復合焊(han)接(jie)是高(gao)能焊(han)與TIG、MIG和(he)MAG焊(han)各取所(suo)長(chang)，進行聯(lian)合焊(han)接(jie)，以高(gao)能焊(han)為基礎(chu)開發出來的高(gao)科技焊(han)接(jie)方(fang)法。前景看好，已經從試驗階(jie)段逐(zhu)步過渡到用于生產，受到人們的重(zhong)視(shi)和(he)關注，為高(gao)質量高(gao)效率焊(han)接(jie)技術(shu)創(chuang)造了一個發展空間。
一、CMT弧焊(han)技術
CMT（Cold Metal Transfer，也(ye)稱(cheng)“冷金屬(shu)過(guo)渡(du)”）弧(hu)焊(han)技(ji)(ji)術是Fronius 公(gong)司(si)在研(yan)究無飛濺過(guo)渡(du)技(ji)(ji)術、鋁與鋼異種(zhong)金屬(shu)焊(han)接、及薄板焊(han)接的(de)基礎上逐漸發(fa)展和成(cheng)熟起來的(de)一門新的(de)弧(hu)焊(han)技(ji)(ji)術。該項(xiang)技(ji)(ji)術與美國LINCOLN公(gong)司(si)的(de)表(biao)面張力(li)過(guo)渡(du)技(ji)(ji)術（Surface TensionTransfer，簡(jian)(jian)稱(cheng)STT）以及日本OTC公(gong)司(si)的(de)控制液橋過(guo)渡(du)技(ji)(ji)術（Controlled Bridge Trans-fer，簡(jian)(jian)稱(cheng)CBT）均屬(shu)于數字化精確控制短路過(guo)渡(du)電弧(hu)技(ji)(ji)術。
CMT弧焊(han)(han)技(ji)術(shu)的(de)(de)最大技(ji)術(shu)優勢(shi)在(zai)于其焊(han)(han)接過(guo)(guo)程(cheng)飛濺少、焊(han)(han)接變形小、焊(han)(han)縫冶金質量高（與常規熔(rong)化(hua)(hua)極(ji)氣(qi)體保護焊(han)(han)相(xiang)比）。但是(shi)，由于CMT弧焊(han)(han)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)熔(rong)池的(de)(de)溫度相(xiang)對(dui)(dui)較低，因此在(zai)焊(han)(han)接中(zhong)、厚板時(shi)，液態焊(han)(han)縫金屬在(zai)母材表(biao)面的(de)(de)潤濕性相(xiang)對(dui)(dui)較差，得到焊(han)(han)縫的(de)(de)余高相(xiang)對(dui)(dui)較大，特(te)別是(shi)在(zai)采(cai)用多層(ceng)多道(dao)焊(han)(han)時(shi)，易(yi)出現未(wei)熔(rong)合、夾渣等缺陷。此外，CMT弧焊(han)(han)在(zai)直(zhi)流反接焊(han)(han)時(shi)，在(zai)純氬氣(qi)保護氣(qi)體下(xia)，由于保護氣(qi)體中(zhong)無(wu)氧(yang)化(hua)(hua)性氣(qi)體，且熔(rong)池中(zhong)缺少氧(yang)化(hua)(hua)物的(de)(de)存在(zai)，電(dian)弧的(de)(de)陰極(ji)斑點難以固(gu)定，隨焊(han)(han)接過(guo)(guo)程(cheng)的(de)(de)進行(xing)而不(bu)停(ting)漂移，表(biao)現為電(dian)弧飄動，挺度不(bu)足，導致焊(han)(han)接過(guo)(guo)程(cheng)不(bu)穩定，這是(shi)CMT弧焊(han)(han)技(ji)術(shu)不(bu)足。所(suo)以核電(dian)設備、航空(kong)航天(tian)對(dui)(dui)冶金性能要求極(ji)高的(de)(de)產(chan)品，在(zai)制造中(zhong)無(wu)法應用。
二、CMT弧焊與激光-CMT電弧復(fu)合熱源焊接時電弧形(xing)貌(mao)上(shang)的比較
CMT過(guo)(guo)渡(du)技(ji)術實(shi)(shi)際(ji)上是一種通過(guo)(guo)送絲協調及(ji)波(bo)形控制而實(shi)(shi)現“冷”與“熱(re)”交替的(de)短路過(guo)(guo)渡(du)弧焊技(ji)術。CMT過(guo)(guo)渡(du)中的(de)“熱(re)”過(guo)(guo)程實(shi)(shi)際(ji)上是大電(dian)(dian)流(liu)電(dian)(dian)弧燃燒(shao)而形成熔滴(di)的(de)過(guo)(guo)程，而“冷”過(guo)(guo)程實(shi)(shi)際(ji)上是小電(dian)(dian)流(liu)電(dian)(dian)弧維持燃燒(shao)待熔滴(di)過(guo)(guo)渡(du)的(de)過(guo)(guo)程。從圖(tu)3-68和圖(tu)3-69分別為其(qi)他焊接條件相同情況下的(de)單獨CMT的(de)電(dian)(dian)弧形貌及(ji)激光與CMT復合(he)后的(de)電(dian)(dian)弧形貌。
從(cong)兩幅(fu)圖中可以(yi)看出，激光加入(ru)前后(hou)CMT電(dian)弧(hu)形(xing)貌(mao)發生(sheng)了(le)可喜的變化：在純(chun)氬(ya)保護(hu)氣(qi)體保護(hu)下，激光與(yu)CMT電(dian)弧(hu)復(fu)合后(hou)，激光對CMT電(dian)弧(hu)（特別是大電(dian)流燃(ran)弧(hu)階(jie)段的電(dian)弧(hu)）產生(sheng)了(le)吸引(yin)作(zuo)用，增加了(le)電(dian)弧(hu)的挺度，使得原本不穩定(ding)(ding)的焊(han)接過程得到穩定(ding)(ding)。還有焊(han)縫正面(mian)成形(xing)美觀，可實(shi)現(xian)單面(mian)焊(han)雙面(mian)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(xiu)鋼的焊接。
304不(bu)銹鋼TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)和激光(guang)-CMT 復合(he)(he)熱源(yuan)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭的金相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)進行比(bi)較：這兩種焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)方法的焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭，它們的金相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)基本(ben)相(xiang)同，焊(han)(han)(han)縫金屬及(ji)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱響區(qu)的奧氏(shi)(shi)體組(zu)織(zhi)(zhi)均為(wei)奧氏(shi)(shi)體＋少(shao)量8-鐵素體組(zu)織(zhi)(zhi)，且焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱影響區(qu)的奧氏(shi)(shi)體組(zu)織(zhi)(zhi)發生明顯的粗化。但(dan)是，仔細(xi)對比(bi)兩種焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭的焊(han)(han)(han)縫組(zu)織(zhi)(zhi)觀察則(ze)發現，焊(han)(han)(han)縫柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)(li)略(lve)有(you)(you)差(cha)異(yi)：TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)縫的柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)(li)略(lve)粗大；激光(guang)-CMT 復合(he)(he)熱源(yuan)焊(han)(han)(han)縫的柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)(li)略(lve)細(xi)小。可以認為(wei)，激光(guang)-CMT復合(he)(he)熱源(yuan)的有(you)(you)效熱輸(shu)入(ru)要比(bi)TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)過程中(zhong)的實際有(you)(you)效熱輸(shu)入(ru)小，從表3-55焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)參數中(zhong)可知，其焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱輸(shu)入(ru)僅為(wei)TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)的48％左右，這是導致TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)縫的柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)(li)略(lve)粗大的原因。
從技(ji)術(shu)的先(xian)進性來說(shuo)，對(dui)于(yu)(yu)304不銹鋼而言，純氬保(bao)護的激光(guang)-CMT焊(han)接(jie)(jie)(jie)，其焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的力學性能不低于(yu)(yu)TIG焊(han)，而焊(han)接(jie)(jie)(jie)效(xiao)率則是TIG填絲焊(han)的5倍(bei)。該(gai)項焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)技(ji)術(shu)若取代TIG填絲焊(han)應用于(yu)(yu)焊(han)接(jie)(jie)(jie)生(sheng)產，將是焊(han)接(jie)(jie)(jie)技(ji)術(shu)的一次重(zhong)大變革。
三、針對性試驗
目前國(guo)內外對于從事與(yu)核電厚壁部(bu)件的(de)焊(han)接(jie)(jie)主要采用(yong)的(de)上TIG 填(tian)充(chong)焊(han)（熱(re)(re)絲(si)或(huo)冷絲(si)）焊(han)接(jie)(jie)方法(fa)。盡管這種焊(han)接(jie)(jie)方法(fa)的(de)焊(han)接(jie)(jie)質量相對比較穩定，但也存在以下(xia)問題(ti)：焊(han)接(jie)(jie)效率(lv)低及焊(han)接(jie)(jie)熱(re)(re)輸入大(da)，導致焊(han)接(jie)(jie)變(bian)形也較大(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電弧(hu)復合(he)熱(re)源焊接(jie)方法焊接(jie)8mm厚奧氏體型不銹鋼(gang)的(de)試驗結果表明：焊接(jie)接(jie)頭的(de)綜(zong)合(he)力學(xue)性能(neng)與(yu)304不銹鋼(gang)TIG填絲焊接(jie)接(jie)頭的(de)綜(zong)合(he)力學(xue)性能(neng)相當(dang)，而焊接(jie)效率是(shi)TIG填絲焊的(de)3～5倍。要(yao)取得(de)這(zhe)個結果，必須在復合(he)焊縫金屬中嚴格(ge)控制C、N、0等微(wei)量元素的(de)含(han)量，否(fou)則將對焊接(jie)接(jie)頭力學(xue)性能(neng)中的(de)沖擊(ji)性能(neng)極為不利，無(wu)法達到TIG填絲焊的(de)水平。
經(jing)分析，激光-CMT復合熱源(yuan)焊接(jie)時，如果后保護(hu)范圍小(xiao)，則在較高速度(du)焊接(jie)時易卷入空氣，從而使得(de)焊縫金(jin)屬中的C、N、O等雜質元素(su)含量(liang)偏高。因此，焊接(jie)后的保護(hu)措施至關(guan)重要。
為此，用激光-CMT復(fu)合熱(re)源焊接方(fang)法(fa)，在純氬(ya)氣保(bao)護及較高(gao)速(su)度焊接情況下，采(cai)取不同的后保(bao)護方(fang)法(fa)進行試驗，將試驗結果與(yu)TIG填充絲焊進行對比(bi)。
1. 試驗材料和(he)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(shi)驗(yan)設備
試驗用激光(guang)器為(wei)(wei)德國通快公司生(sheng)產(chan)的(de)TruDisk6002 型(xing)(xing)激光(guang)器，最大激光(guang)功率(lv)6kW，試驗中采用焦距為(wei)(wei)475mm的(de)激光(guang)輸出透鏡；電弧焊機(ji)(ji)為(wei)(wei)奧地利Fronius公司生(sheng)產(chan)的(de)TPS4000型(xing)(xing)數字(zi)化CMT焊機(ji)(ji)；TIG填絲(si)焊所用焊機(ji)(ji)為(wei)(wei)PANA-TIG SP300鎢極(ji)氬弧焊機(ji)(ji)。
3. 試驗方法
在純氬氣保護(hu)下采用兩種(zhong)不同的(de)后(hou)保護(hu)措施(shi)，以U形坡口對接(jie)的(de)方式進行(xing)焊接(jie)，坡口形式如(ru)圖3-70所示(shi)，后(hou)保護(hu)措施(shi)如(ru)圖3-71所示(shi)。其中(zhong)，方式一(yi)為(wei)單(dan)一(yi)細(xi)噴嘴(zui)保護(hu)，方式二(er)為(wei)雙管后(hou)保護(hu)。
4. 試驗結(jie)果與分析
a. 氣體保護效果對(dui)焊縫成形及微量(liang)元素含量(liang)的影響
采用方(fang)式1后氣(qi)體保護時，焊(han)(han)縫發灰；而(er)采用方(fang)式2后氣(qi)體保護時，焊(han)(han)縫呈銀白色，其氣(qi)體保護效果甚至好于TIG填絲焊(han)(han)縫。
采用方式(shi)1和方式(shi)2增加后保護的(de)激光-CMT復(fu)合(he)焊(han)(han)與(yu)(yu)TIG填絲焊(han)(han)焊(han)(han)縫中(zhong)C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)含量(liang)(liang)(liang)的(de)比較如表3-56所示。從表中(zhong)可(ke)知，與(yu)(yu)方式(shi)1相比，采用方式(shi)2增加后保護焊(han)(han)縫中(zhong)C、H元(yuan)素(su)(su)的(de)含量(liang)(liang)(liang)變(bian)化不大，而N、O元(yuan)素(su)(su)含量(liang)(liang)(liang)下降到原來的(de)1/4，并且與(yu)(yu)TIG填絲焊(han)(han)中(zhong)C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)含量(liang)(liang)(liang)相當，而N、O元(yuan)素(su)(su)的(de)主(zhu)要來源就是(shi)空氣。
產(chan)生這種變化主要(yao)是(shi)因為(wei)(wei)：方式(shi)1后(hou)保(bao)護(hu)，噴嘴保(bao)護(hu)管(guan)徑細，保(bao)護(hu)范(fan)圍較小，熔池極易卷入空氣(qi)，表(biao)現為(wei)(wei)焊縫(feng)表(biao)面發灰，N、O元素(su)含量偏(pian)高(gao)；方式(shi)2后(hou)保(bao)護(hu)時，管(guan)徑較粗，并且在焊縫(feng)方向上并排(pai)排(pai)列著兩個后(hou)噴嘴，大(da)大(da)加(jia)強了保(bao)護(hu)范(fan)圍，表(biao)現為(wei)(wei)焊縫(feng)呈銀(yin)白色，N、O元素(su)含量大(da)幅下降。
由此(ci)可見，采用(yong)方(fang)式2增加后保護后，能(neng)夠更好地隔(ge)絕空氣與熔池的接觸，極(ji)大地改(gai)善了焊縫的保護效果。
b. 氣體保護效果對焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭沖(chong)擊性能的影(ying)響
將方(fang)(fang)式(shi)(shi)1和方(fang)(fang)式(shi)(shi)2增加后保護(hu)的激光-CMT復合焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)縫(feng)中心進(jin)行(xing)沖擊(ji)性能(neng)測(ce)式(shi)(shi)結果與(yu)TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)的沖擊(ji)性能(neng)進(jin)行(xing)對(dui)比(bi)，見表3-57。可(ke)以看出，采用方(fang)(fang)式(shi)(shi)1焊(han)(han)(han)縫(feng)中心進(jin)行(xing)沖擊(ji)值與(yu)TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)接頭有較大差距；而方(fang)(fang)式(shi)(shi)2增加氣體保護(hu)后焊(han)(han)(han)縫(feng)中心沖擊(ji)值基本(ben)上與(yu)TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)接接頭相當(dang)。
用SEM觀察(cha)沖擊斷(duan)口的(de)微觀形貌(mao)(mao)：方式1焊(han)縫(feng)(feng)沖擊斷(duan)口形貌(mao)(mao)，韌窩尺寸較(jiao)(jiao)小，數量較(jiao)(jiao)多(duo)，深(shen)度(du)較(jiao)(jiao)淺，起伏較(jiao)(jiao)小；方式2和TIG填絲(si)焊(han)的(de)焊(han)縫(feng)(feng)沖擊斷(duan)口形貌(mao)(mao)，韌窩尺寸較(jiao)(jiao)大，數量相對較(jiao)(jiao)少，深(shen)度(du)較(jiao)(jiao)深(shen)，起伏較(jiao)(jiao)大。
在方式(shi)1的(de)焊(han)縫沖擊(ji)斷(duan)口(kou)上(shang)有很(hen)多尺(chi)寸(cun)較大的(de)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)，用EDS能譜分(fen)析看(kan)到，夾(jia)雜(za)(za)物(wu)中O、Si、Mn元素含(han)量較高，為氧化物(wu)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)。這種夾(jia)雜(za)(za)物(wu)對(dui)焊(han)縫的(de)沖擊(ji)性能有很(hen)大的(de)影響，而其他(ta)斷(duan)口(kou)中未發現有夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)存在。
方式2在焊(han)(han)(han)縫中未發(fa)現氧(yang)(yang)化(hua)物夾(jia)(jia)雜(za)，因此焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)沖(chong)擊(ji)性能較高。可(ke)以認(ren)為(wei)，氧(yang)(yang)化(hua)物夾(jia)(jia)雜(za)是(shi)影響(xiang)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭沖(chong)擊(ji)性能主要因素(su)，當(dang)氣體后保護效果良好時，焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)沖(chong)擊(ji)韌(ren)性較高，激(ji)光(guang)-CMT復合焊(han)(han)(han)基本達到TIG填絲焊(han)(han)(han)的(de)水平。該(gai)項(xiang)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)技術(shu)若(ruo)取代TIG填絲焊(han)(han)(han)應用于焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)生產(chan)，將是(shi)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)技術(shu)的(de)一次重大變革(ge)。
