解析CMT增材焊接：高速摄像机下铝合金熔滴过渡动力学行为

1实验背景

航空航天领域大型承力铝合金构件正朝轻量化、高强度、一体化方向发展。传统MIG/MAG电弧增材制造技术虽具有高沉积速率和良好材料适应性，但存在热输入高、飞溅大、气孔与热裂纹等问题，制约成形质量与力学性能稳定性。

CMT（Cold Metal Transfer）冷金属过渡技术，凭借低热输入和精准熔滴控制特征，为铝合金高质量增材制造提供新解决路径。

为深入理解CMT电弧增材过程中熔滴过渡的瞬态行为，为大型复杂构件近净成形提供工艺依据，某增材制造实验室，利用千眼狼万帧级高速摄像机S1315M，可视化解析熔滴动力学行为与成形质量的内在机理。

2实验简介

2.1 实验目标

• 捕捉熔滴短路、回抽、液桥颈缩、分离瞬态过程；
• 分析熔滴过渡的时序特征、形变与动态行为；
• 验证CMT技术在降低热输入、抑制飞溅与稳定过渡方面的优势。

2.2 实验设备

• 高速摄像机:千眼狼S1315M，1280×1024，可实现满画幅15000fps高速采集。
• 光学镜头：100 mm f/2.8微距镜头，实现熔滴局部微米级成像。
• 光源系统：850 nm激光光源，用于消除电弧干扰，增强熔滴轮廓。

2.3 实验布设

将千眼狼高速摄像机S1315M布设于物体斜上方15 cm处，激光光源布设于同侧斜45°照射，调整微距镜头聚焦焊枪焊丝，依据实验需求分别设置分辨率、帧率、曝光时间参数。

图1

3实验数据

通过对千眼狼高速摄像机S1315M采集的视频图像逐帧分析，CMT熔滴过渡周期可分为“熔滴回抽”、“液桥颈缩”、“熔滴分离”三个阶段：

熔滴短路与焊丝回抽阶段：当熔滴与熔池接触时，电流迅速上升，系统检测到短路信号，主动触发焊枪回抽动作。高速图像中可清晰观察到焊丝在接触瞬间“反向运动”，如图2。

图2

液桥颈缩阶段：回抽力作用下，熔滴与焊丝间形成液态金属桥。受表面张力、电磁收缩力的作用，液桥表面的金属液向内收缩，液桥中间部分受到挤压后逐渐变细，直径从初始0.8mm缩减至0.1mm，高速摄像机捕捉到的收缩形态呈现出明显的细腰状形态（图3）。

图3

熔滴分离阶段：当液桥颈缩到液桥无法承受自身张力和外部作用力时，发生断裂，熔滴与熔池分离，通过高速摄像机捕捉到这一断裂瞬间并发现无明显金属颗粒飞溅（图4）。

图4

4实验结论

实验利用千眼狼万帧级高速摄像机S1315M清晰记录了CMT增材过程中熔滴回抽、液桥颈缩、熔滴分离瞬态行为，为CMT工艺机理研究提供了可视化证据：

• CMT通过机械回抽-表面张力主导控制分离实现“冷过渡”，全程飞溅率低，解决铝合金高导热性、强氧化性导致的成形缺陷问题。
• CMT熔滴周期、熔滴尺寸、熔滴分离速度等参数可通过高速摄像机捕捉的序列图像进行量化分析，指导送丝速度、回抽幅度、电弧能量参数的精确匹配，解决增材成形精度与性能一致性问题。