高质量经济的CO2焊接-CMT工艺

高质量，经济的CO2焊接——CMT 工艺

摘要：CO2-气体保护焊的优点是抗锈能力强，对油污不敏感，焊缝含氢量低，抗裂性能好，气体资源丰富，价格低廉；缺点是焊缝成形较粗糙，飞溅较大，因而常被禁用于高质量要求的生产上。而CMT 工艺出现，开辟了CO2保护气应用于高质量的，无飞溅的新的应用领域。在满足焊接质量的同时，又大幅降低了使用成本。

关键词：Co2保护气、短路过渡、大颗粒过渡、CMT 过渡

CMT （冷金属过渡）工艺自2004年正式推出以来，一直被焊接行业广泛的关注，此工艺的初衷是利用其极稳定的电弧、极低的热输入量，无飞溅的焊接过程的特点，主要用来焊接薄板或超薄板（最薄可焊至0.3mm ）。随着CMT 工艺的研究的深入，CMT 工艺的应用范围不断地被拓展，例如，通过CMT 工艺同脉冲工艺相结合（CMT+P ），在具有极稳定电弧，无飞溅焊接的同时，还可取得更高的焊接速度或更大的熔深，能焊接更大厚度的板材。本文介绍CMT 工艺又一新的应用，使用经济的CO2气作保护气，实现高质量、无飞溅的焊接，值得一提的是，此工艺不仅可用于薄板的焊接，同样也适用于中厚板焊接。为了更容易理解CO2-CMT 工艺，有必要先介绍各种熔滴过渡的方式及其特点。

1 熔滴过渡形式

传统的熔滴过渡方式的一般分为四种形式：短路过渡，大颗粒过渡，喷射过渡，脉冲过渡。这几种过渡方式都是通过熔滴表面张力、电磁收缩力、熔滴重量综合起作用，属“自然”过渡，容易受外界条件的干扰。而CMT 是一种全新的熔滴过渡方式，根据现有的溶滴过渡模式定义，是无法给CMT 工艺分类的，其工作区间如图1

图1：溶滴过渡模式取决于电弧功率

1.1短路过渡

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从图1可以看出，短路过渡是在电弧功率较小的区域，短路过渡模式的特性就是使用相对低的电流和电压。引弧之后，焊丝向工件方向移动，最后焊丝前端熔滴和熔池接触，形成短路，熔滴与熔池间短路后，在表面张力及电磁收缩力的作用下形成缩径小桥，缩径小桥在不断增大的短路电流作用下汽化爆断，将熔滴推向熔池，完成过渡见图2。这个脱落过程主要受表面张力的影响。

图-2 短路过渡过程的高速摄影

实践证明使用Ar/CO2混合气比纯CO2气体，更易得到一个相对稳定和谐的溶滴过渡速度和相对高的短路过渡频率，焊接过程更稳定。由于焊接过程中采用相对低的工作电压，热输入量也相对较低（例如同脉冲焊相比），利于薄板的焊接；另外，其所产生飞溅的热量也相对较低，不易粘在工件表面上，飞溅的清除相对更容易。

随着逆变电源技术的发展，短路过渡的也可以适当加以控制，比如调整上图中②-③上升时间及峰值，可减少焊接飞溅。但无论如何控制，短路过渡用于焊接更薄的板是因难的，这是因为它的特性决定的，即一旦焊丝与熔池发生短路，电流立刻增大。

1.2大颗粒过渡

当增大焊接电流和电压参数到一定程度时，熔滴过渡方式会产生改变，这就是短路过渡和喷射过渡之间的一个过渡区域，见图1。在这个区域，溶滴过渡频率降低，熔滴过渡不可控，部份熔滴颗粒较大，直接依靠重力使溶滴从焊丝端部脱落。见图3。

图-3 大颗粒过渡过程的高速摄影录像

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1

2

3

4

尽管这种焊接方式热量大，可以焊接厚板，但这种过渡方式无法像短路过渡或射流过渡一样均匀一致，另外熔滴体积较大，熔滴所含热量过大，导致熔池容易快速过热，伴随

产生大量的飞溅。在Ar/CO2混合气或纯CO2气体保护下，都会出现这种过渡，焊接过程极其不稳定并产生大量飞溅（见图4），因而在气保焊生产中要尽量避免。

图4 CO2气保焊角焊产生大量的飞溅

1.3脉冲过渡

为了避免在焊接过程中出现大颗粒过渡，可以使用脉冲过渡方式（见图5）。从图1可以看到，脉冲过渡模式不存在大颗粒过渡区间。脉冲过渡方式是非接触式过渡，电弧稳定，飞溅小，焊接效果好，但由于脉冲需调节参数较多，因而需要智能化逆变电源的支持，需要根据被焊母材和填充材料来调节特殊的脉冲波形输出。

图5 脉冲溶滴过渡的高速摄影录像

尽管如此，在特殊情况下，脉冲过渡也是会产生缺陷的，如未熔和，见图6，咬边，见图7。

图6脉冲焊未熔合缺陷（侧弯试验ASTM A 106 Grade B ） 图7 脉冲焊咬边缺陷（T 型接头显微图）

1.4 CMT 过渡

CMT 过渡首次将送丝运动和熔滴过渡进行协同控制，焊接时，焊丝向工件方向送丝，当焊机监测到焊丝与工件发生短路时，电流立即几乎为零，同时焊丝立刻回抽，焊丝离开熔池，完成熔滴过渡（见图9）。当然这种过渡方式除电源具有先进的控制技术外，还需要相应的硬件（如AC 伺服的焊枪）。

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图8-单个CMT过渡的高速摄影

CMT是基于短路过渡方式发展而成的，其物理原理同短路过渡是相同的，但前文提到，传统的短路过渡是一种“自由”的过渡方式，其状态较容易受到外部干扰；而CMT过渡是通过焊丝机械回抽方式来帮助熔滴脱落，工艺过程可以被精确控制，因而其短路过渡周期恒定，不再受随机变量的影响，一个溶滴过渡大概需要14.31ms，过渡频率大概为70HZ。

图9-单个CMT溶滴过渡过程中电流、电压、和送丝方向示意图

另外，CMT熔滴短路时，短路电流几乎为零，降低了热输入量，还避免了由于短路电流增加使溶滴过渡不稳，熔池过热和飞溅；采用这种可精确制的工艺，不仅可以取得良好的焊接质量（MIG/MAG焊或MIG钎焊），而且工艺稳定性好，重复精度高，对周边环境不太敏感。

2 CO2气体CMT在汽车部件上的实际应用

本文介绍的案例是汽车的底盘部件（付车架），如图9。该部件产量大，要求自动化批量生产。并且在组装成整个部件前是不能进行脱脂处理的，因而工件表面附着的油，油脂在焊前是无法清理的，这就决定了脉冲工艺是不适合的，因为不清洁焊接区域影响脉冲电弧的稳定性，导致电压变化和咬边。

试验是由来自世界最大汽车部件供应商之一和fronius公司的CMT的专家紧密合作来做的，目的是研究CMT工艺代替传统的MAG工艺（短路过渡或喷射过渡）究竟有多大优势。评估的指标是：焊接速度需大于19mm/s，工件熔深最低要求0.4mm，焊接工艺的重复精度、电弧和工艺的稳定性、焊后飞溅的处理成本、焊接的效率和经济性，。