復合焊(han)(han)接是高能(neng)焊(han)(han)與TIG、MIG和MAG焊(han)(han)各取所長，進(jin)行(xing)聯合焊(han)(han)接，以高能(neng)焊(han)(han)為(wei)基礎開發(fa)出來的(de)高科技(ji)焊(han)(han)接方(fang)法。前景看好，已經從試驗階段逐步(bu)過(guo)渡到用于生產，受到人們的(de)重視和關(guan)注，為(wei)高質量高效(xiao)率焊(han)(han)接技(ji)術創造了一個發(fa)展(zhan)空(kong)間。
一、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱(cheng)(cheng)“冷金屬(shu)過渡(du)”）弧(hu)焊技(ji)術是(shi)Fronius 公司在研究無(wu)飛(fei)濺過渡(du)技(ji)術、鋁與鋼異種金屬(shu)焊接、及薄板(ban)焊接的(de)基礎上逐漸(jian)發展和(he)成熟起來(lai)的(de)一(yi)門新的(de)弧(hu)焊技(ji)術。該項技(ji)術與美國(guo)LINCOLN公司的(de)表面張(zhang)力過渡(du)技(ji)術（Surface TensionTransfer，簡稱(cheng)(cheng)STT）以及日(ri)本OTC公司的(de)控(kong)制(zhi)液橋過渡(du)技(ji)術（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱(cheng)(cheng)CBT）均屬(shu)于數字化(hua)精確(que)控(kong)制(zhi)短路過渡(du)電弧(hu)技(ji)術。
CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)技術的(de)(de)(de)最大(da)技術優勢在于其焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)過程飛濺少、焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)變形小、焊(han)(han)(han)縫冶(ye)金(jin)質(zhi)量高（與常規熔化極(ji)氣(qi)(qi)體保(bao)護(hu)焊(han)(han)(han)相(xiang)比）。但是，由于CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)過程中(zhong)熔池的(de)(de)(de)溫度(du)相(xiang)對(dui)較低(di)，因此在焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)中(zhong)、厚(hou)板(ban)時(shi)，液態焊(han)(han)(han)縫金(jin)屬在母材表面的(de)(de)(de)潤濕(shi)性(xing)相(xiang)對(dui)較差，得(de)到焊(han)(han)(han)縫的(de)(de)(de)余(yu)高相(xiang)對(dui)較大(da)，特別是在采用多(duo)(duo)層多(duo)(duo)道焊(han)(han)(han)時(shi)，易出現(xian)未熔合、夾渣等缺陷。此外，CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)在直流反接(jie)(jie)(jie)焊(han)(han)(han)時(shi)，在純氬氣(qi)(qi)保(bao)護(hu)氣(qi)(qi)體下(xia)，由于保(bao)護(hu)氣(qi)(qi)體中(zhong)無氧(yang)化性(xing)氣(qi)(qi)體，且熔池中(zhong)缺少氧(yang)化物的(de)(de)(de)存在，電(dian)弧(hu)(hu)的(de)(de)(de)陰(yin)極(ji)斑(ban)點難以固定，隨焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)過程的(de)(de)(de)進行而不(bu)停漂(piao)移，表現(xian)為電(dian)弧(hu)(hu)飄動，挺度(du)不(bu)足(zu)，導致焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)過程不(bu)穩(wen)定，這(zhe)是CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)技術不(bu)足(zu)。所以核電(dian)設備、航空航天對(dui)冶(ye)金(jin)性(xing)能要求極(ji)高的(de)(de)(de)產品，在制(zhi)造中(zhong)無法應用。
二、CMT弧(hu)焊與(yu)激光-CMT電弧(hu)復合(he)熱源焊接時電弧(hu)形貌上的比較
CMT過(guo)(guo)(guo)(guo)渡技(ji)術(shu)實際上是(shi)(shi)一種通過(guo)(guo)(guo)(guo)送絲協調及(ji)波形(xing)控制而(er)(er)實現“冷”與(yu)“熱(re)”交替的(de)(de)短路過(guo)(guo)(guo)(guo)渡弧(hu)焊技(ji)術(shu)。CMT過(guo)(guo)(guo)(guo)渡中的(de)(de)“熱(re)”過(guo)(guo)(guo)(guo)程實際上是(shi)(shi)大電(dian)流(liu)電(dian)弧(hu)燃(ran)(ran)燒而(er)(er)形(xing)成熔滴(di)的(de)(de)過(guo)(guo)(guo)(guo)程，而(er)(er)“冷”過(guo)(guo)(guo)(guo)程實際上是(shi)(shi)小(xiao)電(dian)流(liu)電(dian)弧(hu)維持燃(ran)(ran)燒待(dai)熔滴(di)過(guo)(guo)(guo)(guo)渡的(de)(de)過(guo)(guo)(guo)(guo)程。從圖3-68和圖3-69分(fen)別為(wei)其他焊接條件相同情(qing)況下的(de)(de)單獨CMT的(de)(de)電(dian)弧(hu)形(xing)貌及(ji)激(ji)光與(yu)CMT復(fu)合后的(de)(de)電(dian)弧(hu)形(xing)貌。
從兩幅圖中(zhong)可以看(kan)出，激光(guang)加(jia)入前后(hou)CMT電弧(hu)形貌發生了可喜的變化：在純氬保護氣體保護下，激光(guang)與CMT電弧(hu)復合后(hou)，激光(guang)對CMT電弧(hu)（特(te)別是(shi)大電流燃弧(hu)階段的電弧(hu)）產生了吸引作用，增加(jia)了電弧(hu)的挺度，使得原本不穩定的焊接過程(cheng)得到穩定。還有焊縫正面(mian)成形美觀(guan)，可實現(xian)單面(mian)焊雙(shuang)面(mian)成形。
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(gang)的焊接。
304不銹(xiu)鋼TIG填(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)和激(ji)光-CMT 復(fu)合(he)熱(re)源焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)的(de)金相組(zu)(zu)織(zhi)進行比(bi)較：這(zhe)兩種(zhong)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)方法的(de)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)，它們(men)的(de)金相組(zu)(zu)織(zhi)基本相同，焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)金屬及(ji)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)熱(re)響區的(de)奧(ao)氏(shi)體組(zu)(zu)織(zhi)均為(wei)奧(ao)氏(shi)體＋少(shao)量8-鐵素體組(zu)(zu)織(zhi)，且焊(han)(han)(han)(han)接(jie)熱(re)影響區的(de)奧(ao)氏(shi)體組(zu)(zu)織(zhi)發生明顯的(de)粗(cu)化。但是，仔細對(dui)比(bi)兩種(zhong)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)的(de)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)組(zu)(zu)織(zhi)觀察則發現，焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)略(lve)有(you)(you)差異：TIG填(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)略(lve)粗(cu)大(da)；激(ji)光-CMT 復(fu)合(he)熱(re)源焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)略(lve)細小(xiao)(xiao)。可以(yi)認(ren)為(wei)，激(ji)光-CMT復(fu)合(he)熱(re)源的(de)有(you)(you)效熱(re)輸入(ru)要比(bi)TIG填(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)過程中(zhong)的(de)實際有(you)(you)效熱(re)輸入(ru)小(xiao)(xiao)，從(cong)表3-55焊(han)(han)(han)(han)接(jie)參數中(zhong)可知，其焊(han)(han)(han)(han)接(jie)熱(re)輸入(ru)僅為(wei)TIG填(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)的(de)48％左右，這(zhe)是導致TIG填(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)略(lve)粗(cu)大(da)的(de)原因。
從技術的(de)先(xian)進(jin)性來(lai)說(shuo)，對于304不(bu)銹鋼而言，純氬(ya)保護(hu)的(de)激(ji)光-CMT焊(han)接，其焊(han)接接頭的(de)力學性能不(bu)低于TIG焊(han)，而焊(han)接效率則是TIG填(tian)絲(si)焊(han)的(de)5倍(bei)。該項焊(han)接接技術若取代(dai)TIG填(tian)絲(si)焊(han)應用于焊(han)接生產，將是焊(han)接技術的(de)一次重大變革。
三、針對(dui)性(xing)試(shi)驗
目前國內(nei)外對于(yu)從事與(yu)核電厚壁(bi)部件的(de)(de)焊(han)接(jie)主要采用的(de)(de)上TIG 填充焊(han)（熱絲或冷絲）焊(han)接(jie)方法。盡管這種焊(han)接(jie)方法的(de)(de)焊(han)接(jie)質量(liang)相對比較穩定，但也(ye)存在(zai)以下問題(ti)：焊(han)接(jie)效率低及(ji)焊(han)接(jie)熱輸入大，導(dao)致(zhi)焊(han)接(jie)變形也(ye)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。
采用激光(guang)-CMT電弧復(fu)合(he)熱源焊(han)(han)接(jie)(jie)方法焊(han)(han)接(jie)(jie)8mm厚(hou)奧氏體型(xing)不(bu)銹鋼的(de)(de)試驗(yan)結果表(biao)明：焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)(de)綜合(he)力(li)學性(xing)能(neng)與304不(bu)銹鋼TIG填絲(si)焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)(de)綜合(he)力(li)學性(xing)能(neng)相當，而(er)焊(han)(han)接(jie)(jie)效率是TIG填絲(si)焊(han)(han)的(de)(de)3～5倍。要(yao)取得這個結果，必須在復(fu)合(he)焊(han)(han)縫(feng)金屬中(zhong)嚴格(ge)控制C、N、0等微量(liang)元素的(de)(de)含量(liang)，否則將對(dui)焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭力(li)學性(xing)能(neng)中(zhong)的(de)(de)沖擊性(xing)能(neng)極為不(bu)利，無法達到TIG填絲(si)焊(han)(han)的(de)(de)水平。
經分析，激光-CMT復(fu)合熱源焊接(jie)時，如果后保護范圍小，則在(zai)較高(gao)速(su)度(du)焊接(jie)時易卷入空氣，從而使得焊縫金屬中的C、N、O等雜質元素(su)含量偏高(gao)。因(yin)此(ci)，焊接(jie)后的保護措施(shi)至(zhi)關重要。
為此(ci)，用(yong)激光-CMT復(fu)合(he)熱(re)源(yuan)焊(han)(han)接(jie)方法，在純(chun)氬氣(qi)保護(hu)及較(jiao)高速度(du)焊(han)(han)接(jie)情況下，采取不同(tong)的后保護(hu)方法進(jin)行試(shi)驗，將試(shi)驗結果與TIG填(tian)充絲焊(han)(han)進(jin)行對比。
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. 試驗(yan)設備
試驗用激光(guang)(guang)器(qi)(qi)為德(de)國通(tong)快公(gong)司生產(chan)的TruDisk6002 型激光(guang)(guang)器(qi)(qi)，最大激光(guang)(guang)功率6kW，試驗中采用焦距為475mm的激光(guang)(guang)輸出透鏡(jing)；電弧焊(han)(han)機為奧地利(li)Fronius公(gong)司生產(chan)的TPS4000型數字化CMT焊(han)(han)機；TIG填(tian)絲焊(han)(han)所用焊(han)(han)機為PANA-TIG SP300鎢(wu)極(ji)氬弧焊(han)(han)機。
3. 試驗(yan)方法
在純氬氣保護下采用兩(liang)種不同的后(hou)(hou)保護措施(shi)，以U形坡口對接的方式(shi)進行焊接，坡口形式(shi)如(ru)(ru)圖3-70所(suo)示，后(hou)(hou)保護措施(shi)如(ru)(ru)圖3-71所(suo)示。其中，方式(shi)一(yi)為(wei)單一(yi)細噴嘴保護，方式(shi)二為(wei)雙管后(hou)(hou)保護。
4. 試驗結果與(yu)分析
a. 氣體保護效果對(dui)焊縫成形及微(wei)量(liang)元素含量(liang)的影響
采用方式1后(hou)氣體保(bao)護(hu)時(shi)，焊縫(feng)發灰(hui)；而采用方式2后(hou)氣體保(bao)護(hu)時(shi)，焊縫(feng)呈(cheng)銀白色(se)，其氣體保(bao)護(hu)效(xiao)果甚至好(hao)于TIG填絲焊縫(feng)。
采用(yong)方式(shi)1和方式(shi)2增加后保護(hu)的(de)(de)激光-CMT復合焊與TIG填絲焊焊縫中(zhong)C、N、H、O元素(su)的(de)(de)含(han)量(liang)的(de)(de)比較如表3-56所示。從表中(zhong)可(ke)知，與方式(shi)1相比，采用(yong)方式(shi)2增加后保護(hu)焊縫中(zhong)C、H元素(su)的(de)(de)含(han)量(liang)變化(hua)不大，而N、O元素(su)含(han)量(liang)下降到原來(lai)的(de)(de)1/4，并且與TIG填絲焊中(zhong)C、N、H、O元素(su)的(de)(de)含(han)量(liang)相當，而N、O元素(su)的(de)(de)主要來(lai)源就是空氣。
產生這(zhe)種變化主要是因為：方(fang)式1后(hou)保護(hu)，噴(pen)嘴保護(hu)管徑(jing)細，保護(hu)范(fan)圍(wei)較小，熔池(chi)極(ji)易卷入空氣，表(biao)現為焊縫表(biao)面發灰，N、O元素含量偏高；方(fang)式2后(hou)保護(hu)時，管徑(jing)較粗，并且(qie)在焊縫方(fang)向上并排排列著兩個后(hou)噴(pen)嘴，大(da)大(da)加強(qiang)了保護(hu)范(fan)圍(wei)，表(biao)現為焊縫呈銀白色，N、O元素含量大(da)幅下降。
由此可見，采用(yong)方式2增加后保護后，能夠更好(hao)地隔(ge)絕空氣與(yu)熔池的接觸，極(ji)大地改善了(le)焊縫(feng)的保護效果。
b. 氣(qi)體保護效(xiao)果對焊接(jie)接(jie)頭(tou)沖(chong)擊(ji)性能的影(ying)響
將(jiang)方(fang)(fang)式(shi)1和(he)方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)(zeng)加后(hou)(hou)保(bao)(bao)護的激光-CMT復(fu)合焊(han)焊(han)縫(feng)中(zhong)(zhong)心進行(xing)(xing)沖(chong)擊(ji)(ji)性能測式(shi)結果與TIG填絲焊(han)的沖(chong)擊(ji)(ji)性能進行(xing)(xing)對比(bi)，見表(biao)3-57。可以看(kan)出，采用方(fang)(fang)式(shi)1焊(han)縫(feng)中(zhong)(zhong)心進行(xing)(xing)沖(chong)擊(ji)(ji)值與TIG填絲焊(han)接頭(tou)有較大差距(ju)；而方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)(zeng)加氣(qi)體保(bao)(bao)護后(hou)(hou)焊(han)縫(feng)中(zhong)(zhong)心沖(chong)擊(ji)(ji)值基本(ben)上與TIG填絲焊(han)焊(han)接接頭(tou)相當。
用SEM觀察沖(chong)擊斷(duan)(duan)口的(de)微觀形(xing)貌(mao)：方式1焊(han)縫沖(chong)擊斷(duan)(duan)口形(xing)貌(mao)，韌(ren)窩尺寸較(jiao)小，數量較(jiao)多(duo)，深度較(jiao)淺，起(qi)伏較(jiao)小；方式2和TIG填絲(si)焊(han)的(de)焊(han)縫沖(chong)擊斷(duan)(duan)口形(xing)貌(mao)，韌(ren)窩尺寸較(jiao)大，數量相(xiang)對較(jiao)少，深度較(jiao)深，起(qi)伏較(jiao)大。
在方式1的焊縫(feng)沖擊(ji)斷口上(shang)有(you)很(hen)多尺(chi)寸(cun)較大的夾(jia)雜(za)物(wu)，用EDS能譜分析看到(dao)，夾(jia)雜(za)物(wu)中O、Si、Mn元(yuan)素(su)含量較高(gao)，為氧化物(wu)夾(jia)雜(za)物(wu)。這種(zhong)夾(jia)雜(za)物(wu)對焊縫(feng)的沖擊(ji)性能有(you)很(hen)大的影響，而其他斷口中未(wei)發(fa)現有(you)夾(jia)雜(za)物(wu)的存(cun)在。
方式2在(zai)焊(han)縫中未發現氧(yang)化物(wu)夾雜，因(yin)此焊(han)接(jie)接(jie)頭的(de)沖(chong)擊(ji)(ji)性(xing)能較高(gao)。可以認為，氧(yang)化物(wu)夾雜是(shi)影響焊(han)接(jie)接(jie)頭沖(chong)擊(ji)(ji)性(xing)能主要(yao)因(yin)素，當氣體后(hou)保(bao)護效果良好(hao)時(shi)，焊(han)接(jie)接(jie)頭的(de)沖(chong)擊(ji)(ji)韌性(xing)較高(gao)，激(ji)光-CMT復(fu)合(he)焊(han)基本達到TIG填絲焊(han)的(de)水平。該項焊(han)接(jie)接(jie)技(ji)術(shu)若取代TIG填絲焊(han)應用于焊(han)接(jie)生(sheng)產(chan)，將是(shi)焊(han)接(jie)技(ji)術(shu)的(de)一次重(zhong)大變革。
