復合焊(han)接(jie)是高能焊(han)與(yu)TIG、MIG和(he)(he)MAG焊(han)各取所長，進行聯(lian)合焊(han)接(jie)，以高能焊(han)為(wei)基礎開發(fa)出(chu)來的(de)高科(ke)技(ji)焊(han)接(jie)方法。前景看好，已(yi)經從試(shi)驗階段逐步過(guo)渡到用于生產，受(shou)到人們的(de)重視和(he)(he)關注，為(wei)高質量高效率(lv)焊(han)接(jie)技(ji)術創造(zao)了一(yi)個發(fa)展空間。
一、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金屬過(guo)渡”）弧焊(han)技(ji)術(shu)是Fronius 公司(si)在研(yan)究無飛濺過(guo)渡技(ji)術(shu)、鋁與鋼異種金屬焊(han)接(jie)、及薄板焊(han)接(jie)的(de)(de)基礎(chu)上逐漸發展(zhan)和成熟起來的(de)(de)一門新的(de)(de)弧焊(han)技(ji)術(shu)。該項(xiang)技(ji)術(shu)與美(mei)國LINCOLN公司(si)的(de)(de)表面張力過(guo)渡技(ji)術(shu)（Surface TensionTransfer，簡(jian)稱STT）以(yi)及日本OTC公司(si)的(de)(de)控(kong)制(zhi)液(ye)橋過(guo)渡技(ji)術(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡(jian)稱CBT）均屬于數字化精確控(kong)制(zhi)短路(lu)過(guo)渡電弧技(ji)術(shu)。
CMT弧焊(han)(han)技術的最大(da)(da)技術優勢在(zai)(zai)(zai)于(yu)其(qi)焊(han)(han)接(jie)過(guo)程(cheng)(cheng)飛(fei)濺少、焊(han)(han)接(jie)變形小(xiao)、焊(han)(han)縫(feng)(feng)冶金(jin)質量高(gao)（與常規熔(rong)化(hua)極(ji)氣(qi)體(ti)保(bao)護焊(han)(han)相比）。但是，由于(yu)CMT弧焊(han)(han)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)熔(rong)池的溫度相對(dui)較低(di)，因此在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)接(jie)中(zhong)、厚板時，液(ye)態焊(han)(han)縫(feng)(feng)金(jin)屬在(zai)(zai)(zai)母材表面的潤濕性相對(dui)較差，得到(dao)焊(han)(han)縫(feng)(feng)的余高(gao)相對(dui)較大(da)(da)，特(te)別是在(zai)(zai)(zai)采(cai)用(yong)多層多道焊(han)(han)時，易出現未熔(rong)合(he)、夾渣等缺陷。此外，CMT弧焊(han)(han)在(zai)(zai)(zai)直流反(fan)接(jie)焊(han)(han)時，在(zai)(zai)(zai)純(chun)氬(ya)氣(qi)保(bao)護氣(qi)體(ti)下，由于(yu)保(bao)護氣(qi)體(ti)中(zhong)無(wu)氧化(hua)性氣(qi)體(ti)，且熔(rong)池中(zhong)缺少氧化(hua)物的存在(zai)(zai)(zai)，電(dian)弧的陰極(ji)斑點難(nan)以固定，隨焊(han)(han)接(jie)過(guo)程(cheng)(cheng)的進行而不(bu)停漂移(yi)，表現為電(dian)弧飄動(dong)，挺度不(bu)足，導致焊(han)(han)接(jie)過(guo)程(cheng)(cheng)不(bu)穩定，這是CMT弧焊(han)(han)技術不(bu)足。所以核電(dian)設備、航空(kong)航天對(dui)冶金(jin)性能要(yao)求極(ji)高(gao)的產品，在(zai)(zai)(zai)制造(zao)中(zhong)無(wu)法(fa)應用(yong)。
二、CMT弧焊與激光-CMT電(dian)弧復(fu)合熱源焊接時電(dian)弧形貌上的比較
CMT過(guo)(guo)(guo)渡技(ji)術實(shi)際(ji)上(shang)是一(yi)種通過(guo)(guo)(guo)送絲協調及波(bo)形控(kong)制而實(shi)現“冷(leng)”與“熱”交替的短路過(guo)(guo)(guo)渡弧焊技(ji)術。CMT過(guo)(guo)(guo)渡中的“熱”過(guo)(guo)(guo)程實(shi)際(ji)上(shang)是大電(dian)流電(dian)弧燃燒而形成熔滴的過(guo)(guo)(guo)程，而“冷(leng)”過(guo)(guo)(guo)程實(shi)際(ji)上(shang)是小(xiao)電(dian)流電(dian)弧維持燃燒待熔滴過(guo)(guo)(guo)渡的過(guo)(guo)(guo)程。從圖3-68和圖3-69分別為其(qi)他(ta)焊接條件相同(tong)情(qing)況下的單獨CMT的電(dian)弧形貌及激光與CMT復合后的電(dian)弧形貌。
從兩幅(fu)圖中可(ke)以看出(chu)，激(ji)光加入前后CMT電(dian)(dian)(dian)弧(hu)形貌(mao)發(fa)生(sheng)了(le)可(ke)喜的(de)變化：在純(chun)氬保護(hu)氣(qi)體保護(hu)下，激(ji)光與(yu)CMT電(dian)(dian)(dian)弧(hu)復合后，激(ji)光對CMT電(dian)(dian)(dian)弧(hu)（特別是大電(dian)(dian)(dian)流(liu)燃弧(hu)階段(duan)的(de)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)）產生(sheng)了(le)吸引作(zuo)用，增加了(le)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)的(de)挺度，使得(de)原本不穩(wen)定(ding)(ding)的(de)焊接過程得(de)到穩(wen)定(ding)(ding)。還有焊縫(feng)正面成形美觀，可(ke)實(shi)現單面焊雙面成形。
純氬保護的激光CMT復合焊焊接接頭與在TIG填絲的焊接接頭的力學性能方面進行比較，測試結果見表3-52。從表中可知，激光-CMT復合熱源焊接接頭的沖擊韌度和彎曲性能與TIG填絲的焊接接頭相當，而前者的抗拉強度則略高于后者。激光-CMT復合熱源焊接接頭的韌性更為穩定。從接頭的硬度分布情況看，激光-CMT復合熱源焊接接頭的焊縫及熱影響區略高于TIG填絲的焊接接頭的焊縫及熱影響區。從焊接接頭的力學性能來考核，純氬保護的激光-CMT完全可以取代TIG填絲焊來實現304不銹鋼的焊接。
304不(bu)銹鋼(gang)TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)和(he)激光-CMT 復合(he)(he)熱(re)(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接接頭的(de)(de)(de)(de)(de)金相(xiang)(xiang)組(zu)織(zhi)進行(xing)比較：這兩種焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接方法的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接接頭，它(ta)們的(de)(de)(de)(de)(de)金相(xiang)(xiang)組(zu)織(zhi)基本相(xiang)(xiang)同，焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)(feng)金屬及焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接熱(re)(re)響(xiang)(xiang)區(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)奧(ao)氏(shi)體組(zu)織(zhi)均為奧(ao)氏(shi)體＋少量8-鐵素體組(zu)織(zhi)，且焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接熱(re)(re)影響(xiang)(xiang)區(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)奧(ao)氏(shi)體組(zu)織(zhi)發(fa)生明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)(de)粗化。但是(shi)，仔(zi)細(xi)對(dui)比兩種焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接接頭的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)(feng)組(zu)織(zhi)觀察則發(fa)現，焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)(feng)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)(lve)有(you)差異：TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)(lve)粗大(da)；激光-CMT 復合(he)(he)熱(re)(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)(lve)細(xi)小。可以認為，激光-CMT復合(he)(he)熱(re)(re)源的(de)(de)(de)(de)(de)有(you)效熱(re)(re)輸入要(yao)比TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)過程中的(de)(de)(de)(de)(de)實際有(you)效熱(re)(re)輸入小，從表3-55焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接參數中可知，其焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接熱(re)(re)輸入僅(jin)為TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)的(de)(de)(de)(de)(de)48％左右，這是(shi)導致TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)(lve)粗大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)原因。
從技術(shu)的(de)(de)先進性來說，對于(yu)(yu)304不銹(xiu)鋼(gang)而言，純氬保護的(de)(de)激光-CMT焊(han)(han)接(jie)(jie)，其(qi)焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)力學性能不低于(yu)(yu)TIG焊(han)(han)，而焊(han)(han)接(jie)(jie)效率則是TIG填絲焊(han)(han)的(de)(de)5倍。該項焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術(shu)若取代TIG填絲焊(han)(han)應(ying)用于(yu)(yu)焊(han)(han)接(jie)(jie)生產，將是焊(han)(han)接(jie)(jie)技術(shu)的(de)(de)一次(ci)重大變革。
三、針對性試驗
目(mu)前國內外(wai)對(dui)于從事與核電厚壁(bi)部件(jian)的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)主要采用的(de)(de)上TIG 填充焊(han)(han)（熱絲(si)或冷(leng)絲(si)）焊(han)(han)接(jie)(jie)方法。盡管(guan)這種(zhong)焊(han)(han)接(jie)(jie)方法的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)質量相對(dui)比較(jiao)穩定(ding)，但(dan)也(ye)存(cun)在以下問題：焊(han)(han)接(jie)(jie)效率(lv)低(di)及焊(han)(han)接(jie)(jie)熱輸(shu)入大(da)(da)，導(dao)致焊(han)(han)接(jie)(jie)變形也(ye)較(jiao)大(da)(da)。
為了克服上述不足之處，哈爾濱焊接研究所在研究固體激光-熔化極電弧復合熱源焊接的基礎上，提出了激光-CMT復合熱源焊接新方法。其特點是可以解決常規的熔化極氣體保護焊飛濺較大且必須在一定含量的氧化性保護氣體（O2或CO2）中才能穩定焊接的問題，使其在純氬氣保護環境下獲得穩定的焊接過程和良好的焊縫成形。
采用激光(guang)-CMT電弧復合(he)熱源(yuan)焊(han)(han)(han)接(jie)方法焊(han)(han)(han)接(jie)8mm厚(hou)奧氏體(ti)型不銹鋼(gang)(gang)的試(shi)驗結果(guo)表明：焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭的綜(zong)(zong)合(he)力(li)學性能(neng)與304不銹鋼(gang)(gang)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭的綜(zong)(zong)合(he)力(li)學性能(neng)相當(dang)，而焊(han)(han)(han)接(jie)效(xiao)率是TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)的3～5倍(bei)。要取得這個結果(guo)，必須在復合(he)焊(han)(han)(han)縫金屬中嚴格控制C、N、0等微量元素的含量，否則將對焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭力(li)學性能(neng)中的沖擊性能(neng)極為(wei)不利，無法達到TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)的水(shui)平。
經分析(xi)，激光-CMT復(fu)合(he)熱源(yuan)焊(han)(han)接(jie)時，如(ru)果后保護范(fan)圍小，則(ze)在較(jiao)高速度焊(han)(han)接(jie)時易卷入空氣(qi)，從而使(shi)得焊(han)(han)縫(feng)金屬(shu)中(zhong)的(de)C、N、O等雜質元(yuan)素含量(liang)偏高。因此，焊(han)(han)接(jie)后的(de)保護措施(shi)至關重(zhong)要。
為此，用激光-CMT復合(he)熱源焊接方法，在純(chun)氬(ya)氣保護(hu)及較高速度焊接情況(kuang)下，采(cai)取不同(tong)的后保護(hu)方法進(jin)行(xing)試驗，將(jiang)試驗結果與TIG填充絲(si)焊進(jin)行(xing)對(dui)比。
1. 試驗材料和方法
試驗材料為304不銹鋼，試板規格為400mm×200mm×20mm，保護氣體為工業氬氣（純度為99.99％）。焊絲牌號為HS308LSi，焊絲直徑1.2mm。母材及焊絲的化學成分見表3-53，母材的力學性能見表3-54。采用激光-CMT復合熱源焊接試板。
2. 試驗設備(bei)
試驗用(yong)(yong)激(ji)光(guang)(guang)器為德國通快(kuai)公司(si)生(sheng)產的TruDisk6002 型激(ji)光(guang)(guang)器，最大激(ji)光(guang)(guang)功率6kW，試驗中采用(yong)(yong)焦距為475mm的激(ji)光(guang)(guang)輸出(chu)透鏡；電弧(hu)焊機(ji)為奧地(di)利Fronius公司(si)生(sheng)產的TPS4000型數字(zi)化CMT焊機(ji)；TIG填絲焊所(suo)用(yong)(yong)焊機(ji)為PANA-TIG SP300鎢極氬弧(hu)焊機(ji)。
3. 試(shi)驗方法
在純氬氣保護(hu)下采用(yong)兩種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)后(hou)(hou)保護(hu)措(cuo)施，以U形(xing)坡(po)口對(dui)接的(de)方式(shi)進行焊接，坡(po)口形(xing)式(shi)如(ru)圖(tu)3-70所示，后(hou)(hou)保護(hu)措(cuo)施如(ru)圖(tu)3-71所示。其中，方式(shi)一為單一細噴嘴保護(hu)，方式(shi)二為雙管后(hou)(hou)保護(hu)。
4. 試驗結(jie)果與分析
a. 氣體保(bao)護效果對焊縫成形(xing)及微量(liang)元素(su)含量(liang)的影響
采(cai)(cai)用方式1后(hou)氣(qi)體(ti)保護(hu)時(shi)，焊(han)縫(feng)發灰；而采(cai)(cai)用方式2后(hou)氣(qi)體(ti)保護(hu)時(shi)，焊(han)縫(feng)呈銀白色，其氣(qi)體(ti)保護(hu)效果(guo)甚至好于TIG填絲焊(han)縫(feng)。
采用(yong)方式(shi)1和(he)方式(shi)2增加后保護(hu)的(de)(de)激光-CMT復(fu)合焊(han)(han)與TIG填(tian)絲焊(han)(han)焊(han)(han)縫(feng)中C、N、H、O元素(su)的(de)(de)含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)比較如表3-56所(suo)示。從表中可知，與方式(shi)1相比，采用(yong)方式(shi)2增加后保護(hu)焊(han)(han)縫(feng)中C、H元素(su)的(de)(de)含(han)量(liang)(liang)變(bian)化不大，而N、O元素(su)含(han)量(liang)(liang)下降到原來(lai)(lai)的(de)(de)1/4，并且與TIG填(tian)絲焊(han)(han)中C、N、H、O元素(su)的(de)(de)含(han)量(liang)(liang)相當，而N、O元素(su)的(de)(de)主要來(lai)(lai)源就是空氣。
產生這(zhe)種變化主(zhu)要是因(yin)為(wei)(wei)：方(fang)(fang)式(shi)1后保(bao)護(hu)，噴(pen)嘴保(bao)護(hu)管徑細(xi)，保(bao)護(hu)范(fan)圍較(jiao)小，熔(rong)池極易卷入空氣，表現(xian)為(wei)(wei)焊(han)(han)縫表面發灰，N、O元素(su)含量偏高；方(fang)(fang)式(shi)2后保(bao)護(hu)時，管徑較(jiao)粗，并且在焊(han)(han)縫方(fang)(fang)向上并排排列著兩個(ge)后噴(pen)嘴，大大加強了保(bao)護(hu)范(fan)圍，表現(xian)為(wei)(wei)焊(han)(han)縫呈銀白色，N、O元素(su)含量大幅(fu)下降(jiang)。
由此可(ke)見(jian)，采用(yong)方式2增(zeng)加后保護后，能夠更好地隔絕(jue)空(kong)氣與熔池的(de)接觸，極大地改(gai)善了(le)焊縫的(de)保護效(xiao)果。
b. 氣體保護效(xiao)果(guo)對焊接接頭沖(chong)擊性能的影響
將方式(shi)(shi)1和(he)方式(shi)(shi)2增加(jia)后保護的激光(guang)-CMT復合焊(han)(han)焊(han)(han)縫中心進行(xing)沖擊性能測(ce)式(shi)(shi)結果與TIG填絲(si)焊(han)(han)的沖擊性能進行(xing)對比，見表3-57。可以看出，采(cai)用方式(shi)(shi)1焊(han)(han)縫中心進行(xing)沖擊值(zhi)(zhi)與TIG填絲(si)焊(han)(han)接(jie)頭有較大差距；而(er)方式(shi)(shi)2增加(jia)氣體保護后焊(han)(han)縫中心沖擊值(zhi)(zhi)基本上(shang)與TIG填絲(si)焊(han)(han)焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭相當。
用SEM觀察沖擊(ji)斷口的微(wei)觀形(xing)貌(mao)：方式1焊縫沖擊(ji)斷口形(xing)貌(mao)，韌窩尺(chi)寸較(jiao)小，數量(liang)較(jiao)多，深度較(jiao)淺，起(qi)伏較(jiao)小；方式2和(he)TIG填(tian)絲焊的焊縫沖擊(ji)斷口形(xing)貌(mao)，韌窩尺(chi)寸較(jiao)大(da)，數量(liang)相對較(jiao)少，深度較(jiao)深，起(qi)伏較(jiao)大(da)。
在方式1的(de)焊縫(feng)沖擊斷口(kou)上有(you)很多尺寸較大的(de)夾雜物(wu)，用EDS能譜分析看到，夾雜物(wu)中O、Si、Mn元素含量較高(gao)，為氧化(hua)物(wu)夾雜物(wu)。這種夾雜物(wu)對(dui)焊縫(feng)的(de)沖擊性(xing)能有(you)很大的(de)影響(xiang)，而(er)其他斷口(kou)中未(wei)發現有(you)夾雜物(wu)的(de)存在。
方式2在(zai)焊(han)(han)縫中(zhong)未(wei)發現氧(yang)化物夾雜，因此(ci)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)沖(chong)擊性(xing)(xing)能較高(gao)。可以認(ren)為，氧(yang)化物夾雜是(shi)影響焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)沖(chong)擊性(xing)(xing)能主要因素，當氣體后保護效果良好時，焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)沖(chong)擊韌性(xing)(xing)較高(gao)，激光-CMT復合焊(han)(han)基本(ben)達到TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)的(de)水平。該項(xiang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)技(ji)術若(ruo)取代TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)應用于焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)生(sheng)產(chan)，將(jiang)是(shi)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)技(ji)術的(de)一次重大(da)變革。
