復合焊(han)(han)接(jie)是高(gao)能(neng)焊(han)(han)與TIG、MIG和(he)MAG焊(han)(han)各取所長，進行聯合焊(han)(han)接(jie)，以高(gao)能(neng)焊(han)(han)為(wei)基礎開發(fa)出來的高(gao)科技焊(han)(han)接(jie)方法。前景(jing)看好(hao)，已經(jing)從(cong)試驗(yan)階(jie)段(duan)逐步(bu)過渡(du)到(dao)用于(yu)生產，受到(dao)人們的重視和(he)關注(zhu)，為(wei)高(gao)質(zhi)量高(gao)效率焊(han)(han)接(jie)技術創(chuang)造了一個發(fa)展空間。
一、CMT弧焊(han)技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金屬(shu)過(guo)渡”）弧(hu)焊(han)(han)技(ji)(ji)術(shu)(shu)是Fronius 公(gong)司(si)在(zai)研究無飛濺過(guo)渡技(ji)(ji)術(shu)(shu)、鋁與(yu)鋼異種(zhong)金屬(shu)焊(han)(han)接(jie)、及薄板焊(han)(han)接(jie)的(de)基礎上(shang)逐漸發(fa)展和成(cheng)熟起來的(de)一門(men)新(xin)的(de)弧(hu)焊(han)(han)技(ji)(ji)術(shu)(shu)。該項技(ji)(ji)術(shu)(shu)與(yu)美國LINCOLN公(gong)司(si)的(de)表面張力過(guo)渡技(ji)(ji)術(shu)(shu)（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以(yi)及日本OTC公(gong)司(si)的(de)控制(zhi)液(ye)橋過(guo)渡技(ji)(ji)術(shu)(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均屬(shu)于數字化精確控制(zhi)短(duan)路過(guo)渡電弧(hu)技(ji)(ji)術(shu)(shu)。
CMT弧(hu)焊技術的最(zui)大(da)技術優勢在(zai)(zai)(zai)于其焊接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)(cheng)飛濺少、焊接(jie)(jie)變形小、焊縫冶(ye)金質量高（與常規熔(rong)化極(ji)(ji)氣(qi)體保護焊相比）。但是(shi)，由(you)于CMT弧(hu)焊過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)熔(rong)池的溫度相對較(jiao)低(di)，因(yin)此在(zai)(zai)(zai)焊接(jie)(jie)中(zhong)(zhong)、厚板時(shi)，液態焊縫金屬在(zai)(zai)(zai)母材表面的潤濕性(xing)相對較(jiao)差(cha)，得到焊縫的余高相對較(jiao)大(da)，特別(bie)是(shi)在(zai)(zai)(zai)采用多(duo)層多(duo)道(dao)焊時(shi)，易(yi)出現(xian)(xian)未熔(rong)合、夾渣(zha)等缺(que)陷(xian)。此外，CMT弧(hu)焊在(zai)(zai)(zai)直(zhi)流反接(jie)(jie)焊時(shi)，在(zai)(zai)(zai)純氬氣(qi)保護氣(qi)體下，由(you)于保護氣(qi)體中(zhong)(zhong)無(wu)氧(yang)化性(xing)氣(qi)體，且熔(rong)池中(zhong)(zhong)缺(que)少氧(yang)化物的存在(zai)(zai)(zai)，電弧(hu)的陰極(ji)(ji)斑點難以固(gu)定(ding)，隨焊接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)(cheng)的進行而不停(ting)漂移(yi)，表現(xian)(xian)為電弧(hu)飄(piao)動，挺(ting)度不足，導致焊接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)(cheng)不穩(wen)定(ding)，這(zhe)是(shi)CMT弧(hu)焊技術不足。所以核電設備、航空(kong)航天對冶(ye)金性(xing)能要求(qiu)極(ji)(ji)高的產品，在(zai)(zai)(zai)制(zhi)造中(zhong)(zhong)無(wu)法應用。
二、CMT弧(hu)焊(han)與激光-CMT電(dian)弧(hu)復合熱源焊(han)接時電(dian)弧(hu)形(xing)貌上的比較
CMT過(guo)(guo)(guo)渡(du)(du)技術(shu)實(shi)(shi)(shi)際(ji)上是(shi)(shi)一種通過(guo)(guo)(guo)送絲協調及波形(xing)控制而(er)(er)實(shi)(shi)(shi)現“冷(leng)”與“熱”交替(ti)的(de)短路過(guo)(guo)(guo)渡(du)(du)弧(hu)焊技術(shu)。CMT過(guo)(guo)(guo)渡(du)(du)中的(de)“熱”過(guo)(guo)(guo)程實(shi)(shi)(shi)際(ji)上是(shi)(shi)大電流電弧(hu)燃燒(shao)而(er)(er)形(xing)成熔滴的(de)過(guo)(guo)(guo)程，而(er)(er)“冷(leng)”過(guo)(guo)(guo)程實(shi)(shi)(shi)際(ji)上是(shi)(shi)小電流電弧(hu)維持燃燒(shao)待熔滴過(guo)(guo)(guo)渡(du)(du)的(de)過(guo)(guo)(guo)程。從圖3-68和圖3-69分(fen)別為其(qi)他焊接條件相同情況下(xia)的(de)單(dan)獨CMT的(de)電弧(hu)形(xing)貌及激光與CMT復合后(hou)的(de)電弧(hu)形(xing)貌。
從兩幅圖中可以看出，激(ji)光(guang)加入前(qian)后CMT電(dian)弧(hu)(hu)形(xing)貌發生了(le)可喜的變(bian)化：在(zai)純氬保(bao)護氣體保(bao)護下，激(ji)光(guang)與CMT電(dian)弧(hu)(hu)復合后，激(ji)光(guang)對CMT電(dian)弧(hu)(hu)（特(te)別是大(da)電(dian)流燃弧(hu)(hu)階段的電(dian)弧(hu)(hu)）產生了(le)吸引(yin)作用，增加了(le)電(dian)弧(hu)(hu)的挺度(du)，使得原本不穩定的焊接過程得到穩定。還有焊縫(feng)正面成形(xing)美觀，可實現單面焊雙面成形(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不銹鋼(gang)TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)和激光(guang)-CMT 復合熱(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)(de)金(jin)相組(zu)織(zhi)進(jin)行比較：這兩(liang)種(zhong)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方法的(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭，它們(men)的(de)(de)(de)金(jin)相組(zu)織(zhi)基本(ben)相同，焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)金(jin)屬及焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)響區的(de)(de)(de)奧(ao)氏體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)均為奧(ao)氏體(ti)(ti)＋少(shao)量(liang)8-鐵素體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)，且(qie)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)影響區的(de)(de)(de)奧(ao)氏體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)發生明顯的(de)(de)(de)粗化。但是，仔細(xi)對比兩(liang)種(zhong)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)組(zu)織(zhi)觀察則發現，焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略(lve)有(you)(you)差異(yi)：TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略(lve)粗大；激光(guang)-CMT 復合熱(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略(lve)細(xi)小。可以(yi)認為，激光(guang)-CMT復合熱(re)源的(de)(de)(de)有(you)(you)效熱(re)輸(shu)入要比TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)過程中的(de)(de)(de)實際有(you)(you)效熱(re)輸(shu)入小，從表3-55焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)參數中可知，其焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)輸(shu)入僅(jin)為TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)的(de)(de)(de)48％左右，這是導致TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略(lve)粗大的(de)(de)(de)原因。
從技(ji)術(shu)(shu)的(de)先(xian)進(jin)性來說(shuo)，對(dui)于(yu)304不銹鋼而言，純氬保護的(de)激光-CMT焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)，其焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)力學(xue)性能不低于(yu)TIG焊(han)(han)(han)(han)(han)，而焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)效率則是(shi)TIG填(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)(han)的(de)5倍。該(gai)項焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)技(ji)術(shu)(shu)若取代TIG填(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)(han)應用于(yu)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)生產(chan)，將是(shi)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)技(ji)術(shu)(shu)的(de)一次重大變革。
三、針對性(xing)試驗
目前國內(nei)外對于從事與核電厚壁部件的焊(han)接(jie)主要采(cai)用(yong)的上TIG 填充焊(han)（熱絲(si)或(huo)冷(leng)絲(si)）焊(han)接(jie)方法(fa)。盡管這種焊(han)接(jie)方法(fa)的焊(han)接(jie)質量相對比較(jiao)穩定，但也存在(zai)以下問題：焊(han)接(jie)效率低及焊(han)接(jie)熱輸入大，導(dao)致焊(han)接(jie)變形也較(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。
采用激(ji)光-CMT電弧復(fu)合(he)熱源(yuan)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)方法焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)8mm厚奧氏體型不銹鋼(gang)的(de)(de)試驗(yan)結(jie)果表明：焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)(de)綜合(he)力(li)學性能與304不銹鋼(gang)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)(de)綜合(he)力(li)學性能相當，而焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)效(xiao)率是(shi)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)的(de)(de)3～5倍。要取(qu)得這個結(jie)果，必(bi)須在(zai)復(fu)合(he)焊(han)(han)(han)(han)縫金屬中嚴格控制C、N、0等微量(liang)(liang)元(yuan)素的(de)(de)含(han)量(liang)(liang)，否則將對焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭力(li)學性能中的(de)(de)沖擊(ji)性能極為不利，無(wu)法達到TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)的(de)(de)水平。
經分(fen)析，激光(guang)-CMT復合熱源(yuan)焊(han)接時，如(ru)果后(hou)保護范(fan)圍小，則在較高(gao)(gao)速度(du)焊(han)接時易卷入空氣，從而使得焊(han)縫(feng)金屬中的C、N、O等雜質(zhi)元(yuan)素(su)含量偏(pian)高(gao)(gao)。因此，焊(han)接后(hou)的保護措(cuo)施至關重要。
為此，用激(ji)光-CMT復(fu)合熱源焊接(jie)方法(fa)(fa)，在純氬氣保護(hu)及較高速度焊接(jie)情(qing)況下，采(cai)取不同的后保護(hu)方法(fa)(fa)進(jin)行試驗(yan)，將試驗(yan)結果與TIG填充絲焊進(jin)行對比。
1. 試(shi)驗材(cai)料(liao)和方法(fa)
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)
試驗用激(ji)光器為德國(guo)通快(kuai)公司(si)生(sheng)產(chan)的(de)TruDisk6002 型(xing)(xing)激(ji)光器，最(zui)大激(ji)光功率6kW，試驗中采用焦距為475mm的(de)激(ji)光輸出(chu)透(tou)鏡；電弧(hu)(hu)焊機為奧地利Fronius公司(si)生(sheng)產(chan)的(de)TPS4000型(xing)(xing)數字化CMT焊機；TIG填絲焊所(suo)用焊機為PANA-TIG SP300鎢極氬弧(hu)(hu)焊機。
3. 試(shi)驗方(fang)法
在純氬氣保(bao)護(hu)(hu)下采(cai)用兩種不同的(de)后保(bao)護(hu)(hu)措施，以U形(xing)坡(po)(po)口對接的(de)方(fang)(fang)式(shi)進(jin)行焊接，坡(po)(po)口形(xing)式(shi)如圖3-70所(suo)示，后保(bao)護(hu)(hu)措施如圖3-71所(suo)示。其中，方(fang)(fang)式(shi)一(yi)為單一(yi)細噴嘴保(bao)護(hu)(hu)，方(fang)(fang)式(shi)二為雙(shuang)管后保(bao)護(hu)(hu)。
4. 試驗結果與分析
a. 氣體(ti)保護效(xiao)果對焊縫成(cheng)形及微量(liang)元素含量(liang)的影響
采用(yong)方式(shi)1后(hou)氣體(ti)保(bao)(bao)護(hu)時(shi)，焊(han)(han)縫發灰；而采用(yong)方式(shi)2后(hou)氣體(ti)保(bao)(bao)護(hu)時(shi)，焊(han)(han)縫呈(cheng)銀白色，其氣體(ti)保(bao)(bao)護(hu)效果甚(shen)至(zhi)好(hao)于TIG填絲焊(han)(han)縫。
采用(yong)方(fang)式1和方(fang)式2增(zeng)(zeng)加(jia)后保護的(de)(de)激(ji)光(guang)-CMT復(fu)合焊與(yu)TIG填(tian)絲(si)焊焊縫中(zhong)C、N、H、O元素的(de)(de)含量(liang)(liang)的(de)(de)比較如表(biao)3-56所(suo)示。從表(biao)中(zhong)可(ke)知，與(yu)方(fang)式1相比，采用(yong)方(fang)式2增(zeng)(zeng)加(jia)后保護焊縫中(zhong)C、H元素的(de)(de)含量(liang)(liang)變化不大，而N、O元素含量(liang)(liang)下降(jiang)到原來的(de)(de)1/4，并且與(yu)TIG填(tian)絲(si)焊中(zhong)C、N、H、O元素的(de)(de)含量(liang)(liang)相當，而N、O元素的(de)(de)主要來源就是空(kong)氣。
產生這種變化(hua)主要是(shi)因為(wei)：方(fang)式1后(hou)保護，噴嘴保護管(guan)(guan)徑細，保護范圍較(jiao)(jiao)小，熔(rong)池極易卷入(ru)空(kong)氣，表現(xian)為(wei)焊縫(feng)表面發灰，N、O元素(su)含量(liang)偏高；方(fang)式2后(hou)保護時，管(guan)(guan)徑較(jiao)(jiao)粗(cu)，并且在焊縫(feng)方(fang)向上并排(pai)排(pai)列著兩(liang)個(ge)后(hou)噴嘴，大(da)大(da)加強了保護范圍，表現(xian)為(wei)焊縫(feng)呈銀白色，N、O元素(su)含量(liang)大(da)幅下降。
由此(ci)可見(jian)，采用方式(shi)2增加后保護(hu)后，能夠更好地(di)隔絕空氣與熔(rong)池的(de)接(jie)觸，極大(da)地(di)改(gai)善了焊縫的(de)保護(hu)效果。
b. 氣體保(bao)護效果對焊接接頭沖擊(ji)性能的影響
將方式(shi)(shi)1和方式(shi)(shi)2增加(jia)后保護的(de)(de)激(ji)光(guang)-CMT復合焊(han)焊(han)縫(feng)中心進(jin)行(xing)沖擊(ji)性(xing)能測式(shi)(shi)結果與TIG填絲(si)(si)焊(han)的(de)(de)沖擊(ji)性(xing)能進(jin)行(xing)對比，見表3-57。可以看出，采用方式(shi)(shi)1焊(han)縫(feng)中心進(jin)行(xing)沖擊(ji)值與TIG填絲(si)(si)焊(han)接(jie)頭有較大差(cha)距；而方式(shi)(shi)2增加(jia)氣體保護后焊(han)縫(feng)中心沖擊(ji)值基本上與TIG填絲(si)(si)焊(han)焊(han)接(jie)接(jie)頭相當。
用SEM觀(guan)察沖擊(ji)斷(duan)(duan)口(kou)的微觀(guan)形貌：方(fang)(fang)式1焊(han)縫(feng)(feng)沖擊(ji)斷(duan)(duan)口(kou)形貌，韌(ren)窩尺(chi)寸(cun)較(jiao)(jiao)(jiao)小，數量(liang)較(jiao)(jiao)(jiao)多，深度(du)較(jiao)(jiao)(jiao)淺，起伏較(jiao)(jiao)(jiao)小；方(fang)(fang)式2和(he)TIG填絲焊(han)的焊(han)縫(feng)(feng)沖擊(ji)斷(duan)(duan)口(kou)形貌，韌(ren)窩尺(chi)寸(cun)較(jiao)(jiao)(jiao)大，數量(liang)相對較(jiao)(jiao)(jiao)少，深度(du)較(jiao)(jiao)(jiao)深，起伏較(jiao)(jiao)(jiao)大。
在方式1的焊縫(feng)沖擊斷口(kou)上(shang)有很多尺(chi)寸(cun)較大(da)(da)的夾(jia)雜物，用EDS能(neng)譜分析看到(dao)，夾(jia)雜物中O、Si、Mn元素含量較高，為(wei)氧(yang)化物夾(jia)雜物。這(zhe)種夾(jia)雜物對焊縫(feng)的沖擊性能(neng)有很大(da)(da)的影響，而其他斷口(kou)中未發現有夾(jia)雜物的存(cun)在。
方式(shi)2在(zai)焊(han)(han)縫中未發(fa)現氧化物夾雜(za)，因此焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)沖擊(ji)性能較(jiao)高(gao)。可以(yi)認為，氧化物夾雜(za)是影響焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭沖擊(ji)性能主要因素(su)，當氣體(ti)后(hou)保(bao)護效果良好時，焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)沖擊(ji)韌性較(jiao)高(gao)，激光-CMT復合(he)焊(han)(han)基(ji)本達到TIG填絲(si)焊(han)(han)的(de)水平。該項焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術若取代(dai)TIG填絲(si)焊(han)(han)應用于焊(han)(han)接(jie)(jie)生(sheng)產，將是焊(han)(han)接(jie)(jie)技術的(de)一次重大(da)變革(ge)。
