復合焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)是高能焊(han)(han)(han)與TIG、MIG和MAG焊(han)(han)(han)各(ge)取(qu)所(suo)長，進行聯合焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)，以高能焊(han)(han)(han)為基(ji)礎開發出來(lai)的高科技焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)方法。前景看(kan)好，已經從試(shi)驗階段逐步(bu)過渡(du)到用于生產(chan)，受到人們的重視(shi)和關注(zhu)，為高質量高效率焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)技術(shu)創(chuang)造了一個發展(zhan)空間。
一(yi)、CMT弧焊(han)技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金(jin)屬過渡(du)”）弧(hu)焊技術是Fronius 公(gong)司在研究無(wu)飛濺過渡(du)技術、鋁(lv)與(yu)鋼(gang)異種(zhong)金(jin)屬焊接、及薄板(ban)焊接的(de)基礎(chu)上逐漸發展和(he)成熟起(qi)來的(de)一門新(xin)的(de)弧(hu)焊技術。該項技術與(yu)美國LINCOLN公(gong)司的(de)表面(mian)張力過渡(du)技術（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以及日本OTC公(gong)司的(de)控(kong)(kong)制液(ye)橋過渡(du)技術（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均屬于數(shu)字(zi)化精(jing)確控(kong)(kong)制短路過渡(du)電(dian)弧(hu)技術。
CMT弧(hu)焊(han)(han)技術(shu)的(de)(de)最大技術(shu)優勢(shi)在(zai)(zai)于其焊(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)飛濺少、焊(han)(han)接(jie)(jie)變形小(xiao)、焊(han)(han)縫冶(ye)金質量高（與(yu)常規熔(rong)化極氣(qi)(qi)體保護(hu)焊(han)(han)相(xiang)比）。但是(shi)，由于CMT弧(hu)焊(han)(han)過(guo)程(cheng)中(zhong)熔(rong)池的(de)(de)溫度(du)相(xiang)對(dui)較(jiao)低，因此在(zai)(zai)焊(han)(han)接(jie)(jie)中(zhong)、厚板(ban)時(shi)，液態焊(han)(han)縫金屬在(zai)(zai)母(mu)材表面的(de)(de)潤濕性相(xiang)對(dui)較(jiao)差，得到焊(han)(han)縫的(de)(de)余高相(xiang)對(dui)較(jiao)大，特(te)別是(shi)在(zai)(zai)采(cai)用(yong)多層多道(dao)焊(han)(han)時(shi)，易出現(xian)未熔(rong)合、夾(jia)渣等缺陷。此外，CMT弧(hu)焊(han)(han)在(zai)(zai)直流反接(jie)(jie)焊(han)(han)時(shi)，在(zai)(zai)純氬氣(qi)(qi)保護(hu)氣(qi)(qi)體下，由于保護(hu)氣(qi)(qi)體中(zhong)無(wu)氧(yang)化性氣(qi)(qi)體，且熔(rong)池中(zhong)缺少氧(yang)化物(wu)的(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)，電(dian)弧(hu)的(de)(de)陰極斑點難以(yi)固定，隨(sui)焊(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)的(de)(de)進(jin)行而不(bu)(bu)停漂(piao)移，表現(xian)為(wei)電(dian)弧(hu)飄動(dong)，挺(ting)度(du)不(bu)(bu)足(zu)，導致焊(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程(cheng)不(bu)(bu)穩定，這是(shi)CMT弧(hu)焊(han)(han)技術(shu)不(bu)(bu)足(zu)。所以(yi)核電(dian)設備(bei)、航空航天對(dui)冶(ye)金性能要求極高的(de)(de)產品，在(zai)(zai)制(zhi)造中(zhong)無(wu)法應用(yong)。
二(er)、CMT弧(hu)焊(han)與激光-CMT電弧(hu)復(fu)合熱源焊(han)接時電弧(hu)形(xing)貌上的比較
CMT過(guo)(guo)渡技(ji)術實(shi)際(ji)(ji)上(shang)(shang)(shang)是一種通過(guo)(guo)送絲協調及波形(xing)控制而(er)(er)實(shi)現“冷”與“熱”交(jiao)替(ti)的(de)(de)(de)短路(lu)過(guo)(guo)渡弧(hu)焊(han)技(ji)術。CMT過(guo)(guo)渡中的(de)(de)(de)“熱”過(guo)(guo)程(cheng)實(shi)際(ji)(ji)上(shang)(shang)(shang)是大電(dian)流電(dian)弧(hu)燃燒(shao)(shao)而(er)(er)形(xing)成熔滴的(de)(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)，而(er)(er)“冷”過(guo)(guo)程(cheng)實(shi)際(ji)(ji)上(shang)(shang)(shang)是小電(dian)流電(dian)弧(hu)維持(chi)燃燒(shao)(shao)待熔滴過(guo)(guo)渡的(de)(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)。從圖3-68和圖3-69分別為其他焊(han)接條(tiao)件相同情況下(xia)的(de)(de)(de)單(dan)獨CMT的(de)(de)(de)電(dian)弧(hu)形(xing)貌及激光與CMT復合后的(de)(de)(de)電(dian)弧(hu)形(xing)貌。
從(cong)兩幅圖中(zhong)可以看出，激(ji)光加入前后CMT電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)形(xing)貌發生了可喜的變化：在純氬保(bao)護氣體保(bao)護下，激(ji)光與CMT電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)復合后，激(ji)光對CMT電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)（特別是大電(dian)(dian)流(liu)燃(ran)弧(hu)(hu)(hu)階段的電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)）產生了吸(xi)引作用，增加了電(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的挺度，使得(de)(de)原本(ben)不穩定的焊接過程得(de)(de)到(dao)穩定。還(huan)有焊縫正(zheng)面成形(xing)美(mei)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(gang)的焊接。
304不銹鋼TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)和激光-CMT 復(fu)合(he)(he)熱(re)源焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)(de)(de)金相組(zu)織(zhi)(zhi)進(jin)行比(bi)較：這(zhe)(zhe)兩(liang)種焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方法的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)，它(ta)們的(de)(de)(de)(de)金相組(zu)織(zhi)(zhi)基本相同，焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)金屬及焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)響(xiang)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)奧(ao)氏體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)均為奧(ao)氏體(ti)(ti)＋少量8-鐵素體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)，且焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)影響(xiang)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)奧(ao)氏體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)發(fa)生明顯的(de)(de)(de)(de)粗(cu)化。但(dan)是，仔細(xi)(xi)對(dui)比(bi)兩(liang)種焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)組(zu)織(zhi)(zhi)觀察(cha)則(ze)發(fa)現(xian)，焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)柱(zhu)狀(zhuang)晶晶粒略(lve)(lve)有差(cha)異：TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶晶粒略(lve)(lve)粗(cu)大(da)；激光-CMT 復(fu)合(he)(he)熱(re)源焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶晶粒略(lve)(lve)細(xi)(xi)小。可以認為，激光-CMT復(fu)合(he)(he)熱(re)源的(de)(de)(de)(de)有效(xiao)熱(re)輸入(ru)要(yao)比(bi)TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)過程中的(de)(de)(de)(de)實際有效(xiao)熱(re)輸入(ru)小，從表(biao)3-55焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)參(can)數中可知，其焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)輸入(ru)僅為TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)的(de)(de)(de)(de)48％左右，這(zhe)(zhe)是導致TIG填(tian)(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶晶粒略(lve)(lve)粗(cu)大(da)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)因。
從技術(shu)的(de)(de)先進性(xing)來說，對于304不(bu)(bu)銹鋼而言(yan)，純氬保(bao)護的(de)(de)激(ji)光-CMT焊(han)接(jie)(jie)(jie)，其焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)力學性(xing)能不(bu)(bu)低于TIG焊(han)，而焊(han)接(jie)(jie)(jie)效(xiao)率則是(shi)(shi)TIG填(tian)絲焊(han)的(de)(de)5倍。該項焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)技術(shu)若(ruo)取代TIG填(tian)絲焊(han)應用于焊(han)接(jie)(jie)(jie)生產，將是(shi)(shi)焊(han)接(jie)(jie)(jie)技術(shu)的(de)(de)一(yi)次重大變革。
三(san)、針對性試驗
目前國內(nei)外對于(yu)從事與核電厚壁部件的(de)焊接(jie)主要(yao)采用的(de)上(shang)TIG 填充(chong)焊（熱絲(si)或(huo)冷絲(si)）焊接(jie)方(fang)法。盡管這(zhe)種焊接(jie)方(fang)法的(de)焊接(jie)質量相對比(bi)較穩定(ding)，但(dan)也存(cun)在(zai)以下問題：焊接(jie)效率低及焊接(jie)熱輸入(ru)大，導致(zhi)焊接(jie)變(bian)形也較大。
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(yong)激光-CMT電(dian)弧復合(he)熱源焊(han)接(jie)(jie)方(fang)法(fa)焊(han)接(jie)(jie)8mm厚奧氏體型不(bu)銹鋼的(de)試驗結(jie)(jie)果(guo)表明(ming)：焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)綜(zong)合(he)力學性能與304不(bu)銹鋼TIG填(tian)絲焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)綜(zong)合(he)力學性能相當，而焊(han)接(jie)(jie)效率是TIG填(tian)絲焊(han)的(de)3～5倍。要(yao)取得(de)這個(ge)結(jie)(jie)果(guo)，必須在復合(he)焊(han)縫金屬中(zhong)嚴格控制C、N、0等微量元素的(de)含量，否則(ze)將對焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭力學性能中(zhong)的(de)沖擊性能極(ji)為(wei)不(bu)利，無法(fa)達到(dao)TIG填(tian)絲焊(han)的(de)水平。
經分析，激光-CMT復合(he)熱源(yuan)焊接時，如果后保護(hu)范圍小，則在較(jiao)高(gao)速度焊接時易卷(juan)入空氣，從(cong)而使得焊縫金屬中的C、N、O等雜質元素含量偏高(gao)。因此，焊接后的保護(hu)措施至關重(zhong)要。
為(wei)此，用(yong)激光(guang)-CMT復合熱源焊(han)接(jie)方法，在(zai)純(chun)氬(ya)氣保護及較高速度焊(han)接(jie)情況下，采取不同的后保護方法進行試驗(yan)，將試驗(yan)結(jie)果與TIG填充絲焊(han)進行對(dui)比。
1. 試驗材料(liao)和方(fang)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(she)備
試驗用激光器(qi)為德國通快公(gong)司(si)生(sheng)產的(de)TruDisk6002 型激光器(qi)，最大激光功率6kW，試驗中采用焦距(ju)為475mm的(de)激光輸出(chu)透鏡(jing)；電弧(hu)焊(han)機(ji)為奧地(di)利Fronius公(gong)司(si)生(sheng)產的(de)TPS4000型數字化CMT焊(han)機(ji)；TIG填絲焊(han)所(suo)用焊(han)機(ji)為PANA-TIG SP300鎢極氬弧(hu)焊(han)機(ji)。
3. 試(shi)驗(yan)方法
在純氬氣保(bao)(bao)護(hu)(hu)下采用兩(liang)種(zhong)不同(tong)的(de)后(hou)保(bao)(bao)護(hu)(hu)措施，以U形(xing)坡口(kou)對接(jie)的(de)方式進行焊接(jie)，坡口(kou)形(xing)式如(ru)圖3-70所示，后(hou)保(bao)(bao)護(hu)(hu)措施如(ru)圖3-71所示。其中(zhong)，方式一為單一細噴嘴(zui)保(bao)(bao)護(hu)(hu)，方式二為雙(shuang)管后(hou)保(bao)(bao)護(hu)(hu)。
4. 試驗結(jie)果(guo)與分(fen)析
a. 氣體(ti)保護效果(guo)對焊縫成形及微量元素含量的影響(xiang)
采用方式1后氣(qi)體(ti)保(bao)(bao)護時(shi)，焊(han)縫發灰(hui)；而采用方式2后氣(qi)體(ti)保(bao)(bao)護時(shi)，焊(han)縫呈(cheng)銀白色，其氣(qi)體(ti)保(bao)(bao)護效果(guo)甚至好于(yu)TIG填絲焊(han)縫。
采(cai)用(yong)方(fang)式1和方(fang)式2增加(jia)后保(bao)護的(de)(de)激光-CMT復合焊(han)與(yu)TIG填絲(si)焊(han)焊(han)縫中C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量的(de)(de)比較如表(biao)3-56所示。從表(biao)中可知，與(yu)方(fang)式1相比，采(cai)用(yong)方(fang)式2增加(jia)后保(bao)護焊(han)縫中C、H元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量變化不大，而(er)N、O元(yuan)素(su)(su)含量下(xia)降到(dao)原來(lai)(lai)的(de)(de)1/4，并且與(yu)TIG填絲(si)焊(han)中C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)含量相當，而(er)N、O元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)主要來(lai)(lai)源就是空氣。
產(chan)生這種變化主要是因為：方式1后(hou)(hou)(hou)保(bao)(bao)(bao)護，噴嘴(zui)保(bao)(bao)(bao)護管(guan)徑(jing)(jing)細，保(bao)(bao)(bao)護范圍較(jiao)小，熔池極(ji)易卷(juan)入(ru)空氣(qi)，表(biao)現為焊(han)(han)縫(feng)表(biao)面發灰，N、O元(yuan)素含量偏(pian)高；方式2后(hou)(hou)(hou)保(bao)(bao)(bao)護時，管(guan)徑(jing)(jing)較(jiao)粗(cu)，并且(qie)在焊(han)(han)縫(feng)方向(xiang)上并排排列著兩個后(hou)(hou)(hou)噴嘴(zui)，大(da)(da)大(da)(da)加強(qiang)了保(bao)(bao)(bao)護范圍，表(biao)現為焊(han)(han)縫(feng)呈銀白色(se)，N、O元(yuan)素含量大(da)(da)幅下降。
由此可見，采(cai)用方式(shi)2增(zeng)加后保護后，能(neng)夠更好(hao)地隔絕空氣與熔池的(de)接觸，極(ji)大地改善了(le)焊縫的(de)保護效果(guo)。
b. 氣體保護(hu)效果對焊(han)接接頭沖擊性能的(de)影(ying)響
將方(fang)式1和方(fang)式2增(zeng)加(jia)后保護的激光-CMT復合焊(han)(han)焊(han)(han)縫(feng)(feng)中(zhong)心(xin)(xin)進(jin)行(xing)(xing)沖擊性(xing)(xing)能(neng)測(ce)式結果與TIG填絲焊(han)(han)的沖擊性(xing)(xing)能(neng)進(jin)行(xing)(xing)對比(bi)，見表3-57。可以看出(chu)，采用方(fang)式1焊(han)(han)縫(feng)(feng)中(zhong)心(xin)(xin)進(jin)行(xing)(xing)沖擊值與TIG填絲焊(han)(han)接頭(tou)有較大差距(ju)；而方(fang)式2增(zeng)加(jia)氣體(ti)保護后焊(han)(han)縫(feng)(feng)中(zhong)心(xin)(xin)沖擊值基本(ben)上與TIG填絲焊(han)(han)焊(han)(han)接接頭(tou)相當。
用SEM觀察(cha)沖(chong)擊(ji)斷口(kou)的(de)微觀形(xing)貌(mao)：方式1焊縫(feng)沖(chong)擊(ji)斷口(kou)形(xing)貌(mao)，韌窩(wo)(wo)尺寸較(jiao)小(xiao)(xiao)，數量較(jiao)多(duo)，深度(du)(du)較(jiao)淺(qian)，起(qi)伏(fu)較(jiao)小(xiao)(xiao)；方式2和TIG填絲焊的(de)焊縫(feng)沖(chong)擊(ji)斷口(kou)形(xing)貌(mao)，韌窩(wo)(wo)尺寸較(jiao)大(da)，數量相對較(jiao)少，深度(du)(du)較(jiao)深，起(qi)伏(fu)較(jiao)大(da)。
在(zai)方式1的(de)(de)焊(han)縫沖擊斷口上有很多(duo)尺寸(cun)較(jiao)大(da)(da)的(de)(de)夾雜(za)(za)物(wu)，用(yong)EDS能譜分(fen)析看(kan)到，夾雜(za)(za)物(wu)中O、Si、Mn元素含量較(jiao)高，為氧化物(wu)夾雜(za)(za)物(wu)。這種(zhong)夾雜(za)(za)物(wu)對焊(han)縫的(de)(de)沖擊性能有很大(da)(da)的(de)(de)影(ying)響，而其他斷口中未發(fa)現(xian)有夾雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)存在(zai)。
方式2在焊(han)(han)(han)(han)(han)縫中未發現氧化物夾雜(za)，因此焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)(tou)的沖擊(ji)性能(neng)較(jiao)高。可(ke)以(yi)認為(wei)，氧化物夾雜(za)是(shi)影(ying)響焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)(tou)沖擊(ji)性能(neng)主(zhu)要因素(su)，當氣體后保護效果(guo)良好時，焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)(tou)的沖擊(ji)韌(ren)性較(jiao)高，激光(guang)-CMT復合焊(han)(han)(han)(han)(han)基本達到TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)的水平。該項焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)技術若取代TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)應(ying)用于焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)生產，將是(shi)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)技術的一次重大變革。
