周漪清，林 放，薛家祥

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

焊接工藝

低熱輸入焊接技術的應用前景

周漪清，林 放，薛家祥

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

作為最有效的焊接方法，低熱輸入焊接法被越來越多地應用于汽車和造船工業(yè)中薄板和輕質材料的連接，但是這種新的焊接技術在我國才剛剛起步。隨著國家產業(yè)的升級換代，這種焊接技術有著廣泛的用途，低熱輸入焊接技術可廣泛應用于鋁鎂合金、超薄板、異種材料的連接，對實現輕量化制造，節(jié)能降耗意義重大，符合國家產業(yè)政策，特別適合于航空航天、高鐵和城際輕軌等制造業(yè)。

冷弧焊；薄板材料；輕質合金

0 前言

低熱輸入焊接技術也稱冷焊技術，隨著工業(yè)制造有輕量化、強韌化、精密化的趨勢，冷焊技術日益受到學術界的關注。如今，新型輕合金材料的研發(fā)已受到世界各國的高度重視，許多傳統(tǒng)的鋼鐵材料已逐漸被綜合性能更為優(yōu)良的新型材料取代，隨著輕質合金在各個領域的廣泛應用，以及工業(yè)對輕質合金性能和加工技術的要求不斷提高，輕質合金、鍍層鋼板、高強度薄鋼板等材料的焊接成為學術領域的研究重點，既要保證焊接過程的穩(wěn)定，保證焊縫質量，又要盡量減少熱能輸入，降低熱變形，因此，學術界開始尋找新的焊接方法，努力追求低能量輸入、節(jié)能環(huán)保且適宜薄板和輕質材料焊接的新技術。冷焊接技術就是這類技術的典型代表。冷焊接技術自發(fā)明后，各大研究機構和專業(yè)焊接設備公司競相投入人力物力進行相關的研究，先后推出了自己的研究成果，如奧地利的Fronius公司2004年推出的一種冷金屬過渡CMT(Cold Metal Transfer)焊接方法，2005年，首次將CMT技術應用到汽車領域中；2005年的德國埃森焊接與切割展覽會上，德國EWM公司展示了一種適宜薄板焊接的Cold Arc技術；林肯公司的表面張力過渡STT(Surface Tension Transfer)專利技術；德國CLOOS公司推出了Cold Process冷焊技術；OTC公司提出了AC-CBT(AC Controlled Bridge Transfer)技術，即交流短路過渡控制技術。在國內，北京理工大學開發(fā)了一種NLEI(New Low Energy Input)焊接新方法，這些低能量輸入焊接新方法極大地改進了薄板、輕質合金材料和異種材料的焊接技術，降低了生產成本，增強了企業(yè)的競爭力。

1 低熱輸入焊接研究的應用背景

隨著國家產業(yè)的升級換代以及受能源危機與環(huán)境問題的影響，船舶、集裝箱、汽車等制造業(yè)日益朝著節(jié)能降耗、保護環(huán)境和輕量化制造的方向發(fā)展，鋁合金連接、鍍鋅鋼板連接以及鋁—鋼(鍍鋅鋼板)之間異種金屬的連接越來越多，汽車為了達到減重的目的，許多配件都采用鋁合金結構。汽車制造業(yè)和其他工業(yè)中越來越多地采用高強薄板鋼材[1]，通常這些板材厚度在3.0mm以內，要求在焊接時降低熱輸入、減少變形和改善可焊性，并保證焊接過程的穩(wěn)定性。因此，研究薄板低能量輸入焊接技術，有效地控制焊接電流、電壓輸出和熔滴過渡過程，提高焊接過程的穩(wěn)定性，對于滿足市場需求和提高焊接產品質量具有重要的意義。由于冷焊技術卓越的性能，以及對節(jié)能和輕量化制造的重要意義，許多國外的研究機構都進行了大量研究[2-3]。目前國內的相關研究還處于起步階段，沒有類似產品，因此，開展適用于輕質合金—鋼等異種材料以及薄板焊接的冷焊技術研究已成為一項緊要的任務。

1.1 冷焊技術在新型材料焊接中的應用

1.1.1 應用于輕質合金焊接

由于鋁鎂合金的特性及其在汽車等眾多領域的應用價值，鋁鎂合金被譽為“21世紀的綠色工程材料”，擴大鋁鎂合金在交通工具中的應用對解決石油資源緊缺和全球氣候變暖具有重要意義。鋁鎂合金具有電阻率小、密度低、線膨脹系數大、導熱系數大、金屬原子活性大等物理特性，其物理特性決定了鋁鎂合金具有以下焊接特點：

(1)鋁鎂合金在空氣中和焊接時極易氧化，生成的氧化鋁熔點高，不易去除，會阻礙母材的熔化和熔合，易形成夾渣、未熔合、未焊透等缺陷。

(2)鋁鎂合金熔點低，易熔化，但其比熱容和熔化潛熱大，導熱率大，局部加熱較困難。

(3)鋁鎂合金的線膨脹系數約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍，故鋁鎂合金凝固時體積收縮率較大，焊件的應力和變形較大，焊接熔池凝固時容易產生縮孔、縮松、熱裂紋和較高的內應力。

(4)鋁鎂合金對光、熱的反射能力較強，固、液態(tài)轉變時沒有明顯的色澤變化，焊接操作時很難判斷熔池狀態(tài)。高溫時鋁鎂合金強度很低，支撐熔池困難，容易焊穿。

(5)鋁鎂合金在液態(tài)時能溶解大量的氫，而固態(tài)時幾乎不溶解氫，在焊接熔池凝固和快速冷卻的過程中，氫來不及溢出，極易形成氫氣孔?；≈鶜怏w中的水分以及焊接材料和母材表面氧化膜吸附的水分都是焊縫中氫氣的重要來源[4-5]。

綜上所述，鋁鎂合金焊接時極易形成夾渣、未熔合、未焊透、縮孔、熱裂紋和氫氣孔等焊接缺陷，而氫氣孔更是鋁鎂合金最常見的缺陷[4]。冷焊技術可以精確控制輸入到焊絲或輸入到母材的熱量，特別是當使用φ 1.2 mm或φ 1.6 mm焊絲時，有良好的搭橋能力，顯著減少熱輸入，提升焊接質量。

1.1.2 應用于超薄板焊接

(1)高強度薄板鋼材。高強度薄板鋼材料的焊接應盡可能地采用冷弧焊接工藝。冷焊通過數字化協同控制電源和送絲機，以最少的燃弧能量實現了最佳的熔滴過渡，相比傳統(tǒng)的MIG／MAG脈沖弧焊工藝能顯著減少熱輸入。

(2)不銹鋼薄板。在現代工業(yè)中，不銹鋼材料的應用也越來越廣泛，像容器制造業(yè)、食品機械工業(yè)和制管行業(yè)等。但是不銹鋼的焊接問題也很明顯，如何控制熱變形、減少工件表面顏色的改變、如何提高焊接速度等。冷焊工藝很好地解決了這些問題，不僅提高了焊接速度，還顯著地改善了熱輸入，減少了工件表面顏色的改變和熱變形。

(3)鍍層薄板。通過在鋼板鍍或滲上一層防腐材料(鍍鋅或滲鋁)來防銹，既高效又經濟。焊接帶鍍層的板材時對鍍層的保護相當重要，采用普通焊接方法，電弧熱量輸入太大會導致鍍鋅層的蒸發(fā)，鋅的揮發(fā)和氧化會導致氣孔、未熔合及裂紋，甚至影響電弧穩(wěn)定性[6]。因此，焊接鍍鋅板材最好是減少熱輸入量，而冷焊技術低熱量輸入正好滿足這一需要，通過采用合適的參數可以在達到最佳潤濕效果的同時不破壞保護層。

1.1.3 應用于異種材料焊接

異種金屬的連接在交通、汽車、集裝箱制造等行業(yè)中的應用越來越多。如將鋼與鋁及鋁合金焊接成為異種金屬結構，可充分發(fā)揮材料的固有性能且節(jié)省材料，并發(fā)揮良好的經濟效益。異種金屬之間焊接的困難主要表現為：對于大多數異種金屬組合來說，兩種材料之間的熔點、密度、導熱性、熱膨脹性、晶體學特征、機械性能等相差較大。焊接性與它們在液態(tài)和固態(tài)時的互溶性及形成金屬間化合物(即脆性相)的性能等有密切關系。通常在液態(tài)下不能互溶的金屬(即“冶金學上的不相容性”)、熔化時分離的液層，冷卻結晶后彼此之間很容易分離開裂，所以不能采用常規(guī)的熔焊方法。若采用摩擦焊、超聲焊、擴散焊和冷壓焊等焊接方法進行焊接，也可以得到良好的接頭，但這些焊接方法主要應用于厚板的連接，在薄板中難以應用，另外還有一個共同的缺點就是難以自由選擇接頭形式，實際應用范圍較窄[7-8]。冷焊相對于傳統(tǒng)的MIG／MAG焊接而言，電弧溫度和熔滴溫度比較“冷”，其特點是冷熱循環(huán)交替，熱輸入量比一般的熔化焊方法要少得多，并且容易實現自動化焊接[9]。因此，用冷焊方法焊接鋁合金和鋼有著重要的意義。

1.2 冷焊技術在企業(yè)轉型中的應用

制造業(yè)是我國經濟發(fā)展的基礎產業(yè)，中國正逐漸成為全球的制造中心，但資源能耗過大的現狀制約了制造業(yè)的發(fā)展，加劇了我國資源、能源短缺和環(huán)境污染。在制造業(yè)中抓好節(jié)能降耗，積極推進以節(jié)能減排為主要目標的設備更新和技術改造意義重大。冷焊工藝作為一種新的工藝手段，能很好地起到節(jié)能降耗的作用，它在節(jié)能降耗方面的貢獻主要體現在以下兩點：

一是對輕量化制造的意義。面對全球性的能源危機的現狀，越來越多的研究人員指出，輕量化是能源危機的完美解決方案。冷焊接技術能夠解決鍍鋅板和鋁板的焊接難題，可滿足汽車、航空航天等領域減重、節(jié)能的需要。有文獻研究表明，若汽車整車質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車車身約占汽車總質量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身質量上，如車重減少100 kg，每100 km可省汽油0.5～0.8 L，CO2排放量將相應減少。為了實現輕量化制造，超薄鍍鋅板以及輕型鋁合金材料的應用已非常普遍[1]。由于薄板焊接對母材的熱輸入有嚴格的要求，既要保證焊接過程中的穩(wěn)定，形成優(yōu)質美觀的焊縫，同時對母材要降低熱輸入，減少熱變形。常規(guī)的氣體保護焊不能滿足這類工件的焊接要求，采用冷焊是目前最為可行的方法。因此冷焊作為輕質異種金屬材料的連接方式，在實現輕量化制造、節(jié)能減排方面具有重要意義。

二是對節(jié)能增效的意義。冷焊方法通過對焊接過程中電弧電壓和電流以及熔滴短路時焊絲脈動送絲的精確控制，在熔滴短路過渡時，迅速降低電流，使過渡在小電流狀態(tài)下進行，平均電流遠低于普通的脈沖MIG焊，顯著降低了焊接的熱量輸入。Staubach等人提出了“通過冷焊工藝，在提高焊接質量的同時可降低50%的熱輸入”[10]，在制造中采用冷焊逆變式焊機至少節(jié)電30%以上，有效地實現了采用新的加工方法和裝備的節(jié)能目標。利用新的冷焊工藝，焊接速度可達2.0～6.0 m／min，能有效地提高生產率，提高企業(yè)能源利用率，實現增效節(jié)能。

2 低熱輸入焊接技術的發(fā)展現狀

目前在國際上只有Fronius、EWM、林肯等少數幾家公司掌握冷焊技術，冷焊技術是結合了材料加工、電力電子、信號處理、自動控制等理論和技術手段發(fā)展起來的新型焊接技術，是國家產業(yè)政策鼓勵發(fā)展的新興技術。

2.1 德國EWM公司的Cold Arc技術

在2005年的德國埃森焊接與切割展覽會上，德國EWM公司推出了一種新型的Cold Arc冷弧焊接技術，該技術采用逆變技術結合數字控制系統(tǒng)，通過在短路過后電弧再引燃時將電源輸出能量迅速降低，使焊接過程輸入能量降低。在2009年6月14屆北京國際埃森焊接展上，德國EWM公司演示了采用Cold Arc技術的薄板焊接，Cold Arc技術與傳統(tǒng)熔滴短路過渡的波形區(qū)別如圖1所示。Cold Arc技術采用波控技術，電弧從燃燒進入短路階段，電弧被熄滅，熔池的表面張力將熔滴拉向熔池，使熔滴產生頸縮，隨后熔滴與焊絲分離，在焊絲和熔池之間又重新燃燒電弧，電流迅速下降，降低了短路過程中電弧重燃時出現的局部能量高峰，減少了飛濺，且熱影響小，工件變形小，在對鍍鋅板進行焊接時可以最大限度地保護鍍鋅層。

圖1 冷弧焊熔滴過渡與傳統(tǒng)短路熔滴過渡的比較

而傳統(tǒng)的熔滴短路過渡在電弧重燃時，在熔滴脫落的瞬間，電壓急驟上升，以保證電弧重新引燃。由于電路中電感的存在，熔滴脫落后電流緩慢下降，因此在短路后電弧重燃的瞬間，電流和電壓值都很高，電弧能量大，在這一瞬間極易出現飛濺或電弧不穩(wěn)。在一般的薄板焊接中，由于短路過渡中電弧重燃時較高的電弧能量會產生許多不良影響，短弧焊重新燃弧的高能量會將焊件燒穿，在焊接鍍鋅板時容易破壞表面的鍍鋅層等。

2.2 Fronius冷金屬過渡(CMT)技術

奧地利Fronius公司的CMT法是在短路過渡基礎上開發(fā)的。普通的短路過渡過程是：焊絲熔化形成熔滴→熔滴與熔池短路→小橋爆斷，短路時伴有大電流(即大能量輸入)和飛濺。而CMT通過特殊的波形控制減小了電弧能量輸入，同時較低的短路電流也降低了短路階段產生的電阻熱，可以更精確地控制焊接熱輸入。在短路過渡過程中，CMT將熔滴尺寸控制在一定范圍內，防止滴狀過渡的發(fā)生，實現穩(wěn)定的短路過渡；另外，特殊的抽拉式的脈動送絲能夠有效幫助熔滴脫落，避免了大的電磁力和電爆炸，顯著地降低電弧能量，有效消除了飛濺，滿足超薄鍍鋅板與輕型鋁合金材料的焊接，擴展了MIG／MAG焊在金屬連接中的應用范圍[2]，CMT一個周期熔滴過渡示意如圖2所示[11]。CMT具有推拉送絲特點的送絲機如圖3所示[11]。這種送絲機在發(fā)生短路時可反轉回抽焊絲，讓焊絲與熔滴分離，使熔滴在幾乎無電流狀態(tài)下過渡，母材熔化時間極短，起弧速度加快，熱能輸入低，焊接形變小，搭橋能力強，焊縫美觀，從根本上消除了飛濺產生的原因，其創(chuàng)意新穎獨特[13-14]，但是CMT也存在不足之處：

圖2 CMT一個周期熔滴過渡示意

圖3 CMT焊接采用的獨特的推拉送絲機

(1)送絲由送絲機驅動，回抽由焊槍上的無齒輪電機驅動，同步協同控制要求高，系統(tǒng)控制過于復雜，技術難度大。

(2)回抽有阻力，需要軟管緩沖，反復推拉(抽送頻率70 Hz)會在焊絲中產生內應力，使強度低的鋁合金類焊絲折斷。

(3)對送絲機要求高，既要完成送絲任務，又要完成焊絲的回抽任務，焊絲抽送頻率達60～70 Hz，因此系統(tǒng)的動態(tài)性能要求高，送絲設備昂貴。

2.3 林肯的STT技術

林肯公司的表面張力過渡技術(Surface Tension Transfer，簡稱STT技術)是CO2焊接技術的一個突破，經過近幾年的實踐，這一技術已經接近成熟，且在工業(yè)領域中得到了應用。

STT采用計算機控制電路對CO2脈沖進行波形控制，控制電弧的瞬間能量，使電弧的瞬間能量能按要求進行供給。由于液體金屬表面張力和電磁收縮力的作用，CO2焊接短路過程中會產生液橋和頸縮液橋，如果在頸縮過程中不迅速減少能量的輸入，液橋就會因能量過剩而產生爆斷，從而產生大量的飛濺。STT技術就是根據CO2短路過渡中不同的階段，及時改變電流的大小，消除金屬液橋的爆斷，從而達到減少飛濺的目的，通常STT技術可以將飛濺率控制在1%以下。由于基值電流一般控制在80A以下，平均電流在150A以內，電弧的能量較低，熔深較淺，適用于薄板和輕質金屬材料的焊接。

2.4 其他公司和研究機構的冷焊技術

OTC公司提出的AC-CBT(AC Controlled Bridge Transfer)技術，即交流短路過渡控制技術，通過在正(EP)負(EN)輸出極性之間相互切換進行焊接，其極性比率可按需求進行變換。這種方法搭橋能力好，能夠滿足不同材料薄板低能量輸入焊接的要求，熔敷率也可以按要求自行調節(jié)。AC-CBT技術對薄板的焊接效果良好，減少了能量的輸入，降低了CO2／MAG焊接過程中的飛濺，缺點是在輸出極性切換時，弧長的穩(wěn)定性控制較困難。

國內大學和研究所如哈爾濱工業(yè)大學、北京理工大學、華南理工大學和哈爾濱焊接研究所等都進行了冷焊技術的研究工作。北京理工大學開發(fā)出了一種NLEI(New Low Energy Input)焊接新方法，焊接過程中，焊絲的推拉運動與電流波形相配合，實現低能量輸入焊接。2002年華南理工大學進行了CO2／MAG的波控焊接實驗，減少了短路過程中的液橋爆斷現象，有效地降低了焊接過程中的飛濺，并成功地進行了鋁合金薄板材的焊接實驗，取得了階段性的成果。

3 冷焊技術尚需解決的關鍵技術

從冷弧焊的工作原理來看，目前還有許多關鍵技術有待突破，其系統(tǒng)設備復雜、成本高、難于推廣，如一臺可用于CO2冷焊接的電源需要30多萬元。送絲結構復雜、價格高，EWM的Cold Arc冷電弧焊接是采用類似于林肯的表面張力(STT)過渡技術，主要依靠電子電抗器實現電流的波形控制，在熔滴短路過渡時將主電路中的濾波電感用電子開關旁路掉，使主電路電流急劇下降。這種方法的冷弧時間短且不可控制，效果不好，適用范圍窄。而在送絲控制上沒有給予足夠的重視。

綜上所述，由于冷焊工藝的復雜性，技術有待成熟，需要解決的關鍵技術有以下幾方面：

(1)精確、可靠的波形協同控制技術，確保在熔滴過渡時電流為零。

(2)穩(wěn)定、兼容性強的送絲方式。針對Fronius存在焊槍上回抽易導致焊絲折斷的缺點，必須研制出能夠長期穩(wěn)定、可靠工作，且能兼容各種尺寸焊絲的送絲機。

(3)針對目前冷焊送絲機結構復雜、兼容性差、價格昂貴的缺點，需研制出成本更低、兼容性更強的送絲機。

4 結論

冷焊技術在薄板、輕質、異種材料的焊接上有著廣闊的應用前景，符合國家“十二五”期間節(jié)能減排的要求。冷焊技術突破了現有焊接工藝的限制，可以直接實現異種金屬、涂層金屬、超薄板的焊接，能應用于汽車、船舶、航天等重要行業(yè)。開展冷焊技術研究，有助于企業(yè)實現輕量化制造，實現節(jié)能減排，縮小我國在焊接設備領域與世界先進國家的差距，打破國外壟斷，降低生產成本，加強我國制造業(yè)的核心競爭力，具有重大的經濟和社會效益。

[1]丁向群，何國求，劉小山，等.6000系汽車車用鋁合金的研究應用進展[J].材料科學與工程學，2005，23(3)：302-305.

[2] YANG X R.A revolution in GMAW welding technolog[J].Cailiao Kexue yu Gongyi／Material Science and Technology，2006，14(12)：236-238.

[3] Anon.Cold metal transfer widens welding range[J].Professional Engineering，2005，15(14)：48.

[4]水野政夫.鋁及其合金的焊接[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1985.

[5]張同俊，李星國.鎂合金的應用和中國鎂工業(yè)[J].材料導報，2002，16(7)：11-13.

[7]黃欽筠.鍍層薄板的MIG釬焊[J].電焊機，2001，31(1)：29-30.

[8] Elrefaey A，Takahashi M.Friction-stir-welding lap joint of aluminum to zinc-coated steel[C].熔接協會論文集，2005，23(2)：186-193.

[9]李亞江，王 娟.異種難焊材料的焊接及應用[M].化學工業(yè)出版社，2003：170-175.

[10]楊修榮.鋼與鋁的焊接[J].航空制造技術.2004(12)：96.

[11]Marten S，Ricus M，Sven J.Measurement and minimisation of welding-induced distortions in T-joints between sections[J].Welding and Cutting，2007，6(1)：41-44.

[12]Jergen B.Cold metal transfer has a future joining steel to aluminum[J].Welding Journal，2005，84(6)：38-40.

[13]Furukawa K.New CMT arc welding process-welding of steel to aluminium dissimilar metalsand welding of super-thin aluminium sheets[J].Welding International，2006，20(6)：440-445.

[14]SchierlA.TheCMT-Process-ARevolutioninweldingtechnology[J].Welding in the World，2005，49(9)：38.

Application prospect of low heat input welding technology

ZHOU Yi-qing，LIN Fang，XUE Jia-xiang
(School of Mechanical＆Automotive Engineering，South China University of Technology，GuangZhou 510640，China)

As the most efficient welding method，the low heat input welding is used to join more and more sheet metal materials and light alloy materials in automobile and shipbuilding industry，but this new welding technology in China is starting now.Along with the national industrial upgrading，this new welding technology has wide usage，can be widely used to join Mg-Al alloy，ultra thin sheet steel and dissimilar metal material pieces，is of great significance for saving energy，reducing consumption and realizing lightweight manufacturing in manufacturing industry，conform to the state industrial policies，particularly suitable for aerospace，high-speed railway and inter-city rail manufacturing industry.

cold arc welding；sheet metal materials；light alloy

TG456.4

C

1001-2303(2011)07-0038-05

2011-04-27

國家自然科學基金資助項目(50875088)；廣東省科技計劃項目(2008B010400006)

周漪清(1962—)，男，湖北宜昌人，博士，副教授，主要從事現代電源與智能控制技術的研究工作。