只适用于薄板，而大电流焊接时会出现大颗粒过渡。脉冲焊时，油污影响电弧稳定性，易出现电压变化及咬边缺陷。并且这几种传统工艺的熔滴过渡属“自然”过渡，都易受到外部因素干扰，工艺的一致性、重复性难以保证。而使用CO2保护气的CMT工艺，可以实现无飞溅的焊接，焊缝成形美观，工艺一致性和重复性好，还可满足熔深和焊接效率的需要，同时降低焊接气体运行成本，上述案例证明，CO2保护气CMT工艺可以应用于高强度级别钢的高质量生产，在工业化生产中具有广阔的应用前景。100%CO2气同82Ar/18CO2成本比较统计的时间段82Ar/18CO2成本CO2气体成本节省成本1小时5.01欧元3.71欧元1.3欧元1天(3班制,6小时/班)90.18欧元66.85欧元23.33欧元1年(220天)19839.6欧元14707欧元5132.6欧元6年119037.6欧元88242欧元30795.6欧元