復合焊(han)接是高(gao)(gao)能焊(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)能焊(han)為(wei)基礎開發出來的高(gao)(gao)科技(ji)焊(han)接方法。前景看好，已經(jing)從試(shi)驗階段逐步過(guo)渡到(dao)用于生產，受到(dao)人們的重視(shi)和(he)關(guan)注，為(wei)高(gao)(gao)質(zhi)量(liang)高(gao)(gao)效率焊(han)接技(ji)術創造了一(yi)個發展空間。
一(yi)、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷(leng)金屬過(guo)(guo)(guo)渡”）弧(hu)焊技(ji)(ji)術是Fronius 公司在研(yan)究無(wu)飛濺(jian)過(guo)(guo)(guo)渡技(ji)(ji)術、鋁與鋼異種金屬焊接(jie)(jie)、及(ji)薄板(ban)焊接(jie)(jie)的基礎上逐漸發(fa)展和成熟起來的一門新的弧(hu)焊技(ji)(ji)術。該項技(ji)(ji)術與美國LINCOLN公司的表面張力過(guo)(guo)(guo)渡技(ji)(ji)術（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以及(ji)日本OTC公司的控(kong)(kong)制(zhi)液橋過(guo)(guo)(guo)渡技(ji)(ji)術（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均屬于數(shu)字化精確控(kong)(kong)制(zhi)短路過(guo)(guo)(guo)渡電弧(hu)技(ji)(ji)術。
CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)技術(shu)的(de)最大技術(shu)優勢在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)于(yu)(yu)其焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)(cheng)飛濺少、焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)變形小、焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫冶(ye)金(jin)質量高(gao)（與(yu)常規(gui)熔(rong)化極(ji)氣(qi)體(ti)保護焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)相(xiang)比）。但是，由于(yu)(yu)CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)過(guo)程(cheng)(cheng)中熔(rong)池的(de)溫度相(xiang)對(dui)(dui)較(jiao)低，因(yin)此(ci)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)中、厚板時，液態(tai)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫金(jin)屬在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)母材表面的(de)潤濕性相(xiang)對(dui)(dui)較(jiao)差，得到焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫的(de)余(yu)高(gao)相(xiang)對(dui)(dui)較(jiao)大，特別是在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)采用(yong)(yong)多層(ceng)多道焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)時，易出現未熔(rong)合(he)、夾渣等缺陷。此(ci)外(wai)，CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)直流反接(jie)(jie)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)時，在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)純氬氣(qi)保護氣(qi)體(ti)下，由于(yu)(yu)保護氣(qi)體(ti)中無氧化性氣(qi)體(ti)，且熔(rong)池中缺少氧化物的(de)存在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)，電(dian)弧(hu)(hu)的(de)陰極(ji)斑點難以固定，隨(sui)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)(cheng)的(de)進行(xing)而(er)不停(ting)漂移，表現為(wei)電(dian)弧(hu)(hu)飄動，挺(ting)度不足，導(dao)致(zhi)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)(cheng)不穩定，這是CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)技術(shu)不足。所(suo)以核電(dian)設備、航(hang)空(kong)航(hang)天對(dui)(dui)冶(ye)金(jin)性能要求極(ji)高(gao)的(de)產品，在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)制造中無法(fa)應(ying)用(yong)(yong)。
二、CMT弧焊與激(ji)光-CMT電弧復合熱源焊接時電弧形貌上(shang)的比(bi)較
CMT過(guo)渡(du)(du)技(ji)術實(shi)(shi)際(ji)上(shang)是(shi)一種通過(guo)送絲協調及波形(xing)控制而(er)實(shi)(shi)現“冷”與“熱”交替(ti)的短(duan)路過(guo)渡(du)(du)弧(hu)(hu)焊技(ji)術。CMT過(guo)渡(du)(du)中的“熱”過(guo)程實(shi)(shi)際(ji)上(shang)是(shi)大電(dian)流(liu)電(dian)弧(hu)(hu)燃燒而(er)形(xing)成熔滴(di)的過(guo)程，而(er)“冷”過(guo)程實(shi)(shi)際(ji)上(shang)是(shi)小電(dian)流(liu)電(dian)弧(hu)(hu)維持燃燒待熔滴(di)過(guo)渡(du)(du)的過(guo)程。從圖3-68和圖3-69分別為其他焊接(jie)條件相同情況(kuang)下的單獨CMT的電(dian)弧(hu)(hu)形(xing)貌(mao)(mao)及激光與CMT復(fu)合后的電(dian)弧(hu)(hu)形(xing)貌(mao)(mao)。
從(cong)兩幅圖中(zhong)可以看(kan)出，激(ji)光加入(ru)前后(hou)CMT電(dian)弧(hu)(hu)(hu)形(xing)貌發(fa)生了可喜的變(bian)化：在純氬保護氣體保護下，激(ji)光與CMT電(dian)弧(hu)(hu)(hu)復合后(hou)，激(ji)光對CMT電(dian)弧(hu)(hu)(hu)（特別是大(da)電(dian)流燃弧(hu)(hu)(hu)階(jie)段的電(dian)弧(hu)(hu)(hu)）產生了吸引(yin)作用，增加了電(dian)弧(hu)(hu)(hu)的挺(ting)度，使得原本不(bu)穩(wen)定的焊(han)接過程得到穩(wen)定。還有焊(han)縫正面成形(xing)美觀，可實現單(dan)面焊(han)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(bu)銹鋼的焊接。
304不銹鋼TIG填(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)和(he)激(ji)光-CMT 復合(he)(he)熱(re)源焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)金相組(zu)(zu)織進行比(bi)較(jiao)：這兩種焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方法(fa)的(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭，它們的(de)(de)金相組(zu)(zu)織基本相同，焊(han)(han)(han)縫(feng)金屬及(ji)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)響區的(de)(de)奧(ao)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織均為(wei)(wei)奧(ao)氏(shi)體(ti)＋少量8-鐵素體(ti)組(zu)(zu)織，且焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)影響區的(de)(de)奧(ao)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織發生明(ming)顯(xian)的(de)(de)粗化。但是(shi)，仔(zi)細對比(bi)兩種焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)焊(han)(han)(han)縫(feng)組(zu)(zu)織觀(guan)察(cha)則發現，焊(han)(han)(han)縫(feng)柱狀(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略(lve)(lve)(lve)有差(cha)異：TIG填(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)柱狀(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略(lve)(lve)(lve)粗大；激(ji)光-CMT 復合(he)(he)熱(re)源焊(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)柱狀(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略(lve)(lve)(lve)細小。可以認為(wei)(wei)，激(ji)光-CMT復合(he)(he)熱(re)源的(de)(de)有效熱(re)輸入要比(bi)TIG填(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)過程中的(de)(de)實際有效熱(re)輸入小，從表3-55焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)參(can)數中可知(zhi)，其焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)輸入僅為(wei)(wei)TIG填(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)(de)48％左右，這是(shi)導致TIG填(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)柱狀(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒(li)略(lve)(lve)(lve)粗大的(de)(de)原因。
從技術的(de)先進性來說(shuo)，對于(yu)304不銹鋼而言，純氬保(bao)護的(de)激光-CMT焊(han)(han)接(jie)(jie)，其焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)力學性能不低于(yu)TIG焊(han)(han)，而焊(han)(han)接(jie)(jie)效(xiao)率(lv)則是TIG填絲焊(han)(han)的(de)5倍(bei)。該項(xiang)焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術若取代TIG填絲焊(han)(han)應用(yong)于(yu)焊(han)(han)接(jie)(jie)生(sheng)產，將是焊(han)(han)接(jie)(jie)技術的(de)一次重大變革。
三、針(zhen)對性試驗(yan)
目前國內(nei)外對于從事與核電厚(hou)壁(bi)部件的焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)主要(yao)采用的上TIG 填充焊(han)(han)（熱(re)絲或冷絲）焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方(fang)法。盡管這種焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方(fang)法的焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)質(zhi)量相對比較穩(wen)定，但也存在以下問題：焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)效率低及焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)輸入(ru)大(da)，導致焊(han)(han)接(jie)(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。
采用激光(guang)-CMT電弧復合熱(re)源焊接(jie)方法(fa)焊接(jie)8mm厚(hou)奧氏體型不銹鋼(gang)的試驗(yan)結果表明：焊接(jie)接(jie)頭的綜(zong)合力學性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)與304不銹鋼(gang)TIG填絲(si)焊接(jie)接(jie)頭的綜(zong)合力學性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)相(xiang)當，而焊接(jie)效(xiao)率是(shi)TIG填絲(si)焊的3～5倍。要(yao)取得這個(ge)結果，必須在(zai)復合焊縫金屬中嚴(yan)格控制C、N、0等(deng)微量元素(su)的含量，否(fou)則將對焊接(jie)接(jie)頭力學性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)中的沖擊(ji)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)極為不利(li)，無法(fa)達到TIG填絲(si)焊的水(shui)平(ping)。
經分析，激光-CMT復合熱源焊(han)接時，如果后保護(hu)范(fan)圍(wei)小，則(ze)在較高(gao)速度焊(han)接時易卷入空氣，從而使得(de)焊(han)縫金屬(shu)中(zhong)的C、N、O等(deng)雜(za)質元(yuan)素含量偏高(gao)。因(yin)此(ci)，焊(han)接后的保護(hu)措(cuo)施至關重(zhong)要。
為此，用激光-CMT復合熱源(yuan)焊接方法，在純氬氣保護及(ji)較(jiao)高速度焊接情況(kuang)下，采(cai)取不同的后保護方法進行試驗(yan)，將試驗(yan)結果與TIG填充絲焊進行對(dui)比。
1. 試驗材料(liao)和(he)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(shi)驗設(she)備(bei)
試(shi)驗用(yong)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器為德國通(tong)快公(gong)司(si)(si)生(sheng)產的(de)(de)TruDisk6002 型激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器，最大激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)功率(lv)6kW，試(shi)驗中采(cai)用(yong)焦距為475mm的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)輸出透鏡(jing)；電弧焊(han)機(ji)(ji)為奧地(di)利Fronius公(gong)司(si)(si)生(sheng)產的(de)(de)TPS4000型數字化CMT焊(han)機(ji)(ji)；TIG填絲焊(han)所用(yong)焊(han)機(ji)(ji)為PANA-TIG SP300鎢極氬弧焊(han)機(ji)(ji)。
3. 試驗方法
在純氬氣保(bao)護(hu)(hu)下(xia)采用兩種不(bu)同的后(hou)保(bao)護(hu)(hu)措施(shi)，以U形(xing)坡(po)口對接的方(fang)(fang)式(shi)進行焊接，坡(po)口形(xing)式(shi)如(ru)圖(tu)3-70所示，后(hou)保(bao)護(hu)(hu)措施(shi)如(ru)圖(tu)3-71所示。其中，方(fang)(fang)式(shi)一為單一細(xi)噴嘴保(bao)護(hu)(hu)，方(fang)(fang)式(shi)二為雙管后(hou)保(bao)護(hu)(hu)。
4. 試驗結果與(yu)分析
a. 氣體保護效(xiao)果對(dui)焊縫成形及微量(liang)元素含量(liang)的影響
采用方式1后(hou)氣體保護時(shi)，焊(han)縫(feng)發灰；而采用方式2后(hou)氣體保護時(shi)，焊(han)縫(feng)呈銀白色，其氣體保護效果甚至(zhi)好于TIG填絲焊(han)縫(feng)。
采用方(fang)式1和方(fang)式2增加(jia)后保護的(de)(de)激光(guang)-CMT復(fu)合焊(han)與(yu)TIG填(tian)絲(si)焊(han)焊(han)縫中(zhong)C、N、H、O元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量的(de)(de)比(bi)較如表3-56所示(shi)。從(cong)表中(zhong)可知，與(yu)方(fang)式1相(xiang)比(bi)，采用方(fang)式2增加(jia)后保護焊(han)縫中(zhong)C、H元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量變化不大，而(er)N、O元(yuan)(yuan)素(su)(su)含量下降(jiang)到原來(lai)的(de)(de)1/4，并(bing)且與(yu)TIG填(tian)絲(si)焊(han)中(zhong)C、N、H、O元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量相(xiang)當，而(er)N、O元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)主(zhu)要來(lai)源就是空氣。
產生這種變化主(zhu)要是(shi)因(yin)為(wei)：方式1后(hou)保護(hu)，噴嘴(zui)保護(hu)管(guan)徑細，保護(hu)范圍較(jiao)小，熔池極易卷入空氣，表(biao)現為(wei)焊縫(feng)表(biao)面(mian)發灰，N、O元(yuan)素含量偏高；方式2后(hou)保護(hu)時，管(guan)徑較(jiao)粗(cu)，并(bing)且在(zai)焊縫(feng)方向上并(bing)排排列著兩個后(hou)噴嘴(zui)，大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)加強了保護(hu)范圍，表(biao)現為(wei)焊縫(feng)呈銀白(bai)色，N、O元(yuan)素含量大(da)(da)(da)幅下降(jiang)。
由此可(ke)見，采用方式2增加后保(bao)護后，能夠更好地隔絕空氣與(yu)熔池的接(jie)觸，極(ji)大(da)地改(gai)善了焊縫的保(bao)護效果。
b. 氣(qi)體保護效(xiao)果對(dui)焊接接頭(tou)沖擊性(xing)能的影響
將方(fang)式(shi)1和方(fang)式(shi)2增(zeng)加后(hou)保護(hu)(hu)的激光-CMT復(fu)合焊(han)焊(han)縫(feng)中(zhong)心進行(xing)沖(chong)擊(ji)性能測式(shi)結果(guo)與TIG填(tian)(tian)絲焊(han)的沖(chong)擊(ji)性能進行(xing)對比，見表3-57。可(ke)以看出(chu)，采用方(fang)式(shi)1焊(han)縫(feng)中(zhong)心進行(xing)沖(chong)擊(ji)值與TIG填(tian)(tian)絲焊(han)接(jie)頭(tou)有較大差距；而(er)方(fang)式(shi)2增(zeng)加氣(qi)體保護(hu)(hu)后(hou)焊(han)縫(feng)中(zhong)心沖(chong)擊(ji)值基(ji)本上與TIG填(tian)(tian)絲焊(han)焊(han)接(jie)接(jie)頭(tou)相當。
用SEM觀察沖擊斷口(kou)的微(wei)觀形(xing)貌：方式1焊(han)縫沖擊斷口(kou)形(xing)貌，韌窩尺寸(cun)較(jiao)(jiao)小(xiao)，數量(liang)較(jiao)(jiao)多(duo)，深(shen)度(du)較(jiao)(jiao)淺，起(qi)(qi)伏(fu)較(jiao)(jiao)小(xiao)；方式2和TIG填絲焊(han)的焊(han)縫沖擊斷口(kou)形(xing)貌，韌窩尺寸(cun)較(jiao)(jiao)大，數量(liang)相對較(jiao)(jiao)少，深(shen)度(du)較(jiao)(jiao)深(shen)，起(qi)(qi)伏(fu)較(jiao)(jiao)大。
在方式1的(de)焊(han)縫沖(chong)擊(ji)斷口上有(you)很(hen)多尺(chi)寸較(jiao)大的(de)夾(jia)雜(za)(za)物，用EDS能(neng)譜分析看到，夾(jia)雜(za)(za)物中(zhong)O、Si、Mn元素(su)含量較(jiao)高，為氧化物夾(jia)雜(za)(za)物。這種夾(jia)雜(za)(za)物對焊(han)縫的(de)沖(chong)擊(ji)性能(neng)有(you)很(hen)大的(de)影響，而(er)其他斷口中(zhong)未發現有(you)夾(jia)雜(za)(za)物的(de)存在。
方(fang)式2在焊(han)(han)(han)縫中未發現氧化物夾(jia)雜(za)(za)，因此焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)沖擊(ji)(ji)性能較(jiao)高(gao)。可(ke)以認為，氧化物夾(jia)雜(za)(za)是影響焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)沖擊(ji)(ji)性能主要因素，當氣體(ti)后(hou)保護效果良(liang)好時，焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)沖擊(ji)(ji)韌性較(jiao)高(gao)，激光-CMT復合焊(han)(han)(han)基本達(da)到TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)水平。該項焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)技(ji)術(shu)若取代TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)應(ying)用于(yu)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)生產，將是焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)技(ji)術(shu)的(de)一次重大變革。
