第30卷第2期圆园员6年第2期技术与教育TECHNIQUE&EDUCATIONVol.30No.2NO.2.2016镁合金冷金属过渡（CMT）焊接技术研究现状及进展张效宾（吉林工业职业技术学院化工机械系吉林吉林132013）摘要:介绍了传统镁合金焊接方法存在的问题，阐述了CMT（冷金属过渡）技术与传统熔滴短路过渡技术的区别及CMT焊接技术的特点，综述了镁合金CMT焊接过程和镁合金与异种金属（镁-铝、镁-钢、镁-钛、镁-铜）的CMT焊接过程。指出利用CMT焊接技术连接镁合金薄板时，焊缝成形良好；在与异种金属的CMT焊接时，焊缝金属普遍存在金属间化合物，削弱了焊缝的力学性能。最后对镁合金CMT焊接技术的发展作了展望。关键词：镁合金；冷金属过渡焊接；金属间化合物中图分类号：TG432文献标识码：A0前言镁合金的传统焊接方法主要有钨极惰性气体保护焊（TIG）、熔化极惰性气体保护焊（MIG）、熔化极活性气体保护焊（MAG）、激光焊（LBW）、电子束焊（EBW）和搅拌摩擦焊（FSW）等方法[1]。由于镁合金的熔点和沸点低，热传导率和线膨胀率大，而传统焊接方法的热输入量大且持续，不利于熔池金属的化学冶金反应，因而镁合金的传统焊接方法容易出现焊缝金属的氧化、气孔，焊接飞溅、焊接变形和热裂纹等缺陷，严重制约了镁合金的发展和应用[2]。根据镁合金的特点以及焊接易出现的缺陷，焊接时应选用能量密度高、热输入小和焊接速度快的焊接方法[3]。近些年出现的CMT（冷金属过渡）焊接技术，因其焊接过程中低热输入和无飞溅的特点，可化解镁合金焊接中存在的难点[4]。鉴于此，本文对国内外镁合金CMT焊接技术的研究进行了综述，并对未来发展作出展望。1CMT焊接技术1.1CMT焊接技术与传统熔滴短路过渡的区别CMT是ColdMetalTransfer的缩写，是一种新型的熔滴短路过渡方式，由奥地利Fomius公司于2002研发[5]。CMT技术是在普通短路过渡的基础上开发的，通过数字化控制焊丝运动和电源输出波形，以实现熔滴的“冷过渡”。当CMT焊接设备侦测到短路电流时，立即切断焊接电流，使熔滴过渡时的电流几乎为零；同时借助焊丝的回抽运动促使熔滴脱落，实现熔滴平稳过渡[6]；而传统短路过渡中，当熔滴接触熔池时，电流稍有变小，但熔滴小桥中的电流密度激增，容易使熔滴爆断，致使熔滴过渡不稳定，常有飞溅产生，影响焊接性能[7]。图1为CMT焊接过程示意图[8]。(a)电弧加热，焊丝向下运动（b）熔滴短路，电弧熄灭（c）焊丝回抽，熔滴过渡（d）电弧重燃图1CMT焊接过程示意图Fig1TheschematicdiagramofCMTweldingprocess作者简介：张效宾（1988-）：男，助教，研究方向：镁合金焊接技术的研究。张效宾镁合金冷金属过渡（CMT）焊接技术研究现状及进展1.2CMT焊接技术的特点CMT焊接技术打破了传统焊接方法的热输入量大和热输入连续等特点，真正实现了焊接过程中熔滴的“热-冷-热-冷”规律性循环模式，最大程度的降低焊缝区的热输入量，其特点如下[9]：⑴真正实现焊接过程无飞溅：熔滴过渡时，焊接电流几乎为零，通过焊丝回抽促使熔滴平稳过渡，避免飞溅形成，改善焊缝成形效果，减少焊后清理工作；⑵热输入低：熔滴短路时，系统在数字化控35制下降低电流，电弧熄灭，对焊缝区的热输入量随之降低，减少焊后的残余变形和残余应力；⑶引弧稳定迅速且可靠，CMT焊接技术的引弧速度是传统GMAW（熔化极气体保护焊）的2倍，且弧长精度控制度高，稳定性强，焊缝成形均匀一致，熔深一致，焊缝质量美观；⑷良好的搭桥能力，装配要求低，可进行异种金属的焊接；⑸工作环境相对洁净，绿色环保、节约能11]源，图2为CMT焊缝示意图[10、。（a）薄板对接焊缝图2CMT焊缝示意图（b）薄板搭接焊缝Fig2TheschematicdiagramofCMTweldingseam2镁合金CMT焊接技术研究现状及进展学者周方明[12]研究了MnE21镁合金薄板对接的CMT焊接性能，实验表明，焊后可获得高质量的焊接接头，HAZ（焊接热影响区）较窄，晶粒稍有长大，焊缝接头抗拉强度可达到母材90%以上。H.Zhan研究了镁合金CMT焊接时焊接速度对焊缝金属组织的影响，结果表明，当焊接速度较快时（14mm/s）焊缝区产生气孔，热影响区受热裂纹影响严重；当焊接速度为12mm/s时，焊缝成形较好，随焊接速度下降，β-Mg17Al12相在晶界处累积，影响焊缝力学性能[13]。研究表明CMT焊接技术可有效改善Mg-Mg合金的焊缝成形效果，并通过调节焊接参数可以得到质量优良的焊缝。张瑞英[11]开展了镁合金CMT直流焊接（CMTDC）和镁合金CMT交流（CMTAdvance）焊接的工艺实验，研究表明，CMTDC焊时，焊缝区是典型的铸造组织，HAZ为典型的过热组织，晶粒大小受热输入的影响；而CMTAdvance焊时，可通过调节EN（焊丝为负极）与EP（焊丝为正极）的比值，调整焊丝的极性和波数，影响焊缝区晶粒的大小和HAV的粗化程度，进而影响焊缝区组织的状态。从中我们不难发现，由于CMTAdvance焊接技术的EN与EP两阶段焊丝的产热量不同（EN>EP），通过合理选择EN与EP的比值，在保证焊接质量的前提下，能最大程度的降低焊接过程中的热输入，提高焊接性能，所以CMTAdvance焊接技术更适合镁合金的连接。3镁合金与异种金属的CMT焊接技术研究现状及进展CMT焊接技术最早的研发初衷是为解决铝-钢异种金属焊接时出现的变形、飞溅和焊缝成形不良等问题[14]，后来由于CMT焊接技术出色36技术与教育的完成了铝-钢异种金属连接，加之镁合金连接技术的不断发展，国内外部分学者开始尝试镁合金与异种金属的CMT焊接，并取得一定进展。3.1镁-铝CMT连接李广乐[15]利用CMT焊接技术探索了AZ31B镁合金板和6061铝合金板的焊接性能，选用厚度为3mm板材，并配以ER4043铝焊丝。实验表明，镁母材侧熔合区形成了大量金属间化合物Mg2Al3和Mg17Al12），削弱了接头强度；不过随着焊接规范变小，元素间的扩散逐渐减少，金属间化合物的生成量逐渐减少。在李广乐的研究基础上，J.Shang[16]将填充金属由ER4043铝焊丝改用为HS201铜焊丝后继续研究，结果表明，焊缝中金属间化合物的种类变多，镁铜侧焊缝生成了Cu2Mg，Al-Cu-Mg等金属间化合物，而铝铜侧焊缝生成了AlCu、CuAl2和Cu2Al4等金属间化合物；此外，金属间化合物导致焊缝两侧熔合区显微硬度激增。由此可知，在镁-铝异种金属的焊接过程中，焊缝金属中产生的金属间化合物严重影响焊缝的力学性能，所以尽量选用与母材同材质的焊丝，以减少生成金属间化合物的种类。R.Cao[17]研究了镁-铝薄板的CMT焊接性能，实验选用板厚为1mm的AZ31B镁合金薄板和6061铝合金薄板。结果表明，镁焊缝侧仍含有γ-Al12Mg17存在，铝焊缝侧含有Al3Mg2存在。从中我们可发现，镁-铝的薄板焊缝中也产生了金属间化合物，虽然CMT焊接技术降低了焊接时的热输入量，但是仍不可避免的在焊缝中产生金属间化合物，还需采取控制合金含量的方式，以减少焊缝中金属间化合物的形成。3.2镁-钢CMT连接陈剑虹[18]对AZ31镁合金薄板和HDG60镀锌钢薄板的CMT焊接性能进行了研究，并重点讨论了AZ92、AZ61和MnE21三种焊丝的焊接效果。实验结果表明，在合适的工艺条件下，三种焊丝都能形成较好的焊缝，但是AZ61和AZ92焊丝的焊接窗口比较宽，而MnE21焊丝的焊接窗口极窄，焊缝处有裂纹，并且在拉伸试验中，使用AZ61焊丝的接头拉剪力可达母材的87.5%，而采用其他两种焊丝的拉剪力较小，由此得出结论，AZ61焊丝更适合镁-钢异种金属的CMT焊接。不难看出，相比AZ92焊丝，AZ61焊丝中的合金成分含量少，可能产生金属间化合物的量小，因而焊缝力学性能好；此外，MnE21焊丝中的Mn元素对焊接过程确实有利，通过氧化还原反应可以起到净化熔池金属并适度提高焊缝金属力学性能的作用，但是MnE21焊丝的焊接工艺参数选择范围较窄，降低了其适用性。3.3镁-钛CMT连接学者R.Cao[19]研究了AZ31镁合金薄板和Ta2钛薄板的CMT焊接性能，由于镁和钛的熔点差别较大（1000℃以上），因而焊接过程中不可能使二者同时熔化。实验结果表明，焊缝接头为典型的熔钎焊接头（钛熔化量很少），接头由焊缝金属、镁板上的熔合区和钛板上的钎焊面组成，钎焊面存在Ti3Al、Mg17Al（Zn）12等新相，焊缝区存在Ti3Al，Mg17Al12和Mg0.97Al0.03金属间化合物等。由于金属间化合物对焊缝性能不利，从而可知，镁-钛接头中钎焊面是实现镁-钛连接的主要原因；此外，Ti原子在接头中的扩散也是实现镁-钛连接的原因之一。学者王岑[20]利用ABAQUS有限元软件建立了镁-钛异种金属CMT焊接过程的温度场模拟，结果表明，镁-钛两侧的温度场呈不对称分布，镁母材侧温度上升较快，达到峰值的温度也比钛母材侧高，且温度下降速度也快。模拟结果从温度的角度验证了镁-钛焊接机理（钎焊），因而增加钎焊界面的厚度可以提高镁-钛的焊接性能。3.4镁-铜CMT连接景敏[21]研究了AZ31B镁合金薄板和T2铜薄板的CMT焊接性能，实验表明，焊接接头为镁-铜熔钎焊接头，接头为镁母材区形成的熔焊区和铜母材区形成的钎焊区组成，焊缝区存在金属间化合物Mg2Cu，Al6Cu4Mg5和MgCu2等；实验还证明了镁-铜接头（镁上铜下）的力学性能强于铜-镁接头（铜上镁下），且随着送丝速度的增大（8.0m/min→11.0m/min），金属间化合物层的厚度变大（40μm→300μm），焊缝力学性能也随之下降。表1为镁合金与异种金属的CMT焊接工艺（张效宾镁合金冷金属过渡（CMT）焊接技术研究现状及进展参数对比[11、16、18、19、21]，从中可发现，在镁合金CMT焊接中，随异种金属熔点下降，焊接电流随之降低，焊接热输入减少，金属间化合物较少，化合物的厚度变薄，焊缝力学性能提高。因表1镁与异种金属的CMT焊接的工艺参数Table1TheprocessingparameterofCMTweldingofmagnesiumalloyanddissimilarmetal37此，从提高焊缝力学性能的角度出发，镁合金与异种金属的CMT焊接，应着重研究Mg-Al的CMT焊接技术。合金熔点℃167815351084660648焊丝型号AZ61AZ61AZ61AlSi5AZ31B焊丝直径mm1.21.21.21.21.2接头形式搭接搭接搭接搭接对接焊材厚度mm11111焊接电流A焊接电压U镁-钛镁-钢镁-铜镁-铝镁-镁150-160120-150100-15097-11450-6013171111124结束语近些年，镁合金的开发和应用越来越多，镁合金的连接问题也受到广大科学工作者的关注，许多高效、便捷、针对性强的焊接方法也应运而生。CMT焊接技术，因其低热输入量和无飞溅的焊接特点，已被广泛用于动车、航空和军工等领域，尤其是在轻合金的焊接方面体现出普通GMAW无法比拟的优势。镁合金的CMT焊接技术有效的改善了焊缝成形效果，降低了焊接变形和焊接应力的程度，但是仍存在一些问题，例如：金属间化合物的存在，CMT焊缝熔深浅、对CMTAdvance、CMT+Pluse和双丝CMT的研究较少，因此还需要广大科研工作者作进一步的研究。参考文献[1]孙德新,孙大千,李金宝,等.镁合金焊接技术的研究进展及应用[J],材料导报.2006,20(8):122[2]巫瑞智,张景怀,尹冬松.先进镁合金制备与加工技术[M].北京:科学出版社,2012:15[3]毛萍莉,王峰,刘正.镁合金热力学及相图[M].北京:机械工业出版社,2015:10[4]张洪涛,铝/镀锌钢板CMT熔-钎焊机理研究[D].哈尔滨工业大学.2008[5]郭斌,张李超.ColdMetalTransfer(CMT)与CMTAdvanced的异同研究[J].精密成型工程.2016,8(2):50[6]贾剑平,毕凯强,刘丹,等.冷金属过渡技术的研究现状与展望[J].热加工工艺,2015,44(1):6[7]雷世明.焊接方法与设备[M].北京:机械工业出版社,2015:30[8]崔晴晴.铝合金和镀锌钢的CMT焊接技术研究[D].镇江市:江苏科技大学,2012[9]PickinCC,WilliamsSW,LuntM.Characterisationofthecoldmetaltransfer(CMT)processanditsapplicationforlowdilutioncladding[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology.2011,211:496[10]田志杰,熊林玉,李延民,等.薄板铝合金空间曲线焊缝CMT焊接试验研究[J].压力容器,2015,32(4):22[11]张瑞英.镁合金交流CMT焊接工艺研究[D].石家庄:河北科技大学,2014[12]周方明,殷小青.MnE21镁合金CMT焊接工艺及焊接接头组织性能分析[C].//第十六次全国焊接学术会议论文摘要集.镇江市,2011:66[13]ZhangH,HuSS,WangZJ,etal.Theeffectofweldingspeedonmicrostructureofcoldmetaltransfer38技术与教育depositedAZ31magnesiumalloyclad[J].MaterialsandDesign.2015,86:894[14]周彦林,林巧力,曹睿,等.铝钢冷金属过渡焊接界面的组织特征及热力学分析[J].热加工工艺,2015,44(5):40[15]李广乐.镁铝异种金属CMT焊接试验研究[D].南京:南京理工大学,2010[16]ShangJ,WangKH,ZhouQ,etal.MicrostructurecharacteristicsandmechanicalpropertiesofcoldmetaltransferweldingMg/Aldissimilarmetals[J].MaterialsandDesign,2012,34:559[17]CaoR,WenBF,ChenJH,etal.ColdmetaltransferjointofmagnesiumAZ31B-to-aluminumA6061-T6[J].MaterialsScience&EngineeringA,2013,560:256[18]陈剑虹,余建永,曹睿,等.镁合金焊丝成分对镁钢异种金属CMT焊接性的影响[J],兰州理工大学学报,2012,38(6):10[19]CaoR,WangT,WangC,etal.Coldmetaltransferwelding-brazingofpuretitaniumTA2tomagnesiumalloyAZ31B.JournalofAlloysandCompound[J].2014,605:12[20]王岑,曹睿,林巧力,等.镁/钛异种金属冷金属过渡焊接的温度场模拟[J].焊接学报,2015,36(4):17[21]景敏.镁/铜异种金属冷金属过渡技术(CMT)焊接性研究[D].兰州:兰州理工大学,2014TheresearchprogressofColdMetalTransfer（CMT）WeldingTechnologyofMagnesiumAlloyZHANGXiao-bin（DepartmtntofChemicarMechanies，JiLinVocationalCollegeofIndustryandTechnology,JilinJilin,132013）Abstract:Theproblemsinmagnesiumalloyoftraditionalweldingprocessareintroduced,explainingthedifferencebetweentheCMT(ColdMetalTransfer)technologyandthetraditionaltechniqueofshort-circuittransitionofdropletandthecharacteristicsofCMTweldingtechnology,theCMTweldingprocessofmagnesiumalloysandtheCMTweldingprocessofmagnesiumalloysanddissimilarmetals(Mg-Al,Mg-steel,Mg-Ti,Mg-Cu)aresummarized.PonitingoutthatusingCMTweldingtechnologyforconnectiontomagnesiumalloysheet,weldingjointisgood;andusingCMTweldingtechnologyforconnectiontodissimilarmetal,weldmetalarewidespreadcomposedofanintermetalliccompounds(IMCs),whichweakenthemechanicalperformanceofweldmetal.Finally,thefutureofmagnesiumalloyCMTweldingwaslookforward.Keywords:Magnesiumalloy;ColdMetalTransferwelding;intermetalliccompounds