冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟

利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型,模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律,并进行试验验证;采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min^(-1))对温度场的影响。结果表明:模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加,熔池峰值温度升高,熔池区域变大;单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累,而交叉路径可以减弱热积累效应;层间冷却时间越长,焊道中点的峰值温度越低,且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱;焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。

冷金属过渡(CMT)技术综述

冷金属过渡(CMT)技术作为一种先进的焊接技术,因其焊接过程中较低的热输入和低飞溅等优点而得到广泛的应用。本文主要对CMT技术的历史由来、工作原理和技术优点进行简要回顾;并且罗列了各种CMT技术类别。对于CMT技术最近以来在同种金属焊接、异种金属焊接和增材制造三大领域的研究与应用的现状进行了介绍;同时介绍一些CMT辅助手段的应用。最后,对CMT技术未来发展前景提出了一些建议。

1561铝合金双丝冷金属过渡焊接工艺试验

针对1561铝合金的应用需求,开展1561铝合金双丝冷金属过渡焊接(Cold Metal Transfer Welding, CMT)工艺试验。对试验材料、装配要求、焊缝质量要求和作业要求进行论述,并从目视检测、渗透检测、断面宏观检验、常规力学性能、耐腐蚀性能和疲劳性能等方面对1561铝合金双丝CMT试验结果进行分析。试验结果表明,1561铝合金双丝CMT工艺性能优良,可满足技术指标要求。

薄壁结构冷金属过渡增材制造工艺优化

针对传统薄壁结构制造方法中的工序流程烦琐、制造的零件性能不均一或成形精度低等问题,提出采用冷金属过渡工艺(CMT)直接成形薄壁构件的工艺方法,并对工艺参数进行优化。该方法以单壁墙为研究对象,构建以送丝速度、单位长度焊缝的金属熔敷量为输入变量、熔敷层宽度和宽高比为输出变量的3D响应面模型,进而对成形几何特征进行预测;研究电弧长度和焊枪行走角对熔敷过程及最终成形形貌的影响;采用高速摄像机拍摄熔滴过渡行为并分析过渡特征,阐述工艺参数对成形形貌的作用机理,进行典型薄壁结构件的优化制造。实验结果表明,几何特征预测模型精度较高,误差小于5%;采用-15%的弧长修正值能够改善成形,避免侧边驼峰缺陷的产生;当焊枪行走角达到10°时,能够明显改善单壁墙上表面和侧壁成形精度;推角熔敷极易产生驼峰缺陷,因此不适用于增材制造。

镁/钛异种金属冷金属过渡焊接的温度场模拟

利用ABAQUS有限元软件建立镁/钛异种金属搭接接头的有限元模型,对镁/钛异种金属冷金属过渡焊接过程的温度场进行模拟,分析温度场的变化规律,并通过试验验证模拟结果的准确性.比较了不同送丝速度下温度场的变化规律,并对特征点的显微组织进行比较.结果表明,镁、钛两侧的温度场呈不对称分布.距离焊缝中心相同的两点,镁板侧试件温度上升较快,达到的峰值温度比钛板侧高,且下降速度也快.随着送丝速度的增加,峰值温度变高,达到钛板的熔化温度,钛的熔化量也就随之增加,镁钛连接界面有较好的结合.

冷金属过渡搭接焊镁铝异种金属接头组织及性能

采用冷金属过渡(CMT)焊接工艺,以HS201铜焊丝作为焊缝填充金属对AZ31镁合金和6061铝合金进行搭接焊接.测试了接头的抗剪强度和显微硬度,并利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)对接头的组织成分及断口形貌进行了分析.结果表明,当焊接电流为109 A,电弧电压10.9 V,送丝速度4.9 mm/s,焊接速度0.45m/min时所得接头成形良好,最大抗剪强度为27.9 MPa.镁铜侧焊缝生成了Mg2Cu,MgCu2等金属间化合物,并且发生了氧化.铝铜侧焊缝生成了Al2Cu和Al-Cu-Mg三元金属间化合物.金属间化合物导致焊缝两侧熔合区显微硬度突增,最大值分别为铝铜侧242 HV和镁铜侧347 HV.断裂全部发生在镁铜侧熔合区,为典型的脆性断裂,焊接过程中镁侧熔合区的氧化与金属间化合物大量连续的生成是造成接头断裂的主要原因.

镁和钛异种金属冷金属过渡焊接接头微观组织及力学性能的分析

采用冷金属过渡焊接技术,对AZ31B镁合金、工业纯钛TA2异种金属熔钎焊焊接性进行探索研究,从焊接接头的微观组织、元素分布状况研究其连接机理。结果表明:冷金属过渡焊接技术是一种适用于镁、钛异种金属连接的有效方法。通过在过渡区和结合面形成新相可以实现镁、钛的有效连接。焊接接头的焊缝区主要由镁的固溶体?-Mg,骨架状的镁铝金属间化合物Mg17Al12,以及颗粒状分布的Mg17Al(Zn)12组成。镁钛结合面主要靠钛和铝的金属间化合物Ti3Al,以及镁铝金属间化合物Mg17Al12和Mg17Zn12连接。同时,焊接过程中Ti原子以及Al原子的扩散对其结合也有一定的影响。因此,焊接过程中必须保证足够的热输入量,以确保钛母材的熔化及钛、铝原子的扩散,从而提高其结合强度。

利用金属过渡层低温键合硅晶片

在Si/Si之间采用Ti/Au金属过渡层,实现了Si/Si低温键合,键合温度可低至414℃.采用拉伸强度测试对Si/Si键合结构的界面特性进行测试,结果表明,键合强度高于1.27MPa;I-V测试表明,Si/Ti/Au/Ti/Si键合界面基本为欧姆接触;X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为Si-Au共晶合金.不同温度的变温退火实验表明,键合温度越高,键合强度越大,且渐变退火有利于提高键合强度.

Al6061／TA2异种金属冷金属过渡焊接性分析

以AlSi5焊丝对6061铝合金和TA2纯钛进行CMT熔钎焊,采用SEM,EDS分析焊接接头的微观组织特征,并通过拉伸试验对接头进行力学性能评定.结果表明,焊接过程稳定,焊缝成形美观.所得到的焊接接头具有熔焊和钎焊两部分,其中局部熔化的铝母材与熔融的焊丝混合后形成焊缝,焊缝金属与微熔的钛母材形成三个钎焊界面.钎焊界面主要成分为TiAl3金属间化合物,其厚度较薄.此外,界面附近还有一些随机分布的棒状的TiAl3金属间化合物.焊接过程中,随着焊丝偏移量的增加,焊缝力学性能提高.参数优化后的接头抗拉强度较高,且断裂在铝热影响区.

冷金属过渡技术的研究现状与展望

介绍了CMT技术原理及其国内外发展现状,并对CMT工艺进行了展望。

CMT冷金属过渡技术在管道外部根焊中的应用

在长输油气管道的焊接施工中,管道的根部打底焊接质量非常重要。与过去传统的根焊相比,应用CMT(cold metal transfer)冷金属过渡技术,在管道焊接尤其是管道的外部根焊上,焊接质量和焊接效率得到了非常大的提升,可以获得良好的焊接效果。介绍了CMT系统的组成以及技术特点,应用结果表明该方案具有可行性。

4043铝合金冷金属过渡薄壁构件电弧快速成形

为研究4043铝合金在冷金属过渡下的电弧快速成形,搭建了电弧快速成形系统,获得了4043铝合金薄壁电弧快速成形构件.结果表明,通过控制起弧和收弧的电流百分比,可以控制电弧成形的能量分布,解决了薄壁构件成形时起弧的驼峰和收弧的塌陷问题.总结了4043铝合金冷金属过渡电弧快速成形中焊接速度与送丝速度对成形效果的影响.最后根据合适的工艺参数,对成形良好的构件的微观组织进行了观察和力学性能进行了测试分析.得出了通过调节参数和优化路径,可以较好的控制单道薄壁成形样件的尺寸精度,获得优异成形试样的结论.

钛合金Ti6Al4V/纯铜T2冷金属过渡搭接焊焊接接头组织与性能

采用冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)技术,以镍铝青铜ERCuNiAl焊丝作为填充材料,对钛合金Ti6Al4V和纯铜T2异种金属薄板进行钛板在上铜板在下的搭接连接。使用扫描电镜和能谱分析研究焊接接头的显微组织和反应界面金属间化合物的组成,并通过横向拉伸试验对接头的力学性能进行评定。研究结果表明,冷金属过渡技术可以实现于钛/铜异种金属的有效连接。焊接过程中电弧比较稳定,焊缝成形良好。在电弧热的作用下,铜板完全熔透,与焊缝金属形成铜-焊缝界面,钛板部分熔化,铜板和焊丝熔化包围在钛板的周围,形成了钛和焊缝的三个界面,提高了接头的力学性能。钛侧金属间化合物层包含TiCu、TiAl、Ti2Cu、AlCu2Ti和铜基固溶体等多种金属间化合物。拉伸试验时,断裂发生在铜母材的热影响区,拉剪强度可达200 MPa。

薄板焊接的极限——CMT冷金属过渡焊接技术

在焊接不同壁厚的零部件时,要求具有良好焊缝厚度的厚工件要过渡到薄工件,并且在焊缝厚度过渡区仅有少量的热传导。许多材料无法承受焊接过程中持续不断的热量输入,为了避免熔滴穿透,实现无飞溅熔滴过渡和良好的冶金连接,就必须降低热输入量,在这种要求下,传统的气体保护焊接已经无能为力,而CMT技术实现了这种可能。相对于传统的MIG/MAG焊接过程而言,CMT技术的电弧温度和熔滴温度比较"冷"。其特点是冷热循环交替,从而实现焊接机器人在MIG/MAG焊接中的无飞溅焊接以及钎焊0.3 mm超薄板。CMT技术的焊接系统适用于任何薄板、超薄板以及MIG钎焊镀锌板、碳钢与铝板的连接。

铝/钛异种金属冷金属过渡熔钎焊接头分析

以ER4043的铝焊丝对6061铝合金和TA2纯钛进行CMT熔钎焊,采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)分析了焊接接头的微观组织特征,并通过拉伸试验对接头进行了力学性能的评定.结果表明,焊接接头具有熔焊和钎焊双重性质:铝母材局部熔化,与熔化的焊丝金属混合后凝固形成焊缝;而没有熔化的钛母材通过Ti原子的扩散与焊缝金属形成金属间化合物结合层的钎焊界面.钎焊界面处反应层可分为靠近钛板一侧的连续层Ti3Al和向焊缝内部生长的锯齿状的反应层Ti Al3.当钛板坡口角度为30°时,钎焊界面化合物生长均匀良好,接头会断裂在铝母材的热影响区,最高抗拉强度达到197.5 MPa.

铝/裸钢板冷金属过渡点塞焊接头组织及力学性能

采用Al Si5铝合金焊丝,冷金属过渡方法对6061铝合金和裸钢板进行了搭接点塞焊试验,运用正交试验法优化工艺参数,分析了接头的界面结构特征及其性能.结果表明,采用上述方法成功实现了铝和裸钢板的连接,点焊接头成形美观、性能良好;工艺参数显著性顺序为裸钢板孔径大小、点焊时间、送丝速度;接头为典型的点熔钎焊接头,由钎焊结合区和熔焊结合区组成;接头上的缺陷主要是气孔;接头的最大抗拉剪载荷可达4 k N以上,断裂方式为撕裂型断裂.

镁-裸钢板异种金属冷金属过渡熔钎焊连接机理

以AZ61镁合金焊丝为填充材料,对AZ31B镁合金/Q235裸钢板进行冷金属过渡熔钎焊试验研究,分析不同工艺参数对焊缝成形和力学性能的影响.并通过分析焊接接头微观组织及其元素分布状况来研究其连接机理.研究结果表明:随着送丝速度的增加,接头最大抗拉载荷先升高后降低,当焊缝宽度较大时,断裂易发生在镁的热影响区,其最大抗拉载荷可达6 k N以上;焊缝及镁合金中的Al原子通过焊接过程扩散到界面上形成很薄的Fe-Al相反应层,从而实现了镁、裸钢板的有效连接.

深冷处理对6061铝合金冷金属过渡焊接接头组织和力学性能的影响

对6061铝合金板材进行了冷金属过渡(CMT)焊接试验,并对焊接接头进行了不同时间的深冷处理,分析了深冷处理时间对6061铝合金冷金属过渡焊接接头组织和性能的影响。结果表明:深冷处理对改善焊接接头焊缝区性能有显著效果。深冷处理后焊接接头焊缝区有更多的第二相析出,焊接接头的抗拉强度、伸长率和焊缝显微硬度都得到提高,30 h深冷处理后接头的抗拉强度、伸长率和焊缝显微硬度达到最大值,分别为212.4 MPa、12.65%、93.1 HV。

汽车车身用铝合金冷金属过渡点塞焊工艺分析

采用Al Si5铝合金焊丝,冷金属过渡方法对汽车车身用6061铝合金进行了搭接点塞焊试验,研究了送丝速度、铝板孔直径、点塞焊时间对点塞焊接头焊点直径、焊核直径和拉伸载荷的影响.结果表明,送丝速度主要影响焊点直径的大小,点塞焊时间和铝板孔直径主要影响焊核直径和拉伸载荷.接头拉伸载荷主要取决于焊核直径的大小,焊核直径越大,拉伸载荷越大,与焊点直径关系不大.接头为典型的熔焊接头,焊缝主要由α-Al固溶体和Al-Si共晶相组成,点塞焊接头断裂方式为撕裂型断裂.

防锈铝板/镀锌钢板异种金属冷金属过渡熔钎焊接头的组织与抗拉强度

采用冷金属过渡(CMT)熔钎焊接工艺,对LF21防锈铝板和DD51D+Z镀锌钢板进行了异种金属的连接,对接头的显微组织和抗拉强度进行了研究。结果表明:防锈铝板和镀锌钢板的熔钎焊接头的中间界面区化合物为4～6μm厚的FeAl3金属间化合物,接头的平均横向抗拉强度为77MPa,接头的强度系数为0.6。