冷金属过渡技术在航空修理中的应用研究

陈体磊

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖241000）

0 前言

熔化极惰性气体保护焊（Melt Inert-gas Welding，简称：MIG）/熔化极活性气体保护电弧焊（Metal Active Gas Arc Welding ，简称MAG）是目前世界上应用广泛、经济、有效地焊接工艺，但其热输入量高、变形大、飞溅无法避免，限制了它在某些领域的应用，而冷金属过渡焊接技术（Cold Metal Transfer，简称CMT）可以实现无飞溅起弧，弧长控制精确，电弧更稳定，减少焊后清理工作，焊接过程中热输入量小，能够进行薄板对接焊，同时不需要对工件进行背面气体保护。焊接不同壁厚的航空零部件时，往往要求具有良好焊缝的厚工件要过渡到薄工件，并且在焊缝厚度过渡区仅存在少量的热传导。

对于这些焊接难题，由Fronius 公司研发生产的CMT 冷金属过渡焊接设备，从而保证生产顺利，避免返修。Fronius 公司一直主导世界焊接技术的发展，2002 年在钢与铝焊接技术和无飞溅引弧技术基础上，开发出CMT 冷金属过渡技术可以解决，为MIG/MAG 焊的应用拓开了新的领域，MIG/MAG 熔滴过渡的形式也被赋予了全新的定义，如图l 所示。

图1 电弧过渡形式

1 CMT 焊接技术概述

1.1 CMT 冷金属过渡技术工作原理

CMT 冷金属过渡技术是在熔滴短路过渡基础上开发的，普通的短路过渡过程是：焊丝熔化形成熔滴—熔滴同熔池短路—短路桥爆断，短路时伴有大的电流（大的热输入量）和飞溅。而CMT 过渡方式正好相反，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，如图2 所示，从根本上消除了产生飞溅的因素。整个焊接过程实现“热—冷—热”交替转换，每秒钟转换达70 次。焊接热输入量大幅降低，可实现0.3 mm 以上薄板的无飞溅、高质量的焊接。

图2 CMT 焊接过程

1.2 CMT 焊接技术特点

CMT 焊同普通MIG/MAG 焊有三个明显的不同：

（1）送丝运动与熔滴过渡过程进行数字化协调。创造性的将熔滴过渡过程同送丝的运动相结合使用CMT 工艺，焊接过程伴随着焊丝的送丝/回抽动作。由送丝运动变化来控制熔滴的过渡过程的，焊丝的“前送—回抽”频率可高达到75 次/s。整个焊接系统（包括焊丝的运动）的运行均为闭环控制，而普通的MIG/MAG 焊，送丝系统都是独立的，并没有实现闭环控制[1]。CMT 焊弧长控制精确，电弧更稳定。普通MIG/MAG焊弧长控制是通过电压反馈方式。容易受到焊接速度改变和工件表面平整度的影响。而CMT 方法则不然。电弧长度控制是机械方式的，它采用闭环控制和监测焊丝回抽长度，即电弧长度。在导电嘴离工件的距离或焊接速度改变情况下。电弧长度是一致的，CMT 电弧表现更稳定。

（2）热输出量低，成形好。数字化控制的CMT 焊接系统会自动监控短路过渡的过程，在熔滴过渡时，电源将电流降至非常低，几乎为零，热输入量也几乎为零。整个熔滴过渡过程就是高频率的“热—冷—热”交替的过程，大幅降低了热输入量[2]。变形量小，具有良好的搭桥能力，间隙装配要求低。CMT 焊焊丝伸出长度改变时，仅仅改变送丝速度，不会改变焊接电流，从而实现恒定的熔深，加上弧长非常稳定，焊缝成形非常均匀一致。焊缝成形均匀一致，焊缝的熔深一致，焊缝质量重复精度高。

（3）焊接无飞溅。尽管熔滴过渡时电流非常低，熔滴的温度会迅速降低，但焊丝的机械式回抽运动就保证了熔滴的正常脱落，同时避免了普通短路过渡方式极易引起的飞溅[3]。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。

（4）异种金属焊接，接头性能好。在用CMT 焊接镀锌钢板与铝的研究中，CMT 可以很好的控制脆性金属间化合物的厚度，保证接头的力学性能。在焊接铝与镀锌钢板时减少锌层的蒸发，保证了材料的抗腐蚀性[4]。

2 CMT 在航空修理工厂中的应用推广研究

2.1 建立适合的CMT 自动焊接系统

在航空修理工厂中，根据铝合金故障产品分布情况，规划建立合适的焊接系统，保持CMT 焊枪在焊接薄板铝合金的过程中保持稳定性，应建立主要包括CMT 焊接电源、遥控器、送丝机、缓冲器、CMT焊枪、焊接机器人的自动化系统，具体示意图见图3。

图3 CMT 焊接系统示意图

2.2 铝合金CMT 焊接工艺研究

在航空修理过程中，铝合金焊接较为普遍，如LF3、LF2、LY12 等，由于航空修理工厂目前存在薄壁零件（铝合金、不锈钢、高强钢）焊接易变形、焊缝成形难、焊缝及热影响区应力集中等瓶颈问题，需寻求一种低热量输入新型焊接方法，CMT 焊接技术为目前市场上最适合薄壁零件焊接修复技术之一。

（1）焊丝的研究由于目前CMT 设备多采用同二氧化碳气体保护焊等熔化极的盘丝，而航空修理工厂主要采用军品资质厂商的氩弧焊焊丝，通过与具有制定资质的熔化极盘丝军品厂商、小型研究所合作定制，满足现场的使用需求，具体见表1、表2、表3。

表1 样板牌号、规格及匹配焊丝

表2 焊丝成分对照表

表3 焊丝厂家信息

（2）焊接专业人员的培养。CMT 技术是熔化极焊接，现场操作人员一直都是使用非熔化极的氩弧焊，手工焊接操作需要一定时间的过渡。积极地推进焊接人才培养，系统性的培训，如哈尔滨焊接技术培训中心、沈阳金属研究所等单位，航修工厂可以从具体典型产品入手，与科研高校、研究所及一些充满活力、创新性民企展开合作，互利共赢。增加交流，培养CMT 技术能手，来适应该技术在航空修理工厂应用的需求。

（3）焊接性能试验研究。本研究通过使用奥地利福尼斯公司TPS500 型号的焊接设备，板厚1.2 mm，按照表4 开展样件板-板对接工艺焊接实验，具体见见图4。

表4 焊接过程参数

图4 CMT 焊接试验

通过对比实验分析，1#、2#、3#、4#样件成形外观良好，实现单面焊双面成型，焊透率满足要求。

对样件进行线切割、磨削加工、制备标准样件，开展拉伸实验，具体见图5。

图5 CMT 拉伸试验

表5 LF3 试样拉伸数据

表6 LY12 试样拉伸数据

同时通过调整电流短路持续时间，焊丝熔敷率改变很小的情况下即可以控制熔深，焊接速度快、焊接质量好、装配间隙容忍度高、焊接变形小、焊缝均匀一致，焊缝成形美观，焊接角焊缝，如图6 所示。

图6 CMT 成形焊缝

针对LF3、LY12 等典型航空材料进行了焊接试验，根据GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试样 第1部分室温试验方法》和HB 5143-1996《金属室温拉伸试验方法》标准制作拉伸试样，对拉伸结果进行分析，对试样进行着色、X 光检测，对合格部分切割、制作试样，表面进行打磨、光整，进行理化、拉伸强度，见图6，抗拉强度见表5、6，经对比前者材料能够满足产品技术要求，焊接性能优良，而后者材料焊后强度较差，低于基体强度的80%的要求，对该类材料使用有一定局限性。

3 结语

CMT 技术的创新之处在于将焊丝的运动与熔滴过渡结合起来，使得CMT 熔滴过渡的电压电流区间更低，对焊接技术的发展做出了重大的贡献。与熔滴过渡熔化极气体保护电弧焊（Surface Tension Transfer 简称STT 法）、脉动送丝法等低飞溅焊接的电压电流波形相比较，CMT 技术具有十分明显的优势，熔滴过渡和送丝运动相结合的精细化、微机化、智能化精确控制是未来电焊机发展的必然发展趋势[5-6]。在生产中推广低飞溅CMT 焊接方法对降低产品生产的成本将具有重要的意义，具有广阔的应用前景。但航空修理工厂想引进此项技术需注意以下几点问题，CMT 技术应用尚不成熟，目前仅沈阳金属研究所等少数单位进行开发应用，在技术验证方面还存在诸多问题，需进行系统性试验验证，加强技术攻关。在实际推广应用过程中，要结合航空类修理工厂实际，综合考虑，有步骤有计划的引进该技术。