復合(he)焊接(jie)是高(gao)能焊與TIG、MIG和MAG焊各(ge)取所長，進行聯合(he)焊接(jie)，以高(gao)能焊為(wei)基礎(chu)開(kai)發出來的高(gao)科技(ji)焊接(jie)方(fang)法(fa)。前景看好，已經從試驗階段逐步(bu)過渡(du)到用于生產，受(shou)到人(ren)們的重視和關注，為(wei)高(gao)質量高(gao)效率焊接(jie)技(ji)術創造了一個發展空間(jian)。
一、CMT弧(hu)焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱(cheng)“冷金(jin)屬過(guo)(guo)渡”）弧焊(han)技術(shu)(shu)是Fronius 公(gong)(gong)司(si)在研究無飛濺過(guo)(guo)渡技術(shu)(shu)、鋁與(yu)鋼(gang)異種金(jin)屬焊(han)接、及(ji)薄板焊(han)接的基(ji)礎上逐漸發展(zhan)和成熟起來(lai)的一(yi)門新(xin)的弧焊(han)技術(shu)(shu)。該(gai)項技術(shu)(shu)與(yu)美(mei)國LINCOLN公(gong)(gong)司(si)的表面張力過(guo)(guo)渡技術(shu)(shu)（Surface TensionTransfer，簡稱(cheng)STT）以及(ji)日本OTC公(gong)(gong)司(si)的控制液橋過(guo)(guo)渡技術(shu)(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱(cheng)CBT）均屬于數(shu)字化精確控制短路過(guo)(guo)渡電弧技術(shu)(shu)。
CMT弧焊(han)(han)技(ji)術(shu)的(de)最(zui)大技(ji)術(shu)優勢(shi)在(zai)于其焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)過程(cheng)飛濺少(shao)、焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形小、焊(han)(han)縫(feng)(feng)冶金質量高(gao)(gao)(gao)（與常規熔(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)極(ji)氣(qi)(qi)體(ti)保護(hu)焊(han)(han)相(xiang)比）。但是，由(you)于CMT弧焊(han)(han)過程(cheng)中熔(rong)(rong)(rong)池的(de)溫度(du)相(xiang)對較低，因此在(zai)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)中、厚板時，液態(tai)焊(han)(han)縫(feng)(feng)金屬在(zai)母材(cai)表面(mian)的(de)潤濕性相(xiang)對較差，得(de)到焊(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)余高(gao)(gao)(gao)相(xiang)對較大，特別是在(zai)采用(yong)多層多道焊(han)(han)時，易出(chu)現未熔(rong)(rong)(rong)合、夾渣等缺陷。此外，CMT弧焊(han)(han)在(zai)直流(liu)反接(jie)(jie)(jie)(jie)焊(han)(han)時，在(zai)純氬氣(qi)(qi)保護(hu)氣(qi)(qi)體(ti)下(xia)，由(you)于保護(hu)氣(qi)(qi)體(ti)中無氧化(hua)(hua)性氣(qi)(qi)體(ti)，且熔(rong)(rong)(rong)池中缺少(shao)氧化(hua)(hua)物的(de)存(cun)在(zai)，電(dian)(dian)弧的(de)陰極(ji)斑點難以(yi)固定，隨焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)過程(cheng)的(de)進行而不(bu)停漂移，表現為電(dian)(dian)弧飄動，挺度(du)不(bu)足(zu)，導致焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)過程(cheng)不(bu)穩定，這是CMT弧焊(han)(han)技(ji)術(shu)不(bu)足(zu)。所以(yi)核(he)電(dian)(dian)設備、航(hang)空(kong)航(hang)天對冶金性能要求極(ji)高(gao)(gao)(gao)的(de)產品，在(zai)制造中無法(fa)應用(yong)。
二、CMT弧(hu)焊與(yu)激(ji)光-CMT電弧(hu)復(fu)合熱源(yuan)焊接時電弧(hu)形貌(mao)上(shang)的比(bi)較
CMT過(guo)(guo)渡技(ji)術實際(ji)上(shang)是一種通過(guo)(guo)送絲協調及波形(xing)控(kong)制而實現“冷”與(yu)“熱”交替的(de)短路過(guo)(guo)渡弧(hu)(hu)焊技(ji)術。CMT過(guo)(guo)渡中的(de)“熱”過(guo)(guo)程實際(ji)上(shang)是大電(dian)流(liu)電(dian)弧(hu)(hu)燃燒(shao)而形(xing)成熔滴的(de)過(guo)(guo)程，而“冷”過(guo)(guo)程實際(ji)上(shang)是小電(dian)流(liu)電(dian)弧(hu)(hu)維持燃燒(shao)待熔滴過(guo)(guo)渡的(de)過(guo)(guo)程。從圖3-68和圖3-69分(fen)別為其他焊接條件相(xiang)同情況下的(de)單獨CMT的(de)電(dian)弧(hu)(hu)形(xing)貌及激光與(yu)CMT復(fu)合后的(de)電(dian)弧(hu)(hu)形(xing)貌。
從兩幅圖中可以(yi)看出，激光加入前后CMT電弧(hu)形(xing)(xing)(xing)貌發生了(le)可喜的(de)變(bian)化：在純氬保護氣體保護下，激光與CMT電弧(hu)復(fu)合后，激光對CMT電弧(hu)（特別是大電流燃弧(hu)階段的(de)電弧(hu)）產生了(le)吸引作用，增加了(le)電弧(hu)的(de)挺度，使得原本不穩定的(de)焊(han)接(jie)過程(cheng)得到穩定。還有焊(han)縫正面(mian)(mian)成形(xing)(xing)(xing)美觀(guan)，可實現(xian)單面(mian)(mian)焊(han)雙面(mian)(mian)成形(xing)(xing)(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(xiu)鋼的焊接。
304不銹(xiu)鋼TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)和激(ji)光(guang)-CMT 復(fu)合熱(re)(re)(re)源(yuan)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的金相組(zu)(zu)織(zhi)進行比(bi)較：這(zhe)兩(liang)種焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方法的焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭，它們的金相組(zu)(zu)織(zhi)基本相同(tong)，焊(han)(han)(han)(han)縫金屬及焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)響(xiang)區的奧(ao)氏體組(zu)(zu)織(zhi)均(jun)為(wei)奧(ao)氏體＋少量8-鐵(tie)素體組(zu)(zu)織(zhi)，且(qie)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)影響(xiang)區的奧(ao)氏體組(zu)(zu)織(zhi)發(fa)生明顯的粗化。但(dan)是，仔細對比(bi)兩(liang)種焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的焊(han)(han)(han)(han)縫組(zu)(zu)織(zhi)觀察(cha)則發(fa)現，焊(han)(han)(han)(han)縫柱狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)有(you)差異：TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)縫的柱狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)粗大(da)；激(ji)光(guang)-CMT 復(fu)合熱(re)(re)(re)源(yuan)焊(han)(han)(han)(han)縫的柱狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)細小。可以認為(wei)，激(ji)光(guang)-CMT復(fu)合熱(re)(re)(re)源(yuan)的有(you)效熱(re)(re)(re)輸(shu)入要(yao)比(bi)TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)過(guo)程中的實際有(you)效熱(re)(re)(re)輸(shu)入小，從表3-55焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)參數中可知，其焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)輸(shu)入僅為(wei)TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)的48％左右，這(zhe)是導致TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)縫的柱狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)粗大(da)的原因(yin)。
從技術(shu)的先進性來說(shuo)，對于304不銹鋼(gang)而言，純氬保護的激光-CMT焊(han)(han)(han)接(jie)，其(qi)焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭的力學(xue)性能不低于TIG焊(han)(han)(han)，而焊(han)(han)(han)接(jie)效率則是(shi)TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)的5倍。該項(xiang)焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)技術(shu)若取代TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)應用于焊(han)(han)(han)接(jie)生產(chan)，將是(shi)焊(han)(han)(han)接(jie)技術(shu)的一次(ci)重大變(bian)革。
三、針對性(xing)試(shi)驗(yan)
目前(qian)國(guo)內(nei)外對于從事(shi)與核電厚(hou)壁(bi)部件的(de)焊接(jie)(jie)主(zhu)要(yao)采用的(de)上TIG 填充焊（熱(re)絲或(huo)冷絲）焊接(jie)(jie)方法。盡(jin)管這(zhe)種焊接(jie)(jie)方法的(de)焊接(jie)(jie)質(zhi)量(liang)相對比較穩(wen)定，但也存(cun)在(zai)以下問題：焊接(jie)(jie)效率低及焊接(jie)(jie)熱(re)輸入(ru)大，導(dao)致焊接(jie)(jie)變形也較大。
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)(he)熱源焊(han)(han)接(jie)(jie)方法(fa)焊(han)(han)接(jie)(jie)8mm厚奧(ao)氏體型(xing)不銹鋼的(de)試驗結(jie)果表(biao)明：焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)的(de)綜合(he)(he)力學(xue)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)與(yu)304不銹鋼TIG填絲焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)的(de)綜合(he)(he)力學(xue)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)相當，而焊(han)(han)接(jie)(jie)效率是TIG填絲焊(han)(han)的(de)3～5倍。要取(qu)得這個結(jie)果，必須在復合(he)(he)焊(han)(han)縫金屬(shu)中(zhong)嚴格控制(zhi)C、N、0等(deng)微量(liang)元素的(de)含量(liang)，否則將對焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)力學(xue)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)中(zhong)的(de)沖(chong)擊性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)極為不利，無(wu)法(fa)達到TIG填絲焊(han)(han)的(de)水平(ping)。
經分析(xi)，激光-CMT復合熱源(yuan)焊接時(shi)(shi)，如果后保護范(fan)圍小，則在較(jiao)高速(su)度焊接時(shi)(shi)易卷入(ru)空氣，從而使(shi)得焊縫金屬中的C、N、O等雜質元(yuan)素(su)含量偏高。因此，焊接后的保護措(cuo)施至關重要。
為此，用激光(guang)-CMT復合(he)熱源焊(han)接(jie)方(fang)法(fa)，在純氬氣保護(hu)及較(jiao)高速(su)度焊(han)接(jie)情況下，采取不同(tong)的后保護(hu)方(fang)法(fa)進(jin)行(xing)試(shi)驗，將(jiang)試(shi)驗結(jie)果與(yu)TIG填充絲焊(han)進(jin)行(xing)對(dui)比。
1. 試(shi)驗材(cai)料和方(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. 試驗設備
試驗用激光器(qi)為(wei)德國通快公司生(sheng)產的TruDisk6002 型(xing)激光器(qi)，最大激光功率6kW，試驗中(zhong)采用焦距為(wei)475mm的激光輸(shu)出透鏡；電弧焊機為(wei)奧(ao)地利Fronius公司生(sheng)產的TPS4000型(xing)數(shu)字化CMT焊機；TIG填絲(si)焊所用焊機為(wei)PANA-TIG SP300鎢極氬弧焊機。
3. 試(shi)驗方法
在純(chun)氬氣(qi)保(bao)(bao)護(hu)下采用兩種不同的(de)后(hou)保(bao)(bao)護(hu)措施，以(yi)U形(xing)坡(po)口對接(jie)的(de)方(fang)式進(jin)行焊接(jie)，坡(po)口形(xing)式如(ru)圖3-70所(suo)示(shi)，后(hou)保(bao)(bao)護(hu)措施如(ru)圖3-71所(suo)示(shi)。其中(zhong)，方(fang)式一為單一細噴(pen)嘴保(bao)(bao)護(hu)，方(fang)式二為雙(shuang)管后(hou)保(bao)(bao)護(hu)。
4. 試驗結果與分析
a. 氣(qi)體保(bao)護效果(guo)對焊縫成形及微量元素含(han)量的影響
采(cai)(cai)用方式(shi)1后(hou)(hou)氣(qi)體(ti)保(bao)護(hu)(hu)(hu)時(shi)，焊(han)縫發灰；而(er)采(cai)(cai)用方式(shi)2后(hou)(hou)氣(qi)體(ti)保(bao)護(hu)(hu)(hu)時(shi)，焊(han)縫呈銀(yin)白色(se)，其氣(qi)體(ti)保(bao)護(hu)(hu)(hu)效果甚至好于TIG填絲焊(han)縫。
采用(yong)方式(shi)1和方式(shi)2增加后保護(hu)的(de)激光-CMT復合焊(han)與(yu)TIG填絲(si)焊(han)焊(han)縫(feng)中C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)含(han)量的(de)比較如表3-56所(suo)示。從表中可(ke)知，與(yu)方式(shi)1相比，采用(yong)方式(shi)2增加后保護(hu)焊(han)縫(feng)中C、H元(yuan)素(su)(su)的(de)含(han)量變化不大(da)，而N、O元(yuan)素(su)(su)含(han)量下降到原(yuan)來(lai)的(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)含(han)量相當(dang)，而N、O元(yuan)素(su)(su)的(de)主要(yao)來(lai)源就是空氣(qi)。
產(chan)生這(zhe)種變(bian)化主要是因為(wei)(wei)：方式1后(hou)保(bao)(bao)護(hu)，噴(pen)(pen)嘴保(bao)(bao)護(hu)管徑(jing)細(xi)，保(bao)(bao)護(hu)范圍較小(xiao)，熔池極(ji)易卷入(ru)空氣，表(biao)現(xian)為(wei)(wei)焊縫(feng)(feng)表(biao)面發(fa)灰，N、O元(yuan)(yuan)素(su)含(han)量偏(pian)高(gao)；方式2后(hou)保(bao)(bao)護(hu)時，管徑(jing)較粗，并(bing)且在焊縫(feng)(feng)方向上并(bing)排排列著兩個后(hou)噴(pen)(pen)嘴，大大加強(qiang)了(le)保(bao)(bao)護(hu)范圍，表(biao)現(xian)為(wei)(wei)焊縫(feng)(feng)呈(cheng)銀白色，N、O元(yuan)(yuan)素(su)含(han)量大幅下降。
由此可見，采用方式2增加(jia)后保護后，能夠更好地隔絕空氣與(yu)熔池的(de)接觸，極大地改善了焊縫(feng)的(de)保護效果。
b. 氣體保護效果對焊(han)接接頭沖(chong)擊性能的影響
將方(fang)式1和方(fang)式2增加后保護的激光(guang)-CMT復合(he)焊焊縫中心進行沖擊性(xing)能(neng)測式結果與(yu)(yu)(yu)TIG填(tian)絲焊的沖擊性(xing)能(neng)進行對比，見表(biao)3-57。可以看出，采(cai)用方(fang)式1焊縫中心進行沖擊值(zhi)與(yu)(yu)(yu)TIG填(tian)絲焊接頭有較(jiao)大(da)差距；而方(fang)式2增加氣體保護后焊縫中心沖擊值(zhi)基(ji)本上與(yu)(yu)(yu)TIG填(tian)絲焊焊接接頭相(xiang)當。
用SEM觀察(cha)沖擊(ji)(ji)斷口(kou)的(de)微觀形貌(mao)(mao)：方式1焊(han)(han)縫沖擊(ji)(ji)斷口(kou)形貌(mao)(mao)，韌窩(wo)尺寸(cun)較(jiao)(jiao)小，數(shu)量較(jiao)(jiao)多，深度較(jiao)(jiao)淺，起伏(fu)較(jiao)(jiao)小；方式2和TIG填絲焊(han)(han)的(de)焊(han)(han)縫沖擊(ji)(ji)斷口(kou)形貌(mao)(mao)，韌窩(wo)尺寸(cun)較(jiao)(jiao)大，數(shu)量相對較(jiao)(jiao)少，深度較(jiao)(jiao)深，起伏(fu)較(jiao)(jiao)大。
在方式(shi)1的焊縫沖擊(ji)斷口上有很(hen)多尺寸較大(da)的夾(jia)雜(za)物，用EDS能(neng)譜(pu)分析看到，夾(jia)雜(za)物中(zhong)O、Si、Mn元素含量(liang)較高，為氧化物夾(jia)雜(za)物。這(zhe)種(zhong)夾(jia)雜(za)物對(dui)焊縫的沖擊(ji)性能(neng)有很(hen)大(da)的影(ying)響，而其(qi)他斷口中(zhong)未發現有夾(jia)雜(za)物的存在。
方式2在焊(han)(han)(han)(han)縫中未發現(xian)氧化物(wu)夾雜，因此焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭的(de)沖擊(ji)性(xing)能較高。可(ke)以認為(wei)，氧化物(wu)夾雜是(shi)(shi)影響焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭沖擊(ji)性(xing)能主(zhu)要因素，當氣體后保護效(xiao)果良(liang)好(hao)時，焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭的(de)沖擊(ji)韌性(xing)較高，激光-CMT復合焊(han)(han)(han)(han)基(ji)本達到TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)的(de)水平。該(gai)項焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)技(ji)術若取代TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)應用于焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)生產，將是(shi)(shi)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)技(ji)術的(de)一次重大變革。
