復合(he)焊(han)(han)(han)接(jie)是高能焊(han)(han)(han)與TIG、MIG和MAG焊(han)(han)(han)各(ge)取所長，進行聯合(he)焊(han)(han)(han)接(jie)，以高能焊(han)(han)(han)為(wei)(wei)基礎開發出來的(de)高科(ke)技焊(han)(han)(han)接(jie)方法。前景看(kan)好，已經從(cong)試驗(yan)階(jie)段(duan)逐步過渡到(dao)用于生產，受到(dao)人們的(de)重視和關注，為(wei)(wei)高質(zhi)量(liang)高效率(lv)焊(han)(han)(han)接(jie)技術創造了一個(ge)發展空間(jian)。
一(yi)、CMT弧(hu)焊技術(shu)
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷(leng)金(jin)屬(shu)(shu)(shu)過(guo)(guo)渡(du)”）弧(hu)焊技(ji)(ji)(ji)(ji)術是Fronius 公司(si)(si)在(zai)研究(jiu)無飛濺過(guo)(guo)渡(du)技(ji)(ji)(ji)(ji)術、鋁(lv)與(yu)鋼異種金(jin)屬(shu)(shu)(shu)焊接、及(ji)薄(bo)板焊接的(de)(de)基礎(chu)上逐漸(jian)發展和(he)成熟起(qi)來(lai)的(de)(de)一門新的(de)(de)弧(hu)焊技(ji)(ji)(ji)(ji)術。該(gai)項技(ji)(ji)(ji)(ji)術與(yu)美國LINCOLN公司(si)(si)的(de)(de)表面張力過(guo)(guo)渡(du)技(ji)(ji)(ji)(ji)術（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以及(ji)日本OTC公司(si)(si)的(de)(de)控(kong)制液(ye)橋(qiao)過(guo)(guo)渡(du)技(ji)(ji)(ji)(ji)術（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均屬(shu)(shu)(shu)于(yu)數字化精確(que)控(kong)制短路(lu)過(guo)(guo)渡(du)電弧(hu)技(ji)(ji)(ji)(ji)術。
CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)技術(shu)的(de)(de)最大技術(shu)優勢在(zai)(zai)于(yu)其焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)(guo)程飛濺少(shao)、焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)變形小(xiao)、焊(han)(han)(han)縫冶(ye)金質量高（與常規熔(rong)(rong)化(hua)極氣體(ti)保護(hu)焊(han)(han)(han)相(xiang)比）。但是，由(you)于(yu)CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)過(guo)(guo)程中熔(rong)(rong)池(chi)的(de)(de)溫(wen)度(du)相(xiang)對較低，因(yin)此(ci)(ci)在(zai)(zai)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)中、厚板時，液態焊(han)(han)(han)縫金屬(shu)在(zai)(zai)母材表面(mian)的(de)(de)潤濕性相(xiang)對較差，得到焊(han)(han)(han)縫的(de)(de)余高相(xiang)對較大，特(te)別是在(zai)(zai)采用(yong)多(duo)層多(duo)道焊(han)(han)(han)時，易(yi)出現未熔(rong)(rong)合、夾渣等缺(que)陷(xian)。此(ci)(ci)外，CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)在(zai)(zai)直流反(fan)接(jie)(jie)焊(han)(han)(han)時，在(zai)(zai)純氬氣保護(hu)氣體(ti)下，由(you)于(yu)保護(hu)氣體(ti)中無氧化(hua)性氣體(ti)，且熔(rong)(rong)池(chi)中缺(que)少(shao)氧化(hua)物的(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)，電弧(hu)的(de)(de)陰極斑點難以(yi)固定，隨焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)(guo)程的(de)(de)進行(xing)而(er)不(bu)停漂移，表現為電弧(hu)飄動，挺(ting)度(du)不(bu)足，導致(zhi)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)(guo)程不(bu)穩定，這(zhe)是CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)技術(shu)不(bu)足。所以(yi)核電設備、航空航天(tian)對冶(ye)金性能(neng)要求極高的(de)(de)產(chan)品，在(zai)(zai)制造(zao)中無法應用(yong)。
二(er)、CMT弧焊與激光-CMT電弧復合熱源焊接時電弧形貌上的比較
CMT過(guo)(guo)(guo)(guo)渡技術實際(ji)(ji)上(shang)是(shi)一種通過(guo)(guo)(guo)(guo)送(song)絲協調及波形(xing)(xing)控制而(er)實現(xian)“冷”與“熱”交替的(de)短路過(guo)(guo)(guo)(guo)渡弧(hu)(hu)(hu)焊技術。CMT過(guo)(guo)(guo)(guo)渡中的(de)“熱”過(guo)(guo)(guo)(guo)程實際(ji)(ji)上(shang)是(shi)大電流(liu)電弧(hu)(hu)(hu)燃燒而(er)形(xing)(xing)成(cheng)熔滴的(de)過(guo)(guo)(guo)(guo)程，而(er)“冷”過(guo)(guo)(guo)(guo)程實際(ji)(ji)上(shang)是(shi)小電流(liu)電弧(hu)(hu)(hu)維持(chi)燃燒待熔滴過(guo)(guo)(guo)(guo)渡的(de)過(guo)(guo)(guo)(guo)程。從圖(tu)3-68和(he)圖(tu)3-69分別為其他焊接(jie)條件相同情況下的(de)單獨CMT的(de)電弧(hu)(hu)(hu)形(xing)(xing)貌及激(ji)光與CMT復合后的(de)電弧(hu)(hu)(hu)形(xing)(xing)貌。
從兩幅圖中可以(yi)看出，激光(guang)加入前后CMT電弧形貌(mao)發生(sheng)了(le)可喜的(de)變化：在純氬保護(hu)氣體(ti)保護(hu)下，激光(guang)與CMT電弧復合后，激光(guang)對CMT電弧（特別(bie)是大電流燃弧階段(duan)的(de)電弧）產生(sheng)了(le)吸(xi)引作用，增加了(le)電弧的(de)挺度，使得(de)原本不穩(wen)定(ding)的(de)焊接(jie)過程得(de)到穩(wen)定(ding)。還有焊縫正面成(cheng)形美觀，可實現單(dan)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(bu)銹鋼的焊接。
304不銹鋼TIG填絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)和(he)激(ji)光(guang)-CMT 復合(he)熱(re)(re)(re)(re)源(yuan)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)金相組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)進行比(bi)較：這兩種焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)方法的(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)，它們的(de)(de)金相組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)基本(ben)相同(tong)，焊(han)(han)(han)(han)縫金屬及(ji)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)(re)響(xiang)區的(de)(de)奧(ao)氏體(ti)(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)均為奧(ao)氏體(ti)(ti)＋少量8-鐵素體(ti)(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)，且焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)(re)影響(xiang)區的(de)(de)奧(ao)氏體(ti)(ti)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)發生明顯的(de)(de)粗化。但(dan)是，仔細對比(bi)兩種焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)縫組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)觀察則發現，焊(han)(han)(han)(han)縫柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略有差(cha)異：TIG填絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)縫的(de)(de)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略粗大(da)；激(ji)光(guang)-CMT 復合(he)熱(re)(re)(re)(re)源(yuan)焊(han)(han)(han)(han)縫的(de)(de)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略細小。可(ke)以(yi)認(ren)為，激(ji)光(guang)-CMT復合(he)熱(re)(re)(re)(re)源(yuan)的(de)(de)有效(xiao)熱(re)(re)(re)(re)輸(shu)(shu)入要比(bi)TIG填絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)過程中的(de)(de)實際(ji)有效(xiao)熱(re)(re)(re)(re)輸(shu)(shu)入小，從表3-55焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)參數中可(ke)知，其焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)(re)輸(shu)(shu)入僅為TIG填絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)的(de)(de)48％左右(you)，這是導致TIG填絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)縫的(de)(de)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略粗大(da)的(de)(de)原因(yin)。
從(cong)技(ji)術的(de)先進性(xing)來說，對于(yu)(yu)304不銹鋼而(er)言，純氬(ya)保護的(de)激光-CMT焊(han)接(jie)(jie)，其(qi)焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)力學性(xing)能不低于(yu)(yu)TIG焊(han)，而(er)焊(han)接(jie)(jie)效率則是(shi)TIG填絲焊(han)的(de)5倍(bei)。該項(xiang)焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技(ji)術若取代TIG填絲焊(han)應用于(yu)(yu)焊(han)接(jie)(jie)生產(chan)，將(jiang)是(shi)焊(han)接(jie)(jie)技(ji)術的(de)一次重大(da)變革。
三、針對性(xing)試驗(yan)
目前國(guo)內外對于(yu)從事與核電厚壁部(bu)件的(de)焊(han)(han)接(jie)主要采(cai)用的(de)上TIG 填充焊(han)(han)（熱(re)絲(si)或冷(leng)絲(si)）焊(han)(han)接(jie)方法。盡管這種焊(han)(han)接(jie)方法的(de)焊(han)(han)接(jie)質量相對比較穩定，但也存在以下問題：焊(han)(han)接(jie)效率低及焊(han)(han)接(jie)熱(re)輸(shu)入大(da)，導致焊(han)(han)接(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(cai)用激光(guang)-CMT電弧復合熱源焊接(jie)方(fang)法焊接(jie)8mm厚(hou)奧氏(shi)體型不(bu)銹鋼(gang)的(de)(de)試(shi)驗結果表明(ming)：焊接(jie)接(jie)頭的(de)(de)綜(zong)合力學(xue)(xue)性(xing)能(neng)與304不(bu)銹鋼(gang)TIG填(tian)絲(si)焊接(jie)接(jie)頭的(de)(de)綜(zong)合力學(xue)(xue)性(xing)能(neng)相當，而焊接(jie)效率是(shi)TIG填(tian)絲(si)焊的(de)(de)3～5倍。要取(qu)得這個(ge)結果，必須在復合焊縫金屬中(zhong)嚴格控(kong)制(zhi)C、N、0等(deng)微量(liang)元素的(de)(de)含量(liang)，否則將對焊接(jie)接(jie)頭力學(xue)(xue)性(xing)能(neng)中(zhong)的(de)(de)沖擊性(xing)能(neng)極為不(bu)利，無法達(da)到TIG填(tian)絲(si)焊的(de)(de)水平。
經分析，激(ji)光-CMT復合熱源焊(han)接(jie)時，如果后(hou)保護范圍小，則在(zai)較高(gao)速(su)度焊(han)接(jie)時易卷入空氣，從而使(shi)得焊(han)縫金(jin)屬中的C、N、O等雜質(zhi)元素(su)含量偏高(gao)。因此，焊(han)接(jie)后(hou)的保護措施(shi)至關重要(yao)。
為此，用激光-CMT復合熱源焊(han)接方(fang)法，在(zai)純氬氣(qi)保護及(ji)較高速度焊(han)接情況下，采取不同的(de)后保護方(fang)法進行(xing)試(shi)驗，將試(shi)驗結(jie)果與TIG填充絲焊(han)進行(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)激(ji)光(guang)器為德(de)國通快公司生產的TruDisk6002 型激(ji)光(guang)器，最大激(ji)光(guang)功率(lv)6kW，試驗中采用(yong)焦距(ju)為475mm的激(ji)光(guang)輸出透鏡；電弧(hu)焊(han)機(ji)(ji)為奧(ao)地利(li)Fronius公司生產的TPS4000型數(shu)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(hu)焊(han)機(ji)(ji)。
3. 試驗方法
在純氬氣保(bao)護(hu)下采用兩種不同的后(hou)保(bao)護(hu)措施，以U形坡口對(dui)接的方式(shi)(shi)進行焊接，坡口形式(shi)(shi)如(ru)圖3-70所示，后(hou)保(bao)護(hu)措施如(ru)圖3-71所示。其中，方式(shi)(shi)一為單一細噴(pen)嘴保(bao)護(hu)，方式(shi)(shi)二為雙管(guan)后(hou)保(bao)護(hu)。
4. 試驗(yan)結(jie)果與分析
a. 氣體保(bao)護效(xiao)果對焊縫成形及微量(liang)元素(su)含量(liang)的(de)影響
采(cai)用方式(shi)1后氣體保(bao)護(hu)(hu)時，焊(han)縫(feng)發灰；而采(cai)用方式(shi)2后氣體保(bao)護(hu)(hu)時，焊(han)縫(feng)呈銀(yin)白色(se)，其氣體保(bao)護(hu)(hu)效果(guo)甚(shen)至好于(yu)TIG填絲焊(han)縫(feng)。
采(cai)用方式1和方式2增(zeng)加后保(bao)護的(de)激光-CMT復(fu)合(he)焊(han)與TIG填絲(si)焊(han)焊(han)縫中C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)含量(liang)的(de)比較如(ru)表3-56所示(shi)。從表中可知，與方式1相比，采(cai)用方式2增(zeng)加后保(bao)護焊(han)縫中C、H元(yuan)素(su)(su)的(de)含量(liang)變(bian)化不(bu)大，而(er)N、O元(yuan)素(su)(su)含量(liang)下降到原來(lai)(lai)的(de)1/4，并且與TIG填絲(si)焊(han)中C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)含量(liang)相當，而(er)N、O元(yuan)素(su)(su)的(de)主要來(lai)(lai)源(yuan)就是空氣。
產(chan)生這種變化主要是因(yin)為(wei)：方式(shi)1后(hou)保(bao)(bao)護(hu)(hu)，噴(pen)嘴保(bao)(bao)護(hu)(hu)管(guan)徑細(xi)，保(bao)(bao)護(hu)(hu)范圍較小，熔池極(ji)易卷入空氣，表(biao)現(xian)為(wei)焊縫(feng)(feng)表(biao)面發灰，N、O元素含量偏(pian)高；方式(shi)2后(hou)保(bao)(bao)護(hu)(hu)時，管(guan)徑較粗(cu)，并(bing)且(qie)在焊縫(feng)(feng)方向上并(bing)排排列著兩個后(hou)噴(pen)嘴，大(da)大(da)加(jia)強了保(bao)(bao)護(hu)(hu)范圍，表(biao)現(xian)為(wei)焊縫(feng)(feng)呈(cheng)銀白色，N、O元素含量大(da)幅下降(jiang)。
由此可見，采用方(fang)式2增加(jia)后(hou)保(bao)護后(hou)，能夠更好地隔(ge)絕(jue)空氣與(yu)熔池(chi)的接觸，極大(da)地改(gai)善(shan)了(le)焊縫的保(bao)護效果。
b. 氣體(ti)保護效果對(dui)焊接接頭沖(chong)擊(ji)性能的影響
將方(fang)(fang)式(shi)1和方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)加(jia)后保(bao)護的激光-CMT復合焊(han)(han)焊(han)(han)縫(feng)(feng)中心(xin)進(jin)行(xing)(xing)沖(chong)擊性(xing)能測式(shi)結果(guo)與(yu)TIG填(tian)絲焊(han)(han)的沖(chong)擊性(xing)能進(jin)行(xing)(xing)對比，見表3-57。可以看出，采用(yong)方(fang)(fang)式(shi)1焊(han)(han)縫(feng)(feng)中心(xin)進(jin)行(xing)(xing)沖(chong)擊值與(yu)TIG填(tian)絲焊(han)(han)接(jie)頭(tou)有較大差距(ju)；而方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)加(jia)氣體保(bao)護后焊(han)(han)縫(feng)(feng)中心(xin)沖(chong)擊值基本上與(yu)TIG填(tian)絲焊(han)(han)焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)相(xiang)當。
用(yong)SEM觀(guan)察沖擊斷(duan)口的微觀(guan)形(xing)貌(mao)：方式(shi)1焊(han)(han)縫沖擊斷(duan)口形(xing)貌(mao)，韌窩尺(chi)(chi)寸較(jiao)小，數(shu)量較(jiao)多，深(shen)度(du)較(jiao)淺，起伏較(jiao)小；方式(shi)2和TIG填(tian)絲焊(han)(han)的焊(han)(han)縫沖擊斷(duan)口形(xing)貌(mao)，韌窩尺(chi)(chi)寸較(jiao)大，數(shu)量相對較(jiao)少，深(shen)度(du)較(jiao)深(shen)，起伏較(jiao)大。
在方式1的(de)焊縫沖擊斷(duan)口上有很多尺寸(cun)較(jiao)大的(de)夾(jia)雜物(wu)(wu)(wu)，用EDS能(neng)譜分(fen)析看(kan)到，夾(jia)雜物(wu)(wu)(wu)中O、Si、Mn元素(su)含(han)量較(jiao)高，為氧化物(wu)(wu)(wu)夾(jia)雜物(wu)(wu)(wu)。這(zhe)種(zhong)夾(jia)雜物(wu)(wu)(wu)對焊縫的(de)沖擊性(xing)能(neng)有很大的(de)影響(xiang)，而其他斷(duan)口中未發現有夾(jia)雜物(wu)(wu)(wu)的(de)存在。
方式2在焊(han)(han)縫中(zhong)未發現氧化物(wu)夾雜，因此焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭的沖擊性能(neng)較(jiao)高(gao)。可以認(ren)為，氧化物(wu)夾雜是(shi)影響焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭沖擊性能(neng)主要(yao)因素(su)，當氣體后保護效果良好(hao)時，焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭的沖擊韌性較(jiao)高(gao)，激光-CMT復(fu)合焊(han)(han)基本達到(dao)TIG填(tian)絲焊(han)(han)的水平。該(gai)項焊(han)(han)接(jie)接(jie)技(ji)(ji)術(shu)若(ruo)取代(dai)TIG填(tian)絲焊(han)(han)應用于焊(han)(han)接(jie)生(sheng)產，將(jiang)是(shi)焊(han)(han)接(jie)技(ji)(ji)術(shu)的一次重大變(bian)革。
