復合焊(han)接是高(gao)(gao)能(neng)焊(han)與(yu)TIG、MIG和(he)MAG焊(han)各取所長，進行聯合焊(han)接，以高(gao)(gao)能(neng)焊(han)為(wei)基礎開發出(chu)來的(de)高(gao)(gao)科技焊(han)接方法(fa)。前景看(kan)好，已經從試驗階段逐步過渡到(dao)用于生產，受到(dao)人(ren)們的(de)重視和(he)關注，為(wei)高(gao)(gao)質(zhi)量高(gao)(gao)效率焊(han)接技術創造了(le)一個發展空間(jian)。
一、CMT弧焊技術(shu)
CMT（Cold Metal Transfer，也稱(cheng)“冷(leng)金(jin)屬過(guo)(guo)(guo)渡(du)”）弧焊技(ji)(ji)術(shu)是(shi)Fronius 公(gong)司在研究(jiu)無飛濺過(guo)(guo)(guo)渡(du)技(ji)(ji)術(shu)、鋁與鋼異種金(jin)屬焊接(jie)、及薄板焊接(jie)的(de)基礎上逐(zhu)漸發展和成(cheng)熟起來的(de)一門新的(de)弧焊技(ji)(ji)術(shu)。該項技(ji)(ji)術(shu)與美國LINCOLN公(gong)司的(de)表(biao)面張(zhang)力過(guo)(guo)(guo)渡(du)技(ji)(ji)術(shu)（Surface TensionTransfer，簡(jian)稱(cheng)STT）以及日本OTC公(gong)司的(de)控(kong)制(zhi)液(ye)橋過(guo)(guo)(guo)渡(du)技(ji)(ji)術(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡(jian)稱(cheng)CBT）均屬于數字化精確控(kong)制(zhi)短路過(guo)(guo)(guo)渡(du)電弧技(ji)(ji)術(shu)。
CMT弧焊(han)(han)(han)技(ji)術的最大技(ji)術優(you)勢在(zai)(zai)于(yu)其焊(han)(han)(han)接過(guo)程(cheng)(cheng)飛濺少(shao)、焊(han)(han)(han)接變(bian)形小、焊(han)(han)(han)縫冶金(jin)質量高(gao)（與常規熔(rong)化(hua)極氣(qi)(qi)體保護焊(han)(han)(han)相(xiang)比(bi)）。但是，由于(yu)CMT弧焊(han)(han)(han)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)熔(rong)池(chi)的溫度相(xiang)對較(jiao)(jiao)低(di)，因(yin)此在(zai)(zai)焊(han)(han)(han)接中(zhong)、厚(hou)板時(shi)，液(ye)態(tai)焊(han)(han)(han)縫金(jin)屬在(zai)(zai)母材表面的潤(run)濕性(xing)相(xiang)對較(jiao)(jiao)差，得到(dao)焊(han)(han)(han)縫的余高(gao)相(xiang)對較(jiao)(jiao)大，特(te)別是在(zai)(zai)采(cai)用(yong)多(duo)層多(duo)道焊(han)(han)(han)時(shi)，易(yi)出現(xian)未熔(rong)合、夾渣等(deng)缺(que)陷。此外，CMT弧焊(han)(han)(han)在(zai)(zai)直(zhi)流反接焊(han)(han)(han)時(shi)，在(zai)(zai)純氬氣(qi)(qi)保護氣(qi)(qi)體下，由于(yu)保護氣(qi)(qi)體中(zhong)無(wu)氧化(hua)性(xing)氣(qi)(qi)體，且(qie)熔(rong)池(chi)中(zhong)缺(que)少(shao)氧化(hua)物的存在(zai)(zai)，電弧的陰極斑點(dian)難以(yi)固定(ding)(ding)，隨焊(han)(han)(han)接過(guo)程(cheng)(cheng)的進行而(er)不(bu)(bu)停漂移，表現(xian)為電弧飄動(dong)，挺(ting)度不(bu)(bu)足，導致焊(han)(han)(han)接過(guo)程(cheng)(cheng)不(bu)(bu)穩定(ding)(ding)，這(zhe)是CMT弧焊(han)(han)(han)技(ji)術不(bu)(bu)足。所(suo)以(yi)核(he)電設(she)備、航空航天對冶金(jin)性(xing)能要求極高(gao)的產品，在(zai)(zai)制(zhi)造中(zhong)無(wu)法應用(yong)。
二、CMT弧焊(han)與激光-CMT電(dian)弧復合熱源(yuan)焊(han)接時(shi)電(dian)弧形貌上(shang)的比較
CMT過(guo)(guo)渡(du)技術(shu)實際上是(shi)一種通過(guo)(guo)送絲協調(diao)及波形(xing)控(kong)制而(er)實現“冷”與“熱”交替(ti)的(de)短路過(guo)(guo)渡(du)弧(hu)焊(han)技術(shu)。CMT過(guo)(guo)渡(du)中的(de)“熱”過(guo)(guo)程(cheng)實際上是(shi)大電(dian)(dian)流(liu)電(dian)(dian)弧(hu)燃(ran)(ran)燒而(er)形(xing)成熔滴的(de)過(guo)(guo)程(cheng)，而(er)“冷”過(guo)(guo)程(cheng)實際上是(shi)小電(dian)(dian)流(liu)電(dian)(dian)弧(hu)維持(chi)燃(ran)(ran)燒待熔滴過(guo)(guo)渡(du)的(de)過(guo)(guo)程(cheng)。從圖3-68和圖3-69分別為(wei)其他焊(han)接條件相同情況下的(de)單(dan)獨CMT的(de)電(dian)(dian)弧(hu)形(xing)貌及激(ji)光與CMT復(fu)合后的(de)電(dian)(dian)弧(hu)形(xing)貌。
從兩幅圖中(zhong)可(ke)以看出(chu)，激光加(jia)(jia)入(ru)前后CMT電弧(hu)形貌發生了(le)可(ke)喜(xi)的變(bian)化：在(zai)純氬保護(hu)氣體(ti)保護(hu)下(xia)，激光與CMT電弧(hu)復合后，激光對CMT電弧(hu)（特(te)別是大電流燃弧(hu)階段的電弧(hu)）產生了(le)吸引(yin)作用(yong)，增加(jia)(jia)了(le)電弧(hu)的挺度，使得原本不穩定的焊接過(guo)程得到穩定。還有焊縫正(zheng)面成(cheng)形美觀，可(ke)實現單面焊雙面成(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不銹鋼的焊接。
304不(bu)銹(xiu)鋼TIG填(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)和激(ji)(ji)光(guang)-CMT 復(fu)合熱(re)(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)的金(jin)相組織(zhi)進行(xing)比(bi)較(jiao)：這(zhe)兩(liang)種焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)方法的焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)，它們的金(jin)相組織(zhi)基(ji)本相同，焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)金(jin)屬及焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)響區的奧氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)均為(wei)奧氏(shi)體(ti)(ti)＋少量(liang)8-鐵素(su)體(ti)(ti)組織(zhi)，且焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)影響區的奧氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)發(fa)生明(ming)顯的粗化。但(dan)是(shi)，仔細對比(bi)兩(liang)種焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)的焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)組織(zhi)觀(guan)察則發(fa)現，焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略(lve)(lve)有(you)差異：TIG填(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略(lve)(lve)粗大(da)；激(ji)(ji)光(guang)-CMT 復(fu)合熱(re)(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略(lve)(lve)細小(xiao)。可以認為(wei)，激(ji)(ji)光(guang)-CMT復(fu)合熱(re)(re)源的有(you)效熱(re)(re)輸入(ru)要比(bi)TIG填(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)過程中(zhong)的實際有(you)效熱(re)(re)輸入(ru)小(xiao)，從表3-55焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)參數(shu)中(zhong)可知，其焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)輸入(ru)僅(jin)為(wei)TIG填(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)的48％左右，這(zhe)是(shi)導致TIG填(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略(lve)(lve)粗大(da)的原(yuan)因(yin)。
從技(ji)術(shu)(shu)的(de)先(xian)進性來說，對于304不銹(xiu)鋼而言(yan)，純氬保護的(de)激光(guang)-CMT焊(han)接(jie)(jie)，其(qi)焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)力學性能不低于TIG焊(han)，而焊(han)接(jie)(jie)效率則是TIG填絲(si)(si)焊(han)的(de)5倍。該項焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技(ji)術(shu)(shu)若取代TIG填絲(si)(si)焊(han)應(ying)用于焊(han)接(jie)(jie)生(sheng)產，將是焊(han)接(jie)(jie)技(ji)術(shu)(shu)的(de)一(yi)次重大變革。
三、針對(dui)性試(shi)驗
目前國內外對于從事與核(he)電厚壁(bi)部件(jian)的焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)主要(yao)采用的上TIG 填(tian)充焊(han)(han)(han)(han)（熱(re)絲或冷絲）焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)方(fang)法。盡管這種焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)方(fang)法的焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)質量相對比較(jiao)穩(wen)定，但也存在以下問題：焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)效率(lv)低及焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)熱(re)輸入大(da)，導致焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(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電弧復(fu)合熱源(yuan)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方法(fa)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)8mm厚奧氏體型不(bu)銹鋼的(de)(de)試驗結果(guo)表明：焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)綜(zong)合力學性(xing)(xing)能(neng)與304不(bu)銹鋼TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)綜(zong)合力學性(xing)(xing)能(neng)相當，而焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)效率是TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)(de)3～5倍(bei)。要(yao)取得這個結果(guo)，必須在復(fu)合焊(han)(han)(han)縫金屬(shu)中嚴格控制C、N、0等微(wei)量元素的(de)(de)含(han)量，否則將(jiang)對焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭力學性(xing)(xing)能(neng)中的(de)(de)沖擊性(xing)(xing)能(neng)極(ji)為不(bu)利(li)，無法(fa)達(da)到TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)(de)水(shui)平。
經分(fen)析，激光-CMT復合熱源焊接(jie)(jie)時，如果后保護范(fan)圍小，則在較高(gao)速(su)度(du)焊接(jie)(jie)時易卷入空氣，從而使得(de)焊縫金屬中的(de)C、N、O等(deng)雜(za)質元素含量偏高(gao)。因此，焊接(jie)(jie)后的(de)保護措施至關重要。
為(wei)此，用激(ji)光(guang)-CMT復合(he)熱源焊接方法(fa)，在純氬氣保(bao)護(hu)及較(jiao)高速度焊接情況下，采取不同的后保(bao)護(hu)方法(fa)進行(xing)(xing)試(shi)驗(yan)，將試(shi)驗(yan)結果(guo)與TIG填充(chong)絲(si)焊進行(xing)(xing)對比。
1. 試驗材料和方法
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(shi)驗設備
試驗用(yong)(yong)激光器(qi)為(wei)德國通快公司(si)生產(chan)的(de)TruDisk6002 型激光器(qi)，最大激光功(gong)率6kW，試驗中采用(yong)(yong)焦距(ju)為(wei)475mm的(de)激光輸(shu)出透鏡；電弧焊(han)機為(wei)奧地利Fronius公司(si)生產(chan)的(de)TPS4000型數字化CMT焊(han)機；TIG填絲(si)焊(han)所用(yong)(yong)焊(han)機為(wei)PANA-TIG SP300鎢極氬弧焊(han)機。
3. 試驗方法
在純氬氣保(bao)護(hu)下采用兩種不同(tong)的后保(bao)護(hu)措(cuo)施，以U形坡口對接的方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)焊(han)接，坡口形式(shi)如圖3-70所示，后保(bao)護(hu)措(cuo)施如圖3-71所示。其中，方(fang)式(shi)一(yi)為(wei)單一(yi)細噴嘴保(bao)護(hu)，方(fang)式(shi)二為(wei)雙管后保(bao)護(hu)。
4. 試驗結果與分(fen)析
a. 氣(qi)體(ti)保護效果對焊縫成形及微(wei)量元素(su)含量的影響
采用(yong)方式(shi)1后氣(qi)體(ti)(ti)保護時(shi)，焊(han)縫發灰；而采用(yong)方式(shi)2后氣(qi)體(ti)(ti)保護時(shi)，焊(han)縫呈銀白色，其氣(qi)體(ti)(ti)保護效果甚至好于TIG填絲焊(han)縫。
采用方(fang)式(shi)1和方(fang)式(shi)2增加后保護的(de)激光-CMT復(fu)合(he)焊(han)(han)與TIG填絲(si)焊(han)(han)焊(han)(han)縫(feng)中(zhong)(zhong)C、N、H、O元素(su)的(de)含量的(de)比較如表3-56所示(shi)。從表中(zhong)(zhong)可知，與方(fang)式(shi)1相(xiang)比，采用方(fang)式(shi)2增加后保護焊(han)(han)縫(feng)中(zhong)(zhong)C、H元素(su)的(de)含量變化不大，而N、O元素(su)含量下降(jiang)到原來(lai)的(de)1/4，并且與TIG填絲(si)焊(han)(han)中(zhong)(zhong)C、N、H、O元素(su)的(de)含量相(xiang)當，而N、O元素(su)的(de)主要來(lai)源就是空氣。
產生這種變化主要(yao)是因為：方(fang)(fang)式(shi)1后保護，噴嘴(zui)保護管(guan)徑細，保護范圍較小，熔池極易卷入空氣，表現為焊縫(feng)表面發灰，N、O元素含(han)量(liang)偏(pian)高；方(fang)(fang)式(shi)2后保護時，管(guan)徑較粗，并且在焊縫(feng)方(fang)(fang)向上并排(pai)(pai)排(pai)(pai)列(lie)著兩(liang)個后噴嘴(zui)，大大加(jia)強了保護范圍，表現為焊縫(feng)呈銀白色，N、O元素含(han)量(liang)大幅下降。
由此(ci)可(ke)見(jian)，采用方(fang)式2增(zeng)加后(hou)(hou)保(bao)護后(hou)(hou)，能(neng)夠更好地(di)隔絕(jue)空氣與熔池的(de)(de)接(jie)觸，極大地(di)改善了焊(han)縫(feng)的(de)(de)保(bao)護效果。
b. 氣體保護效果對焊接(jie)接(jie)頭沖(chong)擊性能的影響
將方(fang)式(shi)1和方(fang)式(shi)2增加后保(bao)護的激光-CMT復合焊(han)焊(han)縫中(zhong)心進行沖(chong)擊性能測式(shi)結果與(yu)TIG填絲(si)焊(han)的沖(chong)擊性能進行對比，見表(biao)3-57。可以看出(chu)，采用方(fang)式(shi)1焊(han)縫中(zhong)心進行沖(chong)擊值與(yu)TIG填絲(si)焊(han)接(jie)頭有較大(da)差距；而方(fang)式(shi)2增加氣體保(bao)護后焊(han)縫中(zhong)心沖(chong)擊值基本上與(yu)TIG填絲(si)焊(han)焊(han)接(jie)接(jie)頭相當。
用SEM觀(guan)(guan)察沖擊(ji)斷口的(de)微觀(guan)(guan)形貌：方式1焊縫(feng)沖擊(ji)斷口形貌，韌窩尺寸較(jiao)小，數(shu)量較(jiao)多，深(shen)度(du)較(jiao)淺(qian)，起伏較(jiao)小；方式2和TIG填絲焊的(de)焊縫(feng)沖擊(ji)斷口形貌，韌窩尺寸較(jiao)大(da)，數(shu)量相(xiang)對較(jiao)少(shao)，深(shen)度(du)較(jiao)深(shen)，起伏較(jiao)大(da)。
在方式1的焊縫沖擊斷口(kou)上有(you)(you)很多尺寸較大的夾(jia)雜物，用EDS能譜分析看到，夾(jia)雜物中(zhong)O、Si、Mn元(yuan)素(su)含(han)量(liang)較高，為氧化物夾(jia)雜物。這種(zhong)夾(jia)雜物對(dui)焊縫的沖擊性能有(you)(you)很大的影響，而(er)其他斷口(kou)中(zhong)未發現有(you)(you)夾(jia)雜物的存(cun)在。
方式(shi)2在焊(han)縫中(zhong)未發現氧化物夾(jia)雜，因此焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的沖(chong)擊(ji)性(xing)能(neng)較高。可以認為，氧化物夾(jia)雜是影響焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭沖(chong)擊(ji)性(xing)能(neng)主要因素，當(dang)氣體后(hou)保護(hu)效果良好時，焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的沖(chong)擊(ji)韌性(xing)較高，激光-CMT復合焊(han)基本達(da)到TIG填絲焊(han)的水平。該項(xiang)焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)技術(shu)(shu)若取代TIG填絲焊(han)應(ying)用于焊(han)接(jie)(jie)(jie)生(sheng)產(chan)，將是焊(han)接(jie)(jie)(jie)技術(shu)(shu)的一次重大變(bian)革。
