基于钨极氩弧焊与冷金属过渡焊接复合热源的焊接方法和应用与流程

本发明是母案申请“一种钨极氩弧焊与冷金属过渡焊接复合热源焊接设备及方法和应用”的分案申请，母案申请的申请日为2015年5月14日，申请号为2015102457779。

本发明提出的一种tig与cmt复合热源焊接方法属于复合热源焊接技术领域,该复合热源焊接方法可以保证cmt焊接冷金属过渡行为，增加cmt焊接焊缝的熔深，改善cmt堆焊成形的润湿性。

背景技术：

冷金属过渡(coldmetaltransfer，简称cmt)焊接是奥地利fronius公司在mig/mag焊基础上开发的一种焊接新方法，特别适用于薄板的连接。cmt工艺首次将熔滴短路过渡过程同送丝运动相结合，区别于传统的熔化焊的短路熔滴爆断过渡方式，当焊接熔滴与熔池发生短路时，通过信号反馈，送丝反转，通过焊丝回抽的机械力拉断液态熔滴。由于cmt焊接中，除了引弧阶段具有较大的电流外，其他阶段的电流都比较小，因此，cmt焊接具有工件的热输入低、熔滴大小易控、短路过渡过程稳定、无焊接飞溅等特点。由于cmt焊接热输入较低,在焊接中厚板金属时,cmt焊接熔深浅，堆焊时焊缝润湿性差，因此其应用范围受到限制。

非熔化极气体保护焊(简称tig或gtaw)又称钨极氩弧焊或钨极惰性气体保护焊，它是使用纯钨或活化钨电极，以惰性气体—氩气作为保护气体的气体保护焊方法，钨棒电极只起导电作用不熔化，通电后在钨极和工件间产生电弧。在焊接过程中可以填丝也可以不填丝。填丝时，焊丝应从钨极前方填加。钨极氩弧焊又可分为手工焊和自动焊两种，以手工钨极氩弧焊应用较为广泛。

tig焊接过程稳定，焊缝成形好，但熔深浅、焊接效率低，适用于薄板的焊接；在中厚板焊接中，因为焊接热输入比较大，焊接接头组织晶粒容易粗大，接头的力学性能明显下降。

由此可见，tig焊和cmt焊在中厚板焊接中的应用都受到一定限制。如何减小或克服tig焊和cmt焊存在的问题，发挥其各自优势，实现中厚板的焊缝成形与接头性能可控以及高效焊接，对cmt在工程结构中的应用具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有的cmt、tig焊接方法的不足，促进cmt焊接技术的发展，扩大cmt焊接应用范围，提高焊接质量和效率，本发明提供一种tig与cmt复合热源的焊接设备和方法，该方法可以调节焊接工件的热输入量，解决在中厚板焊接中cmt焊接熔深浅、堆焊润湿性差等问题，改善焊接接头的微观组织结构，实现焊接的控形与控性。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种钨极氩弧焊与冷金属过渡焊复合热源焊接设备，使用钨极氩弧焊焊枪(tig)与冷金属过渡焊焊枪(cmt)共同为焊缝提供热源；沿焊接方向上所述钨极氩弧焊焊枪设置在冷金属过渡焊焊枪的前方；所述钨极氩弧焊焊枪与冷金属过渡焊焊枪分别与工件表面保持垂直，且将钨极氩弧焊焊枪与冷金属过渡焊焊枪固定在同一个垂直于工件表面的竖直平面内，以使钨极氩弧焊焊枪的钨极和冷金属过渡焊焊枪的焊丝分别与工件表面保持垂直；钨极氩弧焊焊枪的钨极在工件表面的投影，与冷金属过渡焊焊枪的焊丝在工件表面的投影保持在一条水平线上；所述钨极氩弧焊焊枪的钨极和冷金属过渡焊焊枪的焊丝分别伸出各自焊枪的前端，形成钨极氩弧焊焊枪钨极的伸长端和冷金属过渡焊焊枪焊丝的伸长端。

在上述技术方案中，钨极氩弧焊焊枪的钨极在工件表面的投影，与冷金属过渡焊焊枪的焊丝在工件表面的投影之间的水平距离为20-70mm，优选30—50mm；钨极氩弧焊焊枪的钨极在工件表面的投影位于钨极氩弧焊焊枪喷嘴在工件表面投影的中心，冷金属过渡焊焊枪的焊丝在工件表面的投影位于冷金属过渡焊焊枪喷嘴在工件表面投影的中心。

在上述技术方案中，钨极氩弧焊焊枪采用钨极的直径为1.0-3.0mm，优选2—2.5mm；钨极氩弧焊焊枪钨极的伸长端为2-6mm，优选3—4mm。

在上述技术方案中，冷金属过渡焊焊枪采用焊丝的直径为0.5-2.0mm，优选1—1.5mm；冷金属过渡焊焊枪焊丝的伸长端为10-18mm，优选12—15mm。

在上述技术方案中，采用两个焊机分别与钨极氩弧焊焊枪(tig)与冷金属过渡焊焊枪(cmt)相连，并为其提供焊接用的相应能源。

一种钨极氩弧焊与冷金属过渡焊复合热源焊接方法，钨极氩弧焊焊枪的钨极和冷金属过渡焊焊枪的焊丝分别与工件表面保持垂直，钨极氩弧焊焊枪的钨极在工件表面的投影，与冷金属过渡焊焊枪的焊丝在工件表面的投影保持在一条水平线上；在焊接方向上，钨极氩弧焊焊枪的钨极设置在冷金属过渡焊焊枪的焊丝的前方，以使钨极氩弧焊焊枪沿焊缝方向先起弧进行焊接，待钨极氩弧焊焊缝未完全凝固时冷金属过渡焊焊枪移动至之前钨极氩弧焊起弧焊接的位置，并起弧进行盖面焊接，在同一条焊缝位置利用钨极氩弧焊焊接的预热来改善冷金属过渡焊焊接的焊缝成形，以得到更为理想的焊接接头。

在上述技术方案中，钨极氩弧焊焊枪的保护气采用氮气、氦气以及氩气其中之一，所述钨极氩弧焊焊枪保护气的气流选用3-12l/min，优选5-10l/min。

在上述技术方案中，冷金属过渡焊焊枪的保护气采用氮气、氦气以及氩气其中之一，冷金属过渡焊焊枪保护气的气流选用12-25l/min，优选15-20l/min。

上述复合热源焊接方法在堆焊上的应用，所述冷金属过渡焊焊枪的电流为50-70a，所述钨极氩弧焊焊枪的电流为0-100a，其中电流大于0a，所述钨极氩弧焊焊枪的交流频率为50-70hz，所述钨极氩弧焊焊枪与所述冷金属过渡焊焊枪的行走速度均为3-8mm/s。

其中，所述冷金属过渡焊焊枪的电流为55-60a，所述钨极氩弧焊焊枪的电流为50—80a，所述钨极氩弧焊焊枪的交流频率为55-60hz，所述钨极氩弧焊焊枪与所述冷金属过渡焊焊枪的行走速度均为4-5mm/s。

上述复合热源焊接方法在对焊上的应用，所述钨极氩弧焊焊枪的电流为110-140a，所述钨极氩弧焊焊枪的交流频率为50-70hz，所述冷金属过渡焊焊枪的电流为20-100a，所述钨极氩弧焊焊枪与所述冷金属过渡焊焊枪的行走速度均为1-5mm/s。

其中，所述钨极氩弧焊焊枪的电流为120-130a，所述钨极氩弧焊焊枪的交流频率为60-65hz，所述冷金属过渡焊焊枪的电流为40-80a，所述钨极氩弧焊焊枪与所述冷金属过渡焊焊枪的行走速度均为2-3mm/s。

本发明的复合热源主要用于铝合金、钢铁等各类金属材料板材或管材的焊接，也可以用于异种金属板材或管材的焊接。

如图2所示，本发明中铝合金材料tig与cmt平板堆焊缝成形图。由图2可见，采用tig与cmt复合焊，可以改善堆焊的润湿角；改变tig焊电流，可以调节堆焊焊缝的焊缝成形形状。如图3所示，本发明中铝合金材料tig与cmt对接焊缝成型图。图3(a)是cmt焊接电流为50a时的焊缝照片，可见焊缝明显的分为下部是tig打底焊焊缝区，上部则是cmt填充盖面焊焊缝区；图3(b)是cmt焊接电流为65a时的焊缝照片，该焊缝看不到焊缝分区情况，焊缝呈中间窄，上下宽的形状。通过tig与cmt复合热源焊接，实现了中厚板的一次成形，焊缝成形良好。

图4为本发明中cmt、tig与tig与cmt对焊焊接接头硬度点分布示意图。焊缝中心为0点坐标，向右坐标为正，向左坐标为负。硬度是由依工测试测量仪器公司生产的的432svd型的维氏硬度仪进行测量的，加载力为100g，停留时间为10s。维氏硬度的测量沿着焊缝横截面的厚度中心线，每组均匀的测量31个点，每点间隔0.5mm。图5为本发明中cmt、tig与tig与cmt对焊焊接接头硬度分布图。由图5可以看出，-2.3-2.7mm为焊缝区，-2.3—-2.3mm和2.7mm-4.5mm为热影响区，其余为母材区。由硬度曲线知，cmt焊接头的硬度值最低，在焊缝处和热影响区有明显的硬度下降，软化现象明显；tig焊接头硬度值分布比较均匀，在焊缝处达到最大值，在热影响区处小幅小降；tig与cmt焊接头硬度值普遍较高，特别是在焊缝处硬度达到最大值，虽在热影响区处硬度下降明显，当仍能够保持较高的硬度。

在本发明的技术方案中，tig电弧位于cmt电弧之前；采用tig电弧的目的是起到工件预热作用，通过改变tig焊接参数，可以调整工件的热输入量；同时，tig电弧也具有打底焊的作用。cmt电弧位于tig电弧之后，起填充、盖面焊缝的作用；由于cmt电弧没有受到tig电弧的影响，其熔滴过渡形式仍保持原有的冷金属短路过渡形式，没有焊接飞溅，但是由于tig电弧对工件的预热作用，tig与cmt复合热源的焊接熔深明显增加，堆焊的润湿性得到改善。

本发明的有益效果为：本发明提出的一种tig与cmt复合热源焊接方法解决了单纯cmt焊接液态熔池铺展性不佳的问题,改善了焊缝成形,增加了熔深，实现了金属板对接的一次成形的板厚范围，提高焊接效率，使cmt和tig在中厚板焊接的应用范围得到了扩大，并可以改善焊接接头微观组织，提高焊接质量。

附图说明

图1为本发明中tig与cmt复合焊接设备示意图(1)，其中1为被焊工件，2为cmt焊枪，3为焊丝，4为tig焊枪，5为钨极，d为两枪间距，即钨极氩弧焊焊枪的钨极在工件表面的投影，与冷金属过渡焊焊枪的焊丝在工件表面的投影之间的水平距离。

图2为本发明中铝合金材料tig与cmt平板堆焊缝成形图，其中(a)、(b)、(c)所示焊缝的tig焊电流分别为0a、60a、100a。

图3为本发明中铝合金材料tig与cmt对接焊缝成型图，其中(a)是cmt焊接电流为50a时的焊缝照片；(b)是cmt焊接电流为65a时的焊缝照片。

图4为本发明中cmt、tig与tig与cmt对焊焊接接头硬度点分布示意图。

图5为本发明中cmt、tig与tig与cmt对焊焊接接头硬度分布图。

图6是本发明中钨极氩弧焊与冷金属过渡焊复合热源焊接设备示意图(2)，其中1为被焊工件，2为cmt焊枪，3为焊丝，4为tig焊枪，5为钨极，d为两枪间距(即钨极氩弧焊焊枪的钨极在工件表面的投影，与冷金属过渡焊焊枪的焊丝在工件表面的投影之间的水平距离)，6为与cmt焊枪相连的焊机，7为与tig焊枪相连的焊机。

图7是本发明中钨极氩弧焊与冷金属过渡焊复合热源焊接设备中cmt焊枪和tig焊枪在被焊工件表面的投影示意图，其中1为被焊工件，d为两枪间距(钨极氩弧焊焊枪的钨极在工件表面的投影，与冷金属过渡焊焊枪的焊丝在工件表面的投影之间的水平距离)，2-1为cmt焊枪喷嘴在工件表面的投影，2-2为cmt焊枪的焊丝在工件表面的投影，4-1为tig焊枪的喷嘴在工件表面的投影，4-2为tig焊枪的钨极在工件表面的投影。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，两枪固定在同一平面内，一前一后与工件保持垂直，两枪间距d为30mm，tig钨极5直径2.4mm，钨极5伸长为4mm。cmt焊丝3直径为1.2mm，cmt焊丝3伸长为13mm。焊接时，tig在前，cmt在后。

本发明涉及的实验母材为铝合金6061，试件规格为300×150×4mm，焊丝选用er4043。采用交流tig与直流cmt复合焊对4mm板厚的铝合金进行平板堆焊、对接的焊接试验。通过分别改变tig电流，改变cmt电流焊接参数，得到理想的焊缝接头。实验设备选用cmt焊机为福尼斯公司的cmtadvanced4000型焊机，tig采用的是福尼斯公司的magicwave4000型，交直流两用氩弧焊焊机。

其主要实现步骤如下：

1.堆焊试验

1)焊前准备

堆焊前，用钢丝刷将铝板上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，用酒精将施焊处表面各约30-40mm范围内的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜。

2)搭建焊接实验平台，如图1所示。

3)设定焊接参数。采用交流tig与直流cmt复合焊，设定两枪间距为30mm，保持cmt焊接电流不变为60a，改变tig电流，在0a-100a内进行变化，交流频率为60hz。焊枪总体行走速度为5mm/s，气体流量：cmt＝20l/min，tig＝10l/min。焊接时，tig在前，最先起弧，cmt在后，延迟起弧，焊接结束时，tig先收弧，cmt后收弧。

4)图2为本发明中铝合金材料tig与cmt平板堆焊缝成形图。图2(a)、(b)、(c)所示焊缝的tig焊电流分别为0a、60a、100a。由图2可见，采用tig与cmt复合焊，可以改善堆焊的润湿角；改变tig焊电流，可以调节堆焊焊缝的焊缝成形形状。

2.对焊试验

1)焊前准备

在对接焊前，将铝板机械加工成90°v形坡口，预留1mm钝边，然后进行清理，对焊时两板间隙为0。

2)搭建焊接实验平台，如图1所示。

3)设定焊接参数。采用交流tig与直流cmt复合焊，设定两枪间距为30mm，保持tig焊电流不变为125a，交流频率为60hz。改变cmt电流，在40a-80a内进行变化，焊枪总体行走速度为2mm/s，气体流量：cmt＝20l/min，tig＝10l/min。焊接时，tig在前，最先起弧，进行打底，cmt在后，延迟起弧，进行盖面。焊接结束时，tig先收弧，cmt后收弧。

图3为本发明中铝合金材料tig与cmt对接焊缝成型图。图3(a)是cmt焊接电流为50a时的焊缝照片，可见焊缝明显的分为下部是tig打底焊焊缝区，上部则是cmt填充盖面焊焊缝区；图3(b)是cmt焊接电流为65a时的焊缝照片，该焊缝看不到焊缝分区情况，焊缝呈中间窄，上下宽的形状。通过tig+cmt复合热源焊接，实现了中厚板的一次成形，焊缝成形良好。

图4为本发明中cmt、tig与tig与cmt对焊焊接接头硬度分布图。由图4可以看出，cmt焊接头的硬度值最低，在焊缝处和haz有明显的硬度下降，软化现象明显；tig焊接头硬度值分布比较均匀，焊缝处达到最大值，在haz处小幅小降；tig+cmt焊接头硬度值普遍较高，特别是在焊缝处硬度达到最大值，但是在haz处硬度下降明显。

实施例2

如图1所示，两枪固定在同一平面内，一前一后与工件保持垂直，两枪间距d为20mm，tig钨极5直径1.0mm，钨极5伸长为2mm。cmt焊丝3直径为0.5mm，cmt焊丝3伸长为10mm。焊接时，tig在前，cmt在后。

本发明涉及的实验母材为铝合金6061，试件规格为300×150×4mm，焊丝选用er4043。采用交流tig与直流cmt复合焊对4mm板厚的铝合金进行平板堆焊、对接的焊接试验。通过分别改变tig电流，改变cmt电流焊接参数，得到理想的焊缝接头。实验设备选用cmt焊机为福尼斯公司的cmtadvanced4000型焊机，tig采用的是福尼斯公司的magicwave4000型，交直流两用氩弧焊焊机。

其主要实现步骤如下：

1.堆焊试验

1)焊前准备

堆焊前，用钢丝刷将铝板上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，用酒精将施焊处表面各约30-40mm范围内的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜。

2)搭建焊接实验平台，如图1所示。

3)设定焊接参数。采用交流tig与直流cmt复合焊，设定两枪间距为20mm，保持cmt焊接电流不变为50a，改变tig电流，在0a-100a内进行变化，交流频率为50hz。焊枪总体行走速度为3mm/s，气体流量：cmt＝25l/min，tig＝12l/min。焊接时，tig在前，最先起弧，cmt在后，延迟起弧，焊接结束时，tig先收弧，cmt后收弧。

2.对焊试验

1)焊前准备

在对接焊前，将铝板机械加工成90°v形坡口，预留1mm钝边，然后进行清理，对焊时两板间隙为0。

2)搭建焊接实验平台，如图1所示。

3)设定焊接参数。采用交流tig与直流cmt复合焊，设定两枪间距为20mm，保持tig焊电流不变为110a，交流频率为50hz。改变cmt电流，在20a-100a内进行变化，焊枪总体行走速度为1mm/s，气体流量：cmt＝25l/min，tig＝12l/min。焊接时，tig在前，最先起弧，进行打底，cmt在后，延迟起弧，进行盖面。焊接结束时，tig先收弧，cmt后收弧。

实施例3

如图1所示，两枪固定在同一平面内，一前一后与工件保持垂直，两枪间距d为50mm，tig钨极5直径2.0mm，钨极5伸长为5mm。cmt焊丝3直径为1.5mm，cmt焊丝3伸长为15mm。焊接时，tig在前，cmt在后。

本发明涉及的实验母材为铝合金6061，试件规格为300×150×4mm，焊丝选用er4043。采用交流tig与直流cmt复合焊对4mm板厚的铝合金进行平板堆焊、对接的焊接试验。通过分别改变tig电流，改变cmt电流焊接参数，得到理想的焊缝接头。实验设备选用cmt焊机为福尼斯公司的cmtadvanced4000型焊机，tig采用的是福尼斯公司的magicwave4000型，交直流两用氩弧焊焊机。

其主要实现步骤如下：

1.堆焊试验

1)焊前准备

堆焊前，用钢丝刷将铝板上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，用酒精将施焊处表面各约30-40mm范围内的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜。

2)搭建焊接实验平台，如图1所示。

3)设定焊接参数。采用交流tig与直流cmt复合焊，设定两枪间距为50mm，保持cmt焊接电流不变为60a，改变tig电流，在0a-100a内进行变化，交流频率为60hz。焊枪总体行走速度为6mm/s，气体流量：cmt＝18l/min，tig＝8l/min。焊接时，tig在前，最先起弧，cmt在后，延迟起弧，焊接结束时，tig先收弧，cmt后收弧。

2.对焊试验

1)焊前准备

在对接焊前，将铝板机械加工成90°v形坡口，预留1mm钝边，然后进行清理，对焊时两板间隙为0。

2)搭建焊接实验平台，如图1所示。

3)设定焊接参数。采用交流tig与直流cmt复合焊，设定两枪间距为50mm，保持tig焊电流不变为130a，交流频率为60hz。改变cmt电流，在40a-100a内进行变化，焊枪总体行走速度为4mm/s，气体流量：cmt＝18l/min，tig＝8l/min。焊接时，tig在前，最先起弧，进行打底，cmt在后，延迟起弧，进行盖面。焊接结束时，tig先收弧，cmt后收弧。

实施例4

如图1所示，两枪固定在同一平面内，一前一后与工件保持垂直，两枪间距d为70mm，tig钨极5直径3.0mm，钨极5伸长为6mm。cmt焊丝3直径为2.0mm，cmt焊丝3伸长为18mm。焊接时，tig在前，cmt在后。

本发明涉及的实验母材为铝合金6061，试件规格为300×150×4mm，焊丝选用er4043。采用交流tig与直流cmt复合焊对4mm板厚的铝合金进行平板堆焊、对接的焊接试验。通过分别改变tig电流，改变cmt电流焊接参数，得到理想的焊缝接头。实验设备选用cmt焊机为福尼斯公司的cmtadvanced4000型焊机，tig采用的是福尼斯公司的magicwave4000型，交直流两用氩弧焊焊机。

其主要实现步骤如下：

1.堆焊试验

1)焊前准备

堆焊前，用钢丝刷将铝板上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，用酒精将施焊处表面各约30-40mm范围内的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜。

2)搭建焊接实验平台，如图1所示。

3)设定焊接参数。采用交流tig与直流cmt复合焊，设定两枪间距为70mm，保持cmt焊接电流不变为70a，改变tig电流，在0a-100a内进行变化，交流频率为70hz。焊枪总体行走速度为8mm/s，气体流量：cmt＝12l/min，tig＝3l/min。焊接时，tig在前，最先起弧，cmt在后，延迟起弧，焊接结束时，tig先收弧，cmt后收弧。

2.对焊试验

1)焊前准备

在对接焊前，将铝板机械加工成90°v形坡口，预留1mm钝边，然后进行清理，对焊时两板间隙为0。

2)搭建焊接实验平台，如图1所示。

3)设定焊接参数。采用交流tig与直流cmt复合焊，设定两枪间距为70mm，保持tig焊电流不变为140a，交流频率为70hz。改变cmt电流，在20a-80a内进行变化，焊枪总体行走速度为5mm/s，气体流量：cmt＝12l/min，tig＝3l/min。焊接时，tig在前，最先起弧，进行打底，cmt在后，延迟起弧，进行盖面。焊接结束时，tig先收弧，cmt后收弧。

利用本发明内容的工艺参数，并按照上述实施例步骤均可实现铝合金6061的堆焊和对焊，且表现出基本相同的焊缝硬度的性质和形貌特征。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。