厚板鋁合金 CMT 焊接工藝
厚板鋁合金 CMT 焊接工藝
鋁合金在焊接過程中易出現(xiàn)氣孔、熱裂紋等焊
接缺陷，以及熱影響區(qū)軟化導(dǎo)致的接頭性能下降等
問題，因此避免焊接缺陷產(chǎn)生，保證焊接質(zhì)量，提高
接頭性能對(duì)高速列車的生產(chǎn)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(qū)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(diào)節(jié)焊接工藝降低熱輸入是不可取
的，因?yàn)檫^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(shù)可在保證
熔透的前提下降低熱輸入，才是可行的技術(shù)方案．
目前國內(nèi)外主要低熱輸入焊接工藝有冷金屬過
渡 CMT 技術(shù)、cold arc 技術(shù)、cold process 焊技術(shù)、AC-
CBT 技術(shù)，以及國內(nèi)的本周期交流短路過渡控制法．
其中 CMT 技術(shù)是低熱輸入焊接工藝中的佼佼者．
CMT 技術(shù)是福尼斯公司于 2002 年開發(fā)成功的一種
低熱輸入焊接工藝． 該技術(shù)在熔滴短路時(shí)電源輸出
電流幾乎為零，同時(shí)焊絲的回抽運(yùn)動(dòng)幫助熔滴脫落，
實(shí)現(xiàn)熔滴的冷過渡，消除了飛濺現(xiàn)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(duì)溫度場(chǎng)、焊
接接頭組織及力學(xué)性能等進(jìn)行研究分析，展示了
CMT 焊接工藝是一種可提高焊接質(zhì)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(tǒng)正極性(electrode positive) CMT 焊接技
術(shù)的基礎(chǔ)上，福尼斯公司在 2010 年開發(fā)出了 CMT
Advanced 系列焊機(jī)，實(shí)現(xiàn)了極性變換，依靠負(fù)極性
(electrode negative)階段高的焊絲熔化效率，進(jìn)一步
降低了熱輸入． 新一代 CMT Advanced 系列焊機(jī)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(jìn)一步拓展了 CMT 焊接技術(shù)的應(yīng)用
范圍．
1．2 焊接工藝參數(shù)
使用 CMT Advanced 焊機(jī)進(jìn)行了 12 mm 厚高速
列車用鋁合金厚板焊接試驗(yàn)，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(jìn)行焊
接． 平板對(duì)接試驗(yàn)件的坡口及焊道布置形式如圖 1
所示，其中 CMT 焊接時(shí)正面焊兩道，背面焊一道，脈
沖焊接時(shí)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(shù)見表 1 所示，保護(hù)氣體采
用高純氬氣體，焊絲直徑 1． 2 mm，焊接在機(jī)器人工
作站上完成．
2 焊接溫度場(chǎng)
使用溫度場(chǎng)多點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄儀對(duì) CMT 工藝
和脈沖焊接工藝的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，比較分析 CMT
和脈沖焊接溫度場(chǎng)的不同特征． 圖 2a 為測(cè)溫點(diǎn)位
置分布圖，所有測(cè)溫點(diǎn)分布在一條直線上，各測(cè)溫點(diǎn)
到焊縫的距離分別用 d 1 ，d 2 ，d 3 ，d 4 表示，測(cè)點(diǎn) A，B，
C 點(diǎn)距離焊縫坡口邊緣分別為 5，15 和 25 mm． CMT
工藝溫度場(chǎng)測(cè)量時(shí) D 點(diǎn)距離焊縫坡口邊緣為 16
mm，測(cè)量脈沖 MIG 焊接溫度場(chǎng)時(shí) D 點(diǎn)距離焊縫坡
口邊緣為 15 mm． 根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制的各點(diǎn)溫度隨
時(shí)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(chǎng)整體
溫度比脈沖溫度溫度場(chǎng)數(shù)值低． 4 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的 CMT
焊接峰值溫度均低于脈沖焊接． 距離坡口 5 mm 處
的測(cè)溫點(diǎn) C 點(diǎn)，采用 CMT 焊接工藝時(shí)*高溫度為
450． 1 ℃，而脈沖焊工藝*高溫度為 507． 1 ℃． 距離
*遠(yuǎn)的 A 點(diǎn)處，采用 CMT 焊接工藝時(shí)*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(cè)溫點(diǎn)溫度升高速度快，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，而直流
CMT 焊接升溫速度相對(duì)較慢，高溫停留時(shí)間短． 脈
沖焊工藝中各測(cè)溫點(diǎn)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(kuò)散的范圍小． 從溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)可以明顯看出，當(dāng)前
試驗(yàn)工藝參數(shù)規(guī)范下，CMT 焊接實(shí)際熱輸入比脈沖
焊要小的多，焊接接頭各處溫度要低幾十?dāng)z氏度到
上百攝氏度以上，且峰值停留時(shí)間短，有利于改善焊
縫和熱影響區(qū)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(yuǎn)低于脈沖焊接，且短路期間電流幾乎為
零，對(duì)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(duì)母材的熱輸入小，對(duì)鋁合金接頭性
圖 2 焊接溫度場(chǎng)測(cè)量
Fig. 2 Welding temperature field
能的改善體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是改善焊縫組織，二是
減少熱影響區(qū)軟化．
3 焊接接頭力學(xué)性能
3．1 焊接接頭硬度分布
硬度試驗(yàn)根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料焊縫破壞性
試驗(yàn)—硬度試驗(yàn)—電弧焊接頭硬度試驗(yàn)》(ISO9501．
1:2001)進(jìn)行． 硬度檢定區(qū)域包括焊縫、熱影響區(qū)及
母材． 硬度試驗(yàn)選用維氏硬度載荷 4． 9 N，測(cè)點(diǎn)間距
1 mm． 對(duì)于 12 mm 厚板，試驗(yàn)中分別測(cè)試焊接接頭
近上表面、中部、近下表面的硬度分布，測(cè)量位置見
圖 1 所示，接頭硬度測(cè)試結(jié)果如圖 3 所示．
從圖 3 中對(duì)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(yàn)
按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2651—2008《接頭拉伸試
驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，然后用電子萬能試驗(yàn)
機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)． 試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示，拉伸試件
均斷裂在焊縫位置． 拉伸試驗(yàn)中，CMT 工藝焊接接
頭平均抗拉強(qiáng)度為 307 MPa，脈沖焊工藝焊接接頭
平均抗拉強(qiáng)度為312 MPa，CMT 焊接頭比脈沖焊低了
5 MPa，可以認(rèn)為兩種方法抗拉強(qiáng)度區(qū)別不明顯．
3．3 焊接接頭沖擊試驗(yàn)
沖擊試驗(yàn)參照國際標(biāo)準(zhǔn) ISO 9016:2001《金屬材
料焊縫破壞性試驗(yàn)—沖擊試驗(yàn)》進(jìn)行試驗(yàn)，使用 JB-
30B 型沖擊試驗(yàn)機(jī)設(shè)備． 對(duì)于 12 mm 厚板對(duì)接接
頭，V 形缺口分別開在焊接熱影響區(qū)上，沖擊試驗(yàn)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(yàn)溫度為 －40 ℃．
從試驗(yàn)結(jié)果可以看到 CMT 工藝焊接接頭熱影
響區(qū)的平均沖擊吸收功值高于脈沖工藝焊接接頭熱
影響區(qū)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(duì) CMT 工藝和脈沖焊接工藝的焊接接頭微觀
組織進(jìn)行了觀察，金相試樣先用砂紙磨制，由粗到
細(xì)，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(yàn)結(jié)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(tài)為等
軸晶;圖4c 為 CMT 工藝 S 1 焊道微觀組織形貌，由于
經(jīng)歷了兩次加熱，S 1 焊道組織較粗大，析出相數(shù)目減
少，發(fā)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(xì)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(xì)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(zhǎng)． 對(duì)比脈沖焊工藝 S 2 和 S 4 焊
縫組織，可以發(fā)現(xiàn)受熱次數(shù)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(tài)，晶粒生產(chǎn)方
向差異性變?。?br />
從圖 4 中微觀組織的對(duì)比可以看到，厚板多層
多道對(duì)接焊時(shí)，脈沖焊工藝時(shí)后焊焊道對(duì)先焊焊道
的加熱導(dǎo)致晶粒明顯長(zhǎng)大，受熱次數(shù)越多的焊道組
織越粗大．
分析認(rèn)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(nèi)的液
78 焊 接 學(xué) 報(bào) 第 36 卷
圖 4 焊接接頭微觀組織對(duì)比
Fig. 4 Microstructure of weld bead
態(tài)金屬溫度也相對(duì)低，導(dǎo)致凝固前沿實(shí)際溫度梯度
小，有利于成分過冷的產(chǎn)生． 過冷區(qū)域的增大導(dǎo)致
在焊縫中心處等軸晶的出現(xiàn)，縮短了柱狀晶生長(zhǎng)范
圍，即減少了柱狀晶區(qū)，擴(kuò)大等軸晶區(qū)，且成分過冷
度越大，形核率越大，等軸晶越細(xì)?。?采用脈沖焊接
工藝時(shí)，由于熔滴溫度高，實(shí)際溫度梯度大，不利于
成分過冷發(fā)生，導(dǎo)致柱狀晶區(qū)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(jié) 論
(1) CMT 焊接工藝焊接接頭力學(xué)性能不低于脈
沖焊接工藝，熱影響區(qū)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(duì)脈沖焊接工藝熱輸入小，厚
板多層多道焊時(shí)，相對(duì)脈沖焊明顯改善焊縫組織，擴(kuò)
大等軸晶區(qū)域并細(xì)化晶粒，減少對(duì)熱影響區(qū)對(duì)焊接
接頭性能的影響．
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