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摘要 ：熔焊作为目前应用最广泛的焊接技术，因其热输入 大、焊渣飞溅严重，无法完成精密的焊接任务。而冷金属过渡焊 接技术以焊接热输入小、焊接过程无飞溅等优异特点，引发了 众多学者的研究。本文介绍了冷金属过渡焊接工艺(CMT) 的技 术原理，综合阐述了国内外学者对 CMT 焊接工艺与其他技术复 合的研究，简要分析了影响 CMT 焊接质量的相关因素，展望了 CMT 技术在未来可能的发展方向。
关键词 ：冷金属过渡焊接工艺,CMT,复合焊接技术,焊接影响因素,CMT- 激光复合焊,CMT- 钎焊复合焊
20 世纪以来，焊接技术在世界范围内得到了广泛的发展和 应用， MIG 焊(熔化极惰性气体保护电弧焊) 和MAG 焊(熔化极 活性气体保护电弧焊) 作为应用最早的焊接方式，应用于各行各 业。但由于熔焊热输入量高、焊渣飞溅严重、焊后焊件形变大、 能量损耗高等特点，在精密仪器焊接、极薄板材焊接、特殊条件 焊接等领域应用严重受限， 今已成为国内外研究的重点。
CMT 焊接是由 Fronius 公司研发的一种新型冷金属过渡焊 接技术，具有耗能小、无焊渣飞溅、焊接热输入量小、熔滴参数 可控制、焊缝品质优良等特点，被广泛应用于航空航天加工、精 密仪器生产、极薄板材焊接、机车制造等领域。介绍了 CMT 冷 金属焊接技术原理，阐述了 CMT 焊接技术与其他技术的复合应 用，归纳了主要影响 CMT 焊接质量的影响因素，展望了 CMT 焊 接未来的发展方向， 以期对工业生产、科学研究提供理论基础和 技术指导。
1 技术原理及特点
CMT 冷 金 属 过 渡 焊 接 技 术(Cold Metal Transfer Technology)，又称 CMT 焊接， 是在短路过渡基础上研发的， 其 焊接过程可大致分为在电弧作用下形成熔池和熔滴、熔池同熔 滴短路、焊丝回抽熔滴脱落三个阶段。熔滴过渡过程中，熔滴与 熔池发生短路， 短电弧熄灭， 此刻焊接电流接近零并实现焊丝的 回抽帮助熔滴脱落， 实现无飞溅焊接。
CMT 焊接过程实质上是熔滴高频率的“热 - 冷 - 热”转换 过程，熔滴过渡时焊接电流几乎为零，大幅度降低了焊接热 输入，焊件受热变形小，可在不背衬的情况下焊接金属薄板 (0.2mm ~ 4mm) 和超薄板(0.2mm 以下)。
CMT 焊接数字控制系统可实现焊丝换向和送丝监控、短电 弧电流控制和熔滴过渡控制，保证焊缝质量。控制系统作用时， 焊丝的“前送 - 回抽”频率可稳定保持 70 次 /s ;调控电源稳定输 出脉冲式波形电流 ;按照焊缝走向和实时需要调控焊接速度和 熔池流动方向。CMT 焊接和相应的数字控制系统的结合应用， 使得焊接过程中可精确控制焊弧长度、保证电弧稳定、实现焊接 过程无飞溅、提升焊接速度，最终获得了外表美观、力学性能优 良的焊接接头。
2 CMT焊接与其他技术的复合应用
为了适应工业生产的大规模应用，常常采用 CMT 焊接工艺 与其他技术交叉结合的复合焊接方法，往往比只采用单一的焊 接方法能获得更好的实践生产效果。
2.1 CMT- 激光复合焊
激光焊 , 指采用连续或脉冲高能量密度的激光束作为热源， 加热熔化母材形成特定熔池， 实现焊接的一种精密焊接方法， 多 应用于军事、航天、化工等制造行业。激光焊具有焊接位置精 确、污染小、薄材焊接效率高等特点，但其熔池周围易形成等离 子气体、焊道凝固快、能量转换率低、焊接熔深小，对工业生产 有一定的影响。为了扩大激光焊接的应用范围， 常常将其与其他 工艺进行交叉复合， CMT-激光复合焊接工艺就是其中一种。
目前，CMT-激光复合焊接和 CMT- 等离子复合焊接是高速 列车制造行业中最有前途替代MIG 焊接铝合金材料的焊接技 术。以往研究主要通过这两种焊接方法对铝合金焊缝显微组织、 显微硬度和力学性能进行研究，发现 CMT-激光焊缝的部分熔化 区宽度小于 CMT- 等离子焊缝，前者焊接接头的抗拉强度高于后 者，并呈现韧性断裂特征，后者则表现出不完全的脆性断裂。表 明 CMT-激光复合焊更适合铝合金材料的焊接，但不适用于重要 结构构件的焊接。
针对CMT-激光复合焊接过程的复杂性， Zl等对比MAG焊， 研究了 CMT-激光焊接的熔滴过渡过程，发现，由于高温激光等 离子体的影响， 使得熔池面积、短路时间和熔滴过渡频率都随熔 滴体积的变化而变化， 极易造成焊丝熔化量增加。实际生产中采 用该焊接工艺高速焊接时，可考虑适当提高激光功率和熔滴过 渡频率， 以起到稳定电弧、避免焊丝粘连、保证焊缝成形的作用。
Wu 等通过研究采用 CMT- 振荡光纤激光复合焊接工艺焊接 厚度为 6mm 的A7204P-T4 铝合金薄板，发现，在铌的晶粒细化 作用下， 振荡激光可有效降低焊缝气孔率， 减缓焊缝尺寸不均匀 性，使接头的断裂延伸率提高了 81%，表明 CMT-激光复合焊接 工艺在特种有色金属焊接领域具有巨大潜力。
CMT-激光复合焊接工艺有效结合了激光焊和 CMT 焊的技 术优点，实际应用效果优秀，焊接过程可通过数字控制系统调 控，能够获得品质优良的焊接接头。
2.2 CMT- 钎焊复合焊
钎焊，指通过加热熔化低熔点钎料(熔点低于母材)，填充 母材间缝隙，实现金属的连接。由于不熔化母材的缘故，钎焊技 术极易在焊缝中产生气孔和缺陷， 甚至形成内部间隙， 严重影响 焊缝质量，无法适用于工业要求严格的领域。CMT-钎焊复合工 艺可实现熔化少量母材， 以避免形成严重的焊接缺陷， 促进钎焊 广泛应用。
钎焊多应用于重要结构件的补焊，Kadoi 等研究对比了钨极 气体保护焊(GTA) 和 CMT-钎焊在磨损 Cr-Mo-V铸钢母材上补 焊的应用，发现，与 GTA 相比，使用低熔点填充焊丝的 CMT-钎 焊可降低该工艺热循环期间的热输入和熔池峰值温度，抑制热 影响区(HAZ) 中金属间化合物和马氏体等硬化相的形成，提高 补焊构件的蠕变疲劳性能。证明，使用低熔点焊丝进行 CMT-钎 焊修复汽轮机壳体(Cr-Mo-V铸钢) 具有广阔前景。
CMT-钎焊复合工艺可显著扩大钎焊在异种金属焊接领域的 应用。Chen 等采用 CMT-钎焊复合焊接方法，对 6A01-T5 铝合金 和 SUS301L-DLT 奥氏体不锈钢进行了焊接，获得了拉伸强度最 高达 188.7MPa，且界面层均匀分布的焊接接头。证明，CMT- 钎 焊复合工艺在实现异种金属焊接的同时，其焊缝可满足一定的 强度要求， 为大范围的工业应用提供保证。
其他辅助焊接工艺与 CMT- 钎焊的结合应用将成为钎焊应 用的主流。Chen 等针对采用 ER5356 焊丝焊接 5052 铝合金和 Q235 低碳钢时，形成接头的焊缝形状和界面反应不均匀性的 问题，提出了激光熔透钎焊结合 CMT- 钎焊的方法。研究发现， CMT-钎焊工艺的应用可有效改善上述问题中的咬边缺陷，获得 界面反应均匀、成形良好的焊接接头。
CMT 焊接方法的引入，能够合理地控制焊缝的热输入，有 效降低了钎焊焊缝的高缺陷率， 使焊缝间的冶金反应更加充分。
2.3 基于 CMT 焊接辅助的增材制造技术(3D 打印)
增材制造(Additive Manufacturing)，又称 3D 打印， 是指通 过软件与数控系统将专用的特殊原料，按照挤压、烧结、熔融、 光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相 对于传统的切削加工技术， 增材制造具有材料利用率高、生产周 期短、制造过程无污染、产品复现率高等显著优势，多应用于航 空航天、生物医疗以及重要特殊结构工件的制造。CMT 焊接具 有焊接过程无飞溅、热输入量低、焊接过程稳定等特点，特别适合与增材制造技术的复合应用。CMT 焊接技术的应用，可有效 改善增材制造技术产品精度低和沉积率高等问题，同时提高产 品的综合性能， 拓展增材制造的实践应用。
Ali等研究增材制造条件下， CMT焊接过程中不同的电弧能 量和热场对X37CrMoV5-1 型热作业工具钢力学性能和微观结 构的影响。发现通过调整激励电流、送丝速度和焊接速度， 可扩 大焊缝宽度，并通过主导热场实现对结构机械性能的调整。该 工艺制造的产品具有高再现性、几何形状规范、无裂纹、沉积速 率高等特点，同时证明，X37CrMoV5-1 型热作业工具钢适用于 生产 3D 金属结构，能应用于制造塑料模具、热挤压模具和锻模 等领域。
针对增材制造技术获得的产品精度低、结构性能不均匀等 缺点，Vasvári 等通过调控金属 3D 打印工艺的 CMT 焊接参数 , 实现了对铝合金材质的增材制造产品几何结构和机械性能的控 制，并进行几何测量和抗拉强度试验，确定了适当、可靠的焊接 参数。发现焊接参数与制造精度之间存在联系 ：在可靠的最大 焊炬移动速度下，制造较大试样时，理想几何形状的偏差最小。 并且，调整焊接参数、机械加工方式，可有效改善 3D 打印制造 铝合金产品精度较低的缺点。该技术的应用可在改善产品精度、 机械稳定性的前提下， 有效提高生产率。
3 影响CMT焊接质量的因素
现今，CMT 焊接工艺已经在机车制造、半导体连接、精密仪 器生产等领域成熟应用，伴随着实践应用对焊接质量要求的逐 步提高， 探究影响 CMT 焊接质量的因素显得尤为重要。
3.1 激励电流
激励电流在 CMT 焊接过程中起到热源作用，熔化母材和焊 丝形成熔池，因此，激励电流对形成焊接接头的质量具有决定 性的影响。Chen 等探究预设送丝速度(5m/min) 下，激励电流波 形对 CMT 焊接低碳钢的影响。发现将激励电流的数值小范围增 加，对焊接过程的规律性和稳定性影响不明显 ;激励电流的升 压过程会对影响 CMT 焊接工艺质量产生重要的影响。随激励电 流或升压时间的增加，焊缝宽度和熔深显著增加，沉积速率、平 均送丝速率和熔滴尺寸也相应增加。升压时间在 1.6ms ~ 3.6ms 的范围内可保证焊接过程的规律性和稳定性，最终获得了良好 的焊接接头。而升压时间和激励电流对熔滴过渡频率影响较小， 也可尝试通过改变激励电流的频率调控焊接接头质量。
高频的激励电流是通过影响 CMT 焊接过程的电弧行为，从 而影响焊接质量。Wang等研究了采用超高频脉冲交流冷金属过 渡(UHF-ACCMT) 焊接技术在2198 铝锂合金焊接过程中，不同 的高频脉冲电流对电弧行为和熔滴过渡的影响。研究结果表明， 电流频率增加导致电导率降低，电阻率增加导致电弧长度减小， 在相同的频率范围内，电弧直径有相反的趋势。同时，由于采用 超高频耦合脉冲电流， 焊接过程伴随着电磁力、光斑力和气动阻力的增加， 提高了熔滴的传输速率 ;考虑到夹点效应， 脉冲电流 频率的增加导致了夹点力的增大， 压缩熔滴， 使熔滴直径减小。
综上所述，调控激励电流的电流大小、升压时间和脉冲频率 等相关参数，可影响 CMT 焊接过程，达到调控焊接接头质量的 目的。
3.2 送丝速度
CMT 焊接过程中，送丝速度对焊缝性能、焊接效率影响显 著。Huang等通过建立AA6061 铝合金焊接凝固裂纹敏感性试验 平台，研究了不同的送丝速度对 CMT 焊接接头凝固裂纹敏感性 的影响。发现在送丝速度由 4m/min 提高到 5.5m/min 的过程中， 微观上，焊缝的微观结构和晶粒尺寸从大变小，显微组织的稳 定性降低，促进了裂纹扩展 ;宏观上，熔池的受力状态发生变 化，导致裂纹扩展，最终扩展率高达233%。送丝速度持续增加 至 5.5m/min 后，晶体结构的尺寸反而从小变大，显微组织稳定 性增加，机械状态稳定，裂纹产生受到抑制，裂纹率显著降低。 因此， 在焊接准备阶段选择合适的送丝速度， 可降低焊接接头的 裂纹率， 有利于形成良好的焊接接头。
3.3 外加磁场
排除激励电流和送丝速度的影响后，焊接熔池周边的磁场 会对焊接质量产生重要影响。
Pcha 等研究 CMT-MIX+ 同步脉冲工艺， 焊接Al-Mg-Si 合金 过程的熔滴过渡行为、熔池流动和焊缝成形。发现在适当的激励 电流作用下， 配合外加磁场， 可显著减小熔滴尺寸和熔池凹陷尺 寸。利用外加的电磁场辐射还可改变熔滴的运动轨迹， 减少熔滴 热量对熔池的冲击，使熔合线在不同的激励电流下表现出明显 的不对称性。同时， 外加电磁场还可有效地降低接头孔隙率。
为进一步探究外加电磁场对 CMT 焊接熔池的具体影响， Zhang等研究了纵向变化磁场(MF) 在 CMT 焊接铝合金过程中 的影响， 发现过强的外加磁场会导致焊接电弧的膨胀和旋转， 降 低熔滴过渡频率，增大熔滴体积，造成熔滴偏转。电流为 5A 的 通电线圈产生的纵向变化磁场在焊接过程中可显著降低焊缝深 度，减小润湿角，增加焊缝熔化宽度，细化焊缝鱼鳞。中频外加 磁场能搅拌焊接熔池，促进晶粒细化，增大枝晶间共晶区面积， 促进硅相细化扩散， 提高焊缝宏观硬度。
外加磁场在 CMT 焊接异种金属过程中可以促进熔化金属 在母材表面的扩散。Kang等通过研究采用 CMT 焊接技术，应用 ER4043填充金属焊接 6061 铝合金和 304 不锈钢时，外加轴向磁 场对焊缝外观、焊接接头组织和力学性能的影响。发现通电线圈 施加的外加轴向磁场可以促进铝焊缝金属在钢表面的扩散，从 而增加铝 - 钢焊接接头的结合面积 ;随着交流频率的引入，焊接 过程的稳定性提高，对熔池的润湿促进作用减弱 ;当线圈电流和交变频率分别为2A 和 0Hz 时，形成的焊缝最大抗拉强度可达 到 130.2MPa， 与常规 CMT 焊接工艺相比增加了 61.6%。然而，过 大的线圈电流和交变频率会导致 IMC层变厚且不均匀，不利于 形成良好的焊接接头。
研究证明，CMT 焊接过程中应用外加磁场，对优化焊接工 艺、提高焊缝宏观性能、改善显微组织有重要的作用。
3.4 超声振动
外加磁场可对焊接熔池起到搅拌作用，推测高频声波振动 也能有益于 CMT 焊接过程。Tian 等在 CMT 焊接铝合金过程中， 引入超声喷丸装置提供超声波振动， 导致空化和声流， 促进焊缝 晶粒细化，增加焊缝深度和焊缝补强，并降低接触角。使得铝合 金中Al-Si 共晶片层间距增大，气孔数量减少，获得了良好的焊 接接头。表明，高频超声振动可以提高 CMT 焊接接头的硬度和 耐磨性。
与超声喷丸装置提供超声振动不同，Gza 等研究在Ti-6Al- 4V 的冷金属过渡脉冲(CMT+P) 焊接过程中，在焊接熔池正面 插入一根具有超声波振动的钨针对焊缝质量的影响。研究发现 钨针产生的超声波振动能搅拌熔池， 促进焊缝晶粒细化， 抑制焊 缝区柱状晶的生长， 提高焊缝的拉伸性能， 当钨针靠近熔池后部 时，超声振动对熔池的影响更为显著， 获得接头的极限抗拉强度 更高。
研究证明，在焊接过程中通过超声喷丸装置或超声波振动 钨针提供超声振动，可以搅拌熔池，优化焊接过程，获得机械性 能更优秀的焊接接头。
4 总结与展望
(1) CMT-激光焊接工艺多应用于铝合金焊接领域，可获得优良的焊接接头， 但不适用于重要结构件的焊接。
(2) CMT-钎焊工艺在补焊领域的应用极具潜力。
(3) 与其他工艺的复合应用必将成 CMT 焊接技术未来发展 的主要方向。
(4) 合理调控激励电流的大小、升压时间和脉冲频率，可以 获得机械性能更优秀的 CMT 焊接接头。
(5) 焊接准备阶段，选择适当的送丝速度可有效降低焊缝的 裂纹率。
(6) 焊接时，外加磁场可显著改善熔滴尺寸，优化熔滴过渡 过程， 提高焊接接头机械性能。
(7) 超声喷丸装置和超声波振动钨针，可搅拌焊接熔池，优 化焊接过程， 获得优良焊接接头。
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