復(fu)合焊接(jie)(jie)是高(gao)能焊與(yu)TIG、MIG和MAG焊各(ge)取所(suo)長，進行聯(lian)合焊接(jie)(jie)，以高(gao)能焊為基礎開發出來的高(gao)科技焊接(jie)(jie)方法。前景看好，已經從試(shi)驗階段逐步(bu)過(guo)渡到用(yong)于生產(chan)，受到人們(men)的重視和關注，為高(gao)質量高(gao)效率焊接(jie)(jie)技術創造了一(yi)個發展(zhan)空間。
一、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也(ye)稱(cheng)“冷金(jin)屬(shu)過渡”）弧焊技術(shu)(shu)(shu)是Fronius 公(gong)(gong)司在研究無飛濺過渡技術(shu)(shu)(shu)、鋁與(yu)鋼異(yi)種金(jin)屬(shu)焊接、及(ji)薄板(ban)焊接的基礎上逐漸發(fa)展和(he)成熟起來的一門新的弧焊技術(shu)(shu)(shu)。該項技術(shu)(shu)(shu)與(yu)美國LINCOLN公(gong)(gong)司的表(biao)面張力過渡技術(shu)(shu)(shu)（Surface TensionTransfer，簡稱(cheng)STT）以及(ji)日本OTC公(gong)(gong)司的控制(zhi)液橋(qiao)過渡技術(shu)(shu)(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱(cheng)CBT）均屬(shu)于數字(zi)化精(jing)確控制(zhi)短路過渡電(dian)弧技術(shu)(shu)(shu)。
CMT弧(hu)(hu)焊(han)技(ji)術的最大技(ji)術優勢在于(yu)其(qi)焊(han)接(jie)(jie)(jie)過(guo)(guo)程飛濺少、焊(han)接(jie)(jie)(jie)變形小、焊(han)縫冶金質(zhi)量(liang)高(gao)（與常規熔化極(ji)氣(qi)(qi)(qi)體保(bao)護(hu)焊(han)相比(bi)）。但(dan)是(shi)(shi)(shi)，由于(yu)CMT弧(hu)(hu)焊(han)過(guo)(guo)程中(zhong)熔池的溫度(du)相對較低，因此(ci)在焊(han)接(jie)(jie)(jie)中(zhong)、厚板(ban)時，液(ye)態焊(han)縫金屬在母材表(biao)面的潤濕(shi)性相對較差，得到焊(han)縫的余高(gao)相對較大，特別是(shi)(shi)(shi)在采(cai)用多層多道(dao)焊(han)時，易(yi)出現(xian)未熔合(he)、夾渣等缺陷(xian)。此(ci)外(wai)，CMT弧(hu)(hu)焊(han)在直流反(fan)接(jie)(jie)(jie)焊(han)時，在純氬氣(qi)(qi)(qi)保(bao)護(hu)氣(qi)(qi)(qi)體下(xia)，由于(yu)保(bao)護(hu)氣(qi)(qi)(qi)體中(zhong)無(wu)氧(yang)化性氣(qi)(qi)(qi)體，且熔池中(zhong)缺少氧(yang)化物的存在，電弧(hu)(hu)的陰極(ji)斑點難(nan)以固定，隨焊(han)接(jie)(jie)(jie)過(guo)(guo)程的進行而不(bu)停漂(piao)移，表(biao)現(xian)為電弧(hu)(hu)飄動，挺度(du)不(bu)足，導致焊(han)接(jie)(jie)(jie)過(guo)(guo)程不(bu)穩定，這是(shi)(shi)(shi)CMT弧(hu)(hu)焊(han)技(ji)術不(bu)足。所以核(he)電設備、航(hang)空航(hang)天對冶金性能要(yao)求極(ji)高(gao)的產品(pin)，在制造中(zhong)無(wu)法應用。
二、CMT弧焊與激(ji)光-CMT電弧復(fu)合熱源焊接(jie)時電弧形貌上的比較
CMT過渡(du)技術實際(ji)上(shang)是(shi)(shi)一種通(tong)過送絲(si)協調及波(bo)形(xing)控制而(er)實現“冷”與(yu)“熱”交(jiao)替的(de)(de)短路過渡(du)弧(hu)(hu)焊技術。CMT過渡(du)中的(de)(de)“熱”過程實際(ji)上(shang)是(shi)(shi)大電(dian)流電(dian)弧(hu)(hu)燃燒而(er)形(xing)成(cheng)熔(rong)滴的(de)(de)過程，而(er)“冷”過程實際(ji)上(shang)是(shi)(shi)小電(dian)流電(dian)弧(hu)(hu)維持燃燒待熔(rong)滴過渡(du)的(de)(de)過程。從圖(tu)3-68和圖(tu)3-69分別為其他焊接(jie)條件相同情況下的(de)(de)單獨CMT的(de)(de)電(dian)弧(hu)(hu)形(xing)貌及激光(guang)與(yu)CMT復合后的(de)(de)電(dian)弧(hu)(hu)形(xing)貌。
從(cong)兩幅圖中可以看出，激(ji)光加入前(qian)后CMT電(dian)弧(hu)(hu)形貌發生了可喜的變化：在純氬保護(hu)氣體保護(hu)下，激(ji)光與CMT電(dian)弧(hu)(hu)復合(he)后，激(ji)光對CMT電(dian)弧(hu)(hu)（特別是大(da)電(dian)流燃弧(hu)(hu)階(jie)段的電(dian)弧(hu)(hu)）產生了吸引(yin)作用，增(zeng)加了電(dian)弧(hu)(hu)的挺度，使得原本不穩定的焊(han)(han)接過程得到穩定。還有焊(han)(han)縫正面成(cheng)形美觀，可實現單面焊(han)(han)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(bu)銹鋼的焊接。
304不銹鋼(gang)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)和(he)激(ji)光-CMT 復合熱(re)(re)源焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)(de)(de)金相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)進行比(bi)較：這(zhe)兩種(zhong)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方法的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭，它(ta)們的(de)(de)(de)(de)金相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)基本相(xiang)同，焊(han)(han)(han)縫(feng)金屬及焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)響區的(de)(de)(de)(de)奧氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)均(jun)為(wei)奧氏(shi)體(ti)(ti)＋少量(liang)8-鐵素體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)，且焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)影響區的(de)(de)(de)(de)奧氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)發生明顯的(de)(de)(de)(de)粗(cu)化(hua)。但是(shi)，仔細對(dui)比(bi)兩種(zhong)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)縫(feng)組(zu)織(zhi)(zhi)觀察則發現，焊(han)(han)(han)縫(feng)柱(zhu)(zhu)狀晶晶粒(li)略(lve)有差異：TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)柱(zhu)(zhu)狀晶晶粒(li)略(lve)粗(cu)大；激(ji)光-CMT 復合熱(re)(re)源焊(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)柱(zhu)(zhu)狀晶晶粒(li)略(lve)細小(xiao)。可以認(ren)為(wei)，激(ji)光-CMT復合熱(re)(re)源的(de)(de)(de)(de)有效熱(re)(re)輸入要比(bi)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)過程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)實際(ji)有效熱(re)(re)輸入小(xiao)，從表3-55焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)參數中可知(zhi)，其焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)輸入僅(jin)為(wei)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)(de)(de)(de)48％左右，這(zhe)是(shi)導致TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)柱(zhu)(zhu)狀晶晶粒(li)略(lve)粗(cu)大的(de)(de)(de)(de)原因。
從技術的(de)先進性來(lai)說，對(dui)于304不銹鋼而(er)(er)言，純氬保護的(de)激光-CMT焊(han)(han)接(jie)，其焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭的(de)力(li)學性能(neng)不低于TIG焊(han)(han)，而(er)(er)焊(han)(han)接(jie)效(xiao)率(lv)則是(shi)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)的(de)5倍。該項(xiang)焊(han)(han)接(jie)接(jie)技術若取代(dai)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)應(ying)用于焊(han)(han)接(jie)生產，將是(shi)焊(han)(han)接(jie)技術的(de)一次重大變革。
三(san)、針(zhen)對(dui)性試驗
目前(qian)國內外(wai)對于(yu)從事(shi)與(yu)核電厚壁部件的(de)焊(han)(han)接(jie)主要(yao)采(cai)用的(de)上TIG 填充(chong)焊(han)(han)（熱(re)絲或冷絲）焊(han)(han)接(jie)方(fang)法(fa)。盡(jin)管這種(zhong)焊(han)(han)接(jie)方(fang)法(fa)的(de)焊(han)(han)接(jie)質量相(xiang)對比較(jiao)穩定，但(dan)也(ye)存在以下(xia)問題(ti)：焊(han)(han)接(jie)效率(lv)低及(ji)焊(han)(han)接(jie)熱(re)輸(shu)入大，導致焊(han)(han)接(jie)變形也(ye)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。
采用激光(guang)-CMT電弧(hu)復合(he)(he)熱源(yuan)焊(han)(han)接(jie)(jie)方法(fa)焊(han)(han)接(jie)(jie)8mm厚奧氏體型(xing)不(bu)銹(xiu)鋼的試驗結(jie)果表明：焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的綜合(he)(he)力(li)學(xue)性能(neng)與(yu)304不(bu)銹(xiu)鋼TIG填(tian)(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的綜合(he)(he)力(li)學(xue)性能(neng)相當，而焊(han)(han)接(jie)(jie)效率是TIG填(tian)(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)的3～5倍。要取得這個(ge)結(jie)果，必須在復合(he)(he)焊(han)(han)縫金屬中嚴(yan)格控制C、N、0等微量元素的含量，否則將對焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭力(li)學(xue)性能(neng)中的沖(chong)擊性能(neng)極為(wei)不(bu)利，無法(fa)達到TIG填(tian)(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)的水平。
經分析，激光-CMT復合熱(re)源焊接時，如(ru)果(guo)后保護范(fan)圍小，則(ze)在較高速度焊接時易卷入空氣，從而使得(de)焊縫金(jin)屬中的C、N、O等雜質(zhi)元素含量偏高。因此，焊接后的保護措施至(zhi)關重要(yao)。
為(wei)此，用激光-CMT復合熱源焊接(jie)方法(fa)(fa)，在純氬氣保護及較高速度(du)焊接(jie)情況下，采(cai)取不同的后保護方法(fa)(fa)進行(xing)試(shi)驗，將試(shi)驗結果與TIG填充絲焊進行(xing)對比。
1. 試(shi)驗(yan)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. 試驗(yan)設備
試(shi)(shi)驗用激光器(qi)為德國(guo)通快公司(si)生產(chan)的TruDisk6002 型(xing)激光器(qi)，最大激光功率(lv)6kW，試(shi)(shi)驗中采用焦距為475mm的激光輸出透鏡；電弧(hu)焊(han)機(ji)(ji)為奧地利Fronius公司(si)生產(chan)的TPS4000型(xing)數字化CMT焊(han)機(ji)(ji)；TIG填絲焊(han)所用焊(han)機(ji)(ji)為PANA-TIG SP300鎢極氬弧(hu)焊(han)機(ji)(ji)。
3. 試驗(yan)方法
在純氬氣(qi)保(bao)護(hu)(hu)下采用兩(liang)種不同的后保(bao)護(hu)(hu)措(cuo)施，以(yi)U形坡口對(dui)接(jie)的方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)進行焊接(jie)，坡口形式(shi)(shi)如圖(tu)3-70所示，后保(bao)護(hu)(hu)措(cuo)施如圖(tu)3-71所示。其中(zhong)，方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)一為(wei)單(dan)一細噴嘴(zui)保(bao)護(hu)(hu)，方(fang)(fang)(fang)式(shi)(shi)二為(wei)雙管后保(bao)護(hu)(hu)。
4. 試(shi)驗(yan)結果與分(fen)析
a. 氣(qi)體保(bao)護效果對焊縫成形及微量元素含量的影響
采用(yong)方式1后氣(qi)體保(bao)護時，焊縫(feng)發灰(hui)；而采用(yong)方式2后氣(qi)體保(bao)護時，焊縫(feng)呈銀(yin)白色，其氣(qi)體保(bao)護效果甚至好于TIG填絲(si)焊縫(feng)。
采(cai)用(yong)方(fang)(fang)式(shi)1和方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)加(jia)(jia)后保護的(de)(de)激光-CMT復合焊與(yu)(yu)(yu)TIG填(tian)絲(si)焊焊縫中(zhong)(zhong)(zhong)C、N、H、O元素的(de)(de)含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)比較(jiao)如表3-56所示。從(cong)表中(zhong)(zhong)(zhong)可知，與(yu)(yu)(yu)方(fang)(fang)式(shi)1相(xiang)比，采(cai)用(yong)方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)加(jia)(jia)后保護焊縫中(zhong)(zhong)(zhong)C、H元素的(de)(de)含(han)量(liang)(liang)變化不大，而N、O元素含(han)量(liang)(liang)下降到原來(lai)的(de)(de)1/4，并且與(yu)(yu)(yu)TIG填(tian)絲(si)焊中(zhong)(zhong)(zhong)C、N、H、O元素的(de)(de)含(han)量(liang)(liang)相(xiang)當(dang)，而N、O元素的(de)(de)主要來(lai)源(yuan)就是空氣。
產(chan)生(sheng)這種(zhong)變化主要是因為(wei)：方(fang)式(shi)(shi)1后(hou)保護，噴嘴保護管(guan)徑細，保護范(fan)圍較小，熔池極易卷入空氣，表現(xian)為(wei)焊(han)縫(feng)表面發灰，N、O元素含量(liang)偏(pian)高；方(fang)式(shi)(shi)2后(hou)保護時(shi)，管(guan)徑較粗，并且在焊(han)縫(feng)方(fang)向(xiang)上并排排列著兩個后(hou)噴嘴，大大加強了保護范(fan)圍，表現(xian)為(wei)焊(han)縫(feng)呈(cheng)銀白(bai)色(se)，N、O元素含量(liang)大幅(fu)下(xia)降。
由此可見，采用方式2增加后保護(hu)后，能夠更(geng)好地隔絕空氣與熔池的接(jie)觸(chu)，極大地改善(shan)了(le)焊縫的保護(hu)效(xiao)果。
b. 氣(qi)體保護效(xiao)果對焊接(jie)接(jie)頭沖擊性能的影響
將方(fang)(fang)式(shi)(shi)1和方(fang)(fang)式(shi)(shi)2增(zeng)加后保護(hu)(hu)的激光-CMT復合(he)焊(han)焊(han)縫(feng)中(zhong)心進行(xing)沖(chong)擊(ji)性能測(ce)式(shi)(shi)結果(guo)與(yu)TIG填絲焊(han)的沖(chong)擊(ji)性能進行(xing)對比，見表3-57。可以(yi)看(kan)出，采用方(fang)(fang)式(shi)(shi)1焊(han)縫(feng)中(zhong)心進行(xing)沖(chong)擊(ji)值與(yu)TIG填絲焊(han)接(jie)頭有較大(da)差(cha)距；而(er)方(fang)(fang)式(shi)(shi)2增(zeng)加氣體保護(hu)(hu)后焊(han)縫(feng)中(zhong)心沖(chong)擊(ji)值基本上與(yu)TIG填絲焊(han)焊(han)接(jie)接(jie)頭相當(dang)。
用(yong)SEM觀(guan)(guan)察沖擊(ji)斷(duan)口(kou)的微觀(guan)(guan)形(xing)貌：方式1焊縫沖擊(ji)斷(duan)口(kou)形(xing)貌，韌(ren)窩尺寸較(jiao)小，數(shu)量較(jiao)多，深度較(jiao)淺，起伏較(jiao)小；方式2和TIG填絲焊的焊縫沖擊(ji)斷(duan)口(kou)形(xing)貌，韌(ren)窩尺寸較(jiao)大，數(shu)量相(xiang)對較(jiao)少(shao)，深度較(jiao)深，起伏較(jiao)大。
在方式1的(de)焊縫(feng)沖擊斷口上有很多(duo)尺寸較大的(de)夾雜(za)(za)物(wu)，用(yong)EDS能譜分(fen)析看到(dao)，夾雜(za)(za)物(wu)中O、Si、Mn元素含量較高(gao)，為氧化物(wu)夾雜(za)(za)物(wu)。這種夾雜(za)(za)物(wu)對焊縫(feng)的(de)沖擊性能有很大的(de)影響，而其他斷口中未發現有夾雜(za)(za)物(wu)的(de)存在。
方式2在焊(han)(han)(han)(han)縫中未發現氧化(hua)物(wu)夾雜，因(yin)此焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)沖擊性能(neng)較高(gao)。可以(yi)認為，氧化(hua)物(wu)夾雜是影(ying)響焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭沖擊性能(neng)主要因(yin)素，當氣體后保護效果良(liang)好時，焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)沖擊韌性較高(gao)，激光(guang)-CMT復合焊(han)(han)(han)(han)基本達到TIG填(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)的(de)水平。該項(xiang)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術若取代TIG填(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)應用于(yu)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)生產(chan)，將是焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)技術的(de)一次重大變革。
