復合焊(han)(han)接是高(gao)能(neng)焊(han)(han)與TIG、MIG和(he)MAG焊(han)(han)各(ge)取所長(chang)，進行(xing)聯合焊(han)(han)接，以高(gao)能(neng)焊(han)(han)為基(ji)礎(chu)開發(fa)出來的高(gao)科技焊(han)(han)接方法。前景看好，已經從試(shi)驗階段(duan)逐步過渡到用于生產，受到人們的重視和(he)關注，為高(gao)質量高(gao)效率焊(han)(han)接技術創(chuang)造了一(yi)個發(fa)展空間。
一、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金屬過(guo)(guo)渡(du)(du)”）弧焊技(ji)(ji)術(shu)是Fronius 公(gong)司(si)在研究無飛(fei)濺過(guo)(guo)渡(du)(du)技(ji)(ji)術(shu)、鋁(lv)與鋼(gang)異種金屬焊接、及薄板(ban)焊接的(de)基(ji)礎上逐漸(jian)發展和成熟起來的(de)一門新的(de)弧焊技(ji)(ji)術(shu)。該項(xiang)技(ji)(ji)術(shu)與美國LINCOLN公(gong)司(si)的(de)表面張力過(guo)(guo)渡(du)(du)技(ji)(ji)術(shu)（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以(yi)及日本OTC公(gong)司(si)的(de)控制液(ye)橋過(guo)(guo)渡(du)(du)技(ji)(ji)術(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均(jun)屬于數字(zi)化精確(que)控制短路過(guo)(guo)渡(du)(du)電弧技(ji)(ji)術(shu)。
CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)技術(shu)的(de)(de)(de)最大(da)技術(shu)優(you)勢在(zai)(zai)于其焊(han)(han)(han)接(jie)過程(cheng)(cheng)飛濺少、焊(han)(han)(han)接(jie)變形小(xiao)、焊(han)(han)(han)縫(feng)冶(ye)金(jin)質量高（與常規(gui)熔(rong)化極氣體(ti)保(bao)護焊(han)(han)(han)相(xiang)比）。但是，由(you)于CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)過程(cheng)(cheng)中熔(rong)池的(de)(de)(de)溫度(du)相(xiang)對(dui)較低，因此在(zai)(zai)焊(han)(han)(han)接(jie)中、厚板時，液(ye)態焊(han)(han)(han)縫(feng)金(jin)屬在(zai)(zai)母材表(biao)面的(de)(de)(de)潤濕性相(xiang)對(dui)較差，得到焊(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)余高相(xiang)對(dui)較大(da)，特別是在(zai)(zai)采用(yong)多層多道焊(han)(han)(han)時，易出現未熔(rong)合、夾渣等缺陷。此外(wai)，CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)在(zai)(zai)直(zhi)流反接(jie)焊(han)(han)(han)時，在(zai)(zai)純氬(ya)氣保(bao)護氣體(ti)下，由(you)于保(bao)護氣體(ti)中無氧化性氣體(ti)，且(qie)熔(rong)池中缺少氧化物(wu)的(de)(de)(de)存在(zai)(zai)，電弧(hu)的(de)(de)(de)陰(yin)極斑點難以(yi)固(gu)定(ding)(ding)，隨焊(han)(han)(han)接(jie)過程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)進行而不(bu)(bu)停(ting)漂(piao)移，表(biao)現為電弧(hu)飄動(dong)，挺度(du)不(bu)(bu)足，導(dao)致焊(han)(han)(han)接(jie)過程(cheng)(cheng)不(bu)(bu)穩定(ding)(ding)，這是CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)技術(shu)不(bu)(bu)足。所(suo)以(yi)核電設備、航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天對(dui)冶(ye)金(jin)性能(neng)要求極高的(de)(de)(de)產品，在(zai)(zai)制造中無法應(ying)用(yong)。
二、CMT弧(hu)(hu)焊與激光-CMT電弧(hu)(hu)復合熱源焊接時電弧(hu)(hu)形貌上的比(bi)較
CMT過(guo)(guo)渡(du)技術實(shi)(shi)際(ji)上(shang)是一種通(tong)過(guo)(guo)送絲協調及(ji)波(bo)形控制(zhi)而實(shi)(shi)現“冷(leng)”與(yu)“熱”交替的(de)(de)短路過(guo)(guo)渡(du)弧(hu)焊(han)技術。CMT過(guo)(guo)渡(du)中的(de)(de)“熱”過(guo)(guo)程實(shi)(shi)際(ji)上(shang)是大電(dian)流(liu)電(dian)弧(hu)燃燒(shao)而形成(cheng)熔(rong)滴的(de)(de)過(guo)(guo)程，而“冷(leng)”過(guo)(guo)程實(shi)(shi)際(ji)上(shang)是小電(dian)流(liu)電(dian)弧(hu)維持(chi)燃燒(shao)待熔(rong)滴過(guo)(guo)渡(du)的(de)(de)過(guo)(guo)程。從圖3-68和圖3-69分(fen)別為(wei)其(qi)他焊(han)接條件相同情況下的(de)(de)單獨CMT的(de)(de)電(dian)弧(hu)形貌及(ji)激光與(yu)CMT復合后(hou)的(de)(de)電(dian)弧(hu)形貌。
從兩幅(fu)圖中可以看出，激光加入前后CMT電弧形貌發生了可喜的變化：在純氬保護(hu)氣體保護(hu)下，激光與(yu)CMT電弧復合后，激光對CMT電弧（特別(bie)是(shi)大電流燃弧階段(duan)的電弧）產生了吸引作用(yong)，增加了電弧的挺度，使得原本不穩(wen)定(ding)的焊(han)接過程得到穩(wen)定(ding)。還有(you)焊(han)縫正(zheng)面成形美(mei)觀，可實現(xian)單面焊(han)雙面成形。
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不銹鋼的焊接。
304不銹鋼TIG填(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)和激(ji)光(guang)-CMT 復合熱(re)(re)源(yuan)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)金(jin)相(xiang)組(zu)(zu)織進行比較：這兩種(zhong)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)方法的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭，它們的(de)(de)金(jin)相(xiang)組(zu)(zu)織基本(ben)相(xiang)同，焊(han)(han)縫(feng)(feng)金(jin)屬及(ji)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)響(xiang)區(qu)的(de)(de)奧氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織均為(wei)奧氏(shi)體(ti)＋少量8-鐵素(su)體(ti)組(zu)(zu)織，且焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)影響(xiang)區(qu)的(de)(de)奧氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)織發(fa)(fa)生明(ming)顯的(de)(de)粗化。但是，仔細對比兩種(zhong)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)焊(han)(han)縫(feng)(feng)組(zu)(zu)織觀察則發(fa)(fa)現，焊(han)(han)縫(feng)(feng)柱狀晶(jing)晶(jing)粒略(lve)有差異：TIG填(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)焊(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)柱狀晶(jing)晶(jing)粒略(lve)粗大(da)；激(ji)光(guang)-CMT 復合熱(re)(re)源(yuan)焊(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)柱狀晶(jing)晶(jing)粒略(lve)細小。可(ke)以認為(wei)，激(ji)光(guang)-CMT復合熱(re)(re)源(yuan)的(de)(de)有效熱(re)(re)輸(shu)入要比TIG填(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)過程中的(de)(de)實(shi)際(ji)有效熱(re)(re)輸(shu)入小，從表3-55焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)參數中可(ke)知，其焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)輸(shu)入僅為(wei)TIG填(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)的(de)(de)48％左(zuo)右，這是導致TIG填(tian)絲(si)(si)(si)焊(han)(han)焊(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)柱狀晶(jing)晶(jing)粒略(lve)粗大(da)的(de)(de)原因。
從(cong)技(ji)術(shu)的(de)(de)先進性(xing)來說，對于(yu)304不銹鋼而言，純(chun)氬保護的(de)(de)激光(guang)-CMT焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)，其焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)(de)力學性(xing)能(neng)不低于(yu)TIG焊(han)(han)(han)(han)，而焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)效率則是(shi)(shi)TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)的(de)(de)5倍。該項焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技(ji)術(shu)若(ruo)取(qu)代TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)應用于(yu)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)生產(chan)，將是(shi)(shi)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)技(ji)術(shu)的(de)(de)一(yi)次(ci)重大(da)變革。
三、針對性試驗
目(mu)前國(guo)內外對于從事(shi)與核電(dian)厚(hou)壁(bi)部件的(de)焊(han)(han)接(jie)主要(yao)采(cai)用的(de)上TIG 填(tian)充焊(han)(han)（熱絲(si)或冷絲(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(zhi)量(liang)相(xiang)對比(bi)較穩定，但也(ye)(ye)存(cun)在以下問題：焊(han)(han)接(jie)效(xiao)率低及(ji)焊(han)(han)接(jie)熱輸(shu)入大(da)，導致焊(han)(han)接(jie)變形也(ye)(ye)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(hu)復合熱(re)源焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方(fang)法焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)8mm厚奧(ao)氏(shi)體型不銹(xiu)(xiu)鋼的(de)(de)(de)試驗(yan)結果表明：焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)(de)綜合力學(xue)性能與304不銹(xiu)(xiu)鋼TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)(de)綜合力學(xue)性能相當，而(er)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)效率是TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)(de)(de)3～5倍。要取得這(zhe)個結果，必須(xu)在復合焊(han)(han)(han)縫金屬(shu)中嚴格控(kong)制C、N、0等微(wei)量元(yuan)素的(de)(de)(de)含量，否則將(jiang)對焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭力學(xue)性能中的(de)(de)(de)沖擊性能極為不利，無法達到TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)(de)(de)水平。
經分(fen)析，激(ji)光-CMT復合(he)熱(re)源焊接時(shi)，如果后保護范圍小，則在較高(gao)速度(du)焊接時(shi)易(yi)卷入空氣，從而使得焊縫(feng)金屬中的(de)C、N、O等雜質元素(su)含量偏(pian)高(gao)。因此，焊接后的(de)保護措施至關(guan)重(zhong)要(yao)。
為此(ci)，用激(ji)光-CMT復合(he)熱源焊(han)接方(fang)(fang)法(fa)(fa)，在純氬氣保護及較高速度(du)焊(han)接情(qing)況下，采取不同的后保護方(fang)(fang)法(fa)(fa)進行試(shi)驗，將試(shi)驗結(jie)果與TIG填(tian)充(chong)絲焊(han)進行對比。
1. 試驗材(cai)料和方(fang)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. 試驗設備
試(shi)驗用(yong)激光(guang)(guang)器(qi)為(wei)(wei)德國(guo)通快公司(si)(si)生產(chan)的(de)TruDisk6002 型激光(guang)(guang)器(qi)，最大激光(guang)(guang)功率6kW，試(shi)驗中(zhong)采用(yong)焦距(ju)為(wei)(wei)475mm的(de)激光(guang)(guang)輸出透鏡；電弧(hu)焊(han)機(ji)為(wei)(wei)奧地利Fronius公司(si)(si)生產(chan)的(de)TPS4000型數(shu)字化CMT焊(han)機(ji)；TIG填絲(si)焊(han)所用(yong)焊(han)機(ji)為(wei)(wei)PANA-TIG SP300鎢極(ji)氬弧(hu)焊(han)機(ji)。
3. 試驗(yan)方(fang)法
在純氬(ya)氣(qi)保護(hu)(hu)下采用兩種(zhong)不(bu)同的后保護(hu)(hu)措施(shi)，以U形(xing)坡口對接的方(fang)(fang)(fang)式(shi)進行焊接，坡口形(xing)式(shi)如圖(tu)3-70所示，后保護(hu)(hu)措施(shi)如圖(tu)3-71所示。其中，方(fang)(fang)(fang)式(shi)一為單(dan)一細噴嘴(zui)保護(hu)(hu)，方(fang)(fang)(fang)式(shi)二為雙(shuang)管后保護(hu)(hu)。
4. 試驗結果與分析
a. 氣體保護(hu)效果對焊縫成形及微量元素含量的影響(xiang)
采用(yong)方式(shi)1后(hou)氣體(ti)保(bao)護(hu)時(shi)，焊(han)(han)縫發灰；而采用(yong)方式(shi)2后(hou)氣體(ti)保(bao)護(hu)時(shi)，焊(han)(han)縫呈銀白色，其氣體(ti)保(bao)護(hu)效果(guo)甚至好于TIG填(tian)絲焊(han)(han)縫。
采用方式1和方式2增加后保(bao)護的(de)激光-CMT復合焊(han)與(yu)TIG填絲焊(han)焊(han)縫(feng)中C、N、H、O元(yuan)(yuan)素(su)的(de)含量的(de)比(bi)較如表3-56所示。從表中可知(zhi)，與(yu)方式1相(xiang)比(bi)，采用方式2增加后保(bao)護焊(han)縫(feng)中C、H元(yuan)(yuan)素(su)的(de)含量變化不大，而N、O元(yuan)(yuan)素(su)含量下降到原來的(de)1/4，并且(qie)與(yu)TIG填絲焊(han)中C、N、H、O元(yuan)(yuan)素(su)的(de)含量相(xiang)當(dang)，而N、O元(yuan)(yuan)素(su)的(de)主(zhu)要來源(yuan)就是空氣。
產生這種變(bian)化主要是因為：方(fang)式1后保(bao)護(hu)，噴嘴保(bao)護(hu)管(guan)徑細，保(bao)護(hu)范(fan)圍(wei)較小，熔池極易卷入空氣，表現(xian)為焊(han)縫(feng)表面發灰(hui)，N、O元(yuan)素含量(liang)偏高；方(fang)式2后保(bao)護(hu)時，管(guan)徑較粗，并且在焊(han)縫(feng)方(fang)向上(shang)并排排列著兩個(ge)后噴嘴，大大加強了保(bao)護(hu)范(fan)圍(wei)，表現(xian)為焊(han)縫(feng)呈銀白色，N、O元(yuan)素含量(liang)大幅(fu)下降。
由此可見，采用(yong)方式2增加后保(bao)護后，能夠(gou)更好地隔絕空氣與熔池的接觸，極大(da)地改善了焊縫(feng)的保(bao)護效果。
b. 氣體保護效果對焊接(jie)接(jie)頭沖擊性能(neng)的影響
將方(fang)(fang)式(shi)(shi)1和方(fang)(fang)式(shi)(shi)2增(zeng)加(jia)后(hou)保(bao)護的激光(guang)-CMT復合焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)中心進(jin)行沖(chong)(chong)擊(ji)性能測式(shi)(shi)結(jie)果(guo)與TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)的沖(chong)(chong)擊(ji)性能進(jin)行對比，見表3-57。可(ke)以看出，采用(yong)方(fang)(fang)式(shi)(shi)1焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)中心進(jin)行沖(chong)(chong)擊(ji)值(zhi)與TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)頭有(you)較大(da)差距；而方(fang)(fang)式(shi)(shi)2增(zeng)加(jia)氣體(ti)保(bao)護后(hou)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)中心沖(chong)(chong)擊(ji)值(zhi)基本上(shang)與TIG填(tian)(tian)絲焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭相當。
用(yong)SEM觀察沖(chong)擊(ji)斷(duan)口的微(wei)觀形貌：方式(shi)1焊縫(feng)沖(chong)擊(ji)斷(duan)口形貌，韌(ren)(ren)窩尺寸較(jiao)(jiao)小，數量(liang)較(jiao)(jiao)多，深(shen)(shen)度(du)較(jiao)(jiao)淺，起伏較(jiao)(jiao)小；方式(shi)2和TIG填絲焊的焊縫(feng)沖(chong)擊(ji)斷(duan)口形貌，韌(ren)(ren)窩尺寸較(jiao)(jiao)大，數量(liang)相(xiang)對較(jiao)(jiao)少，深(shen)(shen)度(du)較(jiao)(jiao)深(shen)(shen)，起伏較(jiao)(jiao)大。
在(zai)方式1的(de)焊縫沖擊(ji)斷口上有很(hen)多尺寸較大的(de)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)，用EDS能譜分析(xi)看到，夾(jia)雜(za)(za)物(wu)中(zhong)O、Si、Mn元素含量(liang)較高，為(wei)氧化物(wu)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)。這種夾(jia)雜(za)(za)物(wu)對焊縫的(de)沖擊(ji)性能有很(hen)大的(de)影響，而其他斷口中(zhong)未(wei)發現有夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)存在(zai)。
方式(shi)2在焊(han)(han)縫中未發(fa)現氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物夾雜，因此(ci)焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)的(de)(de)(de)沖(chong)擊性能(neng)較高(gao)。可以認為，氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物夾雜是影響焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)沖(chong)擊性能(neng)主(zhu)要因素，當氣體(ti)后保護(hu)效(xiao)果良好時，焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)的(de)(de)(de)沖(chong)擊韌(ren)性較高(gao)，激(ji)光-CMT復合焊(han)(han)基本達到TIG填絲焊(han)(han)的(de)(de)(de)水平(ping)。該項(xiang)焊(han)(han)接(jie)接(jie)技(ji)術若取(qu)代TIG填絲焊(han)(han)應用于焊(han)(han)接(jie)生產，將是焊(han)(han)接(jie)技(ji)術的(de)(de)(de)一次重大變革。
