冷金屬過渡技術在航空修理中的應用研究

陳體磊

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖241000）

0 前言

熔化極惰性氣體保護焊（Melt Inert-gas Welding，簡稱：MIG）/熔化極活性氣體保護電弧焊（Metal Active Gas Arc Welding ，簡稱MAG）是目前世界上應用廣泛、經濟、有效地焊接工藝，但其熱輸入量高、變形大、飛濺無法避免，限制了它在某些領域的應用，而冷金屬過渡焊接技術（Cold Metal Transfer，簡稱CMT）可以實現無飛濺起弧，弧長控制精確，電弧更穩定，減少焊后清理工作，焊接過程中熱輸入量小，能夠進行薄板對接焊，同時不需要對工件進行背面氣體保護。焊接不同壁厚的航空零部件時，往往要求具有良好焊縫的厚工件要過渡到薄工件，并且在焊縫厚度過渡區僅存在少量的熱傳導。

對于這些焊接難題，由Fronius 公司研發生產的CMT 冷金屬過渡焊接設備，從而保證生產順利，避免返修。Fronius 公司一直主導世界焊接技術的發展，2002 年在鋼與鋁焊接技術和無飛濺引弧技術基礎上，開發出CMT 冷金屬過渡技術可以解決，為MIG/MAG 焊的應用拓開了新的領域，MIG/MAG 熔滴過渡的形式也被賦予了全新的定義，如圖l 所示。

圖1 電弧過渡形式

1 CMT 焊接技術概述

1.1 CMT 冷金屬過渡技術工作原理

CMT 冷金屬過渡技術是在熔滴短路過渡基礎上開發的，普通的短路過渡過程是：焊絲熔化形成熔滴—熔滴同熔池短路—短路橋爆斷，短路時伴有大的電流（大的熱輸入量）和飛濺。而CMT 過渡方式正好相反，在熔滴短路時，數字化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，如圖2 所示，從根本上消除了產生飛濺的因素。整個焊接過程實現“熱—冷—熱”交替轉換，每秒鐘轉換達70 次。焊接熱輸入量大幅降低，可實現0.3 mm 以上薄板的無飛濺、高質量的焊接。

圖2 CMT 焊接過程

1.2 CMT 焊接技術特點

CMT 焊同普通MIG/MAG 焊有三個明顯的不同：

（1）送絲運動與熔滴過渡過程進行數字化協調。創造性的將熔滴過渡過程同送絲的運動相結合使用CMT 工藝，焊接過程伴隨著焊絲的送絲/回抽動作。由送絲運動變化來控制熔滴的過渡過程的，焊絲的“前送—回抽”頻率可高達到75 次/s。整個焊接系統（包括焊絲的運動）的運行均為閉環控制，而普通的MIG/MAG 焊，送絲系統都是獨立的，并沒有實現閉環控制[1]。CMT 焊弧長控制精確，電弧更穩定。普通MIG/MAG焊弧長控制是通過電壓反饋方式。容易受到焊接速度改變和工件表面平整度的影響。而CMT 方法則不然。電弧長度控制是機械方式的，它采用閉環控制和監測焊絲回抽長度，即電弧長度。在導電嘴離工件的距離或焊接速度改變情況下。電弧長度是一致的，CMT 電弧表現更穩定。

（2）熱輸出量低，成形好。數字化控制的CMT 焊接系統會自動監控短路過渡的過程，在熔滴過渡時，電源將電流降至非常低，幾乎為零，熱輸入量也幾乎為零。整個熔滴過渡過程就是高頻率的“熱—冷—熱”交替的過程，大幅降低了熱輸入量[2]。變形量小，具有良好的搭橋能力，間隙裝配要求低。CMT 焊焊絲伸出長度改變時，僅僅改變送絲速度，不會改變焊接電流，從而實現恒定的熔深，加上弧長非常穩定，焊縫成形非常均勻一致。焊縫成形均勻一致，焊縫的熔深一致，焊縫質量重復精度高。

（3）焊接無飛濺。盡管熔滴過渡時電流非常低，熔滴的溫度會迅速降低，但焊絲的機械式回抽運動就保證了熔滴的正常脫落，同時避免了普通短路過渡方式極易引起的飛濺[3]。在短路狀態下，焊絲的回抽運動幫助焊絲與熔滴分離。通過對短路的控制，保證短路電流很小，從而使得熔滴過渡無飛濺。

（4）異種金屬焊接，接頭性能好。在用CMT 焊接鍍鋅鋼板與鋁的研究中，CMT 可以很好的控制脆性金屬間化合物的厚度，保證接頭的力學性能。在焊接鋁與鍍鋅鋼板時減少鋅層的蒸發，保證了材料的抗腐蝕性[4]。

2 CMT 在航空修理工廠中的應用推廣研究

2.1 建立適合的CMT 自動焊接系統

在航空修理工廠中，根據鋁合金故障產品分布情況，規劃建立合適的焊接系統，保持CMT 焊槍在焊接薄板鋁合金的過程中保持穩定性，應建立主要包括CMT 焊接電源、遙控器、送絲機、緩沖器、CMT焊槍、焊接機器人的自動化系統，具體示意圖見圖3。

圖3 CMT 焊接系統示意圖

2.2 鋁合金CMT 焊接工藝研究

在航空修理過程中，鋁合金焊接較為普遍，如LF3、LF2、LY12 等，由于航空修理工廠目前存在薄壁零件（鋁合金、不銹鋼、高強鋼）焊接易變形、焊縫成形難、焊縫及熱影響區應力集中等瓶頸問題，需尋求一種低熱量輸入新型焊接方法，CMT 焊接技術為目前市場上最適合薄壁零件焊接修復技術之一。

（1）焊絲的研究由于目前CMT 設備多采用同二氧化碳氣體保護焊等熔化極的盤絲，而航空修理工廠主要采用軍品資質廠商的氬弧焊焊絲，通過與具有制定資質的熔化極盤絲軍品廠商、小型研究所合作定制，滿足現場的使用需求，具體見表1、表2、表3。

表1 樣板牌號、規格及匹配焊絲

表2 焊絲成分對照表

表3 焊絲廠家信息

（2）焊接專業人員的培養。CMT 技術是熔化極焊接，現場操作人員一直都是使用非熔化極的氬弧焊，手工焊接操作需要一定時間的過渡。積極地推進焊接人才培養，系統性的培訓，如哈爾濱焊接技術培訓中心、沈陽金屬研究所等單位，航修工廠可以從具體典型產品入手，與科研高校、研究所及一些充滿活力、創新性民企展開合作，互利共贏。增加交流，培養CMT 技術能手，來適應該技術在航空修理工廠應用的需求。

（3）焊接性能試驗研究。本研究通過使用奧地利福尼斯公司TPS500 型號的焊接設備，板厚1.2 mm，按照表4 開展樣件板-板對接工藝焊接實驗，具體見見圖4。

表4 焊接過程參數

圖4 CMT 焊接試驗

通過對比實驗分析，1#、2#、3#、4#樣件成形外觀良好，實現單面焊雙面成型，焊透率滿足要求。

對樣件進行線切割、磨削加工、制備標準樣件，開展拉伸實驗，具體見圖5。

圖5 CMT 拉伸試驗

表5 LF3 試樣拉伸數據

表6 LY12 試樣拉伸數據

同時通過調整電流短路持續時間，焊絲熔敷率改變很小的情況下即可以控制熔深，焊接速度快、焊接質量好、裝配間隙容忍度高、焊接變形小、焊縫均勻一致，焊縫成形美觀，焊接角焊縫，如圖6 所示。

圖6 CMT 成形焊縫

針對LF3、LY12 等典型航空材料進行了焊接試驗，根據GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試樣 第1部分室溫試驗方法》和HB 5143-1996《金屬室溫拉伸試驗方法》標準制作拉伸試樣，對拉伸結果進行分析，對試樣進行著色、X 光檢測，對合格部分切割、制作試樣，表面進行打磨、光整，進行理化、拉伸強度，見圖6，抗拉強度見表5、6，經對比前者材料能夠滿足產品技術要求，焊接性能優良，而后者材料焊后強度較差，低于基體強度的80%的要求，對該類材料使用有一定局限性。

3 結語

CMT 技術的創新之處在于將焊絲的運動與熔滴過渡結合起來，使得CMT 熔滴過渡的電壓電流區間更低，對焊接技術的發展做出了重大的貢獻。與熔滴過渡熔化極氣體保護電弧焊（Surface Tension Transfer 簡稱STT 法）、脈動送絲法等低飛濺焊接的電壓電流波形相比較，CMT 技術具有十分明顯的優勢，熔滴過渡和送絲運動相結合的精細化、微機化、智能化精確控制是未來電焊機發展的必然發展趨勢[5-6]。在生產中推廣低飛濺CMT 焊接方法對降低產品生產的成本將具有重要的意義，具有廣闊的應用前景。但航空修理工廠想引進此項技術需注意以下幾點問題，CMT 技術應用尚不成熟，目前僅沈陽金屬研究所等少數單位進行開發應用，在技術驗證方面還存在諸多問題，需進行系統性試驗驗證，加強技術攻關。在實際推廣應用過程中，要結合航空類修理工廠實際，綜合考慮，有步驟有計劃的引進該技術。