復合(he)(he)焊(han)接(jie)是(shi)高能焊(han)與TIG、MIG和MAG焊(han)各取(qu)所(suo)長，進行(xing)聯(lian)合(he)(he)焊(han)接(jie)，以高能焊(han)為(wei)基礎開(kai)發出來的(de)高科技焊(han)接(jie)方法(fa)。前景看好，已(yi)經(jing)從試驗(yan)階段逐步過渡到(dao)用于生(sheng)產，受到(dao)人們的(de)重視和關注(zhu)，為(wei)高質量(liang)高效(xiao)率焊(han)接(jie)技術創造了一個發展空間。
一、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱(cheng)“冷金屬過(guo)渡(du)(du)”）弧焊(han)技(ji)術是Fronius 公司在研究無(wu)飛(fei)濺過(guo)渡(du)(du)技(ji)術、鋁與鋼異種金屬焊(han)接、及薄板焊(han)接的基礎上逐漸發展和成(cheng)熟起(qi)來(lai)的一門(men)新的弧焊(han)技(ji)術。該(gai)項技(ji)術與美國LINCOLN公司的表面(mian)張力過(guo)渡(du)(du)技(ji)術（Surface TensionTransfer，簡稱(cheng)STT）以及日本(ben)OTC公司的控(kong)(kong)制液橋過(guo)渡(du)(du)技(ji)術（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱(cheng)CBT）均(jun)屬于數字化精確控(kong)(kong)制短路過(guo)渡(du)(du)電弧技(ji)術。
CMT弧焊(han)(han)(han)(han)技(ji)術(shu)的(de)最(zui)大(da)技(ji)術(shu)優勢在(zai)(zai)(zai)于(yu)其焊(han)(han)(han)(han)接(jie)過程(cheng)飛濺少(shao)、焊(han)(han)(han)(han)接(jie)變形小、焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)冶金(jin)(jin)質量高（與(yu)常規(gui)熔(rong)(rong)化極氣(qi)(qi)體(ti)(ti)保(bao)護焊(han)(han)(han)(han)相比）。但(dan)是(shi)，由于(yu)CMT弧焊(han)(han)(han)(han)過程(cheng)中(zhong)熔(rong)(rong)池(chi)的(de)溫度(du)相對較(jiao)低，因此(ci)在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)中(zhong)、厚(hou)板(ban)時(shi)，液態焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)金(jin)(jin)屬在(zai)(zai)(zai)母材(cai)表面的(de)潤濕性(xing)相對較(jiao)差，得(de)到焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)余高相對較(jiao)大(da)，特別是(shi)在(zai)(zai)(zai)采用多(duo)層(ceng)多(duo)道焊(han)(han)(han)(han)時(shi)，易出現未熔(rong)(rong)合、夾渣等缺陷。此(ci)外，CMT弧焊(han)(han)(han)(han)在(zai)(zai)(zai)直流(liu)反接(jie)焊(han)(han)(han)(han)時(shi)，在(zai)(zai)(zai)純氬(ya)氣(qi)(qi)保(bao)護氣(qi)(qi)體(ti)(ti)下，由于(yu)保(bao)護氣(qi)(qi)體(ti)(ti)中(zhong)無氧化性(xing)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)，且熔(rong)(rong)池(chi)中(zhong)缺少(shao)氧化物的(de)存(cun)在(zai)(zai)(zai)，電弧的(de)陰(yin)極斑(ban)點難以固定，隨(sui)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)過程(cheng)的(de)進(jin)行(xing)而不(bu)停漂移，表現為電弧飄動，挺(ting)度(du)不(bu)足，導致焊(han)(han)(han)(han)接(jie)過程(cheng)不(bu)穩定，這(zhe)是(shi)CMT弧焊(han)(han)(han)(han)技(ji)術(shu)不(bu)足。所以核電設(she)備、航空航天對冶金(jin)(jin)性(xing)能(neng)要求極高的(de)產品，在(zai)(zai)(zai)制造(zao)中(zhong)無法應用。
二、CMT弧(hu)(hu)焊與激光-CMT電(dian)弧(hu)(hu)復合(he)熱源焊接時電(dian)弧(hu)(hu)形貌上的(de)比較(jiao)
CMT過(guo)(guo)渡(du)(du)技術(shu)實際上是(shi)一種通(tong)過(guo)(guo)送絲協調及(ji)波形(xing)控(kong)制而(er)實現“冷”與“熱(re)”交替的(de)(de)(de)短(duan)路過(guo)(guo)渡(du)(du)弧(hu)焊(han)技術(shu)。CMT過(guo)(guo)渡(du)(du)中的(de)(de)(de)“熱(re)”過(guo)(guo)程(cheng)實際上是(shi)大電(dian)流電(dian)弧(hu)燃(ran)燒而(er)形(xing)成熔滴的(de)(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)，而(er)“冷”過(guo)(guo)程(cheng)實際上是(shi)小(xiao)電(dian)流電(dian)弧(hu)維持(chi)燃(ran)燒待熔滴過(guo)(guo)渡(du)(du)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)。從圖3-68和圖3-69分別(bie)為其他焊(han)接條件相(xiang)同情況下的(de)(de)(de)單獨CMT的(de)(de)(de)電(dian)弧(hu)形(xing)貌及(ji)激光與CMT復合后的(de)(de)(de)電(dian)弧(hu)形(xing)貌。
從兩幅(fu)圖中(zhong)可(ke)(ke)以看出，激光(guang)加入前(qian)后(hou)CMT電(dian)弧(hu)(hu)(hu)形貌(mao)發生了可(ke)(ke)喜的(de)變化：在純氬保(bao)護氣體保(bao)護下，激光(guang)與CMT電(dian)弧(hu)(hu)(hu)復(fu)合后(hou)，激光(guang)對CMT電(dian)弧(hu)(hu)(hu)（特別是大電(dian)流燃弧(hu)(hu)(hu)階段的(de)電(dian)弧(hu)(hu)(hu)）產生了吸(xi)引(yin)作用，增加了電(dian)弧(hu)(hu)(hu)的(de)挺度，使得(de)原本不穩定(ding)的(de)焊(han)(han)接過程得(de)到穩定(ding)。還有(you)焊(han)(han)縫正(zheng)面(mian)成(cheng)形美(mei)觀，可(ke)(ke)實現單(dan)面(mian)焊(han)(han)雙(shuang)面(mian)成(cheng)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(gang)的焊接。
304不銹(xiu)鋼TIG填絲(si)焊(han)(han)和激光-CMT 復(fu)(fu)合(he)(he)熱源(yuan)(yuan)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)金相(xiang)組(zu)織(zhi)進行比(bi)較：這兩種焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方法(fa)的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭，它們的(de)(de)金相(xiang)組(zu)織(zhi)基本相(xiang)同(tong)，焊(han)(han)縫金屬及焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱響區的(de)(de)奧(ao)氏體組(zu)織(zhi)均為奧(ao)氏體＋少量(liang)8-鐵素體組(zu)織(zhi)，且(qie)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱影響區的(de)(de)奧(ao)氏體組(zu)織(zhi)發(fa)生明顯的(de)(de)粗(cu)化。但是(shi)，仔細(xi)對比(bi)兩種焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)焊(han)(han)縫組(zu)織(zhi)觀察則發(fa)現，焊(han)(han)縫柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)略(lve)有(you)差(cha)異：TIG填絲(si)焊(han)(han)焊(han)(han)縫的(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)略(lve)粗(cu)大；激光-CMT 復(fu)(fu)合(he)(he)熱源(yuan)(yuan)焊(han)(han)縫的(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)略(lve)細(xi)小。可以認(ren)為，激光-CMT復(fu)(fu)合(he)(he)熱源(yuan)(yuan)的(de)(de)有(you)效熱輸入要比(bi)TIG填絲(si)焊(han)(han)過程中的(de)(de)實際有(you)效熱輸入小，從表(biao)3-55焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)參數中可知，其焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱輸入僅為TIG填絲(si)焊(han)(han)的(de)(de)48％左(zuo)右，這是(shi)導致TIG填絲(si)焊(han)(han)焊(han)(han)縫的(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)略(lve)粗(cu)大的(de)(de)原因。
從技術的(de)先進性來說(shuo)，對于304不銹鋼而言，純氬保(bao)護(hu)的(de)激光-CMT焊(han)(han)接(jie)(jie)，其焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)力(li)學性能不低于TIG焊(han)(han)，而焊(han)(han)接(jie)(jie)效率(lv)則(ze)是(shi)TIG填絲焊(han)(han)的(de)5倍。該項焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術若(ruo)取(qu)代TIG填絲焊(han)(han)應用(yong)于焊(han)(han)接(jie)(jie)生產(chan)，將是(shi)焊(han)(han)接(jie)(jie)技術的(de)一次重大變(bian)革(ge)。
三、針對性試驗
目前國內外(wai)對于從(cong)事與核電(dian)厚壁部件的焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)主要采用(yong)的上TIG 填充焊(han)(han)(han)（熱(re)絲或(huo)冷絲）焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)方法(fa)(fa)。盡管(guan)這種焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)方法(fa)(fa)的焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)質(zhi)量相(xiang)對比較穩定，但也存在以下問題：焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)效率低及焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)熱(re)輸(shu)入大(da)，導致焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)變形也較大(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(yong)激光-CMT電(dian)弧復合(he)熱源(yuan)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)方法焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)8mm厚奧氏體型不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的(de)試驗(yan)結果表(biao)明：焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)綜合(he)力學(xue)性(xing)能與304不(bu)銹(xiu)鋼(gang)TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)綜合(he)力學(xue)性(xing)能相當，而焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)效率是(shi)TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)3～5倍。要取得這個(ge)結果，必須在(zai)復合(he)焊(han)(han)(han)縫(feng)金屬中嚴格控制C、N、0等微量(liang)元素的(de)含量(liang)，否則將對焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭力學(xue)性(xing)能中的(de)沖(chong)擊(ji)性(xing)能極為不(bu)利，無法達到TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)水平。
經分析(xi)，激光-CMT復合熱源(yuan)焊(han)接時，如果后保護范圍小，則在(zai)較高速(su)度焊(han)接時易(yi)卷入空氣，從而使得焊(han)縫金屬中的(de)C、N、O等雜質元素含量偏高。因此，焊(han)接后的(de)保護措施至(zhi)關(guan)重要(yao)。
為此，用激光-CMT復合(he)熱源焊接(jie)方法，在純(chun)氬氣保護及較高速度焊接(jie)情況下(xia)，采取不同的后保護方法進行試驗，將(jiang)試驗結果與(yu)TIG填(tian)充絲焊進行對(dui)比(bi)。
1. 試驗材(cai)料和方法(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(qi)為(wei)德國通快(kuai)公司生產的TruDisk6002 型激(ji)光器(qi)，最大激(ji)光功(gong)率6kW，試驗中采用焦距為(wei)475mm的激(ji)光輸出(chu)透鏡；電(dian)弧焊(han)機(ji)為(wei)奧地利Fronius公司生產的TPS4000型數字化CMT焊(han)機(ji)；TIG填絲焊(han)所用焊(han)機(ji)為(wei)PANA-TIG SP300鎢極(ji)氬弧焊(han)機(ji)。
3. 試驗方(fang)法
在(zai)純氬氣保(bao)護下(xia)采用兩種不同的后保(bao)護措施，以U形坡口對(dui)接(jie)(jie)的方式(shi)進行焊(han)接(jie)(jie)，坡口形式(shi)如圖3-70所(suo)示，后保(bao)護措施如圖3-71所(suo)示。其(qi)中，方式(shi)一為單一細噴嘴保(bao)護，方式(shi)二為雙(shuang)管(guan)后保(bao)護。
4. 試(shi)驗結果與分析
a. 氣體保(bao)護效果對焊縫成形及(ji)微量元素含量的影響
采用方(fang)式1后(hou)氣(qi)體(ti)保護(hu)時，焊(han)縫(feng)(feng)發灰；而采用方(fang)式2后(hou)氣(qi)體(ti)保護(hu)時，焊(han)縫(feng)(feng)呈銀白色，其氣(qi)體(ti)保護(hu)效果甚至好于TIG填絲(si)焊(han)縫(feng)(feng)。
采用方式1和方式2增加后保(bao)護(hu)的(de)(de)激(ji)光-CMT復合焊(han)與TIG填(tian)絲焊(han)焊(han)縫中C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量(liang)的(de)(de)比(bi)較如表3-56所示。從表中可知，與方式1相(xiang)比(bi)，采用方式2增加后保(bao)護(hu)焊(han)縫中C、H元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量(liang)變(bian)化(hua)不(bu)大，而N、O元(yuan)素(su)(su)含量(liang)下降到原來的(de)(de)1/4，并且與TIG填(tian)絲焊(han)中C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量(liang)相(xiang)當(dang)，而N、O元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)主要來源(yuan)就(jiu)是空氣。
產生這種(zhong)變化主要是(shi)因為：方(fang)式1后(hou)保護(hu)，噴嘴保護(hu)管徑(jing)細，保護(hu)范圍較小，熔池極(ji)易(yi)卷入空氣，表現為焊縫表面發灰，N、O元素含(han)量偏高；方(fang)式2后(hou)保護(hu)時(shi)，管徑(jing)較粗(cu)，并(bing)且在焊縫方(fang)向上并(bing)排排列著兩個后(hou)噴嘴，大大加強了保護(hu)范圍，表現為焊縫呈銀白色，N、O元素含(han)量大幅下降。
由此可見(jian)，采用(yong)方式2增(zeng)加(jia)后(hou)保護后(hou)，能夠更好(hao)地隔絕空(kong)氣與熔池的(de)接觸，極大地改(gai)善了焊縫的(de)保護效(xiao)果。
b. 氣體保護效果對焊接接頭(tou)沖擊性能的影響
將(jiang)方(fang)式(shi)(shi)1和方(fang)式(shi)(shi)2增加后(hou)保護(hu)的激光-CMT復合焊(han)焊(han)縫中(zhong)心(xin)進(jin)(jin)行(xing)沖(chong)擊性能測式(shi)(shi)結果與(yu)TIG填絲焊(han)的沖(chong)擊性能進(jin)(jin)行(xing)對比，見表3-57。可以看出(chu)，采用方(fang)式(shi)(shi)1焊(han)縫中(zhong)心(xin)進(jin)(jin)行(xing)沖(chong)擊值與(yu)TIG填絲焊(han)接頭(tou)有(you)較大差距(ju)；而(er)方(fang)式(shi)(shi)2增加氣體保護(hu)后(hou)焊(han)縫中(zhong)心(xin)沖(chong)擊值基(ji)本上與(yu)TIG填絲焊(han)焊(han)接接頭(tou)相當。
用SEM觀(guan)察(cha)沖擊(ji)斷(duan)口的微觀(guan)形(xing)貌：方式(shi)1焊縫沖擊(ji)斷(duan)口形(xing)貌，韌窩尺寸(cun)較(jiao)小(xiao)，數量(liang)較(jiao)多，深度較(jiao)淺(qian)，起伏較(jiao)小(xiao)；方式(shi)2和(he)TIG填絲焊的焊縫沖擊(ji)斷(duan)口形(xing)貌，韌窩尺寸(cun)較(jiao)大，數量(liang)相(xiang)對較(jiao)少，深度較(jiao)深，起伏較(jiao)大。
在方式1的(de)焊(han)縫沖(chong)擊斷(duan)口(kou)上有很多尺寸較大的(de)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)，用EDS能(neng)譜分析看到(dao)，夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)中O、Si、Mn元素含量(liang)較高，為氧化(hua)物(wu)(wu)(wu)夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)。這種夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)對焊(han)縫的(de)沖(chong)擊性能(neng)有很大的(de)影響，而其他斷(duan)口(kou)中未發現有夾(jia)雜(za)物(wu)(wu)(wu)的(de)存在。
方(fang)式(shi)2在焊(han)(han)縫中未發(fa)現氧(yang)化物夾雜，因(yin)此焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)沖擊(ji)性(xing)能較高。可(ke)以認為(wei)，氧(yang)化物夾雜是影響焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭沖擊(ji)性(xing)能主要因(yin)素，當氣(qi)體后保護效果良好時，焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)沖擊(ji)韌性(xing)較高，激光-CMT復(fu)合(he)焊(han)(han)基(ji)本達到TIG填(tian)絲焊(han)(han)的(de)水平(ping)。該項焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術若取代TIG填(tian)絲焊(han)(han)應用于焊(han)(han)接(jie)(jie)生產，將(jiang)是焊(han)(han)接(jie)(jie)技術的(de)一次重(zhong)大變革。
