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。

Cold metal transfer(CMT) technology-An overview

Cold Metal Transfer technology has revolutionized the welding of dissimilar metals and thicker materials by producing improved weld bead aesthetics with controlled metal deposition and low heat-input. In this study, the process, weld combinations, laser-CMT hybrid welding and applications of CMT welding are critically reviewed. Microstructure and other weld characteristics have been discussed at length for various base metal combinations. Particularly, the welding of aluminium and steel with better results has been possible with CMT Welding. The results reviewed in this article indicate that the CMT-Laser hybrid welding is more preferable to Laser or Laser hybrid welding. CMT welding has found applications in automobile industries, defence sectors and power plants as a method of additive manufacturing.

TA5钛合金CMT+P混合过渡焊接工艺研究

在10 mm厚TA5钛合金板上开展了不同CMT(冷金属过渡技术)占比的CMT+P混合过渡单道堆焊试验。结果表明:较大的CMT占比,单道焊缝截面呈“门拱形”,不利于熔池对平板的润湿和焊缝的有效填充。将一个循环周期内的CMT数量保持为1,改变脉冲数量对润湿性改变不明显;同时,较高的Pulse/CMT切换频率会带来更大的飞溅。一个周期内Pulse与CMT的数量分别控制在60和20,不但焊缝成型较好,飞溅也抑制较好;对焊缝进行了射线检测,几乎没有气孔和其它缺陷。对焊接接头进行了金相和硬度检测,焊缝未出现硬化,满足使用要求,CMT-P混合过渡时焊缝区晶粒更为细小。

CMT堆焊巴氏合金堆焊层组织及力学性能

采用冷金属过渡(CMT)技术在20钢表面制备了巴氏合金堆焊层,利用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪、维氏硬度计和摩擦磨损试验机分别对堆焊层的金相形貌、物相组成、显微组织、元素分布、硬度和摩擦因数进行测试。结果表明,巴氏合金堆焊层的相结构并未发生变化,由硬质点SnSb相、Cu6Sn5相和软基体α-Sn相组成;由于热输入的降低,巴氏合金堆焊层的冷却速率提高,堆焊层晶粒明显细化,硬度约为40HV0.1,远高于铸造巴氏合金;由于显微硬度升高,巴氏合金堆焊层的摩擦因数和比磨损率均降低,分别为0.31和1.38×10^(-5)mm^(3)/(N·m);巴氏合金堆焊层的磨损机理为磨粒磨损。CMT堆焊技术可有效提升巴氏合金的硬度和耐磨性。

基于SAX算法的CMT增材制造缺陷在线监测

针对增材制造过程中形成的缺陷会对工件造成不可逆的影响,分析了冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)增材制造过程的焊接电流信号和焊接电压信号,提出了一种基于时间序列算法的CMT增材制造缺陷在线监测方法。设置不同的焊接工况,收集良好组和缺陷组的原始焊接电流和焊接电压信号,使用SAX(Symbolic aggregate approximation)算法对数据进行预处理。使用随机森林模型对数值型数据再分类,达到实时监测的效果;同时为突出SAX算法的优越性,设置对比试验组,将原始的焊接电流数据直接放入随机森林模型进行分类。结果表明,原始焊接电流组的测试集准确率为80%,SAX算法数据预处理组的测试集准确率为96%。

铝合金激光-CMT复合焊接熔滴特性研究

搭建了铝合金激光-冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)复合焊接试验平台和高速摄像采集平台,研究铝合金激光-CMT焊接过程中的熔滴特性.改变激光功率,获得不同焊接参数下CMT熔滴过渡的高速摄像图.通过对比分析可知,在激光功率较小时,激光主要起到引导电弧作用,对CMT电弧影响较小,焊接过程较为稳定,能够获得良好焊缝成形.当激光功率较大时,会影响CMT原有的短路过渡,造成熔滴飞溅等情况,导致焊缝成形较差.结果表明:保持焊丝和激光间距的有效距离和控制激光功率,是保证激光-CMT复合焊接过程稳定的关键.

基于BAS算法优化的电弧增材制造焊道尺寸预测

目的为提高实际应用中电弧增材制造对工艺参数的选取效率及成形形貌的控制效果,建立高效且精准的成形尺寸预测模型,实现对焊道尺寸的合理预测。方法在单层单道CMT电弧增材制造实验的基础上,建立基于天牛须搜索算法(Beetle Antennae Search,BAS)优化BP神经网络的焊道尺寸预测模型,利用BAS算法实现对BP神经网络初始权值和阈值的优化,可以实现预测不同工艺参数(焊接速度、送丝速度、干伸长)下焊道的成形尺寸(熔宽、余高)。利用试验验证BAS-BP预测模型的性能,与现有模型进行对比,结果结果表明该模型具有较高精度的预测效果,能够有效映射工艺参数与焊道尺寸之间的非线性关系,印证了该模型具有良好的拟合和泛化能力,同时其对焊道熔宽和余高的预测误差分别不超过0.2、0.12 mm,预测平均误差率均不超过6%,相对于其他预测模型表现出较好的准确性和稳定性。结论BAS-BP神经网络预测模型的输出误差较小,网络训练收敛速度加快,避免了过拟合及欠拟合的风险,有效提高了预测模型的泛化能力和预测精度,可以实现一定工艺参数范围内的焊道尺寸预测,为后续电弧增材的实时预测及控制参数应用提供了技术支持。

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。

铝/镀锌钢薄板异种金属CMT熔钎焊接头组织与力学性能

采用冷金属过渡方法对铝合金和镀锌钢板进行了熔钎焊连接,使用扫描电镜、能谱分析和拉伸试验分析了接头的截面形貌、组织特征、焊接缺陷及力学性能。试验结果表明,铝合金和镀锌钢能得到成形美观、性能良好的搭接接头。对焊缝金属的组织特征分析表明,焊接接头由熔化区、中心界面区、过渡界面区和富锌区组成,在焊缝金属和镀锌板的界面区形成厚度为3～4μm的金属间化合物层(主要成分为Fe3Al、FeAl2、Fe2Al5和FeAl3),富锌区由富铝的固溶体和残留的锌组成。在进行拉伸试验时,断裂发生在热影响区,接头强度为204MPa。

铝合金和镀锌钢异种金属CMT焊接性分析

针对汽车工业中铝合金和镀锌钢板的轻量化结构制造,利用正交试验法对铝合金与镀锌钢薄板搭接件进行了异种材料冷金属过渡(CMT)熔钎焊连接,研究了工艺参数、焊丝成分以及镀锌层厚度对焊缝表面成形和接头力学性能的影响。铝/镀锌钢板CMT熔钎焊的接头为典型的搭接接头,在整个焊接过程中,硅和锌很好的起到了促进熔化的铝在钢板表面润湿和铺展的作用。通过试验得出理想的工艺参数,可以得到良好的焊接接头。

6005A铝合金CMT焊接接头微观组织和疲劳裂纹萌生

使用冷金属过渡(CMT)焊接技术对6005A铝合金进行焊接,获得成形良好的焊接接头.应用光学显微镜、显微硬度仪、扫描电子显微镜和能谱分析仪研究接头的微观组织、硬度和疲劳性能.结果表明:接头焊缝区以小尺寸的等轴晶和胞状树枝晶为主;熔合区存在明显的熔合线;近熔合线附近的热影响区中晶粒发生明显的粗化.接头显微硬度显示,热影响区中软化区是整个焊接接头的最薄弱区域.维氏硬度(HV)最低,为55,焊缝区为70.疲劳试样表面分析发现焊缝中存在长条状的第二相粒子,经能谱分析为AlSiFe相,在循环载荷的作用下,该相内部萌生了微裂纹,但并未扩展,说明该相对接头的疲劳性能影响不大.

薄板铝合金空间曲线焊缝CMT焊接试验研究

针对薄板铝合金三维曲线焊缝较大的残余应力和焊接变形,进行了冷金属过渡(CMT)无垫板自动焊试验研究,分析了电流、焊接速度、弧长修正、保护气流量对焊接过程的影响,进行了接头拉伸性能试验及焊缝微观组织研究,并焊接了变形小的产品。结果表明,利用合理的焊接参数,可实现厚度1.5 mm的5A06铝合金的无垫板CMT焊接,焊缝成形稳定均匀,焊接接头抗拉强度值达到347 MPa,接头断裂位置在热影响区。无垫板CMT焊接技术可用于薄板铝合金空间曲线焊缝的焊接。

4043铝合金电弧增材制造的组织及力学性能

为了研究4043铝合金电弧增材制造中工艺参数、组织与力学性能之间的相关规律,采用CMT电弧增材制造技术制备了4043铝合金薄壁件。通过金相显微镜、扫描电子显微镜、电子万能试验机等检测设备,对不同工艺参数(焊接速度和送丝速度)制备的制件内部组织与力学性能进行了研究。结果表明,WAAM4043铝合金薄壁件内部组织为α(Al)相和β(Al_(3.21)Si_(0.47))相。随着焊接线能量的增加,Al-Si共晶相会增多,晶界处的β相变得粗大、松散,晶粒也变得粗大。4043铝合金薄壁件的抗拉强度最高为153.7 MPa,伸长率最高为22.5%。拉伸性能在横向与竖向上呈各向异性。过大或过小的焊接线能量都不利于获得好的力学性能。

基于CMT技术的镀锌钢-铝合金板焊接变形研究

为了研究镀锌钢和铝合金边塞焊变形问题,应用冷金属过渡(CMT)技术,采用五因素(送丝速度、焊接时间、铝板厚度、开孔直径和弧长修正)三水平(低、中、高)的正交试验方法。通过对焊接件变形量分析,得到最佳焊接工艺参数组合,并通过拉伸试验和金相试验考察了最佳工艺参数下的焊接件的连接强度和焊接质量。研究结果表明:送丝速度、铝板厚度、开孔直径对焊接变形的影响最大;最佳焊接工艺参数组合为送丝速度5 m/min,开孔直径6 mm,铝板厚度1.5mm,弧长修正5%,焊接速度1.6 m/min。经方差分析所得到的最佳焊接参数组合,不仅使焊接薄板变形量较小,而且能够达到所需的连接强度。

AA6061-T6铝板和DP590镀锌钢板的CMT点塞焊工艺研究

以Al Si-5焊丝为填充材料,对AA6061-T6铝板和DP590镀锌钢板的冷金属过渡(CMT)点塞焊工艺进行了研究。通过采用三因素(送丝速度、焊接速度、弧长修正)三水平的正交试验,筛选出最优的工艺参数组合,并通过拉伸试验检测最优工艺参数下的焊接质量,最后用单因素分析法,分析了送丝速度对焊接成形及焊接强度的影响。结果表明:送丝速度对拉伸载荷的影响最大;最优工艺参数组合方案下铝钢薄板焊接效果良好,拉伸载荷达到4.53 k N;当送丝速度由5.0 m/min增加到6.0 m/min时,拉伸载荷先随着送丝速度的增加而增大,但当送丝速度增加到一定程度时拉伸载荷开始减小;随着送丝速度的增加,焊点的直径不断增大,而焊点的高度缓慢减小。

送丝速度对6061铝合金/DP590镀锌钢CMT点塞焊接头性能的影响

采用ER4043铝合金焊丝,对6061-T6铝合金和DP590镀锌钢板进行了冷金属过渡（CMT）点塞焊试验。通过改变送丝速度得到了不同的焊接试样,并对试样金属过渡层的微观组织和力学性能进行了分析测试。结果表明：金属过渡层的厚度与焊接热输入有关。随着送丝速度的增加,焊接热输入增加,金属过渡层的厚度增大;靠近铝一侧的过渡层金属间化合物主要是Fe Al3,而靠近钢板一侧的金属间化合物主要是Fe2Al5。接头的拉伸载荷随金属过渡层厚度的增大先增加,当金属过渡层的厚度达到16.71μm时,拉伸载荷急剧下降。为保证铝钢焊接的强度,金属过渡层的厚度必须保持在适当的范围内。

5083铝合金CMT焊接焊缝质量研究

采用冷金属过渡焊接技术(CMT)对15 mm厚的5083铝合金板在不同工艺参数下进行焊接试验,对焊缝质量进行了研究。结果表明,在较低的焊接速度和较高预热温度下焊缝气孔少;在较高的焊接速度和较低的预热温度下可以避免角变形等焊接缺陷的发生。利用金相显微镜对显微组织进行观察分析,发现试样的焊接速度低而预热温度高,焊缝处容易形成规则的等轴晶,各个区域的形貌差异更加明显;经过焊接接头硬度分布测试,发现焊缝区显微硬度存在一个最低值,约为50HV。

CMT冷金属过渡焊接技术在HT250灰铸铁补焊中的应用

阐述了利用CMT冷金属过渡方法补焊HT250灰铸铁的焊接工艺及补焊结果,主要从CMT冷金属过渡方法的特点、HT250灰铸铁焊接工艺和补焊质量3个方面进行了论述和试验研究,总结CMT自动焊技术在补焊铸铁方面的经验,为灰铸铁铸件的补焊提供科学依据和技术参考。

铝钢异种金属CMT焊接变形研究

针对目前使用冷金属过度焊(CMT)对铝钢异种金属薄板进行焊接时,存在焊接质量差,焊接热变形及使用性能低等缺点,对薄板件焊接过程采用SYSWELD软件进行模拟。通过不同的试验参数进行组合,得出金属薄板在X,Y以及整体方向上的焊接变形量,分析不同焊接参数对焊接热变形的影响规律。结果表明:在达到焊接要求的前提下,应尽量减少焊接时间和焊接电流;在一定焊接电压范围内,焊接电压越大,相同时间内焊接变形量就越大,Y方向焊接变形值约为X方向的1.5倍;为了避免焊接变形量过大,宜选用相对较大的焊接速度。

5083铝合金/EH36钢CMT电弧熔钎焊工艺研究

以对接K型坡口接头形式采用双面焊,实现了4 mm厚的铝/钢CMT连接,研究了焊接工艺参数、特种钎剂对焊缝成形及接头组织与力学性能的影响。结果表明:合适的钎剂和焊接工艺可得到力学性能较好的焊接接头;扫描电镜结果发现界面层厚度可达8μm。