冷金属过渡实验设计分析

冯 振，吴金杰，吴江瑞，李兴霞

（河南工学院 材料工程系，河南 新乡 453003）

冷金属过渡实验设计分析

冯 振，吴金杰，吴江瑞，李兴霞

（河南工学院 材料工程系，河南 新乡 453003）

奥地利福尼斯公司于2004年开发的冷金属过渡（CMT-cold metal transfer）焊接技术是一种将焊丝送给运动与熔滴过渡过程进行数字化协调的新型电弧焊方法，与普通MIG/MAG焊相比，CMT实现了熔滴到熔池的冷过渡，具有热输入小，无飞溅等突出优点。文章结合焊接专业相关课程设计了冷金属过渡焊的几种实验方法，如接头性能、微观组织、焊接热循环曲线、焊接电压电流采集和电弧形态观察等。

焊接；冷金属过渡；实验设计

0 引言

冷金属过渡（CMT- cold metal transfer）技术是一种将焊丝送给运动与熔滴过渡过程进行数字化协调的电弧焊方法。当焊机的DSP处理器监测到一个熔滴短路信号，就会反馈给送丝机构，送丝机构作出回抽焊丝动作以帮助熔滴脱落，在几乎无电流的状态下进行熔滴过渡，整个焊接过程实现“热—冷—热”交替转换，焊接热输入大幅降低。因此，冷金属过渡焊接技术独特的能量传递和转换机制赋予其有别于其他焊接电源的许多特点，并且使其在新材料的焊接领域中具有独特的优势。而焊接专业是培养掌握自动化及智能化焊接技术的，从事各种焊接技术的工艺编制、实施、质量检测和技术管理的高级技术应用性专门人才，本文根据课程设置和实验室建设条件，结合冷金属过渡焊接技术的特点，简述相关的实验设计并作简要分析。

1 接头力学性能实验

焊接接头的拉伸试验可以测定焊接接头的强度（抗拉强度σb，屈服点σs）和塑性（伸长率δ，断面收缩率ψ），并且可以发现断口上某些缺陷。

以纯铜CMT焊接接头为例[1]，首先根据标准GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》，用电火花线切割焊接试件切取拉伸试样，在室温（20℃）下以1 mm/min的速率在WDW-100E型微机控制电子式万能试验机上做横向拉伸试验。记录相关数据，用origin软件做图进行对比，如图1所示。同时也把接头拉伸试样的典型断裂位置记录下来，如图2所示。送丝速度为8.0 m/min的1号试样的断裂载荷只有3.7 kN，在铜侧界面断裂如图2（a）所示。送丝速度为9.0 m/min的2号试样在热影响区断裂并伴有明显的颈缩现象如图2（b）所示。本实验可使学生掌握如何测试焊接接头的拉伸性能，如何进行对比分析以及和谁进行对比分析，如何清楚直观地表现断裂位置，让学生理解焊接工艺参数对接头力学性能的影响。

2 接头微观组织实验

焊接接头的微观组织分析，可以从微观的角度分析焊接接头的组织结构，进而说明接头的连接机理。以钛/铜异种金属CMT焊接接头为例[2]，其横截面如图3所示，接头可以分为熔化焊丝形成的焊缝区、填充焊丝和铜板形成的熔合线区、填充焊丝与钛板形成的钎焊界面。

图4（a）是熔焊接头熔合线处的微观组织，铜母材和焊缝有明显的熔合线，在靠近熔合线一侧有垂直于熔合线方向生长的柱状晶组织。图4（b）是焊缝中心区的微观组织，可以看到明显的第二相，可以采用能谱仪（EDS）对该相分析。图4（c）钎焊界面的微观组织有明显金属间化合物层。本实验可使学生掌握如何分析焊接接头的微观组织结构，如何利用扫描电子显微镜对接头进行微观组织分析。

图1 母材和接头拉伸强度

图2 拉伸试样断裂位置

图3 横截面形貌

3 焊接热循环曲线实验

在焊接过程中，焊接热源在焊件上任一点的温度都经历由低到高的升温阶段，达到最大值后，又经历由高到低的降温阶段。在距离焊缝不同位置的各点所经历的这种热循环是不同的，离焊缝越近的点，其加热速度越快，峰值温度越高，冷却速度越快，并且加热速度比冷却速度要大得多。焊接热循环曲线包含了焊接接头温度变化和冷却相变等重要信息，这些信息对于了解焊接冷却相变过程、接头组织、应力变形等具有重要意义。同时，焊接热循环参数是分析热影响区组织与性能的重要数据，也是制定、评定和优化焊接工艺的重要依据。因此，测定焊接热循环曲线具有重要的理论意义和实用价值。目前，焊接热循环曲线可以利用软件通过数值仿真计算的方法获得，但由于计算时所采用的假定条件与实际焊接条件出入较大，计算所得的理论热循环曲线对比实际测得的曲线仍有很大误差，故实际上多用实测的方法来获得热循环曲线。

图4 接头的微观组织

在此采用普通的K型热电偶对镁/钛异种金属CMT焊接过程的特征点热循环曲线进行测量[3]，焊接热循环曲线测定系统如图5所示。测温系统为ADAM8通道温度采集交换器，可以同时对8个点的温度进行测量，采用DR-H焊偶仪将热电偶连接到钛板侧五个点上，如图6所示。图中A点位于中心线上，距离钛板边缘10 mm, B、C、D、E四点都在与中心线成45o角的直线上。每个点之间的垂直距离和水平距离都为5 mm。实验后通过数据整合得到如图7所示的焊接热循环曲线图。通过本实验使学生了解焊接热循环过程对焊接接头质量的影响；熟悉焊接热循环测试相关仪器和设备的使用；学会用热电偶测定焊接热循环曲线的方法；掌握典型焊接热循环曲线的特征及其主要表征参数。

图5 焊接热循环曲线测定示意图

图6 特征点示意图

图7 特征点热循环曲线

4 焊接电弧及熔滴过渡高速摄像实验

焊接电弧是一种强烈的、持续的气体放电现象，对焊接电弧的行为、特性和物理过程的研究也在逐渐深入。焊接电弧直接影响着熔滴过渡，熔滴过渡的速度和熔滴尺寸影响焊接过程的稳定性、飞溅程度以及焊缝成形的好坏；熔滴的尺寸大小和长大情况决定了熔滴反应的作用时间和比表面积的大小，从而决定了熔滴反应速度和完全程度；熔滴过渡的形式与频率直接影响焊接生产率；熔滴过渡的特性对焊接热输入有一定的影响，改变熔滴过渡的特性可以在一定程度上调节焊接热输入，从而改变焊缝的结晶过程和热影响区的尺寸和性能。而高速摄像可以摄取不同焊接规范参数下的电弧形态和熔滴过渡，对观察分析电弧形态和熔滴过渡具有较大的现实意义。

图8是电弧形态视觉传感与电流电压波形同步采集系统[4]。焊接时，高速摄像机透过多组具有过滤不同光线频率的滤光片，实时记录焊接电弧形态和熔滴过渡形式。如此，就可以把焊接工艺参数、熔滴过渡、电弧形态、焊接温度场分布、焊接结构变形和微观组织结构统一起来。图9是CMT焊接模式下所得到的熔滴过渡形式，可以清晰地显示出熔滴过渡和焊丝运动之间的变化规律。通过本实验使学生可以直接观察焊接电弧形态和熔滴过渡的具体形式以及焊丝的送给运动；熟悉高速摄像相关设备的使用；学会运用相关软件分析熔池的变化及接头的形成过程。

图8 电弧形态视觉传感与电流电压波形同步采集系统

图9 熔滴过渡过程

5 焊接电流、电压采集实验

在焊接过程中，通过分析焊接过程中短路时间、焊接电压、焊接电流等电参数，可以研究与电参数直接有关的焊接工艺性能，如熔池深度、飞溅大小、过渡形式等。传统的焊机没有电流电压的实时采集系统，无法存储焊接电流电压参数，焊后不能对焊接电流电压进行分析以改进工艺参数。然而，操作者需要观察焊接的运行状态或者修改运行参数，以保证焊接质量，所以采集焊接过程中的焊接电压和焊接电流显得尤为重要。在图8中，主要通过霍尔传感器采集电压电流，在工控机内得到焊接过程中电流电压的变化曲线[4]。图10是典型的CMT焊接模式下的电流电压变化曲线，基值电压和基值电流几乎为零，结合相应的熔滴过渡过程和焊丝送给运动，可以分析他们之间的变化规律，为焊接工艺和连接机理提供理论基础。CMT焊接电源在熔滴过渡时将电流和电压降至趋近于零，短路状态下焊丝的回抽运动保证熔滴正常脱落，减少了普通短路过渡引起的飞溅。本实验可以使学生掌握如何测定焊接过程中焊接电压和焊接电流的变化曲线以及观察电弧电压和焊接电流对熔滴过渡的影响规律。

图10 CMT过渡电弧电压、焊接电流

6 结语

本文根据专业课程设置和实验室建设条件，结合冷金属过渡焊接技术的特点，简述了冷金属过渡焊接接头的微观组织分析、力学性能测试、焊接热循环曲线、焊接电压电流采集和电弧形态观察等实验。通过这些实验可以加强实践教学，提高学生的实践能力，增强教师的科学研究能力和实践教学效果，以进一步提高人才培养质量。

（责任编辑 吕春红）

[1] 冯振，马天凤，曹睿. 纯铜CMT脉冲焊焊接工艺[J].焊接技术，2016,45(2):94-96.

[2] CaoR., Feng Z., Chen J. H. . Microstructures and properties of titanium-copper lap welded joints by cold metal transfer technology[J]. Materials & Design,2014(53):192-201.

[3] 王岑，曹睿，林巧力. 镁/钛异种金属冷金属过渡焊接的温度场模拟[J].焊接学报,2015(4):17-20.

[4] 张洪涛,冯击才,何鹏.镀锌层对铝/镀锌钢板CMT熔-钎焊电弧加热行为的影响[J].焊接学报,2009(8):37-40.

Design and Analysis of Experiment Systems on Cold Metal Transfer

FENG Zhen，et al
(Department of Materials Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

Cold metal transfer welding technology is a new type arc welding process with digital coordinate method of wire feeding speed and droplet transfer process, which was developed by Austria fronius Company in 2004. Compared with common MIG/MAG welding, CMT technology has realized the drop to the molten pool cold transition, small heat input, no splash outstanding advantages. Combining with welding professional courses，we design several experiment systems of cold metal transfer welding, such as properties of joint, microstructure, welding thermal cycle curves, welding voltage and current collection and arc shape collecting system, etc.

welding; cold metal transfer; experiment system design

G642

A

1008–2093(2016)06–0066–04

2016-09-27

冯振（1988―），男，河南民权人，硕士，主要从事材料加工研究。