冷金属过渡焊（CMT）工艺的表征及其在低稀释镀层中的应用外文翻译资料

 2022-10-30 11:12:11

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冷金属过渡焊（CMT）工艺的表征及其在低稀释镀层中的应用

摘要

研究表明，冷金属过渡焊（CMT）的各项工艺特性，适合于铝合金焊接。并且我们可以利用简单的背光系统和电弧监测，来确定焊接过程中熔滴的过渡模式。在较低的参数范围内，改进后的短路过渡的效果是明显的，但是在中上限参数范围内，则观察到基于喷射和短路过渡相组合的两种模式过渡形式。冷金属过渡焊也被用作应用于三元合金（Al-Cu-Mg）铝板的包层工艺。当使用二元Al-2319（Al-Cu）填充材料进行MIG焊接时，这种合金系统金属易产生焊接凝固裂纹，这是由与基材混合产生的较宽的焊缝的金属冷却范围产生的。利用这种填料，在所允许的参数范围内确定CMT和脉冲焊接的焊接稀释比。CMT方法表现出更大的稀释度控制，使得能够熔融出具有较小裂纹敏感组成的准二元（Al-Cu）层。在这一层上，可以应用常规的MIG焊接，其可以完全消除由使用二元填充焊丝焊接产生的焊接裂纹。

关键词

CMT ; 焊接 ; 高强度铝 ; 电弧特性

介绍

薄板铝合金的电弧焊具有独特的挑战：由于与钢相比具有较高的热膨胀系数和导热系数，所以控制输入到焊件的热量是主要的先决条件。传统上，脉冲操作模式用于该过程，由于相关联的热输入较高，喷雾过渡被打折为仅适用于较厚的部分。与薄钢板的焊接相反，传统的短路/浸渍过渡很少使用。Houldcroft和John（1988）强调了由于铝填料线的低电阻，使应用该工艺时材料过渡不良和随之而来的融合缺陷发生的原因。虽然电源技术的发展已经在控制这种过渡模式方面取得了进展（Lincoln STT; Kemppi Fastroot），但这些方法基本上是传统浸渍过渡工艺的变体，因此通常被认为不适用于铝。冷金属过渡（CMT）焊接是一种相对较新的技术，其将电弧电瞬态与填料丝进给速率部分地解耦。虽然该过程依赖于用于材料过渡的填充材料的短路过渡，但是通过控制循环电弧相位和送丝速度，可以实现足够的能量来熔化基体材料和填充材料的熔池。结果是可以在低电弧能量的短路点实现材料过渡，从而减少对焊件的热量输入。这些方法基本上是传统浸渍过渡方法的变体，因此通常被认为不适用于铝。该过程的基本操作原理在Pickin和Young（2006）先前报告中有指出。与常规电弧焊接工艺相比，焊材熔融的控制方法和较高的熔化系数突出了CMT焊接薄铝合金板材的适用性，这项工作在Feng et al. （2009）焊接铝板、 Wang et al.（2008）焊接异种合金等人的研究中也有类似发现。此外, Agudo et al. （2008）和Zhang et al（2007）已经报道了由于减少的热输入导致对脆性金属间化合物的形成的控制，将使钢连接到铝这一过程成为可能。然而，值得注意的是，这些研究一般侧重于基于系统制造商定义的工艺操作原理的熔融焊缝的性能，尚未报告在整个可用参数范围内检查过程特征的详尽工作。这项工作的目的是在铝的焊接协同模式下运行的过程的全面特征，并探讨技术作为包层工艺的潜力。当使用二元Al-2319（6％Cu）填充材料焊接三元高强度铝（Al-2024）板时，焊接稀释度的控制应该收到高度关注。Pickin et al.（2009） 已经表明，当使用这种填料对MIG焊接受限制的内圆角试件时，会产生严重的凝固裂纹。热力学模型表明，通过控制焊缝中的末端共晶反应可以实现抑制裂纹的效果，验证表明可以通过使用三元填料组合物（Al-Cu-Mg）来实现。然而，只有二元填料是可商购的，结果是许多高强度合金体系的全部潜力不能被充分利用。通过使用二元填充焊丝控制焊珠稀释，可以将覆盖层熔融到基本上准二元（Al-Cu）的三元基材表面上，即组合物不在裂纹敏感组成范围内。在这种准二元层上传统的MIG焊接时，可以使用相同的二元填充材料连接组件。Lorenzin和Rutili（2009）先前报道了将Inconel 625包覆在用于耐腐蚀应用的碳锰钢上的类似方法。控制焊接稀释使填料材料与基材中潜在的易腐蚀元素的混合最小化。然而，这些结果在较小的参数范围内确定并且与先前报道的研究相似，很少的表征能够真正实施。

2.实验

为了捕获材料过渡的高速图像，开发了一种简单背光系统。一种60W（电力）绿色发光二极管（LED），其发射波长为530nm。这通过光纤链路被引导到两个准直聚焦透镜来背光电弧等离子体,所使用的相机是使用包含两个干涉滤光片（FWHM = 10nm）的微距透镜的Phantom Miro-4M,帧捕获率设置为2900帧/秒,该结构如图1所示1,光学数据分析是通过视觉软件和MATLAB处理。此外，还使用高速存储示波器通过机械转速计读数来捕获电弧瞬变和送丝速率。

使用的基材，填充材料和规定的组成范围详见表1。对于所有实验，填料丝直径保持在1.2mm。对于工艺表征，使用3.2mm的片材基材厚度，并且使用厚度为12.7mm的包层实验板。

瞬时值源自捕获的电波形瞬变,瞬时功率值使用公式 （1），这是从测量的瞬时电流（Ii）和瞬时电压（V i）值的乘积导出的。Joseph等人的工作 （2003）和Koiotynskii等 （2005）已经表明，该方法具有比调查脉冲焊接时平均值更高的精度。由于CMT循环在过程值差异较大的两相之间进行了调制，所以采用这种方法可以实现比采用循环平均值更高的精度。

P ai = I i V I (1)

使用标准金相技术制备和测量从焊缝获得的截面。焊球稀释度（R％）用公式（2）,其中Ab是焊缝穿透面积，Af是焊缝加固面积。

(2)

在给定的稀释比下,焊缝的元素组成（E％）用公式 （3）。作者以前已经表明，它提供了与EDX测量值的紧密配合。

(3)

所有焊接试验均使用500安培Fronius CMT电源进行，该电源具有以额外传输模式（喷雾，脉冲等）运行的功能。使用纯氩气保护气体，流速为18 l min -1。所有焊接实验的接触尖端（CTTW）的距离保持在17mm，而不管传送模式如何。

3.操作原理

CMT的基本操作模式的特征在于电弧阶段，在该阶段期间，在线电极的端部形成熔融熔滴并产生熔池。在设定的持续时间后，线电极向前馈送以与焊池/基底材料接触，产生短路。在该阶段期间，材料过渡开始，并且电弧电流显著降低。在限定的时间段之后，电极被机械地缩回，该向后运动有助于将熔融的小球夹入熔池中。然后重新点燃电弧，循环重复。该方法的独特之处在于，不仅通过电极的向前和向后运动控制熔融物，还控制电特性，结果是在低电流和低电压下进行材料过渡。典型的CMT瞬态波形和周期瞬时值的定义如图1所示。2。

当与脉冲焊接模式相比时，将电线进给部分去耦从工艺电瞬变导致电极熔化系数增加。利用Al-4043填料对CMT和协同脉冲焊接进行了再次研究。使用公式计算相应电极熔化速率的瞬时功率。（1）。参考图 图3显示，与脉冲焊接相比，CMT在所研究的参数范围内表现出比电极熔融更大15％的类似测量功率的区域。

虽然脉冲焊接的熔化趋势基本上是线性的，但一些偏差对于CMT值是显而易见的，这主要发生在图 1中圆圈区域中所示的研究参数的中间范围内3。使用这些值分析熔融的焊缝的高速胶片图像显示，该过程偏离了图1所示的先前定义的操作模式2。在电弧阶段期间观察到熔滴脱落,如图所示4 a。被一个熔滴观察移离为5.5mu;m分钟的进料速率设定-1和图 4 b。在6 m min -1的进料速率设置下观察到三个熔滴。在当前示例中，在电弧阶段结束时示出了减少的电弧。在短路点（焊接铝时），电弧继续减小并完全熄灭。

捕获图3所示焊缝的瞬态信号。图 4b中资料编号：[138273]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

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