復合焊(han)接(jie)是高(gao)能焊(han)與TIG、MIG和(he)MAG焊(han)各(ge)取所長，進行(xing)聯合焊(han)接(jie)，以高(gao)能焊(han)為基(ji)礎開發出來的高(gao)科(ke)技焊(han)接(jie)方法。前(qian)景看好(hao)，已經從試(shi)驗階段逐步過(guo)渡到用于生產，受(shou)到人們的重視和(he)關注，為高(gao)質量高(gao)效率焊(han)接(jie)技術創(chuang)造(zao)了一個發展空間(jian)。
一(yi)、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金屬過(guo)(guo)渡”）弧(hu)(hu)焊(han)技術是Fronius 公(gong)司在研究無飛濺過(guo)(guo)渡技術、鋁(lv)與鋼(gang)異種(zhong)金屬焊(han)接、及薄板焊(han)接的基礎(chu)上(shang)逐漸發展和成熟(shu)起來的一門新的弧(hu)(hu)焊(han)技術。該(gai)項技術與美國LINCOLN公(gong)司的表面張力過(guo)(guo)渡技術（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以及日本OTC公(gong)司的控制液(ye)橋過(guo)(guo)渡技術（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均屬于數字化精確控制短路過(guo)(guo)渡電弧(hu)(hu)技術。
CMT弧(hu)焊(han)技術的(de)最(zui)大技術優勢(shi)在(zai)于其(qi)焊(han)接(jie)(jie)過程飛濺少、焊(han)接(jie)(jie)變(bian)形小、焊(han)縫(feng)(feng)冶金質(zhi)量高(gao)(gao)（與常規熔(rong)化極氣(qi)體保護(hu)(hu)焊(han)相比(bi)）。但(dan)是(shi)，由(you)于CMT弧(hu)焊(han)過程中熔(rong)池的(de)溫度(du)(du)相對(dui)較(jiao)低(di)，因此在(zai)焊(han)接(jie)(jie)中、厚板時，液態(tai)焊(han)縫(feng)(feng)金屬在(zai)母材表面(mian)的(de)潤濕性(xing)相對(dui)較(jiao)差，得到焊(han)縫(feng)(feng)的(de)余(yu)高(gao)(gao)相對(dui)較(jiao)大，特別是(shi)在(zai)采用多層(ceng)多道焊(han)時，易出現未熔(rong)合(he)、夾(jia)渣等缺陷(xian)。此外，CMT弧(hu)焊(han)在(zai)直流反接(jie)(jie)焊(han)時，在(zai)純氬(ya)氣(qi)保護(hu)(hu)氣(qi)體下(xia)，由(you)于保護(hu)(hu)氣(qi)體中無氧(yang)化性(xing)氣(qi)體，且熔(rong)池中缺少氧(yang)化物(wu)的(de)存在(zai)，電(dian)弧(hu)的(de)陰極斑(ban)點難以固定，隨焊(han)接(jie)(jie)過程的(de)進(jin)行而(er)不(bu)(bu)(bu)停漂(piao)移，表現為電(dian)弧(hu)飄動，挺度(du)(du)不(bu)(bu)(bu)足，導致焊(han)接(jie)(jie)過程不(bu)(bu)(bu)穩定，這是(shi)CMT弧(hu)焊(han)技術不(bu)(bu)(bu)足。所以核電(dian)設備(bei)、航空航天對(dui)冶金性(xing)能要求極高(gao)(gao)的(de)產(chan)品，在(zai)制造中無法應用。
二、CMT弧焊與激光(guang)-CMT電弧復合熱源焊接(jie)時電弧形貌上的比較
CMT過(guo)(guo)渡(du)技(ji)術實際上是(shi)一種通過(guo)(guo)送絲協調及(ji)波(bo)形控(kong)制而(er)實現“冷(leng)”與“熱(re)”交替的(de)(de)短路過(guo)(guo)渡(du)弧(hu)焊技(ji)術。CMT過(guo)(guo)渡(du)中(zhong)的(de)(de)“熱(re)”過(guo)(guo)程實際上是(shi)大(da)電(dian)流電(dian)弧(hu)燃燒而(er)形成熔滴的(de)(de)過(guo)(guo)程，而(er)“冷(leng)”過(guo)(guo)程實際上是(shi)小電(dian)流電(dian)弧(hu)維持(chi)燃燒待熔滴過(guo)(guo)渡(du)的(de)(de)過(guo)(guo)程。從圖3-68和圖3-69分別為(wei)其他焊接(jie)條件(jian)相同(tong)情況(kuang)下的(de)(de)單獨(du)CMT的(de)(de)電(dian)弧(hu)形貌及(ji)激(ji)光與CMT復合(he)后(hou)的(de)(de)電(dian)弧(hu)形貌。
從兩幅圖中可以看出，激光加(jia)(jia)入前(qian)后CMT電(dian)(dian)弧(hu)(hu)形貌(mao)發生(sheng)了可喜的(de)變化：在純(chun)氬保護氣體保護下，激光與CMT電(dian)(dian)弧(hu)(hu)復(fu)合后，激光對CMT電(dian)(dian)弧(hu)(hu)（特(te)別是大(da)電(dian)(dian)流燃(ran)弧(hu)(hu)階段的(de)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)）產生(sheng)了吸引作用，增加(jia)(jia)了電(dian)(dian)弧(hu)(hu)的(de)挺度，使得(de)(de)原本不穩(wen)(wen)定的(de)焊(han)接(jie)過程得(de)(de)到穩(wen)(wen)定。還有焊(han)縫正面成形美觀，可實現單面焊(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填絲焊(han)(han)(han)(han)(han)和(he)激光(guang)-CMT 復(fu)合(he)熱(re)(re)(re)(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)(de)(de)金相組(zu)織進行比(bi)較：這兩種焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方法的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭，它們的(de)(de)(de)(de)金相組(zu)織基本相同，焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)金屬(shu)及焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)(re)響區(qu)的(de)(de)(de)(de)奧氏體(ti)(ti)組(zu)織均(jun)為(wei)奧氏體(ti)(ti)＋少量8-鐵素體(ti)(ti)組(zu)織，且焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)(re)影響區(qu)的(de)(de)(de)(de)奧氏體(ti)(ti)組(zu)織發生明顯的(de)(de)(de)(de)粗(cu)化。但是(shi)(shi)，仔細(xi)對比(bi)兩種焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)組(zu)織觀察則(ze)發現，焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒略有(you)(you)差(cha)異：TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒略粗(cu)大；激光(guang)-CMT 復(fu)合(he)熱(re)(re)(re)(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒略細(xi)小。可以(yi)認為(wei)，激光(guang)-CMT復(fu)合(he)熱(re)(re)(re)(re)源的(de)(de)(de)(de)有(you)(you)效熱(re)(re)(re)(re)輸入要比(bi)TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)(han)過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)實際有(you)(you)效熱(re)(re)(re)(re)輸入小，從表3-55焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)參(can)數中可知，其焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)(re)輸入僅為(wei)TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)(han)的(de)(de)(de)(de)48％左右，這是(shi)(shi)導致TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒略粗(cu)大的(de)(de)(de)(de)原(yuan)因。
從技術的先進性(xing)來(lai)說，對(dui)于304不銹鋼而言，純氬(ya)保護(hu)的激光(guang)-CMT焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)，其焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭的力學性(xing)能不低于TIG焊(han)(han)，而焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)效率則(ze)是(shi)TIG填絲焊(han)(han)的5倍。該項焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)技術若取代TIG填絲焊(han)(han)應用于焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)生產，將是(shi)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)技術的一次重大(da)變革。
三(san)、針對(dui)性試驗
目前(qian)國內外對于(yu)從(cong)事與核電厚壁部件的焊(han)接(jie)(jie)(jie)主要采(cai)用的上TIG 填充焊(han)（熱絲或(huo)冷(leng)絲）焊(han)接(jie)(jie)(jie)方(fang)法。盡管這種焊(han)接(jie)(jie)(jie)方(fang)法的焊(han)接(jie)(jie)(jie)質量相對比較穩定(ding)，但也(ye)存在(zai)以下(xia)問題：焊(han)接(jie)(jie)(jie)效率低及焊(han)接(jie)(jie)(jie)熱輸入大(da)，導(dao)致焊(han)接(jie)(jie)(jie)變形(xing)也(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。
采用激(ji)光-CMT電弧(hu)復合熱源焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)方法焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)8mm厚奧氏體(ti)型不銹(xiu)鋼(gang)(gang)的(de)(de)試(shi)驗結(jie)果(guo)表明：焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)綜(zong)合力(li)學(xue)性(xing)能(neng)(neng)與(yu)304不銹(xiu)鋼(gang)(gang)TIG填絲(si)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)綜(zong)合力(li)學(xue)性(xing)能(neng)(neng)相當，而(er)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)效率是TIG填絲(si)焊(han)的(de)(de)3～5倍。要取(qu)得(de)這個結(jie)果(guo)，必須在復合焊(han)縫金(jin)屬(shu)中嚴格(ge)控(kong)制C、N、0等微量元素的(de)(de)含量，否則將對焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)力(li)學(xue)性(xing)能(neng)(neng)中的(de)(de)沖擊性(xing)能(neng)(neng)極為不利(li)，無法達到(dao)TIG填絲(si)焊(han)的(de)(de)水平。
經(jing)分(fen)析，激光-CMT復(fu)合熱源焊(han)接時，如果(guo)后保(bao)護(hu)范圍(wei)小，則在較高(gao)速度(du)焊(han)接時易卷入空(kong)氣，從而(er)使得(de)焊(han)縫金屬(shu)中的(de)C、N、O等雜質元素含量偏高(gao)。因此，焊(han)接后的(de)保(bao)護(hu)措施至關(guan)重要。
為此，用激光(guang)-CMT復合熱源焊(han)接方法，在純氬氣保護及較高速度焊(han)接情況下，采(cai)取(qu)不同的后保護方法進(jin)行試(shi)驗(yan)，將(jiang)試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)與TIG填充絲焊(han)進(jin)行對比。
1. 試驗(yan)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. 試驗設備
試驗(yan)用激(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)為德國通快公司(si)生產(chan)的TruDisk6002 型激(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)，最大(da)激(ji)光(guang)(guang)(guang)功(gong)率6kW，試驗(yan)中采用焦距為475mm的激(ji)光(guang)(guang)(guang)輸(shu)出透鏡(jing)；電弧(hu)焊機為奧地利Fronius公司(si)生產(chan)的TPS4000型數字化(hua)CMT焊機；TIG填絲焊所用焊機為PANA-TIG SP300鎢極氬弧(hu)焊機。
3. 試驗(yan)方(fang)法(fa)
在(zai)純氬氣保護(hu)下采用(yong)兩種不同(tong)的后保護(hu)措施(shi)，以U形(xing)(xing)坡(po)口對(dui)接(jie)的方(fang)式(shi)進行(xing)焊(han)接(jie)，坡(po)口形(xing)(xing)式(shi)如圖3-70所示，后保護(hu)措施(shi)如圖3-71所示。其中，方(fang)式(shi)一(yi)為(wei)(wei)單一(yi)細噴嘴(zui)保護(hu)，方(fang)式(shi)二為(wei)(wei)雙管后保護(hu)。
4. 試驗(yan)結果與分析(xi)
a. 氣體保護效果對焊縫成形及(ji)微量元素(su)含量的(de)影響
采(cai)用方(fang)式1后氣(qi)體(ti)保(bao)護時，焊(han)縫發灰；而采(cai)用方(fang)式2后氣(qi)體(ti)保(bao)護時，焊(han)縫呈銀白色，其氣(qi)體(ti)保(bao)護效果甚(shen)至(zhi)好于TIG填絲(si)焊(han)縫。
采用方式1和方式2增加后保護(hu)的(de)(de)(de)激光-CMT復(fu)合(he)焊(han)與TIG填(tian)絲(si)焊(han)焊(han)縫中C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)含量(liang)(liang)的(de)(de)(de)比較如表3-56所示。從(cong)表中可知，與方式1相比，采用方式2增加后保護(hu)焊(han)縫中C、H元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)含量(liang)(liang)變(bian)化不大，而N、O元(yuan)素(su)(su)含量(liang)(liang)下降到原來的(de)(de)(de)1/4，并且與TIG填(tian)絲(si)焊(han)中C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)含量(liang)(liang)相當，而N、O元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)主要來源(yuan)就是空氣。
產生這種變(bian)化主要是因為：方(fang)式1后(hou)保護(hu)，噴嘴保護(hu)管徑(jing)細，保護(hu)范圍(wei)較小，熔池(chi)極(ji)易卷入空氣，表(biao)現為焊(han)縫表(biao)面發灰，N、O元(yuan)素(su)含量(liang)偏高；方(fang)式2后(hou)保護(hu)時(shi)，管徑(jing)較粗，并且在焊(han)縫方(fang)向上并排排列(lie)著兩個后(hou)噴嘴，大大加強了保護(hu)范圍(wei)，表(biao)現為焊(han)縫呈銀(yin)白色，N、O元(yuan)素(su)含量(liang)大幅下降。
由此(ci)可見，采用方式2增加后保護后，能夠更(geng)好地(di)(di)隔絕空氣與熔池(chi)的接(jie)觸(chu)，極(ji)大地(di)(di)改善了焊縫的保護效果。
b. 氣體保護效果對焊接(jie)接(jie)頭沖(chong)擊(ji)性能的影響
將方式(shi)1和方式(shi)2增(zeng)加后(hou)保(bao)護的激光-CMT復合焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)縫(feng)中(zhong)心(xin)進(jin)(jin)行(xing)(xing)沖擊性能測式(shi)結果與TIG填(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)的沖擊性能進(jin)(jin)行(xing)(xing)對比(bi)，見表3-57。可以看出，采用方式(shi)1焊(han)(han)(han)縫(feng)中(zhong)心(xin)進(jin)(jin)行(xing)(xing)沖擊值(zhi)與TIG填(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)接(jie)頭有(you)較大差距；而方式(shi)2增(zeng)加氣(qi)體(ti)保(bao)護后(hou)焊(han)(han)(han)縫(feng)中(zhong)心(xin)沖擊值(zhi)基本(ben)上與TIG填(tian)(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭相當。
用SEM觀(guan)察沖(chong)擊(ji)斷口的微(wei)觀(guan)形貌：方(fang)(fang)式1焊縫沖(chong)擊(ji)斷口形貌，韌窩尺寸(cun)較小(xiao)，數量較多，深度(du)較淺，起伏較小(xiao)；方(fang)(fang)式2和TIG填(tian)絲焊的焊縫沖(chong)擊(ji)斷口形貌，韌窩尺寸(cun)較大，數量相對(dui)較少，深度(du)較深，起伏較大。
在方(fang)式1的(de)焊縫沖擊(ji)斷口上(shang)有(you)(you)很多尺寸(cun)較(jiao)大的(de)夾(jia)雜(za)物，用EDS能(neng)譜分析(xi)看到，夾(jia)雜(za)物中O、Si、Mn元素含量較(jiao)高，為氧化(hua)物夾(jia)雜(za)物。這(zhe)種夾(jia)雜(za)物對焊縫的(de)沖擊(ji)性能(neng)有(you)(you)很大的(de)影響，而(er)其他斷口中未發現有(you)(you)夾(jia)雜(za)物的(de)存在。
方式2在焊(han)(han)(han)縫中未發現氧化物夾雜，因(yin)此焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)沖擊性(xing)能較高(gao)。可以認為，氧化物夾雜是影(ying)響焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)沖擊性(xing)能主要因(yin)素，當氣體后保護效果良好時，焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)沖擊韌性(xing)較高(gao)，激(ji)光-CMT復(fu)合焊(han)(han)(han)基本達到TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)(de)水平。該項(xiang)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術若取代TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)應用于(yu)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)生產，將(jiang)是焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)技術的(de)(de)一次重(zhong)大變革。
