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摘 要采用冷金属过渡焊接技术对5083铝合金进行平板堆焊试验，分析脉冲熔化极气体保护焊、直流/变极性冷金属过渡焊、直流/变极性冷金属混合脉冲过渡对焊缝成形的影响；通过设置不同的交流平衡值，分析了不同正/负极性比例及脉冲比例对平板焊缝成形的影响。采用冷金属过渡焊、冷金属过渡混合脉冲过渡焊、变极性冷金属过渡焊和变极性冷金属过渡混合脉冲过渡焊对8 mm厚5083铝合金进行对接焊试验，对比不同工艺获得的焊缝成形、剖面形貌、微气孔数量、金相组织和力学性能。结果显示，采用冷金属过渡混合脉冲焊得到的焊缝成形美观，微气孔数量最低，焊缝力学性能略优，焊缝组织均为α相（Al）、颗粒状析出相和弥散相组织。
关键词冷金属过渡焊；变极性冷金属过渡焊；变极性冷金属混合脉冲过渡焊；焊缝成形；微气孔
0前言
5083铝合金具有比强度较高、低温性能优良、耐腐蚀性强等优点，被广泛应用于液化天然气运输船的建造中，目前采用的主要焊接方法有钨极气体保护焊（GTAW）、熔化极气体保护焊（GMAW）和激光电弧复合焊（Laser-MIG/TIG）。近些年，冷金属过渡技术（Cold Metal Transfer，CMT）成为一种新兴的铝合金焊接技术。CMT技术是在短路过渡基础上开发的，普通的短路过渡过程是：焊丝持续送进，其端部熔化形成熔滴，熔滴与熔池接触形成短路，短路桥爆断，熔滴散入熔池，上述过程不断重复便形成了典型的短路过渡，常伴有大量飞溅。而在CMT焊接过程中，如图1所示，焊丝向前送进的同时还有往回抽的动作，送丝/回抽运动的平均频率高达70 Hz，可以有效降低焊接热输入，减小焊接飞溅。
图1 CMT工艺原理Fig.1 Principle of CMT processCMT的强制短路过渡使得其相比传统的MIG/MAG焊接有着许多优点［1-3］：①热输入量大大降低。短路过程电流降低至几乎为零，大大降低了热输入。②焊接无飞溅。CMT强制过渡，完全消除了飞溅。③焊缝搭桥能力好。较低的热输入，不容易出现烧穿，所以搭桥能力优异。④焊接过程稳定。由于电弧始终处于稳定的控制中，避免了外界因素干扰，可大大提升焊接速度。⑤异种金属焊接性优异。
基于以上优点，CMT技术成为近年来备受青睐、发展迅速的新技术。在CMT基础上又衍生了其他焊接工艺组合：直流CMT焊接（DCEP-CMT）、变极性CMT焊接（VP-CMT）、CMT混合脉冲过渡焊（CMT-P）和变极性CMT混合脉冲过渡焊（VP-CMT-P）。其中VP-CMT是在普通CMT的基础上，引入变极性功能，其波形如图2所示，变极性带来的最大优势是使CMT在焊接过程能够分配电弧能量在焊丝和母材之间的比例，使得焊接工艺更加具有柔性和可操作性［4-6］。相比于直流CMT，变极性CMT优点更加突出：一是变极性CMT熔覆效率更高。GMAW为冷阴极，母材获得的电弧能量较高，变极性CMT能够控制电弧能量在焊丝和母材之间的分配，大大提升其熔覆效率；二是变极性CMT具有更好的工艺稳定性。变极性与CMT的完美结合，对于不同的产品可以选择其最适合的焊接模式，工艺适应性更佳，工艺更稳定［7-9］。本文基于CMT4000Advanced设备进行了铝合金CMT、VP-CMT、CMT-P和VP-CMT-P四种焊接工艺研究。
图2 变极性CMT波形Fig.2 Wave form of variable polarity CMT
1试验材料和方法
1.1试验材料和焊接设备试验材料选用厚度为8 mm的5083-H112铝合金板材，试板尺寸为300 mm×400 mm，材质符合GB/T3190-2008要求，力学性能符合GB/T3880-2006要求，其化学成分和力学性能如表1所示。焊丝采用直径1.2 mm的ER5183焊丝，满足NB/T47018-2017的要求，其化学成分如表2所示。
表15083铝合金化学成分和力学性能Table 1Chemical composition and mechanical properties of 5083 aluminium alloy
表2ER5183化学成分（质量分数，%）Table 2Chemical composition of ER5183（wt.%）
焊接电源采用福尼斯的CMT4000 Advanced变极性CMT焊接电源，并配备RCU编程器，可以实现铝合金的脉冲过渡、DCEP-CMT过渡、DCEN-CMT过渡，以及脉冲过渡和CMT过渡的混合过渡。1.2试验方法试验分为平板堆焊试验和对接试验。平板试验进行外观检测及焊缝外观对比，对接试验进行外观对比、无损检测、工艺性能、截面分析、微气孔分析、微观组织分析和力学性能等性能测试。
2试验结果和讨论
2.1平板堆焊试验为了对比传统的脉冲熔化极惰性气体保护焊（MIG-P）、DCEP-CMT、DCEP-CMT+P、VP-CMT、VP-CMT+P焊接成形及熔敷特点，设计了5组平板堆焊试验。第一组试验气体选用纯Ar气，气流量20~25 L/min，干伸长保证10~15 mm，焊接电流及焊接速度如表3所示，焊接电压等焊接参数由焊接电源自动匹配。
表3第一组平板试验焊接参数Table 3First group plate welding parameters
第一组平板焊缝外观对比如图3所示。可以看出，焊缝外观均为银白色，1#焊缝外观平滑，属于普通脉冲MIG焊缝形貌；2#焊缝相比1#焊缝宽度略窄，余高略高，其收弧位置可以看出CMT电弧推力明显小于脉冲MIG焊；3#为脉冲过渡和CMT的混合过渡，可以调节其混合比例来控制焊接成形，其工艺柔性更强，形貌介于1#和2#之间；4#为变极性CMT，即DCEP-CMT和DCEN-CMT的混合过渡，通常情况下，无论是脉冲过渡还是CMT过渡，均为DCEP，此时母材接为阴极，不但有阴极雾化作用，同时具有冷阴极可加大熔深［10］；当采用变极性CMT时，DCEP比例不能无限降低到0，这是由于铝合金焊接需要进行阴极雾化，采用纯DCEN-CMT焊接成形及质量不能得到保证；4#可以看到明显的由于极性切换形成的波纹；5#为变极性CMT+P，可以看出由CMT向P过渡形成波纹明显，从理论上讲，变极性CMT+P既可以调节CMT中DCEP和DCEN的比例，即通常所说的Balance（交流平衡），也可以调节CMT和P的比例，工艺的柔性相比直流CMT+P又有较大提升，因此，直流CMT+P和变极性CMT+P将是未来低热输入GMAW焊接的方向。
图3 第一组平板试验焊缝外观对比Fig.3 Weld appearance comparison of first group plate welding test为了研究Balance对VP-CMT的影响，开展了第二组平板试验，交流平衡值B分别为B=-3、B=0、B由0~+5、0~-5变化，VP-CMT+P，气体选用纯Ar气，气流量20~25 L/min，干伸长保证10~15 mm，焊接电流/焊接速度及交流平衡如表4所示，焊接照片如图4所示。
表4第二组平板试验焊接参数Table 4Second group plate welding parameters
图4 第二组平板试验焊缝外观对比Fig.4 Weld appearance comparison of second group plate welding test由图4可知，当B为负值时，DCEN的比例较高，焊缝更倾向于堆焊；B=0是一个比较好的平衡点，此时DCEN与DCEP比例协调，焊缝外观成形美观；由8#和9#焊缝外观可以看出，当B由正值向负值变化时，DCEN的比例增大，余高变窄，更趋向于堆焊效果；从10#焊缝可以看出，VP-CMT+P模式下，当B>0时，焊接成形更加良好，同时脉冲的引入加强了焊接过程的稳定性。
2.2对接试板焊接试验完成平板堆焊试验后，根据优化的参数进行平板对接焊接试验，同样采用8 mm试板，开60°坡口，不留钝边，底边间隙约0.5 mm，分两层、每层一道焊接，坡口见图5。试验分为4组，11#为CMT，12#为VP-CMT（B=0），13#为CMT+P，14#为VP-CMT+P，焊接电流如表5所示，焊接速度600 mm/min，焊接电压等焊接参数由焊接电源自动匹配。焊后焊缝外观如图6所示。
图5 对接试验坡口Fig.5 Groove of butt welding
表5对接试验Table 5Butt welding test
图6 对接试验焊缝外观对比Fig.6 Weld appearance comparison of butt welding从图６可以看出，四种模式均可实现打底焊接，CMT与CMT+P属于强制成形，外观良好，而VP-CMT背面成形能力略有不足，VP-CMT+P成形外观较差，这是在VP-CMT和VP-CMT+P模式下打底时母材获得能量过低所致，因此VP-CMT与VP-CMT+P不适合打底使用。VP-CMT+P由于焊接过程中不断进行DCEN和DCEP的过渡及CMT和P的变换，使得焊缝边缘存在扰流现象，焊缝边缘不够美观，甚至出现咬边，使用时需要设置合适的Balance以及C和P的比例。其他三种模式，盖面外观成形良好。同时，同样电流情况下，VP-CMT、 VP-CMT+P熔宽和余高也略大，这是因为相同电流下，CMT比P送丝速度更大［11］，变极性比直流送丝速度更大。该特点也可以通过RCU控制器送丝速度监视器体现，例如，CMT焊接时，当电流为150 A时，送丝速度约为6.7 m/min，而VP-CMT焊接时，当电流为150 A时，送丝速度约为7.8 m/min。
2.3无损检测根据NB/T47013.2-2005承压设备无损检测标准，对11#~14#四种焊缝和近缝区母材进行X射线检测，未出现不良焊接缺陷，评定级别均为 Ⅰ 级。
2.4焊缝剖面分析采用ZEISS Observer.Z1m金相显微镜对11#~14#接头进行宏观金相检测，结果如图7所示，四种焊接方法均成形良好，无超标缺陷。但仔细观察仍存在0.1 mm级别气孔，经过对比，VP-CMT+P气孔体积和数量均较多，原因在于虽然VP-CMT+P焊接电流和其他几组试验电流相当，但由于其采用变极性，送丝速度比直流的大，同时，CMT变极性和脉冲过渡方式的反复切换增加了气孔产生的概率。
图7 对接试验金相对比Fig.7 Microscope contrast between of butt welding对每种焊接工艺随机取3个剖面，统计焊缝剖面0.08~0.2 mm的微小气孔，结果如图8所示，CMT+P焊接接头中的微气孔数量最少，而VP-CMT+P焊接接头的微气孔数量最多。这是由于VP-CMT+P方法的脉冲波形和变极性波形的组合错综复杂，导致焊接过程的不稳定性，焊缝中易卷入气孔；另外VP-CMT+P方法对母材的热输入较低，熔池的高温持续时间短，气孔不易逸出。
图8 焊缝区截面微气孔数量对比Fig.8 Comparison of the number of micro pores in section of weld zone对11#~14#焊接接头焊缝区进行高倍金相检测，结果如图9所示。四种接头焊缝区均为α相（Al）、颗粒状析出相和弥散相组织，与传统的脉冲过渡5083铝合金焊接接头焊缝区一致，VP-CMT的颗粒状析出相少于其他焊接工艺。
图9 焊缝区高倍金相对比Fig.9 Comparison of microstructure in welding zone2.5力学性能测试及结果按照NB/T47014-2011对四种试板接头进行拉伸及弯曲性能测试，拉伸设备采用300KN材料试验机，弯曲试验采用BHT5106电液伺服弯曲试验机，结果如表6所示。可以看出，受拉面均未出现裂纹，说明四种工艺焊接的焊缝横向弯曲性能良好。拉伸性能对比如图10所示，除VP-CMT+P试样的拉伸性能低于母材规定最低值（275 MPa）外，其余焊缝的强度均满足要求，其中CMT+P试样的拉伸性能最好，优于其他焊接方法。VP-CMT+P试样拉伸性能不合格的原因在于14#试样打底不均匀且表面焊缝存在咬边，在一定程度上降低了焊缝强度。
表6接头力学性能试验结果Table 6Mechanical test results of joints
图10 接头拉伸性能对比Fig.10 Comparison of tensile properties of joints
3结论
（1）脉冲熔化极气体保护焊、直流/变极性冷金属过渡焊、直流/变极性冷金属过渡混合脉冲焊均能形成优良的堆焊焊缝，CMT-P及VP-CMT-P可调节性强，适用性优良。（2）变极性冷金属过渡焊时，当交流平衡值由正值向负值变化时，负极性的比例增大，熔深将逐步减小，更趋于堆焊；交流平衡为正值时，焊接成形良好。（3）采用CMT、VP-CMT和CMT+P方法均能实现8 mm厚5083铝合金的焊接，其中CMT+P工艺焊接的试样微气孔最少，力学性能最优。（4）5083的焊缝组织均由α相（Al）、颗粒状析出相和弥散相组织构成，与传统的脉冲过渡5083铝合金焊接接头焊缝区一致。
1. 殷树言. 气体保护焊工艺基础［M］. 北京：机械工业出版社，2007.
2. 林三宝. 高效焊接方法［M］. 北京：机械工业出版社，2011.
3. 赵锴，杨成刚，易翔. CMT焊接技术的应用、发展与展望［J］.电焊机，2022，52（5）：60-66. ZHAO K， YANG C G， YI X. Development， Application and Prospect of CMT Welding Technology［J］. Electric Welding Machine， 2022， 52（5）：60-66.
4. 傅强，薛松柏，姚河清. 变极性熔化极气体保护焊的研究与发展［J］. 电焊机，2010，4（10）：26-29． FU Qiang，XUE Songbai，YAO Heqing.Research and development of variable polarity gas metal arc welding［J］. Electric Welding Machine，2010，4（10）：26-29．
5. 雷小伟. 变极性GMAW焊接电源研究［D］. 江苏：河海大学，2012. LEI Xiaowei.Study onvariable polarity GMAW power supply［D］. Jiangsu：Hohai University ，2012.
6. 路浩.高速列车用厚板铝合金CMT焊接工艺［J］.焊接学报，2015，36（4）：75-78. Lu Hao. CMT process onaluminum alloyusing in high speed train［J］.Transactions of The China Welding Institution，2015，36（4）：75-78.
7. 汪殿龙，张志洋，王波，等. 铝锂合金交流CMT焊接高频脉冲复合电弧焊接技术研究进展［J］. 河北科技大学学报，2013，2（34）：91-95． WANG Dianlong，ZHANG Zhiyang，WANG Bo，et al. Alternating current CMT and high frequency pulse composite arc on Al-Li alloys welding technique［J］. Journal of Hebei University of Science and Technology，2013，2（34）：91-95．
8. 汪殿龙，刘淑琦，陈彦朝，等. 交流CMT焊接工艺对2198铝锂合金接头组织及性能的影响［J］. 电焊机，2016，2（46）：43-46． WANG Dianlong，LIU Shuqi，CHEN Yanchao，et al.Effect of welding parameters on microstructure and mechanical propertiesof AC CMT welded 2198 aluminum-lithium alloy［J］. Electric Welding Machine，2016，2（46）：43-46．
9. 张瑞英. 镁合金交流CMT焊接工艺研究［D］.天津：河北科技大学，2014. ZHANG Ruiying.The Study on AC CMT Welding Process ofAZ31B Magnesium Alloys［D］.Tianjin：Hebei University of Science and Technology，2014.
10. 张瑞英，穆森，王军. 铝合金薄板交流CMT焊接过程能量分配研究［J］. 电焊机，2013，43（6）：22-26. ZHANG Ruiying，MU Sen，WANG Jun.Research onenergy distribution of AD CMT advanced welding with aluminum alloy sheet［J］. Electric Welding Machine，2013，43（6）：22-26.
11. 赵双双，梁志敏，汪殿龙等. 铝合金DC CMT与P-MIG混合过渡焊特征分析［J］. 焊接技术，2015，44（1）：26-29. ZHAO Shuangshuang， LIANG Zhimin， WANG Dianlong， et al. Analysis of DC CMT and P-MIG mixed transition on aluminum alloy［J］. Welding technology，2015，44（1）：26-29. 编辑部网址：http：//www.71dhj.com
Effect of Different Cold Metal Transfer Welding Technology on Weld Forming and Properties of 5083 Aluminum Alloy
LEI XiaoweiMA ZhaoweiCHEN LiyangZHANG Nan
（Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471039, China）
Abstract:The cold metal transfer welding technology is used to weld 5083 aluminum alloy. The effect of pulse gas metal arc welding, direct-current/variable polarity cold metal transfer welding and direct-current/variable polarity cold metal mix with pulse transfer welding on weld forming are analyzed. By setting different AC balance, the influence of different positive/negative ratio and pulse ration on plate weld forming is analyzed. Butt welding tests of 8mm thick 5083 aluminum alloy are carried out by cold metal transfer welding, cold metal transfer mix with pulse transfer welding, variable polarity cold metal transfer welding and variable polarity cold metal transfer mix with pulse transfer welding. The weld forming, section appearance, micro blowhole number, microstructure and mechanical properties of different technologies are compared. The results show that the weld obtained by the cold metal transfer mix with pulse transfer welding is well formed with the lowest number of micro blowhole and slightly better mechanical properties. The microstructure of the weld is α phase (Al), granular precipitated phase and dispersion phase.Keywords:cold metal transfer welding；variable polarity cold metal transfer welding；variable polarity cold metal mix with pulse transfer welding；weld forming；micro blowhole
引用本文：雷小伟，马照伟，陈利阳，等.不同CMT焊接工艺对5083铝合金焊缝成形及性能的影响［J］.电焊机，2022，52（9）：39-44. (LEI Xiaowei, MA Zhaowei, CHEN Liyang, et al.Effect of Different Cold Metal Transfer Welding Technology on Weld Forming and Properties of 5083 Aluminum Alloy[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(9): 39-44.)
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