復合焊(han)(han)接是高(gao)能焊(han)(han)與TIG、MIG和MAG焊(han)(han)各(ge)取所長，進行(xing)聯合焊(han)(han)接，以(yi)高(gao)能焊(han)(han)為基礎開發出來的(de)高(gao)科技(ji)(ji)焊(han)(han)接方法(fa)。前景看好(hao)，已經從試驗階段逐(zhu)步過渡到(dao)用于生產，受到(dao)人們(men)的(de)重視和關注，為高(gao)質量高(gao)效率焊(han)(han)接技(ji)(ji)術創造了一個發展空(kong)間。
一、CMT弧(hu)焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金(jin)屬過(guo)(guo)(guo)(guo)渡(du)”）弧焊技術(shu)是(shi)Fronius 公(gong)(gong)司在(zai)研究無飛濺過(guo)(guo)(guo)(guo)渡(du)技術(shu)、鋁與鋼異種金(jin)屬焊接(jie)、及薄板焊接(jie)的(de)基(ji)礎上逐漸發(fa)展和成(cheng)熟(shu)起來(lai)的(de)一門(men)新(xin)的(de)弧焊技術(shu)。該項技術(shu)與美國LINCOLN公(gong)(gong)司的(de)表(biao)面(mian)張力過(guo)(guo)(guo)(guo)渡(du)技術(shu)（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以及日本OTC公(gong)(gong)司的(de)控(kong)制液橋過(guo)(guo)(guo)(guo)渡(du)技術(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均屬于數字化精確控(kong)制短(duan)路過(guo)(guo)(guo)(guo)渡(du)電(dian)弧技術(shu)。
CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)(han)技術(shu)的最大(da)技術(shu)優勢在(zai)(zai)(zai)(zai)于(yu)其焊(han)(han)(han)(han)接過(guo)(guo)程(cheng)飛濺少(shao)、焊(han)(han)(han)(han)接變形(xing)小、焊(han)(han)(han)(han)縫冶(ye)金(jin)質量高(gao)(gao)（與常規熔(rong)化極(ji)氣(qi)體保(bao)護(hu)焊(han)(han)(han)(han)相(xiang)比）。但是(shi)(shi)，由(you)于(yu)CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)(han)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)熔(rong)池的溫度相(xiang)對(dui)較低，因(yin)此在(zai)(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)(han)(han)接中(zhong)、厚板(ban)時，液態(tai)焊(han)(han)(han)(han)縫金(jin)屬(shu)在(zai)(zai)(zai)(zai)母(mu)材(cai)表面的潤濕性相(xiang)對(dui)較差(cha)，得到(dao)焊(han)(han)(han)(han)縫的余高(gao)(gao)相(xiang)對(dui)較大(da)，特別是(shi)(shi)在(zai)(zai)(zai)(zai)采用(yong)多(duo)層多(duo)道焊(han)(han)(han)(han)時，易出現(xian)(xian)未熔(rong)合、夾渣(zha)等缺(que)陷。此外，CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)(han)在(zai)(zai)(zai)(zai)直(zhi)流反接焊(han)(han)(han)(han)時，在(zai)(zai)(zai)(zai)純氬氣(qi)保(bao)護(hu)氣(qi)體下，由(you)于(yu)保(bao)護(hu)氣(qi)體中(zhong)無(wu)(wu)氧化性氣(qi)體，且熔(rong)池中(zhong)缺(que)少(shao)氧化物的存在(zai)(zai)(zai)(zai)，電弧(hu)的陰極(ji)斑點難以固定(ding)(ding)，隨焊(han)(han)(han)(han)接過(guo)(guo)程(cheng)的進(jin)行而不(bu)停漂移，表現(xian)(xian)為電弧(hu)飄(piao)動(dong)，挺(ting)度不(bu)足，導致焊(han)(han)(han)(han)接過(guo)(guo)程(cheng)不(bu)穩定(ding)(ding)，這是(shi)(shi)CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)(han)技術(shu)不(bu)足。所(suo)以核電設備(bei)、航空(kong)航天對(dui)冶(ye)金(jin)性能要求極(ji)高(gao)(gao)的產品，在(zai)(zai)(zai)(zai)制造(zao)中(zhong)無(wu)(wu)法應用(yong)。
二(er)、CMT弧(hu)焊(han)(han)與激光-CMT電(dian)弧(hu)復合熱源焊(han)(han)接(jie)時電(dian)弧(hu)形貌上的(de)比較
CMT過(guo)(guo)渡技(ji)術(shu)實(shi)際上(shang)是(shi)(shi)一種通過(guo)(guo)送絲(si)協調及波形控制而實(shi)現(xian)“冷(leng)”與(yu)“熱”交替的(de)短路過(guo)(guo)渡弧(hu)(hu)焊技(ji)術(shu)。CMT過(guo)(guo)渡中的(de)“熱”過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)實(shi)際上(shang)是(shi)(shi)大電流(liu)電弧(hu)(hu)燃燒而形成熔滴(di)的(de)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)，而“冷(leng)”過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)實(shi)際上(shang)是(shi)(shi)小電流(liu)電弧(hu)(hu)維持燃燒待熔滴(di)過(guo)(guo)渡的(de)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)。從圖3-68和(he)圖3-69分(fen)別為其他焊接條件相同情況(kuang)下的(de)單獨CMT的(de)電弧(hu)(hu)形貌及激光(guang)與(yu)CMT復合后(hou)的(de)電弧(hu)(hu)形貌。
從兩(liang)幅(fu)圖中可以(yi)看(kan)出，激(ji)光加入(ru)前后(hou)CMT電(dian)弧(hu)形(xing)(xing)貌發生了可喜的(de)變化：在純氬保護氣(qi)體保護下(xia)，激(ji)光與(yu)CMT電(dian)弧(hu)復合后(hou)，激(ji)光對CMT電(dian)弧(hu)（特別是大(da)電(dian)流(liu)燃弧(hu)階(jie)段的(de)電(dian)弧(hu)）產生了吸引作用，增加了電(dian)弧(hu)的(de)挺度，使得(de)原(yuan)本不穩(wen)定的(de)焊(han)接過程得(de)到穩(wen)定。還有焊(han)縫正面成形(xing)(xing)美觀，可實現單面焊(han)雙(shuang)面成形(xing)(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(gang)的焊接。
304不銹(xiu)鋼(gang)TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)(han)和激光-CMT 復(fu)(fu)合(he)熱(re)源焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭的(de)(de)金(jin)相組(zu)織(zhi)(zhi)進行(xing)比較(jiao)：這兩種焊(han)(han)(han)接(jie)方(fang)法的(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭，它們(men)的(de)(de)金(jin)相組(zu)織(zhi)(zhi)基(ji)本相同，焊(han)(han)(han)縫(feng)金(jin)屬及焊(han)(han)(han)接(jie)熱(re)響(xiang)區的(de)(de)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)均為(wei)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)＋少量8-鐵素體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)，且(qie)焊(han)(han)(han)接(jie)熱(re)影響(xiang)區的(de)(de)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)發生明顯(xian)的(de)(de)粗化。但是，仔細對比兩種焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭的(de)(de)焊(han)(han)(han)縫(feng)組(zu)織(zhi)(zhi)觀(guan)察則發現，焊(han)(han)(han)縫(feng)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略有差(cha)異：TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略粗大；激光-CMT 復(fu)(fu)合(he)熱(re)源焊(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略細小(xiao)。可(ke)以認為(wei)，激光-CMT復(fu)(fu)合(he)熱(re)源的(de)(de)有效熱(re)輸(shu)入(ru)要比TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)(han)過程中的(de)(de)實(shi)際有效熱(re)輸(shu)入(ru)小(xiao)，從表3-55焊(han)(han)(han)接(jie)參(can)數中可(ke)知，其焊(han)(han)(han)接(jie)熱(re)輸(shu)入(ru)僅(jin)為(wei)TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)(han)的(de)(de)48％左右，這是導(dao)致TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略粗大的(de)(de)原因(yin)。
從技(ji)術(shu)的(de)先進性來(lai)說，對于304不(bu)銹鋼而(er)言，純(chun)氬保(bao)護(hu)的(de)激光-CMT焊(han)接，其焊(han)接接頭的(de)力學(xue)性能不(bu)低(di)于TIG焊(han)，而(er)焊(han)接效率則是TIG填絲焊(han)的(de)5倍。該項焊(han)接接技(ji)術(shu)若(ruo)取(qu)代(dai)TIG填絲焊(han)應(ying)用(yong)于焊(han)接生產，將是焊(han)接技(ji)術(shu)的(de)一次(ci)重大變革。
三、針(zhen)對性試驗
目前國內外(wai)對于從事與核電(dian)厚(hou)壁部件的焊(han)接(jie)主(zhu)要(yao)采用的上TIG 填充(chong)焊(han)（熱(re)(re)絲(si)(si)或冷絲(si)(si)）焊(han)接(jie)方法。盡管這種焊(han)接(jie)方法的焊(han)接(jie)質量(liang)相對比較(jiao)穩定，但也存(cun)在以下(xia)問題：焊(han)接(jie)效(xiao)率低及焊(han)接(jie)熱(re)(re)輸入大，導致(zhi)焊(han)接(jie)變(bian)形也較(jiao)大。
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(cai)用激光(guang)-CMT電弧復合熱源焊(han)(han)接(jie)方(fang)法焊(han)(han)接(jie)8mm厚奧氏(shi)體型不銹(xiu)鋼(gang)的試驗結果(guo)表明(ming)：焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭的綜合力學性能與304不銹(xiu)鋼(gang)TIG填絲焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭的綜合力學性能相當，而(er)焊(han)(han)接(jie)效率是TIG填絲焊(han)(han)的3～5倍。要取(qu)得(de)這個結果(guo)，必(bi)須(xu)在復合焊(han)(han)縫金屬(shu)中嚴(yan)格控制C、N、0等微量元(yuan)素(su)的含量，否則將對焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭力學性能中的沖擊性能極為不利，無法達到TIG填絲焊(han)(han)的水平。
經(jing)分析，激光-CMT復合熱源焊(han)(han)接時，如果后保護(hu)(hu)范圍(wei)小，則(ze)在(zai)較高(gao)速(su)度焊(han)(han)接時易卷入空氣，從而使得(de)焊(han)(han)縫金屬(shu)中的C、N、O等雜質元素含(han)量偏高(gao)。因(yin)此(ci)，焊(han)(han)接后的保護(hu)(hu)措施至關重(zhong)要。
為此，用激(ji)光(guang)-CMT復合熱源(yuan)焊接方(fang)法，在純(chun)氬氣保(bao)護(hu)及較(jiao)高速度焊接情況下，采取不同的后保(bao)護(hu)方(fang)法進行(xing)試(shi)驗(yan)，將試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)與TIG填充絲焊進行(xing)對比。
1. 試(shi)驗(yan)材(cai)料和方(fang)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
試驗(yan)(yan)用激光(guang)器(qi)為德(de)國通快公(gong)司生(sheng)產的TruDisk6002 型激光(guang)器(qi)，最大激光(guang)功(gong)率6kW，試驗(yan)(yan)中(zhong)采用焦距(ju)為475mm的激光(guang)輸出透鏡；電(dian)弧(hu)焊(han)(han)機(ji)為奧地利(li)Fronius公(gong)司生(sheng)產的TPS4000型數(shu)字化(hua)CMT焊(han)(han)機(ji)；TIG填絲焊(han)(han)所用焊(han)(han)機(ji)為PANA-TIG SP300鎢極氬(ya)弧(hu)焊(han)(han)機(ji)。
3. 試驗方(fang)法
在純氬氣保(bao)護(hu)(hu)下采用兩種不同的(de)(de)后(hou)(hou)保(bao)護(hu)(hu)措施，以(yi)U形(xing)坡口對接(jie)的(de)(de)方(fang)式(shi)進行焊接(jie)，坡口形(xing)式(shi)如圖(tu)3-70所示(shi)，后(hou)(hou)保(bao)護(hu)(hu)措施如圖(tu)3-71所示(shi)。其中，方(fang)式(shi)一(yi)為單一(yi)細(xi)噴嘴保(bao)護(hu)(hu)，方(fang)式(shi)二為雙管后(hou)(hou)保(bao)護(hu)(hu)。
4. 試(shi)驗結果與分析
a. 氣(qi)體保(bao)護效果對焊縫成形及微量(liang)元素含量(liang)的影響
采(cai)用方式1后(hou)氣體保護(hu)時(shi)，焊(han)縫(feng)發灰(hui)；而采(cai)用方式2后(hou)氣體保護(hu)時(shi)，焊(han)縫(feng)呈銀白色，其氣體保護(hu)效(xiao)果甚至好于TIG填絲焊(han)縫(feng)。
采用方(fang)式(shi)1和(he)方(fang)式(shi)2增加后(hou)保(bao)護的(de)(de)激(ji)光(guang)-CMT復合焊與(yu)TIG填絲焊焊縫中C、N、H、O元(yuan)素的(de)(de)含(han)(han)量的(de)(de)比較如表3-56所示(shi)。從表中可知(zhi)，與(yu)方(fang)式(shi)1相比，采用方(fang)式(shi)2增加后(hou)保(bao)護焊縫中C、H元(yuan)素的(de)(de)含(han)(han)量變化不大(da)，而N、O元(yuan)素含(han)(han)量下降到原來(lai)的(de)(de)1/4，并且與(yu)TIG填絲焊中C、N、H、O元(yuan)素的(de)(de)含(han)(han)量相當，而N、O元(yuan)素的(de)(de)主要來(lai)源就是(shi)空氣(qi)。
產生這種(zhong)變化主要是(shi)因為：方式1后(hou)保護(hu)(hu)，噴嘴保護(hu)(hu)管(guan)徑細，保護(hu)(hu)范(fan)圍(wei)較(jiao)小，熔池極易卷入空(kong)氣，表現為焊(han)(han)縫(feng)表面發(fa)灰，N、O元(yuan)素含量偏高；方式2后(hou)保護(hu)(hu)時，管(guan)徑較(jiao)粗(cu)，并且在焊(han)(han)縫(feng)方向上(shang)并排排列(lie)著兩個后(hou)噴嘴，大大加強了保護(hu)(hu)范(fan)圍(wei)，表現為焊(han)(han)縫(feng)呈(cheng)銀(yin)白(bai)色，N、O元(yuan)素含量大幅下降。
由此可見，采用方(fang)式2增(zeng)加(jia)后(hou)保護(hu)(hu)后(hou)，能夠更好地隔絕空(kong)氣與(yu)熔池的接觸，極大地改(gai)善了(le)焊縫(feng)的保護(hu)(hu)效果。
b. 氣體保護效果對焊接接頭沖擊性能的影響
將方(fang)式(shi)(shi)1和方(fang)式(shi)(shi)2增加后(hou)保護的激光-CMT復合焊焊縫(feng)中(zhong)心(xin)進(jin)行(xing)沖擊(ji)(ji)性能測式(shi)(shi)結果與(yu)TIG填(tian)(tian)絲(si)焊的沖擊(ji)(ji)性能進(jin)行(xing)對比，見表(biao)3-57。可以看(kan)出，采用方(fang)式(shi)(shi)1焊縫(feng)中(zhong)心(xin)進(jin)行(xing)沖擊(ji)(ji)值與(yu)TIG填(tian)(tian)絲(si)焊接頭(tou)有較大差距；而方(fang)式(shi)(shi)2增加氣體保護后(hou)焊縫(feng)中(zhong)心(xin)沖擊(ji)(ji)值基本上與(yu)TIG填(tian)(tian)絲(si)焊焊接接頭(tou)相當(dang)。
用(yong)SEM觀察沖擊斷口(kou)的微觀形(xing)貌(mao)：方(fang)式(shi)(shi)1焊(han)縫沖擊斷口(kou)形(xing)貌(mao)，韌(ren)窩(wo)尺(chi)寸較小，數量(liang)較多，深度(du)較淺，起(qi)伏(fu)較小；方(fang)式(shi)(shi)2和TIG填(tian)絲焊(han)的焊(han)縫沖擊斷口(kou)形(xing)貌(mao)，韌(ren)窩(wo)尺(chi)寸較大，數量(liang)相對(dui)較少，深度(du)較深，起(qi)伏(fu)較大。
在方式(shi)1的焊縫(feng)(feng)沖擊斷口(kou)上有很(hen)多尺寸較(jiao)大的夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)，用EDS能譜分(fen)析看到(dao)，夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)中(zhong)(zhong)O、Si、Mn元(yuan)素含(han)量較(jiao)高，為(wei)氧(yang)化(hua)物(wu)(wu)(wu)夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)。這種夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)對焊縫(feng)(feng)的沖擊性(xing)能有很(hen)大的影響，而其他(ta)斷口(kou)中(zhong)(zhong)未發現有夾雜(za)(za)物(wu)(wu)(wu)的存在。
方式2在焊(han)(han)(han)縫(feng)中未發(fa)現氧化物(wu)夾雜，因此焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)的(de)沖(chong)擊性(xing)能較高。可以認為，氧化物(wu)夾雜是影響(xiang)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)沖(chong)擊性(xing)能主(zhu)要因素，當(dang)氣(qi)體(ti)后保護效果良好(hao)時，焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)的(de)沖(chong)擊韌(ren)性(xing)較高，激光-CMT復合焊(han)(han)(han)基(ji)本(ben)達到TIG填絲焊(han)(han)(han)的(de)水平。該項焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術若取(qu)代TIG填絲焊(han)(han)(han)應(ying)用于焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)生產，將是焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)技術的(de)一次重大變(bian)革。
