復合焊(han)接(jie)是高能焊(han)與(yu)TIG、MIG和MAG焊(han)各取所長，進行聯合焊(han)接(jie)，以高能焊(han)為基(ji)礎開發(fa)(fa)出(chu)來的(de)高科(ke)技(ji)焊(han)接(jie)方法。前景看好(hao)，已經從試驗階段(duan)逐步過渡到用于生產，受到人們的(de)重視和關(guan)注，為高質量高效(xiao)率焊(han)接(jie)技(ji)術創造了一(yi)個發(fa)(fa)展空(kong)間。
一(yi)、CMT弧(hu)焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金屬過(guo)渡(du)”）弧(hu)(hu)焊(han)技術(shu)是(shi)Fronius 公(gong)司(si)在研究(jiu)無飛濺(jian)過(guo)渡(du)技術(shu)、鋁與鋼(gang)異(yi)種金屬焊(han)接、及薄板焊(han)接的(de)基礎上逐(zhu)漸發展和成(cheng)熟起(qi)來的(de)一門新的(de)弧(hu)(hu)焊(han)技術(shu)。該項(xiang)技術(shu)與美國LINCOLN公(gong)司(si)的(de)表(biao)面張力過(guo)渡(du)技術(shu)（Surface TensionTransfer，簡(jian)稱STT）以及日(ri)本OTC公(gong)司(si)的(de)控制(zhi)液橋(qiao)過(guo)渡(du)技術(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡(jian)稱CBT）均(jun)屬于數(shu)字化(hua)精確控制(zhi)短(duan)路過(guo)渡(du)電弧(hu)(hu)技術(shu)。
CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)技(ji)術的最(zui)大技(ji)術優勢在(zai)于其焊(han)(han)(han)接(jie)過程(cheng)飛濺少、焊(han)(han)(han)接(jie)變形小、焊(han)(han)(han)縫冶金質量高（與(yu)常(chang)規熔化(hua)極(ji)(ji)氣體保(bao)護(hu)焊(han)(han)(han)相比）。但是，由于CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)過程(cheng)中熔池的溫度相對較(jiao)低，因此在(zai)焊(han)(han)(han)接(jie)中、厚(hou)板(ban)時，液態焊(han)(han)(han)縫金屬(shu)在(zai)母材(cai)表(biao)面的潤(run)濕性相對較(jiao)差，得到焊(han)(han)(han)縫的余高相對較(jiao)大，特別是在(zai)采用(yong)(yong)多層(ceng)多道焊(han)(han)(han)時，易出(chu)現未熔合、夾渣等缺陷。此外，CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)在(zai)直流(liu)反接(jie)焊(han)(han)(han)時，在(zai)純氬氣保(bao)護(hu)氣體下，由于保(bao)護(hu)氣體中無氧化(hua)性氣體，且熔池中缺少氧化(hua)物的存在(zai)，電(dian)弧(hu)的陰極(ji)(ji)斑點難以固定(ding)(ding)，隨焊(han)(han)(han)接(jie)過程(cheng)的進行而(er)不(bu)停漂移，表(biao)現為電(dian)弧(hu)飄動，挺度不(bu)足，導致焊(han)(han)(han)接(jie)過程(cheng)不(bu)穩定(ding)(ding)，這是CMT弧(hu)焊(han)(han)(han)技(ji)術不(bu)足。所以核(he)電(dian)設備、航(hang)空航(hang)天對冶金性能要求極(ji)(ji)高的產品，在(zai)制造中無法(fa)應用(yong)(yong)。
二、CMT弧焊與激光-CMT電弧復合(he)熱源焊接時電弧形貌上(shang)的比較(jiao)
CMT過(guo)(guo)(guo)(guo)渡(du)技(ji)術實(shi)際(ji)上是(shi)一種通過(guo)(guo)(guo)(guo)送絲協調及波(bo)形(xing)控制而實(shi)現“冷”與“熱”交替的(de)短路過(guo)(guo)(guo)(guo)渡(du)弧(hu)(hu)焊技(ji)術。CMT過(guo)(guo)(guo)(guo)渡(du)中的(de)“熱”過(guo)(guo)(guo)(guo)程實(shi)際(ji)上是(shi)大電流(liu)電弧(hu)(hu)燃燒(shao)而形(xing)成熔滴的(de)過(guo)(guo)(guo)(guo)程，而“冷”過(guo)(guo)(guo)(guo)程實(shi)際(ji)上是(shi)小電流(liu)電弧(hu)(hu)維持燃燒(shao)待熔滴過(guo)(guo)(guo)(guo)渡(du)的(de)過(guo)(guo)(guo)(guo)程。從(cong)圖(tu)3-68和圖(tu)3-69分別為其(qi)他焊接(jie)條件相(xiang)同情況下的(de)單(dan)獨CMT的(de)電弧(hu)(hu)形(xing)貌(mao)及激光與CMT復合后(hou)的(de)電弧(hu)(hu)形(xing)貌(mao)。
從(cong)兩幅圖(tu)中(zhong)可(ke)以看出，激光加入前后CMT電(dian)弧(hu)(hu)形(xing)貌發生了(le)可(ke)喜(xi)的(de)變(bian)化：在純氬保護氣(qi)體保護下，激光與(yu)CMT電(dian)弧(hu)(hu)復合(he)后，激光對CMT電(dian)弧(hu)(hu)（特別是大電(dian)流(liu)燃弧(hu)(hu)階段的(de)電(dian)弧(hu)(hu)）產生了(le)吸(xi)引作用(yong)，增加了(le)電(dian)弧(hu)(hu)的(de)挺度，使得(de)原本(ben)不穩(wen)定的(de)焊接過程得(de)到穩(wen)定。還有(you)焊縫正面(mian)成(cheng)形(xing)美觀，可(ke)實現單面(mian)焊雙面(mian)成(cheng)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(bu)銹鋼TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)和激(ji)光(guang)(guang)-CMT 復(fu)(fu)合(he)熱源焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接接頭(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)金(jin)相組(zu)織(zhi)進行比較：這(zhe)兩種焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接方法的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接接頭(tou)(tou)，它們的(de)(de)(de)(de)(de)金(jin)相組(zu)織(zhi)基本相同，焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)金(jin)屬及焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接熱響(xiang)區的(de)(de)(de)(de)(de)奧氏體(ti)組(zu)織(zhi)均為奧氏體(ti)＋少量8-鐵素體(ti)組(zu)織(zhi)，且焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接熱影響(xiang)區的(de)(de)(de)(de)(de)奧氏體(ti)組(zu)織(zhi)發生(sheng)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)粗(cu)化。但(dan)是，仔(zi)細(xi)對比兩種焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接接頭(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)組(zu)織(zhi)觀察則發現，焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)略有(you)差異：TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)略粗(cu)大(da)；激(ji)光(guang)(guang)-CMT 復(fu)(fu)合(he)熱源焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)略細(xi)小。可以(yi)認為，激(ji)光(guang)(guang)-CMT復(fu)(fu)合(he)熱源的(de)(de)(de)(de)(de)有(you)效熱輸入(ru)要(yao)比TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)實際(ji)有(you)效熱輸入(ru)小，從表3-55焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接參數中(zhong)可知，其焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接熱輸入(ru)僅為TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)的(de)(de)(de)(de)(de)48％左右，這(zhe)是導致TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒(li)略粗(cu)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)原因(yin)。
從技(ji)術(shu)的(de)先(xian)進性來說，對于(yu)304不銹鋼(gang)而言，純氬(ya)保護的(de)激光-CMT焊(han)(han)接，其焊(han)(han)接接頭的(de)力(li)學(xue)性能(neng)不低于(yu)TIG焊(han)(han)，而焊(han)(han)接效率則是(shi)TIG填絲焊(han)(han)的(de)5倍(bei)。該(gai)項焊(han)(han)接接技(ji)術(shu)若取代(dai)TIG填絲焊(han)(han)應用于(yu)焊(han)(han)接生(sheng)產，將是(shi)焊(han)(han)接技(ji)術(shu)的(de)一次重(zhong)大變(bian)革(ge)。
三、針對性試驗
目前(qian)國內外對于從事與核電厚壁部件的焊(han)(han)(han)接(jie)主要采用的上TIG 填充焊(han)(han)(han)（熱絲或冷絲）焊(han)(han)(han)接(jie)方法。盡管這(zhe)種焊(han)(han)(han)接(jie)方法的焊(han)(han)(han)接(jie)質量相對比較(jiao)穩(wen)定(ding)，但也(ye)存(cun)在以下(xia)問題：焊(han)(han)(han)接(jie)效(xiao)率(lv)低及焊(han)(han)(han)接(jie)熱輸入大(da)，導(dao)致焊(han)(han)(han)接(jie)變(bian)形也(ye)較(jiao)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(ji)光-CMT電弧復(fu)合熱源焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)方法焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)8mm厚奧氏(shi)體型不(bu)(bu)銹鋼的試驗結(jie)(jie)果表明：焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)(tou)的綜合力學性(xing)能(neng)與304不(bu)(bu)銹鋼TIG填(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)(tou)的綜合力學性(xing)能(neng)相當，而焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)效率是TIG填(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)的3～5倍(bei)。要取(qu)得這(zhe)個結(jie)(jie)果，必(bi)須(xu)在復(fu)合焊(han)(han)(han)(han)縫金屬中嚴格控(kong)制C、N、0等微量元素的含量，否則(ze)將對(dui)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)(tou)力學性(xing)能(neng)中的沖(chong)擊性(xing)能(neng)極為不(bu)(bu)利，無(wu)法達到TIG填(tian)絲焊(han)(han)(han)(han)的水平。
經分析，激光(guang)-CMT復合熱源焊(han)接時，如果后保護范圍小，則在較高速(su)度焊(han)接時易卷入空氣，從而(er)使得焊(han)縫(feng)金屬中(zhong)的C、N、O等雜(za)質元(yuan)素含(han)量偏高。因此(ci)，焊(han)接后的保護措施至(zhi)關重(zhong)要。
為(wei)此，用激光-CMT復合熱源焊(han)接方(fang)法，在純氬(ya)氣(qi)保(bao)護(hu)(hu)及較高速度焊(han)接情況下，采(cai)取(qu)不同的后保(bao)護(hu)(hu)方(fang)法進行試驗，將試驗結果與(yu)TIG填充(chong)絲焊(han)進行對比(bi)。
1. 試驗材料和方(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(bei)
試驗(yan)用(yong)(yong)激(ji)(ji)光(guang)器為(wei)德國通(tong)快公司(si)生(sheng)產的TruDisk6002 型(xing)激(ji)(ji)光(guang)器，最大激(ji)(ji)光(guang)功率6kW，試驗(yan)中采用(yong)(yong)焦距為(wei)475mm的激(ji)(ji)光(guang)輸出透(tou)鏡；電弧(hu)焊(han)機(ji)為(wei)奧地利(li)Fronius公司(si)生(sheng)產的TPS4000型(xing)數(shu)字化CMT焊(han)機(ji)；TIG填絲焊(han)所用(yong)(yong)焊(han)機(ji)為(wei)PANA-TIG SP300鎢極氬弧(hu)焊(han)機(ji)。
3. 試驗方(fang)法(fa)
在純(chun)氬氣保(bao)護(hu)下采用兩(liang)種不同(tong)的后(hou)保(bao)護(hu)措施，以U形(xing)(xing)坡口對接的方(fang)式進行焊接，坡口形(xing)(xing)式如圖(tu)3-70所(suo)示(shi)，后(hou)保(bao)護(hu)措施如圖(tu)3-71所(suo)示(shi)。其中，方(fang)式一為(wei)單一細(xi)噴嘴保(bao)護(hu)，方(fang)式二為(wei)雙管后(hou)保(bao)護(hu)。
4. 試(shi)驗結果與分析
a. 氣體保(bao)護(hu)效果對焊縫成形及微(wei)量元素含量的影響
采(cai)用方式(shi)1后氣(qi)(qi)體保護時，焊縫發灰；而采(cai)用方式(shi)2后氣(qi)(qi)體保護時，焊縫呈銀白色，其(qi)氣(qi)(qi)體保護效果甚至(zhi)好于TIG填絲焊縫。
采(cai)用(yong)方(fang)(fang)式(shi)1和方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)加后保護的(de)(de)激光-CMT復(fu)合焊與(yu)TIG填絲焊焊縫中(zhong)C、N、H、O元素的(de)(de)含量(liang)(liang)的(de)(de)比(bi)較如表3-56所示。從表中(zhong)可知，與(yu)方(fang)(fang)式(shi)1相(xiang)比(bi)，采(cai)用(yong)方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)加后保護焊縫中(zhong)C、H元素的(de)(de)含量(liang)(liang)變化不大，而(er)N、O元素含量(liang)(liang)下降到原來的(de)(de)1/4，并且與(yu)TIG填絲焊中(zhong)C、N、H、O元素的(de)(de)含量(liang)(liang)相(xiang)當，而(er)N、O元素的(de)(de)主要來源就是空氣(qi)。
產生這種變化主要是因為(wei)：方(fang)(fang)式1后(hou)保(bao)護，噴嘴保(bao)護管(guan)(guan)徑細，保(bao)護范(fan)圍較(jiao)小，熔池極易卷入空氣，表(biao)現為(wei)焊(han)縫表(biao)面發灰，N、O元(yuan)素(su)含量(liang)(liang)偏高；方(fang)(fang)式2后(hou)保(bao)護時，管(guan)(guan)徑較(jiao)粗(cu)，并且在焊(han)縫方(fang)(fang)向上并排排列著兩個后(hou)噴嘴，大(da)大(da)加強(qiang)了(le)保(bao)護范(fan)圍，表(biao)現為(wei)焊(han)縫呈(cheng)銀白色，N、O元(yuan)素(su)含量(liang)(liang)大(da)幅下降。
由此可見，采用(yong)方式2增加后保(bao)護后，能夠(gou)更好(hao)地隔絕空(kong)氣與熔池的(de)接觸(chu)，極大地改善了(le)焊縫的(de)保(bao)護效果。
b. 氣(qi)體保護效(xiao)果對(dui)焊接(jie)接(jie)頭沖擊性能的影響
將方(fang)(fang)式1和(he)方(fang)(fang)式2增加(jia)后保護的激光-CMT復合焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)中(zhong)(zhong)心進(jin)(jin)行(xing)沖擊(ji)性(xing)能(neng)測式結果與(yu)TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)的沖擊(ji)性(xing)能(neng)進(jin)(jin)行(xing)對比，見表3-57。可以看(kan)出，采用方(fang)(fang)式1焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)中(zhong)(zhong)心進(jin)(jin)行(xing)沖擊(ji)值與(yu)TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)接(jie)頭有(you)較大(da)差距；而方(fang)(fang)式2增加(jia)氣體保護后焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)中(zhong)(zhong)心沖擊(ji)值基本上與(yu)TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭相當。
用SEM觀察(cha)沖擊斷口(kou)的微觀形(xing)貌：方式(shi)1焊(han)縫沖擊斷口(kou)形(xing)貌，韌窩尺寸(cun)較(jiao)小，數量較(jiao)多，深度(du)較(jiao)淺，起伏較(jiao)小；方式(shi)2和TIG填(tian)絲焊(han)的焊(han)縫沖擊斷口(kou)形(xing)貌，韌窩尺寸(cun)較(jiao)大(da)，數量相對較(jiao)少，深度(du)較(jiao)深，起伏較(jiao)大(da)。
在方式1的(de)焊縫沖(chong)擊斷(duan)口上(shang)有很多尺(chi)寸較(jiao)大的(de)夾(jia)雜物(wu)，用(yong)EDS能譜分(fen)析看到，夾(jia)雜物(wu)中O、Si、Mn元素含量較(jiao)高(gao)，為氧(yang)化物(wu)夾(jia)雜物(wu)。這種(zhong)夾(jia)雜物(wu)對焊縫的(de)沖(chong)擊性能有很大的(de)影響，而其他斷(duan)口中未(wei)發現有夾(jia)雜物(wu)的(de)存在。
方式2在焊(han)(han)(han)縫中未發(fa)現氧(yang)化物夾(jia)雜(za)(za)，因此焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)(tou)的沖擊(ji)(ji)性能較(jiao)高。可(ke)以認為，氧(yang)化物夾(jia)雜(za)(za)是影響焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)(tou)沖擊(ji)(ji)性能主要因素，當氣(qi)體后保(bao)護效果(guo)良好(hao)時，焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)(tou)的沖擊(ji)(ji)韌性較(jiao)高，激(ji)光-CMT復合焊(han)(han)(han)基本達到TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)的水平。該項焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)技術若取代TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)應用于焊(han)(han)(han)接(jie)生產，將(jiang)是焊(han)(han)(han)接(jie)技術的一次重(zhong)大(da)變革。
