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厚板鋁合金 CMT 焊接工藝
2019-12-26 11:15:16 來源：焊接學報
鋁合金在焊接過程中易出現氣孔、熱裂紋等焊
接缺陷，以及熱影響區軟化導致的接頭性能下降等
問題，因此避免焊接缺陷產生，保證焊接質量，提高
接頭性能對高速列車的生產制造具有重要意義． 降
低焊接熱輸入是防止熱裂紋和減少熱影響區軟化的
有效途徑． 就目前鋁合金焊接所采用脈沖 MIG 焊接
工藝而言，通過調節焊接工藝降低熱輸入是不可取
的，因為過低的熱輸入易造成未熔透或熔深不足等
焊接缺陷． 而采用新的低熱輸入焊接技術可在保證
熔透的前提下降低熱輸入，才是可行的技術方案．
目前國內外主要低熱輸入焊接工藝有冷金屬過
渡 CMT 技術、cold arc 技術、cold process 焊技術、AC-
CBT 技術，以及國內的本周期交流短路過渡控制法．
其中 CMT 技術是低熱輸入焊接工藝中的佼佼者．
CMT 技術是福尼斯公司于 2002 年開發成功的一種
低熱輸入焊接工藝． 該技術在熔滴短路時電源輸出
電流幾乎為零，同時焊絲的回抽運動幫助熔滴脫落，
實現熔滴的冷過渡，消除了飛濺現象，并大大降低了
焊接過程的熱輸入 ［1 －5］ ．
文中比較了高速列車用厚板鋁合金多層多道
CMT 焊接工藝和脈沖焊接工藝，通過對溫度場、焊
接接頭組織及力學性能等進行研究分析，展示了
CMT 焊接工藝是一種可提高焊接質量的低熱輸入
焊接新方法．
厚板鋁合金 CMT 焊接工藝
1．1 CMT 焊接工藝
在傳統正極性(electrode positive) CMT 焊接技
術的基礎上，福尼斯公司在 2010 年開發出了 CMT
Advanced 系列焊機，實現了極性變換，依靠負極性
(electrode negative)階段高的焊絲熔化效率，進一步
降低了熱輸入． 新一代 CMT Advanced 系列焊機具
有直流 CMT，交流 CMT，直流 CMT 與脈沖混合過渡，
交流 CMT 與脈沖混合過渡，以及純脈沖過渡等多種
工作模式，進一步拓展了 CMT 焊接技術的應用
范圍．
1．2 焊接工藝參數
使用 CMT Advanced 焊機進行了 12 mm 厚高速
列車用鋁合金厚板焊接試驗，分別采用直流 CMT 與
脈沖混合過渡焊接工藝、脈沖 MIG 焊接工藝進行焊
接． 平板對接試驗件的坡口及焊道布置形式如圖 1
所示，其中 CMT 焊接時正面焊兩道，背面焊一道，脈
沖焊接時開 V 形坡口，留 0． 75 mm 鈍邊，不留間隙，
共焊四道． 焊接工藝參數見表 1 所示，保護氣體采
用高純氬氣體，焊絲直徑 1． 2 mm，焊接在機器人工
作站上完成．
2 焊接溫度場
使用溫度場多點數據自動記錄儀對 CMT 工藝
和脈沖焊接工藝的溫度場進行測量，比較分析 CMT
和脈沖焊接溫度場的不同特征． 圖 2a 為測溫點位
置分布圖，所有測溫點分布在一條直線上，各測溫點
到焊縫的距離分別用 d 1 ，d 2 ，d 3 ，d 4 表示，測點 A，B，
C 點距離焊縫坡口邊緣分別為 5，15 和 25 mm． CMT
工藝溫度場測量時 D 點距離焊縫坡口邊緣為 16
mm，測量脈沖 MIG 焊接溫度場時 D 點距離焊縫坡
口邊緣為 15 mm． 根據測試結果繪制的各點溫度隨
時間變化曲線如圖 2b，c 所示．
從圖 2 中可以看到，CMT 焊接工藝溫度場整體
溫度比脈沖溫度溫度場數值低． 4 個測溫點的 CMT
焊接峰值溫度均低于脈沖焊接． 距離坡口 5 mm 處
的測溫點 C 點，采用 CMT 焊接工藝時*高溫度為
450． 1 ℃，而脈沖焊工藝*高溫度為 507． 1 ℃． 距離
*遠的 A 點處，采用 CMT 焊接工藝時*高溫度為
176． 5℃，脈沖焊工藝*高溫度為 307． 2 ℃，相差
130． 7 ℃． 從圖 2 中也可以看到，脈沖焊工藝過程各
測溫點溫度升高速度快，高溫停留時間長，而直流
CMT 焊接升溫速度相對較慢，高溫停留時間短． 脈
沖焊工藝中各測溫點的峰值溫度差別小，而 CMT 工
藝峰值溫度差別大，說明 CMT 焊工藝焊縫熱量向外
擴散的范圍�。� 從溫度場數據可以明顯看出，當前
試驗工藝參數規范下，CMT 焊接實際熱輸入比脈沖
焊要小的多，焊接接頭各處溫度要低幾十攝氏度到
上百攝氏度以上，且峰值停留時間短，有利于改善焊
縫和熱影響區組織和性能．
CMT 過程屬于短路過渡的一種形式，所形成的
熔滴溫度遠低于脈沖焊接，且短路期間電流幾乎為
零，對母材的熱輸入很小，因此 CMT 焊接過程溫度
整體低于脈沖焊． 而脈沖焊由于形成熔滴過程電流
大，熔滴溫度也比 CMT 工藝高的多． 由于 CMT 工藝
的熔滴溫度低，對母材的熱輸入小，對鋁合金接頭性
圖 2 焊接溫度場測量
Fig. 2 Welding temperature field
能的改善體現在兩個方面:一是改善焊縫組織，二是
減少熱影響區軟化．
3 焊接接頭力學性能
3．1 焊接接頭硬度分布
硬度試驗根據國際標準《金屬材料焊縫破壞性
試驗—硬度試驗—電弧焊接頭硬度試驗》(ISO9501．
1:2001)進行． 硬度檢定區域包括焊縫、熱影響區及
母材． 硬度試驗選用維氏硬度載荷 4． 9 N，測點間距
1 mm． 對于 12 mm 厚板，試驗中分別測試焊接接頭
近上表面、中部、近下表面的硬度分布，測量位置見
圖 1 所示，接頭硬度測試結果如圖 3 所示．
從圖 3 中對接接頭硬度分布看，焊縫處硬度低
于母材，CMT 工藝的焊接接頭硬度要高于脈沖焊接
工藝的焊接接頭硬度，尤其是受熱多次的接頭中間
部位．
3．2 焊接接頭拉伸試驗
按照國家標準 GB/T 2651—2008《接頭拉伸試
驗方法》的規定進行拉伸試驗，然后用電子萬能試驗
機進行拉伸試驗． 試驗結果如表 2 所示，拉伸試件
均斷裂在焊縫位置． 拉伸試驗中，CMT 工藝焊接接
頭平均抗拉強度為 307 MPa，脈沖焊工藝焊接接頭
平均抗拉強度為312 MPa，CMT 焊接頭比脈沖焊低了
5 MPa，可以認為兩種方法抗拉強度區別不明顯．
3．3 焊接接頭沖擊試驗
沖擊試驗參照國際標準 ISO 9016:2001《金屬材
料焊縫破壞性試驗—沖擊試驗》進行試驗，使用 JB-
30B 型沖擊試驗機設備． 對于 12 mm 厚板對接接
頭，V 形缺口分別開在焊接熱影響區上，沖擊試驗的
厚度為 11 mm． 所有沖擊試樣沖擊前均浸入液氮酒
精溶液中，保證試驗溫度為 －40 ℃．
從試驗結果可以看到 CMT 工藝焊接接頭熱影
響區的平均沖擊吸收功值高于脈沖工藝焊接接頭熱
影響區的沖擊吸收功．
厚板鋁合金 CMT 焊接工藝
焊接接頭顯微組織
對 CMT 工藝和脈沖焊接工藝的焊接接頭微觀
組織進行了觀察，金相試樣先用砂紙磨制，由粗到
細，然后用拋光液拋光． 腐蝕后的試樣采用蔡司顯
微鏡觀察．
試驗結果如圖 4 所示． 圖 4a 為 CMT 工藝 S 2 焊
道組織形貌，可看到其中有少量氣孔，組織形態為等
軸晶;圖4c 為 CMT 工藝 S 1 焊道微觀組織形貌，由于
經歷了兩次加熱，S 1 焊道組織較粗大，析出相數目減
少，發生重新溶解;圖 4e 為 CMT 工藝 F 1 焊道微觀
組織形貌，*后焊接的 F 1 焊道組織*為細小，析出
相大量析出且分布均勻． 圖 4b 為脈沖焊工藝焊道
S 4 微觀組織，為典型的等軸樹枝晶組織，析出相分布
均勻、細密． 圖 4d 為脈沖焊工藝 S 2 焊道組織，呈明
顯的受熱流控制生長． 對比脈沖焊工藝 S 2 和 S 4 焊
縫組織，可以發現受熱次數多的焊道組織粗大，保留
的析出物少． 圖 4f 為脈沖焊工藝 S 1 焊道組織，可以
看到晶粒尺寸*為粗大，呈等軸晶狀態，晶粒生產方
向差異性變小．
從圖 4 中微觀組織的對比可以看到，厚板多層
多道對接焊時，脈沖焊工藝時后焊焊道對先焊焊道
的加熱導致晶粒明顯長大，受熱次數越多的焊道組
織越粗大．
分析認為 CMT 工藝焊縫組織明顯改善是由于
CMT 熔滴溫度低，熔滴過渡到熔池后，熔池內的液
78 焊 接 學 報 第 36 卷
圖 4 焊接接頭微觀組織對比
Fig. 4 Microstructure of weld bead
態金屬溫度也相對低，導致凝固前沿實際溫度梯度
小，有利于成分過冷的產生． 過冷區域的增大導致
在焊縫中心處等軸晶的出現，縮短了柱狀晶生長范
圍，即減少了柱狀晶區，擴大等軸晶區，且成分過冷
度越大，形核率越大，等軸晶越細小． 采用脈沖焊接
工藝時，由于熔滴溫度高，實際溫度梯度大，不利于
成分過冷發生，導致柱狀晶區域增加，且晶粒粗大，
后焊焊道的熱量影響到了所有的先焊焊道．
5 結 論
(1) CMT 焊接工藝焊接接頭力學性能不低于脈
沖焊接工藝，熱影響區的沖擊韌性有所提高，焊接接
頭的軟化有所減弱．
(2) CMT 工藝相對脈沖焊接工藝熱輸入小，厚
板多層多道焊時，相對脈沖焊明顯改善焊縫組織，擴
大等軸晶區域并細化晶粒，減少對熱影響區對焊接
接頭性能的影響．
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