专题综述俘荔 CMT焊接技术的发展现状 淮阴工学院机械工程学院(淮安市摘要223001) 张满李年莲 吕建强徐鸿宾 介绍了CMT新型焊接技术的工作原理、发展历程及发展现状。与普通MIG/MAG焊相比,CMT实现了 熔滴到熔池的冷过渡,具有热输A/b,无飞溅等突出优点,拓宽了普通MIG/MAG焊难以涉及的领域,适用于薄板或 超薄板(0.3 3.0 mln)焊接,以及钢/铝异种材料连接等领域。CMT技术是焊接领域的革新技术,必将有力地推动 焊接技术的发展及应用。 关键词:GMT技术超薄板焊接铝钢焊接 中图分类号:TG457.1 0前 言 1 CMT焊接技术工作原理 冷金属过渡技术CMT(cold metal transfer)是指将 送丝运动与熔滴过渡过程进行数字化协调…。通过控 CMT冷金属过渡技术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短路,焊丝爆断,短路时伴有 大的电流和飞溅。而CMT技术在熔滴短路时,焊机得 到短路信号后会切断电流,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。CMT 技术熔滴过渡示意图见图1,箭头表示焊丝运动方向。 焊机输出的电流电压波形示意图见图2。 制焊丝运动和电源输出波形实现焊接过程中“冷”和 “热”的交替。当熔滴与熔池发生短路时,短路信号会 反馈给焊机的DSP处理器,焊机会切断电流,并将信号 反馈给送丝机,送丝机回抽焊丝,使得焊丝与熔滴分 离,且熔滴在无电流状态下过渡。与普通的MIG/MAG 焊相比,CMT技术具有许多优良特性。MIG/MAG焊是 目前世界上应用广泛、经济、有效地焊接工艺,但其热 输入量高、变形大、飞溅无法避免,了它在某些领 域的应用,尤其是1 mm以下的薄板更是MIG/MAG焊 难以解决的难题。而CMT技术可以实现无飞溅起弧, 减少了焊后清理工作;弧长控制精确,电弧更稳定;焊 接过程中热输入量小,能够进行薄板(可达0.3 mm)对 接焊而不需要对工件进行背面气体保护;较高的装配 间隙容忍度使得焊接过程操作容易,特别适用于自动 焊。 1991年开始Fronius公司致力于研究钢与铝的焊 接,1997年在钢与铝焊接和无飞溅引弧技术基础上,经 (a)电弧引燃,熔滴向 熔池过渡 (b)熔滴进入熔池,电弧 熄灭.电流减小 过5年的努力,开发出CMT冷金属过渡技术,改善了 MIG/MAG熔滴过渡的形式,为MIG/MAG焊的应用拓 宽了新的领域 。Fronius CMT焊接系统同全数字化 MIG/MAG焊机一样采用数字DSP技术,除具有CMT 电弧焊接方式外,还可实现喷射电弧、短路电弧和脉冲 电弧,能够同时满足不同焊接的需要。 (c)电流短路,焊丝回 抽,熔滴脱落。短 路电流保持极小 (d)焊丝运动方向改变, 重复熔滴过渡过程 图1熔滴过渡示意图 CMT技术与普通MIG/MAG焊有明显的不同:① 收稿日期:2009—04—17 熔滴过渡时电压和电流几乎为零;②将送丝运动同熔 2010年第12期 25 懈掳专题综述. 滴过渡过程相结合;③利用焊丝的回抽力帮助熔滴脱 落。 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CuSi 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5.0 m/min,焊接速度为17.0 mm/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, 图2 电流电压波形示意图 由于超低的焊接热输入以及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,包括同溶体、共晶组 织、Mg A1. 层和Mg A1 层,拉伸试验中表现为典型的 2 CMT和脉冲混合过渡技术 Fronius公司将CMT过渡和脉冲过渡进行混合,交 替过渡。CMT技术提供一个最低能量的平台,一个 CMT熔滴过渡后,过渡方式转为1个或几个脉冲过渡。 MIG/MAG焊的热输人量可以通过这种方式自由增加, 可以改善焊缝的背面成形,也可提高薄板的焊接速度。 Pulsmix混合过渡可以通过增加脉冲数量来增加熔深, 同时保持高度电弧稳定性和低飞溅。 3 CMT技术的应用 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。热输入小的短路焊接虽可以用于薄铝板 焊接但存在飞溅问题。CMT技术热输入小可以控制熔 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1 mm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 J。 3.4钢与镍基合金异种材料CMT焊接 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。Fronius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入量小、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(0.3~3.0 mm)的 焊接,电镀锌板或热镀锌板的无飞溅CMT钎焊,钢与 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入 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2 mm厚镍基合金与不锈钢的CMT焊接 时,电流85 A,电压12.6 V,焊接速度120 cn ̄min,送 丝速度5 m/min,气体流量12 L/min时,焊缝质量最 铝异种材料连接等领域。 3.1 CMT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 好,最大剪切强度可达l84.9 MPa,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FeA1 和 Fe:Al 。另外,不同的热物理性能如膨胀系数、导热率 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,同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 26 2010年第12期 。, 专题综述r缛搭 和比热,也将导致焊后巨大的内应力… 。Pinto H.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。Agudo L.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 蚀性降低 ]。 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。 (b)线扫捕照片 图3铝钢CMT熔钎焊接头不意图 图4 中问界面区组织和元素线扫描照片” 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l0 N,m时,接头的力学性能是比较理想的。CMT技术焊接 0.6 mm镀锌板与1 mm铝板时,通过控制电源波形与 4结 论 CMT工艺是数字化焊接技术发展过程中又一次突 破,其具有热输人量小、无飞溅、装配间隙容忍度高、焊 焊丝回抽力,能够实现电源小的热输入,同时熔滴过渡 稳定。钢与接头界面处的金属化合物为Fe,Al 和 FeAI ,厚度小于5 m,焊接质量能够得到保证,接头抗 拉强度可达83 MPa l 。对l mm镀锌钢板和1 mm铝 板异种材料进行CMT熔钎焊连接时,铝和镀锌钢能得 接速度高、变形小、焊缝均匀一致、运行成本低等优点, 将焊丝的运动同熔滴过渡过程相结合,实现了熔滴的 冷过渡。在焊接过程中实现冷一热交替焊接,大幅度 降低热输入量,为薄板的焊接提供了理想的解决方案, 且能在铝钢焊接中取得较好的焊接质量。已被众多欧 州、日本和美国的公司所接受并采用,也必将为中国的 经济建设做出巨大的贡献。 参考文献 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72.09 MPa。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4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FeA1 金 [1]杨修荣.钢与铝的焊接[J].航空制造技术,2oo4(12):96. 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