「連接技術」CMT冷金屬過渡弧焊

02-25

據統計，電弧焊占焊接生產總量的60%以上，而其中的MIG/MAG焊是目前世界上應用最廣泛、最經濟的焊接工藝。但MIG焊的熱輸入量對於鋁板來說還是過大，特別是薄板，而在此基礎上開發的CMT冷金屬過渡弧焊，其熱輸入量幾乎為零，可以很好的實現超薄板的焊接。

工藝介紹

CMT是Cold Metal Transfer的縮寫，由於其熱輸入量比普通的GMAW焊要低得多，因而命名為Cold。屬於弧焊的一種，主要用於解決薄板、鋼鋁混合焊接等MIG/MAG解決不了的問題。

圖1 CMT焊接過程

CMT冷金屬過渡技術是在短路過渡基礎上開發的，但同普通GMAW不同的是，送絲不是一成不變的往前送，焊絲不僅有向前送絲的運動，而且還有往回抽的動作。其焊接過程是：電弧燃燒，焊絲往前送，直到形成熔滴短路，在這一刻，送絲速度倒轉過來，焊絲往回抽，這時電流和電壓幾乎都為零。當下一個開路形成後，電弧重新燃起，焊絲又住前送，熔滴過渡重新開始。這種送絲/回抽運動的平均頻率高達70Hz。各種電弧過渡形式對比如圖2所示。

圖2 各種熔滴過渡形式對比

工藝過程

CMT是在短路過渡的基礎上開發出來的，在電弧產生的過程中，焊絲向熔池中運動（熔滴過渡的含義文末附錄3），當焊絲伸及熔池時，電弧熄滅，焊接電流降低，此時焊絲回抽來促進熔滴分離，將熔滴送進熔池。其工藝過程如下：

①電弧引燃，焊絲向前給進；

②當熔滴進入熔池，電弧熄滅，電流減小；

③焊絲回抽使熔滴脫落，短路電流保持較小值；

④焊絲回復到進給狀態，熔滴過渡依此過程循環往複。

圖3 CMT工藝過程

工藝特點

①焊絲回抽運動。數字化工藝控制，當監測到短路瞬間，通過控制焊絲回抽幫助熔滴過渡，最高可達90次每秒。

②無飛濺。焊絲的回抽運動有助於短路過渡時熔滴的分離，短路過渡始終被控制，並保持很小的電流。

③極低的熱量輸入。在焊接過程中，焊絲向前運動一旦接觸工件發生短路，焊絲便被回抽。在產生電弧時，電弧本身只有短暫的熱量輸入。

④極為穩定的電弧。電弧長度通過機械式的檢測和調整，無論工件表面材質如何或焊接速度如何，電弧始終保持得非常穩定。即可以在任何地方和位置使用CMT工藝。

圖4 CMT設備

CMT與普通MIG/MAG焊相比的優勢：

快速引弧，無飛濺；
焊接速度更快；
熱輸入量更低，變形小；
弧長控制更精確，電弧更穩定；
可以實現低至0.3mm的超薄鋁板的焊接；
良好的搭橋能力，裝配間隙要求降低。

圖5 普通MIG與CMT對比

應用範圍

鋼鋁異種材料連接

眾所周知，熔焊需要一個能量集中、熱量足夠的熱源；電流越大，能量集中性就越好。但是，鋼與鋁的連接隨著熱輸入量越大生成的脆性相越多，這對接頭是很不利的。所以，需要熱輸入量低的工藝來滿足這種工藝，CMT正是這樣一個工藝。

無飛濺的CMT釺焊
薄板的應用（鋁、鋼、不鏽鋼、鍍鋅板）

以下為CMT的一個早期介紹視頻所示：

工藝發展

CMT

圖6 CMT焊機

CMT Advanced

比CMT更冷卻，熱輸入量更低。

圖7 CMT Advanced焊機

CMT Pulse

適用於中厚板的焊接，較高熱輸入量，提高的熱輸入可以增加熔深，減少熔敷量，從而帶來更快的焊接速度和更廣泛的應用領域。。其原理是CMT周期和脈衝周期的結合，即在CMT工藝中加入Pulse脈衝循環，導致熱能輸入增加。而且，根據具體需要達到的焊接功率，可以在CMT循環之間插入多次脈衝。

CMT TWIN

是一種CMT工藝和雙絲焊接技術的完美結合。由兩台TPS5000CMT電源、一個帶有兩個相互絕緣導電嘴的緊湊焊槍構成。除了具備 CMT 傑出的焊接性能外，我擁有更快的焊接速度和更簡捷的過程式控制制。

圖9 CMT TWIN焊機

CMT Braze+

新型的氣體噴嘴。這種極其狹窄的圓錐形新式氣體噴嘴，使得保護氣體可以始終保持高速流通。相應的，電弧的壓縮帶來了更快的釺焊速度。同時，在氣體消耗量方面與傳統電弧相比，可節省近60%，為3L/Min～5L/Min。在奧迪A7的生產線上，將原本的等離子釺焊換成了CMT Braze+工藝，奧迪的釺焊速度從2.5m/min提高到3m/min，且相較於前者成本顯著降低。

圖10 CMT Braze+焊機

CMT PIN

圖11 CMT PIN焊機

附錄1 - 焊接分類

圖12 焊接分類

熔焊。將工件焊接處局部加熱到熔化狀態，形成熔池（通常還加入填充金屬），冷卻結晶後形成焊縫，被焊工件結合為不可分離的整體。
壓焊。在焊接過程中無論加熱與否，均需要加壓的焊接方法。加熱的有電阻焊、摩擦焊；不加熱的有冷壓焊、超聲波焊、爆炸焊等。
釺焊。採用熔點低於被焊金屬熔點的釺料（填充金屬）熔化後，填充接頭間隙，並與被焊金屬相互擴散實現連接。釺焊過程中被焊工件不熔化，且一般沒有塑性變形。

附錄2 - 電弧焊

電弧與電弧焊

電弧是一種氣體放電現象，電流通過某些絕緣介質（例如空氣）所產生的瞬間火花。

電弧焊是指以電弧作為熱源，利用空氣放電的物理現象，將電能轉換為焊接所需的熱能和機械能，從而達到連接金屬的目的。（占焊接生產總量的60%以上）

GMAW熔化極氣體保護焊

熔化極氣體保護焊，英文簡稱GMAW（gas metal arc welding ）,是一種電弧焊接方法，此方法利用在連續給送的焊絲（正極）和工件（負極）之間建立的電弧加熱金屬而獲得金屬結合。電弧和熔融的熔池完全有外部供應的氣體或氣體混合物保護。包括MIG焊、MAG焊、CO2焊。

圖13 熔化極氣體保護焊設備

MIG熔化極惰性氣體保護焊，惰性氣體為98%氬氣，2%氧氣，不參與焊接；

MAG熔化極活性氣體保護焊,80%氬氣，20%二氧化碳；

CO2焊一直指的是使用CO2氣體的焊接，即我們俗稱的二保焊（與MIG焊相區分）。MIG/MAG相比於二保焊，電弧更穩定；熔滴過渡均勻、外觀好；可以焊接鋁合金、鎂合金；大大提高了焊接工藝性和焊接效率。

GTAW非熔化極惰性氣體保護焊

手工鎢極氬弧焊英文簡稱TIG （Tungsten Inert Gas）,又叫Gas Tungsten Arc Welding（縮寫GTAW），鎢極（負極）和工件（正極）之間的電弧使金屬熔化而形成焊縫。鎢極不熔化，只起電極作用；氬氣；很好的控制熱輸入；焊縫質量高，速度慢。

圖14 TIG設備

附錄3 - 熔滴過渡

圖15 熔滴過渡示意圖

在電弧熱的作用下，焊條端部熔化形成的滴狀液態金屬稱為熔滴。熔滴通過電弧空間向熔池轉移的過程，稱為熔滴過渡。

熔滴過渡分為自由過渡、接觸過渡（短路過渡）和渣壁過渡。

自由過渡分為滴狀過渡、噴射過渡（射滴過渡、亞轉射流過渡、射流過渡）和爆炸過渡；接觸過渡分為短路過渡和搭橋過渡；渣壁過渡一般用於埋弧焊和焊條電弧焊。

圖16 熔滴過渡分類示意

MIG焊可以採用的熔滴過渡形式有：短路過渡（直徑＜1mm）、噴射過渡（直徑1.6-2.4mm）、亞射流過渡、脈衝噴射過渡。

附錄4 - 焊接位置

圖17 焊接位置示意

a.平焊（F）是指焊接處在於水平位置或傾斜角度不大的焊縫，焊條位於工件之上，焊工俯視工件所進行的焊接工藝。這種焊接位置屬於焊接全位置中，最容易焊的一個位置。

b.橫焊（H）是焊接垂直或傾斜平面上水平方向的焊縫。應採用短弧焊接，並選用較小直徑焊接電流，以及適當的運條方法。

c.立焊（V）是指沿接頭由上而下或由下而上焊接。焊縫傾角90°（立向上）、270°（立向下）的焊接位置，稱為立焊位置。在立焊位置進行的焊接，稱為立焊。

d.仰焊（O）就是焊接中，焊接位置處於水平下方的焊接。仰焊是四種基本焊接位置中最困難的一種焊接。由於熔池位置在焊件下面，焊條熔滴金屬的重力會阻礙熔滴過度，熔池金屬也受自身重力作用下墜，熔池體積越大溫度越高，則熔池表面漲力越小，故仰焊時焊縫背面容易產生凹陷，正面焊道出現焊瘤，焊道形成困難。

附錄5 - 極性

反極性特點：電弧穩定，焊接過程平穩，飛濺小。
正極性特點：熔深較淺，余高較大，飛濺很大，成形不好，焊絲熔化速度快（約為反極性的1.6倍），只在堆焊時才採用。

CO2焊、MAG焊和脈衝MAG焊一般都採用直流反極性。

總結

由於MIG/MAG焊存在熱輸入量大、變形嚴重以及飛濺無法避免等缺陷，尤其1mm以下的薄板焊接不太可能實現。

CMT冷金屬過渡弧焊，比一般的焊接方法熱輸入量都要小很多，故可以得到性能更好且連續均勻的焊接接頭。作為一種新技術，CMT為低成本薄板焊接提供進了解決辦法，並以其在鍍鋅板焊接和鋁鋼異種材料焊接時的優良表現，使CMT焊接技術在如今大規模使用鍍鋅板和鋁鋼連接的汽車製造行業有著廣闊的應用前景。