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CMT（冷金属过渡）工艺自2004年正式推出以来，一直受到焊接行业的广泛关注，此工艺的初衷是利用其极稳定的电弧、极低的热输入量来实现无飞溅的焊接过程，主要用于焊接薄板或超薄板（最薄可焊至0.3mm）。随着人们对CMT工艺研究的深入，CMT工艺的应用范围也在不断地拓展，例如，通过CMT工艺同脉冲工艺相结合（CMT+P），在具有极稳定电弧，无飞溅焊接的同时，还可取得更高的焊接速度和更大的熔深，能焊接更厚的板材。本文介绍的是CMT工艺又一新的应用，使用经济的CO2气体作保护气，实现高质量、无飞溅的焊接，值得一提的是，此工艺不仅可用于薄板的焊接，同样也适用于中厚板焊接。
熔滴过渡形式
传统熔滴过渡一般分为4种形式：短路过渡、大颗粒过渡、喷射过渡和脉冲过渡。这几种过渡方式由熔滴表面张力、电磁收缩力和熔滴重量的综合作用形成，属“自然”过渡，容易受外界条件的干扰。而CMT是一种全新的熔滴过渡方式，根据现有的熔滴过渡模式定义，无法给CMT工艺分类，其工作区间如图1所示。 （图片）
图1 溶滴过渡模式取决于电弧功率 1. 短路过渡
从图1可以看出，短路过渡是在电弧功率较小的区域，该模式的特性就是使用相对较低的电流和电压。引弧之后，焊丝向工件方向移动，最后焊丝前端熔滴和熔池接触，形成短路，熔滴与熔池间短路后，在表面张力及电磁收缩力的作用下形成缩径小桥，缩径小桥在不断增大的短路电流作用下汽化爆断，将熔滴推向熔池，完成过渡。这个脱落过程主要受表面张力的影响，具体如图2所示。
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图2 短路过渡过程的高速摄影 实践证明使用Ar/CO2混合气比纯CO2气体更易得到一个相对稳定的熔滴过渡速度和相对较高的短路过渡频率，焊接过程更稳定。由于焊接过程中采用相对较低的工作电压，热输入量也较低（同脉冲焊相比），因此利于薄板的焊接；另外，产生飞溅的热量也相对较低，不易粘在工件表面上，飞溅的清除更容易。
随着逆变电源技术的发展，短路过渡也可以适当加以控制，比如调整图2中②~③部分的上升时间和峰值，可减少焊接飞溅。但无论如何，短路过渡用于焊接更薄的板是因难的，因为一旦焊丝与熔池发生短路，电流便立刻增大。
2. 大颗粒过渡
当焊接电流和电压参数增大到一定程度时，熔滴过渡方式会发生改变，这就是短路过渡和喷射过渡之间的一个过渡区域（如图1所示）。在这个区域，熔滴过渡频率降低，熔滴过渡不可控，部份熔滴颗粒较大，直接依靠重力使熔滴从焊丝端部脱落（如图3所示）。
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图3 大颗粒过渡过程的高速摄影录像 尽管这种焊接方式热量大，可以焊接厚板，但这种过渡方式无法像短路过渡或射流过渡一样均匀一致，另外熔滴体积较大，熔滴所含热量过大，导致熔池容易快速过热，伴随产生大量的飞溅。在Ar/CO2混合气或纯CO2气体保护下，都会出现这种过渡，焊接过程极其不稳定并产生大量飞溅，因而在气保焊生产中要尽量避免。
3. 脉冲过渡
为了避免在焊接过程中出现大颗粒过渡，可以使用脉冲过渡方式（如图4所示）。从图1可以看到，脉冲过渡模式不存在大颗粒过渡区间。脉冲过渡方式是非接触式过渡，电弧稳定、飞溅小、焊接效果好，但由于脉冲需调节的参数较多，因而需要智能化逆变电源的支持，需要根据被焊母材和填充材料来调节特殊的脉冲波形输出。尽管如此，在特殊情况下，脉冲过渡也是会产生缺陷的，如未熔和或咬边现象。
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图4 脉冲溶滴过渡的高速摄影录像 4. CMT过渡
CMT过渡首次将送丝运动和熔滴过渡进行协同控制，焊接时，焊丝向工件方向送丝。当焊机监测到焊丝与工件发生短路时，电流立即接近为零，同时焊丝立刻回抽，焊丝离开熔池，完成熔滴过渡。当然这种过渡方式除了电源必须具有先进的控制技术外，还需要相应的硬件（如AC伺服的焊枪）。
CMT是基于短路过渡方式发展而成的，其物理原理同短路过渡是相同的，但前文提到，传统的短路过渡是一种“自由”的过渡方式，其状态较容易受到外部干扰；而CMT过渡是通过焊丝机械回抽方式来帮助熔滴脱落，工艺过程可以被精确控制，因而其短路过渡周期恒定，不再受随机变量的影响，一个熔滴过渡大概需要14.31ms，过渡频率大概为70Hz。
另外，CMT熔滴短路时，短路电流几乎为零，降低了热输入量，避免了由于短路电流增加使熔滴过渡不稳，熔池过热和飞溅；采用这种可精确控制的工艺，不仅可以取得良好的焊接质量（MIG/MAG焊或MIG钎焊），而且工艺稳定性好，重复精度高，对周边环境不太敏感。
CO2气体CMT
在汽车部件上的应用
本部分介绍的案例是汽车的底盘部件（付车架）（如图5所示）。该部件产量大，要求自动化批量生产，并且在组装成整个部件前是不能进行脱脂处理的。由于油脂在焊前无法清理，决定了脉冲工艺是不适合的，因为不清洁焊接区域会影响脉冲电弧的稳定性，导致电压变化和咬边。
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图5 需焊接的付车架部件 为了研究CMT工艺代替传统的MAG工艺（短路过渡或喷射过渡）究竟有多大优势，来自于世界最大的汽车部件供应商之一和fronius公司的CMT专家合作了一项试验，评估的指标是：焊接速度需大于19mm/s，工件熔深最低要求0.4mm，焊接工艺的重复精度、电弧和工艺的稳定性、焊后飞溅的处理成本、焊接的效率和经济性。
部件使用的母材是热轧制高强钢，屈服强度约340MPa，厚度2.5~3.0mm。使用的填充焊丝是G3Si1，直径1.0mm。标准号DIN EN 440。
CMT焊接试验一开始使用M21（82Ar+18CO2）保护气，焊接结果显示，焊缝外形成形美观，成形一致性良好，并且工件上无任何飞溅。但有一点不足是熔深，所测量出的熔深有时可以达到最低要求，有时就无法满足，平均的熔深只能达到0.3mm。（图片）
图6 使用CO2保护气体CMT工艺的焊接效果 尽管如此，客户仍非常认可CMT工艺的稳定性、重复一致性、可靠性及无飞溅等优点。现在唯一要做的就是如何改善熔深。接下来的实验尝试改用纯CO2气体代替Ar/CO2混合气,利用CO2的还原反应释放热量增加熔深。对于CMT工艺来说，使用Ar/CO2与使用纯CO2做保护气相比，其熔滴过渡的本质差别很小，不过区别仍然存在，主要是需要策略控制电流电压与送丝方向的协同，这是一个很复杂的过程。首先必须精确地控制电弧燃弧时间；其次短路电流必须控制在一定水平，使收缩力和表面张力可以同时作用促进熔滴脱落。
从图6焊接效果可看出，所有的焊缝同样没有飞溅，并且外观质量非常好，完全满足客户的要求。通过对内部质量做了一系列的试验，熔深明显优于Ar/CO2气体，焊缝截面形状和熔深也完全满足要求。另外，焊接速度达22mm/s，同比提高10%，提高了焊接效率。同时也必须认识到，使用CO2保护气，与Ar/CO2保护气相比，焊接电压提高了4~5V，电弧效率也得到提高。
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图7 传统的CO2气体保护焊 为了让客户更容易理解CMT工艺的优势，测试过程中也试验了传统CO2短路过渡焊，以焊接T形角接焊缝为例，从图7和图8两种工艺结果的对比可以看出，传统的CO2气体保护焊，焊缝表面粗糙且有飞溅，而CMT 100%CO2焊的成形美观、无飞溅。
工艺特点
众所周知，保护气体的成本占焊接领域运营成本的一大块，使用纯CO2做保护气可显著节省运营成本，尤其在工业和科技高度发展的亚洲国家(如日本)。如单纯比较保护气的成本，据统计，在6年投资回报运营周期前提下，使用纯CO2保护气可节省30795.6欧元。（图片）
图8 CMT 100%CO2焊 因此可以看出，CMT工艺使用纯CO2气体对焊接工艺本身来讲是一个很大的优势。这里还有些成本没有计算，如降低工件报废率，减少返工的工作量，降低焊后清理工作(如清除飞溅)。
传统的CO2气保焊飞溅大、焊接质量差；传统的Ar/CO2气体保护焊小电流焊接时熔深不够、焊速低，只适用于薄板，而大电流焊接时会出现大颗粒过渡。脉冲焊时，油污影响电弧稳定性，易出现电压变化及咬边缺陷。由于这几种传统工艺的熔滴过渡属“自然”过渡，都易受到外部因素干扰，工艺的一致性、重复性难以保证。使用CO2保护气的CMT工艺可以实现无飞溅的焊接，焊缝成形美观，工艺一致性和重复性好，还可满足熔深和焊接效率的需要，同时降低焊接气体运行成本。上述案例证明，CO2保护气CMT工艺可以应用于高强度级别钢的高质量生产，在工业化生产中具有广阔的应用前景。
2/6/2009
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