新型绿色焊接技术——CMT焊接技术

1、新型绿色环保焊接技术CMT焊接技术摘 要CMT冷金属过度焊接技术是在MIG/MAG焊的基础上开发的一种革新技术，第一次将送丝运动与熔滴过渡过程进行数字化协调，使熔滴过渡在几乎无电流的状态下进行。CMT焊接波形控制呈现典型的直流脉冲特征，焊接时热输入较低，这样可有效减小热输入，提高对能量的利用率，并有效地消除飞溅，提高焊后工件表面质量，减小金属的损失，焊接过程中低烟尘，有害气体少，对环境的污染进一步减少，是一种绿色环保的焊接技术。本文介绍了CMT焊接技术的工作原理，工艺流程，以及技术特点，并举例说明其发展应用状况。关键词：CMT冷金属过渡焊接技术；熔滴过渡；无飞溅焊接；送丝运动；薄板焊接 目 录

2、摘 要I目 录II1 绪论11.1 引言12 CMT焊接技术的工作原理12.1 MIG/MAG焊接技术简介12.2 CMT焊技术简介23 CTM系统的组成34 CMT焊接的技术特点44.1 CMT技术的主要特点44.1.1 送丝系统44.1.2 熔滴过渡时电压和电流54.1.3 焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落54.2 CMT焊较其他焊接技术的优势64.2.1 CMT焊接MIG/MAG焊的优势64.2.2 CMT钎焊工艺和激光钎焊工艺的比较75 CMT焊接技术的应用和前景85.1 CMT和脉冲混合过渡技术85.2 CMT在机械工程行业的应用前景86 全文总结9参考文献101 绪论1.1 引言随着全球

3、资源与环境保护问题的日趋严峻，开发和研究新型绿色环保焊接方法已经非常迫切。当今世界，汽车工业也正朝着节能、环保和安全的方向发展，而节能又是其中的核心问题。节能的有效措施便是降低汽车自重，即汽车轻量化。汽车用的铝合金和钢的混合结构轻量化可提高燃料的有效使用并有效控制空气污染，因此钢和铝合金的有效连接受到重视1。然而，钢和铝的熔点存在巨大的差异，且铝与钢中的铁易产生脆性的金属间化合物。另外，不同的热物理性能，如膨胀系数、导热率和比热，也将导致焊后巨大的内应力。因此，熔焊的铁铝会由于产生严重的裂纹而在使用中损坏。冷金属过渡技术CMT是将送丝与熔滴过渡过程进行数字化协调。当焊机的DSP处理器监测到一个

4、短路信号时，就会切断电流，并将信号反馈给送丝机，送丝机作出回应回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离，使熔滴在无电流状态下过渡。通过协调送丝监控和过程控制实现了焊接过程中“冷”和“热”的交替。CMT同时具备许多优点：焊接过程中，热输入量小；无飞溅起弧，减少了焊后清理工作；能够进行薄板对接焊而不需要对工件进行背面气体保护。良好的搭桥能力使得焊接过程操作容易，特别适用于自动焊2。CMT（Cold Metal Transfer）冷金属过渡技术是在MIG/MAG焊基础上开发的一种革新技术。CMT技术颠覆了传统，将焊丝的运动与焊接过程结合起来，严格控制熔滴过渡中的输入，降低焊接热输入和金属飞溅。2 CMT焊接

5、技术的工作原理2.1 MIG/MAG焊接技术简介MIG焊是熔化极惰性气体保护焊，MAG焊是熔化极活性气体保护焊。MIG/MAG焊如图1所示。MIG/MAG焊是目前应用广泛，高效、经济的焊接工艺，但同时存在焊接热输入量大、变形大，飞溅无法避免等缺点，在薄板焊接方面的应用受到限制3。这是MIG/MAG焊熔滴过渡的形式决定的。MIG/MAG焊熔滴过渡根据焊接电流的不同共有三种形式：短路过渡、颗粒过渡和射流过渡，分别适用于不同板厚、不同焊接效率要求的场合。MIG/MAG焊的熔滴过渡过程由电压和电流参数进行控制，与焊丝的运动状态关系不大。图1 MIG/MAG焊示意图MIG/MAG焊的主要特点是焊接质量好

6、；焊接生产率高；无脱氧去氢反应，易形成焊接缺陷，对焊接材料表面清理要求特别严格；抗风能力差；焊接设备复杂。可应用于几乎所有的金属材料，主要用于有色金属及其合金，不锈钢及某些合金钢的焊接。最薄厚度约为1mm，最大厚度基本不受限4。2.2 CMT焊技术简介CMT冷金属过渡焊接技术是一种无焊渣飞溅的新型焊接工艺技术。CMT技术颠覆了传统，将焊丝的运动与焊接过程结合起来，严格控制熔滴过渡中的输入电流，大幅度降低了焊接热输入。CMT焊接技术为MIG/MAG焊的应用开拓了新的领域，MIG/MAG熔滴过渡的形式也被赋予了全新的定义（如图2）。图2 熔滴过渡形式MIG/MAG焊的熔滴过渡是传统的短路过渡，其短

7、路过程是：形成电弧加热焊丝焊丝熔化形成熔滴熔滴长大，同熔池短路短路桥爆炸，熔滴脱落。在熔滴形成、脱落过程中都伴有大的短路电流输入，容易形成飞溅。而CMT过渡方式正好相反，如图3，在熔滴短路时，数字化电源输出电流几乎为零，同时焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，从根本上消除了产生飞溅的因素。 (a) 电弧加热，向前送丝 (b) 熔滴短路，电弧熄灭 (c) 焊丝回抽，帮助熔滴脱落 (d) 送丝，重新加热图3 CMT熔滴过渡过程3 CTM系统的组成CMT系统的组成如图4所示5。图4 CMT系统（1）TPS3200/4000/5000CMT电源。全数字化微电脑处理器控制和全数字化GMA逆变电源。（2）RCU5

8、000i遥控器。全文本显示的遥控器，Q-控制功能的焊接参数监控、向导指引模式、系统化的菜单结构、人工管理功能。（3）FK4000R冷却系统。坚固可靠，确保了对机器人焊枪的最佳冷却效果。（4）机器人控制箱。适用于所有型号的机器人，无论机器人是通过数字信号、模拟信号或field-bus方式进行数据传输。（5）VR7000VCMT送丝机。数字化控制的送丝机，适用于所有普通的送丝管。（6）CMT Robacta 焊枪。全数字化控制的机器人用焊枪。无传动装置，安装有高效的双向动力学传动马达，适用于精确的送丝和恒定的接触压力。（7）焊丝缓冲器。削弱了两个送丝系统对焊丝的冲击力，为焊丝在两个送丝系统之间提供

9、一个缓冲的空间。4 CMT焊接的技术特点4.1 CMT技术的主要特点4.1.1 送丝系统CMT技术首次将焊接的送丝运动同熔滴过渡过程相结合。整个焊接系统由数字化系统和总线进行控制，焊丝的运动与焊接过程形成闭环，焊丝的送丝/回抽动作影响焊接过程，也就是熔滴的过渡过程是由送丝运动变化来控制的。整个焊接系统（包括焊丝的运动）的运行均为闭环控制，如图5所示。而普通的MIG/MAG焊，送丝系统是独立的，并没有实现闭环控制6。图5 CMT控制电路4.1.2 熔滴过渡时电压和电流CMT焊接系统采用数字化控制，对熔滴过渡进程进行监控。在熔滴形成、长大时，电源输入必要的电流；而在熔滴脱落，过渡至熔池的过程中，电

10、流输入减小，几乎为零，大幅度的降低了热输入量；之后焊丝短路，输入电流，熔滴再度形成7。如此反复，形成连续焊接过程。由此可见，整个熔滴过渡过程是一个“热-冷-热”的交替过程。相对于传统的短路过渡，焊接热输入可减少 50%以上。同时不存在短路桥的爆炸，焊接飞溅也不会产生。图 6是CMT 焊接短路过渡过程中电流和电压的变化。图6 CMT短路过渡 电压电流变化 焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落传统的短路过渡是通过持续输入的电流造成短路桥爆炸，使焊丝端头的熔滴脱落，进入熔池。CMT短路过渡后期几乎没有焊接电流，也就没有热输入，熔滴温度会迅速降低，想要促使熔滴脱落，就需要借助焊丝的动作来实现。CMT 是通过焊丝

11、的机械式回抽“甩掉”熔滴，如图 7 所示。CMT 的送丝系统不仅仅具有送丝的作用，还具备将焊丝回抽的功能。通过数字化控制系统监控焊丝回抽的时间点、回抽速度、幅度等，既能保证顺利的帮助熔滴脱落，又能为下一个电弧的形成作好准备。焊丝脱落的过程比较平和，避免了飞溅的产生。 (a) (b) (c) (d)图7 CMT短路过渡过程（(a) 焊丝向前，电弧加热焊丝 (b) 熔滴长大 (c) 焊丝回抽，熔滴脱落 (d) 焊丝向前，电弧加热焊丝）4.2 CMT焊较其他焊接技术的优势4.2.1 CMT焊接MIG/MAG焊的优势（1）CMT几乎无电流状态下的熔滴过渡。焊接热输入量极低（见图8）不用背衬就可焊接薄板

12、和超薄板（可达0.3mm）焊接变形小. 普通MIG焊 CMT焊母材厚2mm的AlMg3；焊丝厚1.2mm的AlSi5图8 热输入量的比较（2）CMT焊弧长控制精确 电弧更稳定。普通MIG/MAG焊弧长是通过电压反馈方式控制的 容易受到焊接速度变化和工件表面平整度的影响，而CMT方法则不然。CMT的电弧长度控制是机械式的，它采用闭环控制并监测焊丝回抽长度，即电弧长度。在干伸长或焊接速度改变的情况下电弧长度也能保持一致。其结果就保证了CMT电弧的稳定性，即使在焊接速度极快的前提下，也不会出现断弧的情况。（3）均匀一致的焊缝成形，焊缝熔深一致，焊缝质量重复精度高。普通MIG/MAG焊在焊接过程中，焊

13、丝干伸长改变时，焊接电流会增加或减少。而 CMT焊焊丝干伸长改变时，仅仅改变送丝速度，不会导致焊接电流的变化 从而实现一致的熔深，加上弧长高度的稳定性 就能达到非常均匀一致的焊缝外观成形。（4）真正做到无飞溅。在短路状态下焊丝的回抽运动帮助焊丝与熔滴分离。通过对短路的控制，保证短路电流很小，从而使得熔滴过渡无飞溅，焊后清理工作量小。通过CMT技术可以轻松的实现无飞溅焊接，钎焊接缝，碳钢与铝的焊接，0.3mm超薄板的焊接以及背面无气体保护的对接构件的焊接。（5）具有良好的搭桥能力。装配间隙要求降低。1mm薄板的搭接接头间隙允许达到1.5mm。（6）具有更快的焊接速度。1mm厚的铝板对接可达到25

14、0cm/min，CMT钎焊电镀锌板可达到150cm/min。（7）低烟尘，有害气体少。由于CMT技术输入热量少，因此，在焊接过程中既能减少锰铬氧化物的产生，也减少了臭氧、氮氧化物等有毒气体的产生。4.2.2 CMT钎焊工艺和激光钎焊工艺的比较以侧围落水槽焊接为例：左侧焊缝采用激光钎焊，右侧焊缝采用CMT钎焊。CMT钎焊后试样进行处理，如图9。图9 CMT钎焊后试样处理（1）试样进行处理后进行防腐性能测试，所有试样均未发生表面漆剥落、腐蚀等现象。（2）CMT钎焊后截取焊缝。取自焊缝不同断面的金相试样，分析结果均为合格。（3）CMT钎焊工艺比激光钎焊工艺的经济性要好的多。5 CMT焊接技术的应用和

15、前景 5.1 CMT和脉冲混合过渡技术CMT技术提供了一个最低能量的平台，Fronius公司在此基础上将CMT过渡和脉冲过渡进行结合，实现了交替过渡的焊接模式。即一个CMT熔滴过渡后，过渡方式转为一个或几个脉冲过渡。通过这种方式使得MIG/MAG焊的热输入量可以进行自由调整，以达到理想的焊缝背面成形，如图10所示，或者是提高薄板焊接速度。这种“PulsMIX”混合过渡方式同样可以保持高度的电弧稳定性和低飞溅。图10 焊缝成形5.2 CMT在机械工程行业的应用前景由于CMT 焊接方法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，并且无飞溅等优点，拓展了普通MIG/MAG 焊所

16、不能涉及的领域。其主要用用领域体现在：（1）薄板或超薄板（0.33mm）的焊接，并且无需担心塌陷和烧穿，如图11所示。图11 厚0.8mm的铝铝对接背面未加衬垫（2）电镀锌板或热镀锌板的无飞溅钎焊。（3）钢和铝的异种连接。在过去铝和钢的连接只能通过激光或电子束焊接，现在CMT 可实现这样的异种连接，接头质量和外观都合格8。目前CMT 技术广泛应用于汽车、家电、航空航天等行业。在工程机械行业，焊接以结构件中厚板和薄板件的焊接为主。结构件焊接追求高焊接效率，对焊接变形要求一般，通常以MAG 焊和CO2气保焊为主。薄板件的焊接，如驾驶室、邮箱、覆盖件等，逐渐摒弃以往的气体保护焊，转向汽车行业薄板件的

17、加工模式，以冲压成型、电阻电焊为主，但是弧焊的工作量依然很大。在变形要求小、连接强度要求高、异种金属的焊接场合，CMT 焊接工艺还是具有广阔的应用前景。CMT 技术焊缝成形美观，无飞溅对于薄板焊接也是很适合的。比如CMT 的无飞溅焊接可以尝试在油箱上应用，以提高油箱的清洁度。此外，工程机械行业还存在部分齿轮件的焊接，焊接变形要求高，采用 CMT 焊接工艺是一个相对经济的选择。总的来说，在工程机械行业，CMT 焊接技术可以在薄板件和齿轮件的焊接上进行广泛的推广和应用。6 全文总结连接技术在机械工程行业中占有重要地位，是铝金属结构件制造过程中的关键技术。CMT焊作为一种新型的先进连接技术，与传统的

18、MIG/MAG等焊接技术相比，具有热输入量低、无飞溅、弧长稳定、焊缝均匀、“绿色无污染”等优点，在机械工程行业、汽车制造等领域具有广阔的应用前景。积极开展CMT焊技术的研究对于提高我国机械工程和汽车制造业水平、降低生产成本、提升企业竞争力具有重要的意义。参考文献1 石常亮，何鹏，冯吉才，张洪涛. 铝/镀锌钢板CMT熔钎焊界面区域组织与接头性能J.焊接学报，2006，(12):61-64.2 杨修荣. 钢与铝的焊接J. 航空制造技术，2004(12)：96.3 杨修荣. 超薄板的MIG/MAG焊CMT冷金属过渡技术J. 电焊机, 2006, (9): 5-7. 4 FENG J C，ZHANG H T，HE P. The CMT short-circuiting metal transfer process and its us