CMT焊接技术的应用、发展与展望 增强出版

CMT焊接技术的应用、发展与展望 Development, Application and Prospect of CMT Welding Technology 1 first-author 赵　锴（1976—），男，博士，研究员，主要从事金属材料、焊接、激光熔覆等研发工作。E-mail：31609663@qq.com。 赵　锴（1976—），男，博士，研究员，主要从事金属材料、焊接、激光熔覆等研发工作。E-mail：31609663@qq.com。 31609663@qq.com 2 3 江西恒大高新技术股份有限公司,江西 南昌 330096 江西恒大高新技术股份有限公司,江西 南昌 330096 Jiangxi Hengda High Technology Co., Ltd., Nanchang 330096, China Jiangxi Hengda High Technology Co., Ltd., Nanchang 330096, China 南昌航空大学,江西 南昌 330063 南昌航空大学,江西 南昌 330063 Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China 珠海市福尼斯焊接技术有限公司,广东 珠海 519015 珠海市福尼斯焊接技术有限公司,广东 珠海 519015 Zhuhai Fronius Welding Co., Ltd., Zhuhai 519051, China Zhuhai Fronius Welding Co., Ltd., Zhuhai 519051, China 冷金属过渡（CMT）是由福尼斯公司结合电源精确能量控制和“无飞溅引弧”焊丝送抽技术开发出的一种工艺方法，CMT高质量堆焊层的稀释率低，抗腐蚀性能高，焊接变形少，焊缝表面质量美观。焊接电流变极性与焊丝双向运动相结合进一步衍生出CMT Advanced、CMT Pulse和CMT Pulse Advanced等工艺。变极性CMT使得超薄板焊接、大间隙焊缝甚至间隙不均匀焊接都能得以实施，CMT Pulse Advanced将变极性与脉冲GMAW相结合，使其具有更精确的热输入控制、极佳的间隙搭桥能力、更高的熔覆效率等优点，可实现多种异种金属件间的连接，也可用于航空航天结构部件如Mg合金、Al-Li合金等的制造、维护和维修等。CMT在金属平面打印和电弧增材制造应用上也显现出一定优势，CMT销钉可用于金属与非金属如橡胶、塑料或者木头的连接。并展望了CMT焊接技术未来的发展趋势，对该技术的后续研究具有一定的参考价值。 A low heat input and precise fusing amount control process-CMT is developed by Fronius, which combines the precise energy control of the power supply and the "splash-free arc ignition" welding wire feeding and withdrawing technology. CMT high-quality cladding coatings have many characteristics such as low dilution rate, high corrosion resistance, less welding deformation, and beautiful weld surface quality. CMT Advanced, CMT Pulse and CMT Pulse Advanced are further derived from the combination of variable polarity of welding current and bidirectional movement of welding wire. Ultra-thin plate, large gap and even uneven gaps can be implemented due to CMT variable polarity technology. CMT Pulse Advanced combines variable polarity with pulsed GMAW, which enables more precise heat input control, excellent gap bridging capabilities and higher cladding efficiency etc. Consequently, a variety of dissimilar metal parts can be welded. CMT is also used for the manufacture, maintenance and repair of aerospace structural components such as Mg alloy and Al-Li alloy. CMT shows advantages in metal plane printing and arc additive manufacturing applications. CMT pins can be used to connect metals and non-metals such as rubber, plastic or wood. The welding wire of TPSi-CMT welding machine can also be used as a touch sensor. The development trend of CMT welding technology is prospected, which has a certain reference value for the subsequent application and research of this technology. 变极性 CMT电弧增材制造 CMT销钉 CMT焊丝传感 variable polarity CMT arc additive manufacturing CMT pin CMT wire sensor CMT 概述 1 冷金属过渡技术（Cold Metal Transfer，CMT）是由奥地利福尼斯公司在电源的精确能量控制和“无飞溅引弧”的焊丝送抽技术基础上开发出来的一种低热输入量和精准熔丝量控制的工艺方法。CMT通过协调送丝控制及实时监控，实现焊接过程中的冷热循环交替，其热输入低于传统熔化极气体保护焊（GMAW）。自1991年采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）焊接钢与铝异种材料开始研发，直到2001年CMT焊接技术基本定型，彻底改变了传统弧焊方法，使GMAW焊的应用领域得以大幅拓宽。2004年福尼斯公司发布了基于TPS全数字化焊接电源的CMT焊接设备，2009年推出了升级款的CMT Advanced技术，2013年随着福尼斯TPSi智能化焊接电源的发布CMT焊机进入到智能化时代。 CMT 的应用 1 表面堆焊 2 高质量的堆焊层应具有优异的抗腐蚀和耐磨损性能，传统堆焊方法的稀释率过大，仅能保证表层合金元素的含量满足技术要求，但对于堆焊层整体抗腐蚀性能极为不利。而CMT工艺最主要的优势就是热输入量低，堆焊层数更少，堆焊层更薄，不仅节省了昂贵的材料，还提高了生产效率和节省了能源消耗。CMT的低电压特性使得熔池在立向下位置容易控制，成形和颜色都优于普通熔化极活性气体保护电弧焊（MAG），焊缝表面平坦美观，如 图1 图1 所示。 1,2; Näkki ［ 1 1 ］ 分别采用普通激光熔覆和CMT堆焊Inconel 625合金，发现采用CMT可生产出无缺陷、稀释率低的堆焊层，沉积速率为5 kg/h，熔覆效率超过0.2 m 2 /h，约为激光熔覆的2倍，并且CMT所需能量仅为激光熔覆的约1/6。Lorenzin等学者 ［ 2 2 ］ 分别使用普通脉冲电弧和CMT在碳钢上堆焊Inconel 625合金，其中CMT堆焊层的稀释率较低；Inconel 625焊丝中的Fe含量为1%~1.7%，而CMT堆焊层的最大Fe含量仅为2.5%，普通脉冲电弧堆焊层的Fe含量则为13%~14%。堆焊层Fe含量应不超过10%，否则会在焊缝表面形成Fe 2 O 3 、Fe 3 O 4 和FeO等，使氧化膜附着力显著降低，破坏连续性保护氧化膜 ［ 3 3 ］ ，抗腐蚀性能显著下降 ［ 4 4 - 5 5 4-5 ］ ，Adamiec等 ［ 6 6 ］ 认为仅当堆焊层中Fe含量低于5%时，腐蚀性能才不受影响。 超薄板焊接 2 目前汽车面板越来越薄，激光焊是其常用的焊接工艺，但激光焊设备昂贵且焊缝成形质量对焊接间隙的敏感性很高，要求焊前有较高的装配精度。为此，诸多创新焊接技术应运而生，都是围绕如何降低热输入量。如德国EWM公司的冷弧焊（Cold Arc）技术，日本OTC公司的controlled bridge transfer（CBT）焊接控制、美国林肯公司的表面张力过渡（STT）技术以及福尼斯的CMT技术。EWM的冷弧焊技术是一种短弧焊接过程，有周期性的短路阶段和燃弧阶段，焊机中的数字信号处理器（DSP）根据反馈的电压信息对电流进行快速调节，在感应到电弧重新引燃时立即快速降低电流以抑制飞溅的产生 ［ 7 7 ］ ；交流CBT焊接控制通过调节负极占空比，改变了焊接过程中的熔深和熔敷量，并加上反抽起弧控制，有效避免了薄板焊接中的烧穿和降低热变形问题 ［ 8 8 ］ 。CMT具有更快的焊接速度、更好的搭桥能力、更小的变形、更均匀一致的焊缝，并且没有飞溅，拓展了普通MIG/MAG焊的应用范围，适宜薄板或超薄板（0.3~3 mm）焊接，不仅不易出现塌陷和烧穿等焊接缺陷 ［ 9 9 ］ ，且焊接速度比传统MIG/MAG快4倍，焊接质量良好 ［ 10 10 ］ ，可应用于超高强钢薄板和薄Al板等的有效连接 ［ 11 11 - 13 13 11-13 ］ 。 大间隙焊缝焊接 2 金属构件制作安装或设备安装施工过程中必然存在间隙；此外，在焊接过程中可能会由于工装不利而导致零件发生变形，需要大量填充金属 ［ 14 14 ］ 。熔融大量填充金属不仅需要较高的热输入量，而且大间隙焊缝的母材难以传导大量热量，因此容易烧穿 ［ 15 15 ］ 。CMT二代变极性焊接技术可确保在碳钢、不锈钢和铝合金上实现大间隙搭桥连接，并获得外观优良的焊接接头，其宏观形貌如 图2 图2 所示，焊缝连续且表面成形良好，无裂纹、气孔等缺陷。 1;2;3; Al 与镀锌钢异种材料的焊接 2 Al具有高比强度和良好的耐蚀性，在汽车中的应用越来越多，而镀锌钢强度高，目前依然是汽车的主体结构材料，因此必然存在Al与镀锌钢异种材料的焊接。Al和镀锌钢热物理特性差异较大，焊接时存在的问题有：飞溅；形成富锌区；热裂纹；增加硬度；降低耐蚀性；Fe在Al中固溶度几乎为零，容易析出脆性相，如熔合区易形成针状相FeAl 3 ，钢侧易形成锯齿形Fe 2 Al 5 ；焊缝卷入Zn蒸气，形成孔隙等 ［ 16 16 ］ 。虽然脆性相不利于焊接接头机械性能，但为确保Al和Fe原子之间的充分冶金结合，脆性层必须存在但厚度一般不超过10 μm，否则会变得太脆而影响接头的机械性能 ［ 17 17 ］ 。CMT熔钎焊可利用两种合金熔点相差很大的特点，焊接过程中使低熔点合金熔融，高熔点合金则保持固态，兼具钎焊和熔焊特性，从而实现异种合金的高质量连接 ［ 18 18 ］ ，其热输入低，有利于延缓界面处金属间化合物的形成和生长，大幅提高异种金属焊接接头的性能 ［ 19 19 ］ 。在焊丝中添加Si能够在形成Fe-Al脆性相之前形成Fe-Al-Si相来控制金属间化合物层，但Zn和Si在形成金属间化合物层中的作用尚不明确，抑制金属间化合物层生长的机制有待系统研究，此外，还需要对凝固过程中界面处的原子过程进行全面研究 ［ 20 20 ］ 。目前，Al/镀锌钢的CMT熔钎焊已应用于汽车制造领域的自动化生产中，选择适当的焊接工艺参数可获得稳定可靠的焊接接头，接头强度甚至高于Al母材。 轻合金构件焊接 2 镁合金因其高比强度被用于航空航天结构，焊接是其制造、维护和维修中必不可少的手段。镁合金极易在焊缝位置形成缺陷、氧化物夹杂以及大变形等，传统焊接工艺如TIG和GMAW等很难获得满意的焊缝质量。此外，传统焊接工艺的可重复性差、焊后强度和变形难以控制，无法以最少的焊后热处理满足严格的航空航天验收标准。采用CMT Pulse修复由ZE41A-T5 Mg合金制成的航空航天结构部件，可获得高质量焊缝，符合AWS D17.1-2017航空航天应用场合的熔焊规范的A级焊接质量 ［ 21 21 ］ 。 铝合金是航空航天主体结构材料，其薄壁零件焊接时存在易变形、焊缝成形难、焊缝及热影响区应力集中等瓶颈问题，CMT焊接能很好地解决这些问题。例如铝合金中Al-Li合金焊接性较差，在焊接过程中容易产生热裂纹和气孔，Al合金常用焊接方法有激光焊、搅拌摩擦焊（FSW）等，激光焊接时存在Al-Li合金反射率高、合金元素沸点低易导致汽化、激光束范围变宽等问题 ［ 22 22 - 23 23 22-23 ］ ；FSW只能应用于相对简单、长而直的焊缝，且焊缝末端存在匙孔缺陷 ［ 24 24 ］ 。降低热输入量和去除氧化膜是减少Al-Li合金焊缝金属中形成气孔和裂纹的有效方法 ［ 25 25 - 26 26 25-26 ］ 。正极性脉冲（EP-CMT-phase）和负极性脉冲（EN-CMT-phase）可以破坏氧化膜，且CMT焊的“冷热交替”大大降低热输入，加之脉冲电流的搅拌作用，焊缝气孔数量和尺寸均有一定程度的减小，细化了焊缝晶粒组织，进一步改善了焊接接头性能 ［ 27 27 - 28 28 27-28 ］ 。 CMT 技术进展与展望 1 CMT 电弧增材制造 2 CMT电弧增材制造（WAAM）技术是采用电弧为热源熔融丝材，逐层熔覆，根据三维数字模型由线—面—体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术 ［ 29 29 ］ 。与传统的铸造、锻造工艺相比，CMT WAAM技术无需模具，整体制造周期短，柔性化程度高，能够实现数字化、智能化和并行化制造，对设计的响应快，特别适合于小批量、多品种产品的制造。此外，与锻造产品相比，CMT WAAM显微组织及力学性能更好，更节约材料，尤其是贵重金属材料 ［ 30 30 ］ 。与以激光和电子束为热源的增材制造技术相比，CMT WAAM技术具有沉积速率高、丝材利用率高、制造成本低等优势 ［ 31 31 ］ ；制造零件尺寸不受设备成型缸和真空室尺寸限制；对金属材质不敏感，可以成形对激光反射率高的材质如Al合金、Cu合金等，此外，还具有原位复合制造以及大尺寸零件的成形能力 ［ 32 32 - 33 33 32-33 ］ 。 CMT现已开始在金属平面打印和电弧增材制造技术应用上显现出一定优势（见 图3 图3 、 图4 图4 ）。随着CMT WAAM技术的不断优化改进，将零件的尺寸精度逐步提高，其应用范围将进一步拓展。 CMT 销钉 2 随着TPSi智能化CMT焊机和应用软件的发展，CMT技术不仅可用于异种金属材料的连接，甚至可用于金属与非金属如橡胶、塑料或者木头的连接。CMT销钉是利用CMT精确的熔丝能力将焊丝“种”在母材上，可以起到毛化材料表面的作用。通过控制销钉的几何形状，可获得更高的结合强度，使异种材料复合达到更好的性能 ［ 35 35 - 36 36 35-36 ］ 。CMT销钉的加工分为三步：首先是预热阶段，将焊丝焊接到母材上；其次是冷却阶段，其中线材和基材的温度降低；最后是成形阶段，额外电流结合线材的回抽运动可以形成不同形状的销钉。基材和线材可以是Al、青铜或不锈钢，线径为0.8~1.2 mm不等，销钉形状如 图5 图5 所示，不同形状的销钉决定了金属薄板与非金属材料之间的结合强度。 激光- CMT 复合焊 2 激光-CMT复合焊接是一种新型的复合焊接方法，具有很强的适应性和工业应用前景，可在一定程度上解决成本高、效率低、成形差以及强度低等诸多问题。激光-CMT复合焊接利用激光能量和CMT电弧能量在局部空间的耦合作用（CMT主要影响熔池上部，激光作用于整个熔池），在同样的激光功率下可获得比单一热源相对更大的焊缝熔深，并且改善传统气体保护焊中存在的缺陷，如飞溅大、气孔多、熔深不足、效率不高等，同时对工件装配间隙、错边等误差的适应性有所提高，从而实现高质量的焊接。Chen等 ［ 37 37 ］ 通过改变送丝速度、激光偏移和焊接速度，研究其对铝钢异种接头焊缝形状、界面组织和接头抗拉强度的影响，发现CMT的加入消除了焊缝咬边缺陷，改善了接头成形，促进了脆性相的均匀分布，极大提高了接头性能。Zhu等 ［ 38 38 ］ 研究了钛与钢异种材料激光-CMT复合焊接头组织和性能，发现激光-CMT复合焊可在降低焊接热输入的同时提高焊接速度，进而改善接头软化倾向，减少焊接接头气孔等缺陷，提高焊接接头性能。与其他激光-电弧复合焊接相比，激光-CMT复合焊接过程更加稳定，无飞溅，但在抑制气孔缺陷上相较于其他激光-电弧复合焊接没有体现出明显优势。 结论与展望 1 CMT焊接时无飞溅、焊接变形小、焊缝成形美观，适宜薄板、大间隙焊缝的焊接，易于实现多种异种金属间的连接；CMT表面堆焊时堆焊层稀释率低、抗腐蚀性能高，堆焊表面质量高，可广泛用于航空航天结构部件如Mg合金、Al合金等的制造、维护和维修等。智能化TPSi-CMT的焊丝回抽频率提高到120 Hz，送丝加速度达到667 m/s²，使得焊丝作为接触传感探头成为可能。这使得机器人智能化焊接多了一个感知功能，可以用伸出的焊丝来检测工件边缘（焊缝位置）或拼缝间隙以及进行焊缝跟踪等。另外，CMT技术的发展使其应用领域甚至扩展到了焊接之外，成为替代传统制造工艺的新手段。现在已经开始在金属平面打印和3D打印应用上显现出一定优势，随着其对电弧能量和焊丝熔化的精确控制能力的不断提升，必然成为越来越多应用领域实现智能制造的一种重要手段。 参考文献 Näkki J . 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