CO2氣體保護焊自問(wèn)世以來(lái)，以其具有明弧、無(wú)渣、低成本、高效節能、抗銹低氫等特點(diǎn)，在生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應用。但CO2氣體保護焊有兩點(diǎn)主要不足：飛濺大和成形差。飛濺不僅污染工件，增加勞動(dòng)強度，降低熔敷率，還會(huì )堵塞噴嘴，使送絲不暢。特別在一些重要構件上，清理飛濺較為困難或者不允許清理時(shí)，其應用受到很大限制。除此之外，由飛濺等引起的細小顆粒還會(huì )帶來(lái)粉塵污染，影響職工的身體健康。

CMT（Cold Metal Transfer，冷金屬過(guò)渡）工藝自2004年正式推出以來(lái)，一直受到焊接界的廣泛關(guān)注，此工藝最重要的特點(diǎn)是利用其極穩定的電弧、極低的熱輸入量來(lái)實(shí)現無(wú)飛濺的焊接過(guò)程。CMT工藝與CO2氣體保護相結合的焊接工藝具有極穩定電弧、無(wú)飛濺和良好的焊縫成形等優(yōu)點(diǎn)，解決了普通CO2氣體保護焊飛濺大、成形差的缺點(diǎn)，是一種節能高效環(huán)保的焊接工藝，具有重要的應用價(jià)值。但CMT因其“冷”的特點(diǎn)使得焊縫熔深普遍較小，特別是在汽車(chē)中平行接頭和搭接接頭較多，熔深問(wèn)題制約了其應用和推廣，因此尋找一種解決CMT工藝焊接熔深的方法十分重要?；钚詣〤MT焊接的研究旨在提高焊縫熔深，改善焊縫成型。

20世紀60年代，烏克蘭巴頓焊接研究所(PWI)研究了最初的A-TIG（Activating flux TIG welding）焊接工藝。20世紀90年代，人們對提高焊接效率和降低焊接成本有了進(jìn)一步的需求，美國愛(ài)迪生焊接研究所(EWI)、英國焊接研究所(TWI)和日本大阪大學(xué)焊接研究所等多家知名焊接機構在A(yíng)-TIG焊活性劑方面開(kāi)展了廣泛研究，俄羅斯也在2001年進(jìn)行了有關(guān)不銹鋼焊接方面的活性劑的研制。我國于20世紀末開(kāi)始活性劑焊接方面的研究，國內外焊接學(xué)者已經(jīng)將活性劑應用到TIG焊、電子束焊、激光焊、釬焊等領(lǐng)域，取得了一定成果。開(kāi)展CO2氣體保護的CMT焊接研究，對于實(shí)現綠色制造、建立節約型和諧社會(huì )具有重要的現實(shí)意義。在此試驗研究了活性劑CMT焊接，并分析活性劑在活性劑CMT焊中的作用機理。

1試驗

1.1實(shí)驗材料與設備

試驗采用的母材為低碳鋼Q235B，試樣尺寸為200 mm×90 mm×10 mm；φ1.2 mm的H08Mn2SiA實(shí)心焊絲；CO2保護氣體；基本活性劑是CaF2、Al2O3、Y2O3、B2O3、SiO2、MoO3、MgCO3、Fe2O3和Cr2O3共9種，試驗時(shí)分別以A，B，C，D，E，F，G，H，I表示對應的單一活性劑成分；活性劑乳化劑為酒精。試驗設備為奧地利福尼斯公司的TPS5000CMT的數字化脈沖MIG/MAG焊機，配備VR7000送絲機和RCU5000i遙控器，海德盟Hi800-M系列數控系統和焊接工作臺。

1.2試驗規范參數

采用CMT一元化焊接工藝，通過(guò)正交試驗確定主要影響因素，焊接規范參數如表1所示。

表1焊接工藝參數

1.3試驗方法

采用對比實(shí)驗法，通過(guò)比較單組分活性劑焊接試驗與無(wú)活性劑試驗結果，確定各活性劑的影響次序，分析活性劑對CMT焊的作用機理。每組實(shí)驗重復進(jìn)行一次，所得焊縫結果取平均值。

試驗前先將試樣除銹，用角磨機打磨，再用酒精或丙酮擦拭，去除油污及其他雜質(zhì)。然后稱(chēng)取一定量的活性劑，用乳化劑酒精進(jìn)行充分乳化，調配攪拌成糊狀。用扁平毛刷將活性劑涂于工件待焊位置寬20 mm的區域，活性劑涂覆厚度以覆蓋金屬表面光澤為宜。最后在如表1所示的同一焊接參數下進(jìn)行焊接試驗。觀(guān)察焊接現象，用RCU5000i外加存儲卡記錄焊接過(guò)程參數變化；焊后觀(guān)察焊縫的宏觀(guān)成形，并記錄結果；將試驗所得焊縫沿距尾部30mm的距離進(jìn)行切割，然后打磨、拋光、腐蝕和觀(guān)察金相，記錄焊縫的熔深、熔寬等焊縫參數，計算焊縫的熔深比等。

2試驗結果和分析

2.1試驗結果

單一活性劑焊縫參數及無(wú)活性劑時(shí)焊縫參數如表2所示，表2單一活性劑焊縫參數，圖1是單一活性劑熔深與無(wú)活性劑時(shí)熔深比直方圖。

圖2是無(wú)活性劑時(shí)焊縫的宏觀(guān)成形，圖3為試驗中幾組典型活性劑的金相截面。

2.2活性劑對焊縫成形的影響

由表2和圖1可知，普通CMT焊接時(shí)，焊縫熔深為2.05 mm；涂活性劑后，A、B、D、E和I焊縫熔深明顯高于不涂活性劑的焊縫熔深。其中活性劑B、D、E對焊縫熔深增加的程度較為明顯，相比普通CMT焊縫熔深，其焊縫熔深比增加了20%以上，說(shuō)明活性化劑D、E、B對熔深的增加有較大的促進(jìn)作用?；钚詣〢和I雖然對熔深的影響不如活性化焊劑D、E、B明顯，但其熔深值也大于普通CMT焊，熔深增加比達到了10%以上。相比之下，使用C和G兩種活性劑的焊縫熔深只增加約5%，F和H不影響熔深。

圖2是普通CMT焊的焊縫成形，其焊縫為淺V形，焊縫熔深寬而淺；圖3是涂活性劑A、B、D、E和I的焊縫成形?？梢钥闯?，涂覆活性劑后，焊縫熔深都有不同程度的增加，熔寬和余高都有不同程度變化。

從圖2和圖3還可以看出，添加活性劑后會(huì )使焊縫表面形狀有所改變，其中活性劑D、E對焊縫表面成形影響較大，焊縫表面比不使用活性劑時(shí)粗糙，熔渣也有增多，焊縫呈深V形。

圖4為焊接過(guò)程中電流的記錄。從圖4a可以看出，焊接過(guò)程中各單一活性劑焊接電流曲線(xiàn)基本相似，從圖4b可以看出，大部分活性劑焊接過(guò)程的平均電流與無(wú)活性劑時(shí)相差不大，SiO2和MgCO3的電流平均值相比無(wú)活性劑時(shí)有較為明顯的變化，其中前者增加，后者減小。無(wú)活性劑時(shí)的平均電流達到211.5 A，而涂SiO2可以達到215 A。

圖5為焊接過(guò)程中電壓的記錄。從圖5a可以看出，焊接過(guò)程中各活性劑變化曲線(xiàn)基本趨勢相似，但都有不同程度的波動(dòng)。從圖5b可以清楚地看出，各組活性劑焊接過(guò)程的平均電流、電壓和無(wú)活性劑時(shí)的差別不一樣，其中涂覆B2O3和SiO2時(shí)的電壓增加較為明顯，平均電壓增加能達到0.7 V以上，涂MgCO3則無(wú)變化，其余的活性劑電壓都有一定程度的增加。

3討論

活性劑CMT焊接主要是通過(guò)加入活性劑改變了焊接電弧。電弧是由兩個(gè)電極和它們之間的氣體空間組成，電弧中的帶電粒子主要依靠?jì)呻姌O間的氣體電離和電極發(fā)射電子兩個(gè)物理過(guò)程所產(chǎn)生。在活性劑焊接電弧中，活性劑對電離和電極發(fā)射電子都有影響?；钚詣┑募尤胧闺娀夥盏膶?shí)效電離度明顯提高，所以活性劑CMT氣體保護焊的電弧比普通CMT氣體保護焊的電弧穩定。加入活性劑（大部分為金屬氧化物）后，電極表面逸出功降低，電極發(fā)射電子的能力增強，增強了電弧導電能力，焊接電流有增加的趨勢。

從試驗結果可以看出，采用活性劑CMT焊接時(shí)，焊接電弧穩定，A、B、D、E和I五種活性劑的焊縫熔深增加較為明顯，在相同的焊接工藝規范下，活性劑CMT焊接與普通CMT焊接所得到的焊縫熔深、熔寬和余高等都有明顯差異?；钚詣〤MT焊接在同等規范下熔深明顯增加，同時(shí)熔寬、余高和表面成形也有所變化。同時(shí)由于活性劑的加入，焊接電弧氣氛以及熔池流動(dòng)等會(huì )受到多方作用，各種效果并存，試驗結果會(huì )表現為占優(yōu)勢一方的因素。

（1）活性劑使電弧壓縮，焊縫熔深增加。

電弧收縮理論認為，表面涂覆活性劑后，因為活性劑涂層本身導電性不強，加之活性劑的熔沸點(diǎn)都比純金屬的高，所以熔池表面產(chǎn)生的金屬蒸氣相應減少，在金屬蒸氣減少的情況下，只在電弧中心溫度較高的區域有金屬蒸發(fā)，形成陽(yáng)極斑點(diǎn)，即涂層的存在減小了陽(yáng)極斑點(diǎn)區，從而使電弧收縮，電弧壓力增大。

查物質(zhì)屬性可知，B和Si元素的電阻率非常大，因此這兩種物質(zhì)導致電弧收縮的作用效果最為明顯，熔深增加也最為明顯。由圖5可知，試驗中B2O3和SiO2兩種活性劑在相同焊接規范下，焊接過(guò)程中的電壓變化最大，焊接結果熔深增加最為明顯。很顯然，在各種活性劑中，這兩種活性劑有相同的特性，同時(shí)這種特性對焊縫熔深的增加至關(guān)重要。

（2）熔池金屬對流變化，焊縫熔深增加。

理論認為，表面活性元素引起熔池表面張力變化，對熔池的對流產(chǎn)生著(zhù)很大的影響，同時(shí)熔池對流的方向對熔合區幾何形狀的影響很大。不含表面活性元素的普通CMT焊，表面張力隨溫度的升高而減小，因此從表面看熔池對流方向從中心到四周，熱量較為分散，熔深較淺；對于活性劑CMT焊，活性元素的存在，使熔池表面張力隨溫度升高而增大，即熔池對流方向從四周到中心，使得熔池中心區的熔化金屬具有較高的溫度，同時(shí)較多的熱量被液流直接帶向熔池底部，使熔深增加，同時(shí)有使熔寬減小的趨勢。

4結論

（1）CMT焊接采用活性劑后，焊縫熔深有較大程度的增加，增加比例在20%以上。

（2）活性劑CMT焊接中，活性劑對電弧氣體電離和電極發(fā)射電子兩個(gè)物理過(guò)程都產(chǎn)生重要影響，活性物質(zhì)的加入使得電離電壓降低，電弧穩定。

（3）活性劑CMT焊接熔深增加是電弧壓縮和表面張力共同作用的結果。其中B2O3和SiO2使焊縫熔深增加明顯，與B和Si兩元素具有較大的電阻率有關(guān)。

（4）活性劑成分不同，焊縫熔深增加程度也不同。

從目前試驗來(lái)看，單一活性劑對CMT焊接有較大的影響，研究多組分活性劑CMT焊接以及進(jìn)行配方設計等工作仍有待進(jìn)一步探索，同時(shí)研究活性劑在不同氣體保護下的CMT焊接，對活性劑CMT焊接機理的進(jìn)一步探索具有十分重要的研究?jì)r(jià)值。