復合焊(han)接(jie)(jie)是高(gao)(gao)能焊(han)與TIG、MIG和MAG焊(han)各取所長，進行聯合焊(han)接(jie)(jie)，以高(gao)(gao)能焊(han)為基礎開發出來(lai)的(de)高(gao)(gao)科技焊(han)接(jie)(jie)方法。前景看好(hao)，已經(jing)從試(shi)驗(yan)階段(duan)逐(zhu)步過渡到(dao)用(yong)于(yu)生產，受到(dao)人們的(de)重(zhong)視和關注，為高(gao)(gao)質量高(gao)(gao)效率(lv)焊(han)接(jie)(jie)技術(shu)創造了一個發展(zhan)空(kong)間。
一、CMT弧焊技術(shu)
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金屬過(guo)(guo)渡”）弧焊(han)技(ji)(ji)術(shu)是Fronius 公(gong)司在研究無飛濺過(guo)(guo)渡技(ji)(ji)術(shu)、鋁與(yu)鋼異(yi)種金屬焊(han)接、及薄(bo)板焊(han)接的基礎上(shang)逐漸發展和成熟起來(lai)的一門新的弧焊(han)技(ji)(ji)術(shu)。該項(xiang)技(ji)(ji)術(shu)與(yu)美國LINCOLN公(gong)司的表面張力(li)過(guo)(guo)渡技(ji)(ji)術(shu)（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以及日本(ben)OTC公(gong)司的控(kong)制液橋過(guo)(guo)渡技(ji)(ji)術(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均屬于數字化精確控(kong)制短路過(guo)(guo)渡電(dian)弧技(ji)(ji)術(shu)。
CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)技(ji)(ji)術的最(zui)大(da)技(ji)(ji)術優勢在于其焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)飛濺少、焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)變形小、焊(han)(han)(han)縫冶金質量高（與常規(gui)熔(rong)化極(ji)氣(qi)(qi)體(ti)保護焊(han)(han)(han)相(xiang)比）。但是，由(you)于CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)熔(rong)池的溫(wen)度相(xiang)對較(jiao)低，因此在焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)中(zhong)(zhong)、厚板時，液態焊(han)(han)(han)縫金屬(shu)在母材(cai)表(biao)面的潤(run)濕性(xing)相(xiang)對較(jiao)差，得到焊(han)(han)(han)縫的余高相(xiang)對較(jiao)大(da)，特別(bie)是在采用多層多道焊(han)(han)(han)時，易(yi)出現(xian)未(wei)熔(rong)合(he)、夾(jia)渣(zha)等(deng)缺陷。此外，CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)在直流反接(jie)(jie)焊(han)(han)(han)時，在純氬(ya)氣(qi)(qi)保護氣(qi)(qi)體(ti)下，由(you)于保護氣(qi)(qi)體(ti)中(zhong)(zhong)無氧化性(xing)氣(qi)(qi)體(ti)，且熔(rong)池中(zhong)(zhong)缺少氧化物(wu)的存在，電(dian)弧(hu)的陰極(ji)斑點難(nan)以(yi)固定，隨焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)的進(jin)行而不停漂移，表(biao)現(xian)為電(dian)弧(hu)飄動，挺度不足，導致(zhi)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)不穩(wen)定，這是CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)技(ji)(ji)術不足。所以(yi)核電(dian)設(she)備、航空航天(tian)對冶金性(xing)能要求極(ji)高的產(chan)品，在制造中(zhong)(zhong)無法應(ying)用。
二、CMT弧(hu)焊(han)與激光-CMT電(dian)弧(hu)復合熱源焊(han)接時(shi)電(dian)弧(hu)形貌上的比較
CMT過(guo)(guo)渡(du)(du)技術實際(ji)上(shang)是(shi)(shi)一種通過(guo)(guo)送絲協(xie)調及波形(xing)(xing)(xing)控制(zhi)而實現“冷”與“熱(re)”交替(ti)的(de)(de)短路過(guo)(guo)渡(du)(du)弧焊(han)技術。CMT過(guo)(guo)渡(du)(du)中(zhong)的(de)(de)“熱(re)”過(guo)(guo)程(cheng)實際(ji)上(shang)是(shi)(shi)大電(dian)(dian)流(liu)(liu)電(dian)(dian)弧燃(ran)燒而形(xing)(xing)(xing)成熔(rong)滴的(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)，而“冷”過(guo)(guo)程(cheng)實際(ji)上(shang)是(shi)(shi)小電(dian)(dian)流(liu)(liu)電(dian)(dian)弧維(wei)持燃(ran)燒待熔(rong)滴過(guo)(guo)渡(du)(du)的(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)。從圖(tu)(tu)3-68和圖(tu)(tu)3-69分(fen)別為其他焊(han)接(jie)條件相同(tong)情況(kuang)下(xia)的(de)(de)單(dan)獨CMT的(de)(de)電(dian)(dian)弧形(xing)(xing)(xing)貌及激光與CMT復合后的(de)(de)電(dian)(dian)弧形(xing)(xing)(xing)貌。
從兩(liang)幅圖中可(ke)以看出，激(ji)(ji)光(guang)加入前后CMT電(dian)(dian)弧(hu)形(xing)貌(mao)發生了(le)(le)可(ke)喜的(de)變化：在(zai)純氬保(bao)護氣體(ti)保(bao)護下，激(ji)(ji)光(guang)與(yu)CMT電(dian)(dian)弧(hu)復合后，激(ji)(ji)光(guang)對CMT電(dian)(dian)弧(hu)（特別是大電(dian)(dian)流燃(ran)弧(hu)階段的(de)電(dian)(dian)弧(hu)）產生了(le)(le)吸引作用，增加了(le)(le)電(dian)(dian)弧(hu)的(de)挺度，使(shi)得(de)原本不(bu)穩(wen)(wen)定的(de)焊接過程得(de)到(dao)穩(wen)(wen)定。還有焊縫正面成形(xing)美觀，可(ke)實現單面焊雙(shuang)面成形(xing)。
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TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)和激光(guang)(guang)-CMT 復合熱(re)(re)(re)源(yuan)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)金相組織(zhi)(zhi)(zhi)進(jin)行比(bi)較：這(zhe)兩種焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)方(fang)法的(de)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭，它們的(de)金相組織(zhi)(zhi)(zhi)基本相同，焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)金屬及焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)熱(re)(re)(re)響(xiang)區的(de)奧氏體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)(zhi)均為(wei)奧氏體(ti)(ti)＋少量8-鐵素體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)(zhi)，且焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)熱(re)(re)(re)影響(xiang)區的(de)奧氏體(ti)(ti)組織(zhi)(zhi)(zhi)發(fa)生明顯的(de)粗(cu)化。但(dan)是(shi)，仔細對比(bi)兩種焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)組織(zhi)(zhi)(zhi)觀察則(ze)發(fa)現，焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)(lve)有差(cha)異(yi)：TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)(lve)粗(cu)大；激光(guang)(guang)-CMT 復合熱(re)(re)(re)源(yuan)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)(lve)細小。可(ke)以(yi)認為(wei)，激光(guang)(guang)-CMT復合熱(re)(re)(re)源(yuan)的(de)有效熱(re)(re)(re)輸入(ru)要比(bi)TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)過程中的(de)實際有效熱(re)(re)(re)輸入(ru)小，從表3-55焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)參(can)數中可(ke)知，其焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)熱(re)(re)(re)輸入(ru)僅為(wei)TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)的(de)48％左右，這(zhe)是(shi)導致TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)(lve)粗(cu)大的(de)原因。
從技術的(de)先進(jin)性來說，對于(yu)304不(bu)銹鋼而言，純(chun)氬保護的(de)激光(guang)-CMT焊(han)(han)接(jie)，其焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭的(de)力學(xue)性能不(bu)低于(yu)TIG焊(han)(han)，而焊(han)(han)接(jie)效率則是(shi)TIG填絲焊(han)(han)的(de)5倍(bei)。該(gai)項焊(han)(han)接(jie)接(jie)技術若取代(dai)TIG填絲焊(han)(han)應用于(yu)焊(han)(han)接(jie)生產，將是(shi)焊(han)(han)接(jie)技術的(de)一次重大變革。
三、針對性試驗
目(mu)前國(guo)內外對于從事(shi)與核電厚壁部件的焊(han)(han)接(jie)主要采用的上TIG 填充(chong)焊(han)(han)（熱絲或冷(leng)絲）焊(han)(han)接(jie)方法。盡管這種焊(han)(han)接(jie)方法的焊(han)(han)接(jie)質量相對比較(jiao)穩(wen)定(ding)，但(dan)也存在(zai)以下問題：焊(han)(han)接(jie)效(xiao)率低(di)及焊(han)(han)接(jie)熱輸(shu)入大(da)，導致焊(han)(han)接(jie)變形也較(jiao)大(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-CMT電(dian)弧復(fu)合(he)熱源(yuan)焊(han)(han)接(jie)(jie)方法(fa)(fa)焊(han)(han)接(jie)(jie)8mm厚奧氏體型(xing)不(bu)銹鋼(gang)的(de)(de)試(shi)驗(yan)結果表明：焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)(de)綜合(he)力學性(xing)能與304不(bu)銹鋼(gang)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)(de)綜合(he)力學性(xing)能相當，而(er)焊(han)(han)接(jie)(jie)效率是TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)的(de)(de)3～5倍。要(yao)取得這個結果，必(bi)須在復(fu)合(he)焊(han)(han)縫金屬中嚴格控制C、N、0等微量(liang)元素(su)的(de)(de)含量(liang)，否(fou)則將對(dui)焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭力學性(xing)能中的(de)(de)沖擊性(xing)能極為不(bu)利(li)，無法(fa)(fa)達到TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)的(de)(de)水平(ping)。
經分析，激光-CMT復合熱源焊(han)接(jie)時(shi)，如(ru)果后(hou)保護范圍小，則(ze)在較高速度(du)焊(han)接(jie)時(shi)易卷(juan)入空氣，從(cong)而使得焊(han)縫(feng)金屬中的C、N、O等(deng)雜質元素含量偏高。因此(ci)，焊(han)接(jie)后(hou)的保護措施(shi)至(zhi)關(guan)重要。
為此，用激光-CMT復合熱源焊接方法，在(zai)純氬(ya)氣保(bao)護及較高速(su)度焊接情(qing)況下，采取不同(tong)的后保(bao)護方法進(jin)行試(shi)驗，將試(shi)驗結果與TIG填(tian)充絲焊進(jin)行對比(bi)。
1. 試驗(yan)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(yan)設備
試驗(yan)(yan)用激光器(qi)為(wei)德國通快公司(si)生產的TruDisk6002 型激光器(qi)，最大激光功率6kW，試驗(yan)(yan)中采用焦距為(wei)475mm的激光輸出透鏡；電(dian)弧(hu)(hu)焊機(ji)為(wei)奧地利Fronius公司(si)生產的TPS4000型數字化CMT焊機(ji)；TIG填絲焊所用焊機(ji)為(wei)PANA-TIG SP300鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)焊機(ji)。
3. 試(shi)驗方法(fa)
在純(chun)氬(ya)氣保護(hu)(hu)下(xia)采用兩種不同的后(hou)保護(hu)(hu)措(cuo)施，以U形(xing)坡口(kou)對(dui)接的方(fang)式進行焊接，坡口(kou)形(xing)式如(ru)圖3-70所示，后(hou)保護(hu)(hu)措(cuo)施如(ru)圖3-71所示。其中，方(fang)式一為單一細噴(pen)嘴保護(hu)(hu)，方(fang)式二(er)為雙(shuang)管后(hou)保護(hu)(hu)。
4. 試驗結果與分析
a. 氣體保護效果對焊縫成形及微量元素含量的影響(xiang)
采(cai)用方式(shi)1后(hou)氣(qi)體保護(hu)(hu)時(shi)，焊縫發(fa)灰(hui)；而采(cai)用方式(shi)2后(hou)氣(qi)體保護(hu)(hu)時(shi)，焊縫呈(cheng)銀白色，其氣(qi)體保護(hu)(hu)效果甚(shen)至(zhi)好于(yu)TIG填絲焊縫。
采用方式(shi)1和(he)方式(shi)2增加后保護的(de)(de)(de)(de)激光-CMT復合焊(han)與(yu)TIG填絲焊(han)焊(han)縫(feng)中C、N、H、O元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)含(han)(han)量(liang)的(de)(de)(de)(de)比(bi)較如表3-56所示。從(cong)表中可知(zhi)，與(yu)方式(shi)1相(xiang)比(bi)，采用方式(shi)2增加后保護焊(han)縫(feng)中C、H元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)含(han)(han)量(liang)變化不大，而N、O元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)含(han)(han)量(liang)下降到原(yuan)來(lai)的(de)(de)(de)(de)1/4，并且與(yu)TIG填絲焊(han)中C、N、H、O元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)含(han)(han)量(liang)相(xiang)當，而N、O元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)主要來(lai)源(yuan)就是空氣。
產生(sheng)這(zhe)種(zhong)變(bian)化主要是因為：方(fang)式1后(hou)保(bao)護(hu)(hu)，噴嘴(zui)保(bao)護(hu)(hu)管徑細，保(bao)護(hu)(hu)范圍較(jiao)小，熔池極易卷入空氣(qi)，表現(xian)為焊(han)縫(feng)表面發灰，N、O元素含(han)量偏高；方(fang)式2后(hou)保(bao)護(hu)(hu)時，管徑較(jiao)粗(cu)，并(bing)(bing)且在焊(han)縫(feng)方(fang)向上并(bing)(bing)排(pai)排(pai)列著兩個后(hou)噴嘴(zui)，大大加(jia)強(qiang)了(le)保(bao)護(hu)(hu)范圍，表現(xian)為焊(han)縫(feng)呈銀白色(se)，N、O元素含(han)量大幅下降(jiang)。
由(you)此可(ke)見，采(cai)用方式2增加后(hou)保(bao)(bao)護后(hou)，能(neng)夠更好地(di)隔絕空氣與熔池的接觸(chu)，極大(da)地(di)改善了焊(han)縫的保(bao)(bao)護效果。
b. 氣體保護效果對焊接接頭沖擊(ji)性(xing)能的影響
將方式1和方式2增加后保(bao)護的激光-CMT復合焊(han)焊(han)縫中心(xin)(xin)進(jin)行(xing)沖(chong)(chong)擊(ji)性能測式結(jie)果(guo)與(yu)(yu)TIG填絲(si)焊(han)的沖(chong)(chong)擊(ji)性能進(jin)行(xing)對比，見表3-57。可以看出，采用方式1焊(han)縫中心(xin)(xin)進(jin)行(xing)沖(chong)(chong)擊(ji)值與(yu)(yu)TIG填絲(si)焊(han)接頭有較大差距(ju)；而方式2增加氣體保(bao)護后焊(han)縫中心(xin)(xin)沖(chong)(chong)擊(ji)值基(ji)本上與(yu)(yu)TIG填絲(si)焊(han)焊(han)接接頭相(xiang)當。
用(yong)SEM觀察(cha)沖擊(ji)斷口(kou)的(de)微觀形貌：方(fang)式(shi)1焊縫(feng)沖擊(ji)斷口(kou)形貌，韌(ren)窩尺寸較(jiao)小(xiao)，數(shu)量較(jiao)多，深(shen)(shen)度較(jiao)淺，起伏較(jiao)小(xiao)；方(fang)式(shi)2和TIG填(tian)絲焊的(de)焊縫(feng)沖擊(ji)斷口(kou)形貌，韌(ren)窩尺寸較(jiao)大，數(shu)量相(xiang)對較(jiao)少，深(shen)(shen)度較(jiao)深(shen)(shen)，起伏較(jiao)大。
在方式1的(de)焊縫(feng)(feng)沖擊斷口(kou)上有很(hen)多尺寸較(jiao)(jiao)大(da)的(de)夾雜(za)(za)物(wu)，用EDS能(neng)譜(pu)分析(xi)看(kan)到，夾雜(za)(za)物(wu)中O、Si、Mn元素含量較(jiao)(jiao)高，為氧化物(wu)夾雜(za)(za)物(wu)。這種夾雜(za)(za)物(wu)對焊縫(feng)(feng)的(de)沖擊性能(neng)有很(hen)大(da)的(de)影響，而其他斷口(kou)中未發現有夾雜(za)(za)物(wu)的(de)存在。
方式(shi)2在焊縫中未發(fa)現(xian)氧(yang)化(hua)物(wu)夾雜，因此焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的沖(chong)擊性(xing)(xing)能較高。可(ke)以認為，氧(yang)化(hua)物(wu)夾雜是影響焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭沖(chong)擊性(xing)(xing)能主要(yao)因素，當(dang)氣體后(hou)保護效果良好時，焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的沖(chong)擊韌性(xing)(xing)較高，激光-CMT復(fu)合(he)焊基本達(da)到TIG填(tian)絲焊的水平。該(gai)項焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術(shu)若取代TIG填(tian)絲焊應(ying)用于(yu)焊接(jie)(jie)生產，將是焊接(jie)(jie)技術(shu)的一次重大變革。
