CMT焊接技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展與展望

趙 鍇，楊成剛，易 翔

1.江西恒大高新技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330096

2.南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063

3.珠海市福尼斯焊接技術(shù)有限公司，廣東 珠海 519015

0 CMT概述

冷金屬過渡技術(shù)（Cold Metal Transfer，CMT）是由奧地利福尼斯公司在電源的精確能量控制和“無(wú)飛濺引弧”的焊絲送抽技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的一種低熱輸入量和精準(zhǔn)熔絲量控制的工藝方法。CMT通過協(xié)調(diào)送絲控制及實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)焊接過程中的冷熱循環(huán)交替，其熱輸入低于傳統(tǒng)熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）。自1991年采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）焊接鋼與鋁異種材料開始研發(fā)，直到2001年CMT焊接技術(shù)基本定型，徹底改變了傳統(tǒng)弧焊方法，使GMAW焊的應(yīng)用領(lǐng)域得以大幅拓寬。2004年福尼斯公司發(fā)布了基于TPS全數(shù)字化焊接電源的CMT焊接設(shè)備，2009年推出了升級(jí)款的CMT Advanced技術(shù)，2013年隨著福尼斯TPSi智能化焊接電源的發(fā)布CMT焊機(jī)進(jìn)入到智能化時(shí)代。

1 CMT的應(yīng)用

1.1 表面堆焊

高質(zhì)量的堆焊層應(yīng)具有優(yōu)異的抗腐蝕和耐磨損性能，傳統(tǒng)堆焊方法的稀釋率過大，僅能保證表層合金元素的含量滿足技術(shù)要求，但對(duì)于堆焊層整體抗腐蝕性能極為不利。而CMT工藝最主要的優(yōu)勢(shì)就是熱輸入量低，堆焊層數(shù)更少，堆焊層更薄，不僅節(jié)省了昂貴的材料，還提高了生產(chǎn)效率和節(jié)省了能源消耗。CMT的低電壓特性使得熔池在立向下位置容易控制，成形和顏色都優(yōu)于普通熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊（MAG），焊縫表面平坦美觀，如圖1所示。

圖1 膜式水冷壁和管子外壁堆焊Inconel 625Fig.1 Overlaying Inconel 625 on membrane water wall and outer wall of pipe

N?kki［1］分別采用普通激光熔覆和CMT堆焊In‐conel 625合金，發(fā)現(xiàn)采用CMT可生產(chǎn)出無(wú)缺陷、稀釋率低的堆焊層，沉積速率為5 kg/h，熔覆效率超過0.2 m2/h，約為激光熔覆的2倍，并且CMT所需能量?jī)H為激光熔覆的約1/6。Lorenzin等學(xué)者［2］分別使用普通脈沖電弧和CMT在碳鋼上堆焊Inconel 625合金，其中CMT堆焊層的稀釋率較低；Inconel 625焊絲中的Fe含量為1%～1.7%，而CMT堆焊層的最大Fe含量?jī)H為2.5%，普通脈沖電弧堆焊層的Fe含量則為13%～14%。堆焊層Fe含量應(yīng)不超過10%，否則會(huì)在焊縫表面形成Fe2O3、Fe3O4和FeO等，使氧化膜附著力顯著降低，破壞連續(xù)性保護(hù)氧化膜［3］，抗腐蝕性能顯著下降［4-5］，Adamiec等［6］認(rèn)為僅當(dāng)堆焊層中Fe含量低于5%時(shí)，腐蝕性能才不受影響。

1.2 超薄板焊接

目前汽車面板越來(lái)越薄，激光焊是其常用的焊接工藝，但激光焊設(shè)備昂貴且焊縫成形質(zhì)量對(duì)焊接間隙的敏感性很高，要求焊前有較高的裝配精度。為此，諸多創(chuàng)新焊接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，都是圍繞如何降低熱輸入量。如德國(guó)EWM公司的冷弧焊（Cold Arc）技術(shù)，日本OTC公司的controlled bridge trans‐fer（CBT）焊接控制、美國(guó)林肯公司的表面張力過渡（STT）技術(shù)以及福尼斯的CMT技術(shù)。EWM的冷弧焊技術(shù)是一種短弧焊接過程，有周期性的短路階段和燃弧階段，焊機(jī)中的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）根據(jù)反饋的電壓信息對(duì)電流進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，在感應(yīng)到電弧重新引燃時(shí)立即快速降低電流以抑制飛濺的產(chǎn)生［7］；交流CBT焊接控制通過調(diào)節(jié)負(fù)極占空比，改變了焊接過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燒穿和降低熱變形問題［8］。CMT具有更快的焊接速度、更好的搭橋能力、更小的變形、更均勻一致的焊縫，并且沒有飛濺，拓展了普通MIG/MAG焊的應(yīng)用范圍，適宜薄板或超薄板（0.3～3 mm）焊接，不僅不易出現(xiàn)塌陷和燒穿等焊接缺陷［9］，且焊接速度比傳統(tǒng)MIG/MAG快4倍，焊接質(zhì)量良好［10］，可應(yīng)用于超高強(qiáng)鋼薄板和薄Al板等的有效連接［11-13］。

1.3 大間隙焊縫焊接

金屬構(gòu)件制作安裝或設(shè)備安裝施工過程中必然存在間隙；此外，在焊接過程中可能會(huì)由于工裝不利而導(dǎo)致零件發(fā)生變形，需要大量填充金屬［14］。熔融大量填充金屬不僅需要較高的熱輸入量，而且大間隙焊縫的母材難以傳導(dǎo)大量熱量，因此容易燒穿［15］。CMT二代變極性焊接技術(shù)可確保在碳鋼、不銹鋼和鋁合金上實(shí)現(xiàn)大間隙搭橋連接，并獲得外觀優(yōu)良的焊接接頭，其宏觀形貌如圖2所示，焊縫連續(xù)且表面成形良好，無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。

圖2 接頭宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of joint

1.4 Al與鍍鋅鋼異種材料的焊接

Al具有高比強(qiáng)度和良好的耐蝕性，在汽車中的應(yīng)用越來(lái)越多，而鍍鋅鋼強(qiáng)度高，目前依然是汽車的主體結(jié)構(gòu)材料，因此必然存在Al與鍍鋅鋼異種材料的焊接。Al和鍍鋅鋼熱物理特性差異較大，焊接時(shí)存在的問題有：飛濺；形成富鋅區(qū)；熱裂紋；增加硬度；降低耐蝕性；Fe在Al中固溶度幾乎為零，容易析出脆性相，如熔合區(qū)易形成針狀相FeAl3，鋼側(cè)易形成鋸齒形Fe2Al5；焊縫卷入Zn蒸氣，形成孔隙等［16］。雖然脆性相不利于焊接接頭機(jī)械性能，但為確保Al和Fe原子之間的充分冶金結(jié)合，脆性層必須存在但厚度一般不超過10 μm，否則會(huì)變得太脆而影響接頭的機(jī)械性能［17］。CMT熔釬焊可利用兩種合金熔點(diǎn)相差很大的特點(diǎn)，焊接過程中使低熔點(diǎn)合金熔融，高熔點(diǎn)合金則保持固態(tài)，兼具釬焊和熔焊特性，從而實(shí)現(xiàn)異種合金的高質(zhì)量連接［18］，其熱輸入低，有利于延緩界面處金屬間化合物的形成和生長(zhǎng)，大幅提高異種金屬焊接接頭的性能［19］。在焊絲中添加Si能夠在形成Fe-Al脆性相之前形成Fe-Al-Si相來(lái)控制金屬間化合物層，但Zn和Si在形成金屬間化合物層中的作用尚不明確，抑制金屬間化合物層生長(zhǎng)的機(jī)制有待系統(tǒng)研究，此外，還需要對(duì)凝固過程中界面處的原子過程進(jìn)行全面研究［20］。目前，Al/鍍鋅鋼的CMT熔釬焊已應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域的自動(dòng)化生產(chǎn)中，選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)可獲得穩(wěn)定可靠的焊接接頭，接頭強(qiáng)度甚至高于Al母材。

1.5 輕合金構(gòu)件焊接

鎂合金因其高比強(qiáng)度被用于航空航天結(jié)構(gòu)，焊接是其制造、維護(hù)和維修中必不可少的手段。鎂合金極易在焊縫位置形成缺陷、氧化物夾雜以及大變形等，傳統(tǒng)焊接工藝如TIG和GMAW等很難獲得滿意的焊縫質(zhì)量。此外，傳統(tǒng)焊接工藝的可重復(fù)性差、焊后強(qiáng)度和變形難以控制，無(wú)法以最少的焊后熱處理滿足嚴(yán)格的航空航天驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。采用CMT Pulse修復(fù)由ZE41A-T5 Mg合金制成的航空航天結(jié)構(gòu)部件，可獲得高質(zhì)量焊縫，符合AWS D17.1-2017航空航天應(yīng)用場(chǎng)合的熔焊規(guī)范的A級(jí)焊接質(zhì)量［21］。

鋁合金是航空航天主體結(jié)構(gòu)材料，其薄壁零件焊接時(shí)存在易變形、焊縫成形難、焊縫及熱影響區(qū)應(yīng)力集中等瓶頸問題，CMT焊接能很好地解決這些問題。例如鋁合金中Al-Li合金焊接性較差，在焊接過程中容易產(chǎn)生熱裂紋和氣孔，Al合金常用焊接方法有激光焊、攪拌摩擦焊（FSW）等，激光焊接時(shí)存在Al-Li合金反射率高、合金元素沸點(diǎn)低易導(dǎo)致汽化、激光束范圍變寬等問題［22-23］；FSW只能應(yīng)用于相對(duì)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)而直的焊縫，且焊縫末端存在匙孔缺陷［24］。降低熱輸入量和去除氧化膜是減少Al-Li合金焊縫金屬中形成氣孔和裂紋的有效方法［25-26］。正極性脈沖（EP-CMT-phase）和負(fù)極性脈沖（ENCMT-phase）可以破壞氧化膜，且CMT焊的“冷熱交替”大大降低熱輸入，加之脈沖電流的攪拌作用，焊縫氣孔數(shù)量和尺寸均有一定程度的減小，細(xì)化了焊縫晶粒組織，進(jìn)一步改善了焊接接頭性能［27-28］。

2 CMT技術(shù)進(jìn)展與展望

2.1 CMT電弧增材制造

CMT電弧增材制造（WAAM）技術(shù)是采用電弧為熱源熔融絲材，逐層熔覆，根據(jù)三維數(shù)字模型由線—面—體逐漸成形出金屬零件的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)［29］。與傳統(tǒng)的鑄造、鍛造工藝相比，CMT WAAM技術(shù)無(wú)需模具，整體制造周期短，柔性化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、智能化和并行化制造，對(duì)設(shè)計(jì)的響應(yīng)快，特別適合于小批量、多品種產(chǎn)品的制造。此外，與鍛造產(chǎn)品相比，CMT WAAM顯微組織及力學(xué)性能更好，更節(jié)約材料，尤其是貴重金屬材料［30］。與以激光和電子束為熱源的增材制造技術(shù)相比，CMT WAAM技術(shù)具有沉積速率高、絲材利用率高、制造成本低等優(yōu)勢(shì)［31］；制造零件尺寸不受設(shè)備成型缸和真空室尺寸限制；對(duì)金屬材質(zhì)不敏感，可以成形對(duì)激光反射率高的材質(zhì)如Al合金、Cu合金等，此外，還具有原位復(fù)合制造以及大尺寸零件的成形能力［32-33］。

CMT現(xiàn)已開始在金屬平面打印和電弧增材制造技術(shù)應(yīng)用上顯現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)（見圖3、圖4）。隨著CMT WAAM技術(shù)的不斷優(yōu)化改進(jìn)，將零件的尺寸精度逐步提高，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步拓展。

圖3 CMT金屬平面打印Fig.3 CMT metal plane printing

圖4 CMT增材制造成形件［33］Fig.4 CMT additive manufacturing formed parts［33］

2.2 CMT銷釘

隨著TPSi智能化CMT焊機(jī)和應(yīng)用軟件的發(fā)展，CMT技術(shù)不僅可用于異種金屬材料的連接，甚至可用于金屬與非金屬如橡膠、塑料或者木頭的連接。CMT銷釘是利用CMT精確的熔絲能力將焊絲“種”在母材上，可以起到毛化材料表面的作用。通過控制銷釘?shù)膸缀涡螤?，可獲得更高的結(jié)合強(qiáng)度，使異種材料復(fù)合達(dá)到更好的性能［35-36］。CMT銷釘?shù)募庸し譃槿剑菏紫仁穷A(yù)熱階段，將焊絲焊接到母材上；其次是冷卻階段，其中線材和基材的溫度降低；最后是成形階段，額外電流結(jié)合線材的回抽運(yùn)動(dòng)可以形成不同形狀的銷釘?；暮途€材可以是Al、青銅或不銹鋼，線徑為0.8～1.2 mm不等，銷釘形狀如圖5所示，不同形狀的銷釘決定了金屬薄板與非金屬材料之間的結(jié)合強(qiáng)度。

圖5 金屬與非金屬連接的CMT銷釘技術(shù)［34］Fig.5 Pin to nonmetal CMT connection technology［34］

2.3 激光-CMT復(fù)合焊

激光-CMT復(fù)合焊接是一種新型的復(fù)合焊接方法，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和工業(yè)應(yīng)用前景，可在一定程度上解決成本高、效率低、成形差以及強(qiáng)度低等諸多問題。激光-CMT復(fù)合焊接利用激光能量和CMT電弧能量在局部空間的耦合作用（CMT主要影響熔池上部，激光作用于整個(gè)熔池），在同樣的激光功率下可獲得比單一熱源相對(duì)更大的焊縫熔深，并且改善傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊中存在的缺陷，如飛濺大、氣孔多、熔深不足、效率不高等，同時(shí)對(duì)工件裝配間隙、錯(cuò)邊等誤差的適應(yīng)性有所提高，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。Chen等［37］通過改變送絲速度、激光偏移和焊接速度，研究其對(duì)鋁鋼異種接頭焊縫形狀、界面組織和接頭抗拉強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)CMT的加入消除了焊縫咬邊缺陷，改善了接頭成形，促進(jìn)了脆性相的均勻分布，極大提高了接頭性能。Zhu等［38］研究了鈦與鋼異種材料激光-CMT復(fù)合焊接頭組織和性能，發(fā)現(xiàn)激光-CMT復(fù)合焊可在降低焊接熱輸入的同時(shí)提高焊接速度，進(jìn)而改善接頭軟化傾向，減少焊接接頭氣孔等缺陷，提高焊接接頭性能。與其他激光-電弧復(fù)合焊接相比，激光-CMT復(fù)合焊接過程更加穩(wěn)定，無(wú)飛濺，但在抑制氣孔缺陷上相較于其他激光-電弧復(fù)合焊接沒有體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論與展望

CMT焊接時(shí)無(wú)飛濺、焊接變形小、焊縫成形美觀，適宜薄板、大間隙焊縫的焊接，易于實(shí)現(xiàn)多種異種金屬間的連接；CMT表面堆焊時(shí)堆焊層稀釋率低、抗腐蝕性能高，堆焊表面質(zhì)量高，可廣泛用于航空航天結(jié)構(gòu)部件如Mg合金、Al合金等的制造、維護(hù)和維修等。智能化TPSi-CMT的焊絲回抽頻率提高到120 Hz，送絲加速度達(dá)到667 m/s2，使得焊絲作為接觸傳感探頭成為可能。這使得機(jī)器人智能化焊接多了一個(gè)感知功能，可以用伸出的焊絲來(lái)檢測(cè)工件邊緣（焊縫位置）或拼縫間隙以及進(jìn)行焊縫跟蹤等。另外，CMT技術(shù)的發(fā)展使其應(yīng)用領(lǐng)域甚至擴(kuò)展到了焊接之外，成為替代傳統(tǒng)制造工藝的新手段。

現(xiàn)在已經(jīng)開始在金屬平面打印和3D打印應(yīng)用上顯現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)，隨著其對(duì)電弧能量和焊絲熔化的精確控制能力的不斷提升，必然成為越來(lái)越多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能制造的一種重要手段。