復合焊接(jie)(jie)是高(gao)(gao)能(neng)(neng)焊與TIG、MIG和(he)MAG焊各取所長，進(jin)行(xing)聯(lian)合焊接(jie)(jie)，以高(gao)(gao)能(neng)(neng)焊為基(ji)礎開發出來的高(gao)(gao)科技焊接(jie)(jie)方法。前景看好，已經從試驗階(jie)段逐(zhu)步過渡到用于生產(chan)，受(shou)到人們的重視(shi)和(he)關注(zhu)，為高(gao)(gao)質(zhi)量高(gao)(gao)效率焊接(jie)(jie)技術創造(zao)了一(yi)個(ge)發展(zhan)空間。
一、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金(jin)屬(shu)過渡”）弧焊(han)技(ji)(ji)術是(shi)Fronius 公司在(zai)研究無(wu)飛濺過渡技(ji)(ji)術、鋁與鋼(gang)異種金(jin)屬(shu)焊(han)接、及薄板焊(han)接的(de)基礎(chu)上逐漸(jian)發展和成熟起來(lai)的(de)一(yi)門新的(de)弧焊(han)技(ji)(ji)術。該項技(ji)(ji)術與美國LINCOLN公司的(de)表(biao)面(mian)張力(li)過渡技(ji)(ji)術（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以及日本OTC公司的(de)控(kong)制液橋過渡技(ji)(ji)術（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均屬(shu)于數(shu)字化精確控(kong)制短路(lu)過渡電弧技(ji)(ji)術。
CMT弧焊(han)(han)(han)(han)技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)最大(da)技(ji)(ji)術(shu)(shu)優勢在于(yu)其焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程飛濺少、焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)變形小(xiao)、焊(han)(han)(han)(han)縫冶金(jin)質量高（與(yu)常規熔化極氣(qi)(qi)體(ti)(ti)保(bao)護焊(han)(han)(han)(han)相(xiang)(xiang)比）。但是(shi)(shi)，由于(yu)CMT弧焊(han)(han)(han)(han)過(guo)程中熔池的(de)(de)(de)溫度相(xiang)(xiang)對(dui)較(jiao)低，因此在焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)中、厚板時(shi)(shi)，液(ye)態焊(han)(han)(han)(han)縫金(jin)屬在母材表面的(de)(de)(de)潤濕性(xing)(xing)相(xiang)(xiang)對(dui)較(jiao)差，得(de)到焊(han)(han)(han)(han)縫的(de)(de)(de)余(yu)高相(xiang)(xiang)對(dui)較(jiao)大(da)，特(te)別是(shi)(shi)在采用(yong)多層多道焊(han)(han)(han)(han)時(shi)(shi)，易出現未熔合、夾渣(zha)等缺(que)(que)陷。此外(wai)，CMT弧焊(han)(han)(han)(han)在直流(liu)反接(jie)(jie)焊(han)(han)(han)(han)時(shi)(shi)，在純氬氣(qi)(qi)保(bao)護氣(qi)(qi)體(ti)(ti)下，由于(yu)保(bao)護氣(qi)(qi)體(ti)(ti)中無氧化性(xing)(xing)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)，且熔池中缺(que)(que)少氧化物的(de)(de)(de)存在，電(dian)(dian)弧的(de)(de)(de)陰極斑點難以固(gu)定，隨焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程的(de)(de)(de)進行而不停漂移，表現為電(dian)(dian)弧飄動，挺度不足，導致(zhi)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)程不穩定，這(zhe)是(shi)(shi)CMT弧焊(han)(han)(han)(han)技(ji)(ji)術(shu)(shu)不足。所以核電(dian)(dian)設備、航空航天對(dui)冶金(jin)性(xing)(xing)能要求極高的(de)(de)(de)產品，在制造中無法應用(yong)。
二、CMT弧焊與激光-CMT電(dian)(dian)弧復合熱(re)源焊接時(shi)電(dian)(dian)弧形(xing)貌上的比較
CMT過(guo)(guo)(guo)渡(du)技術實(shi)際上是(shi)一種通過(guo)(guo)(guo)送(song)絲協(xie)調及波(bo)形控(kong)制而(er)實(shi)現(xian)“冷(leng)”與“熱”交替的(de)(de)(de)短路過(guo)(guo)(guo)渡(du)弧焊技術。CMT過(guo)(guo)(guo)渡(du)中的(de)(de)(de)“熱”過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)實(shi)際上是(shi)大電流電弧燃(ran)燒而(er)形成熔滴的(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)，而(er)“冷(leng)”過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)實(shi)際上是(shi)小電流電弧維持(chi)燃(ran)燒待(dai)熔滴過(guo)(guo)(guo)渡(du)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)(cheng)。從圖3-68和(he)圖3-69分別為(wei)其他焊接條(tiao)件相同情(qing)況(kuang)下的(de)(de)(de)單獨CMT的(de)(de)(de)電弧形貌及激光(guang)與CMT復合后的(de)(de)(de)電弧形貌。
從兩(liang)幅圖(tu)中(zhong)可(ke)以看(kan)出，激光(guang)(guang)加入前(qian)后CMT電(dian)(dian)弧(hu)(hu)形(xing)(xing)貌發生(sheng)了(le)可(ke)喜的(de)變(bian)化：在純(chun)氬保(bao)護氣體保(bao)護下，激光(guang)(guang)與CMT電(dian)(dian)弧(hu)(hu)復合后，激光(guang)(guang)對CMT電(dian)(dian)弧(hu)(hu)（特別是大電(dian)(dian)流燃弧(hu)(hu)階段的(de)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)）產生(sheng)了(le)吸(xi)引(yin)作用，增加了(le)電(dian)(dian)弧(hu)(hu)的(de)挺度，使得原本不(bu)穩定(ding)的(de)焊(han)接過程得到穩定(ding)。還(huan)有焊(han)縫正(zheng)面(mian)成(cheng)形(xing)(xing)美觀(guan)，可(ke)實現單面(mian)焊(han)雙(shuang)面(mian)成(cheng)形(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不銹鋼的焊接。
304不(bu)銹(xiu)鋼TIG填(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)和(he)激光(guang)-CMT 復合(he)(he)(he)熱(re)源(yuan)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭的(de)金相組(zu)織(zhi)(zhi)進行比(bi)較(jiao)：這兩(liang)種(zhong)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)方(fang)法的(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭，它們的(de)金相組(zu)織(zhi)(zhi)基本相同，焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)金屬(shu)及焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)響區的(de)奧氏體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)均為奧氏體(ti)＋少(shao)量8-鐵素(su)體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)，且焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)影響區的(de)奧氏體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)發(fa)生(sheng)明(ming)顯的(de)粗(cu)化(hua)。但(dan)是(shi)，仔細(xi)對比(bi)兩(liang)種(zhong)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭的(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)組(zu)織(zhi)(zhi)觀察(cha)則(ze)發(fa)現，焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)柱(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)有差異：TIG填(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)柱(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)粗(cu)大(da)；激光(guang)-CMT 復合(he)(he)(he)熱(re)源(yuan)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)柱(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)細(xi)小。可以認(ren)為，激光(guang)-CMT復合(he)(he)(he)熱(re)源(yuan)的(de)有效熱(re)輸(shu)入要比(bi)TIG填(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)過(guo)程中的(de)實際有效熱(re)輸(shu)入小，從表3-55焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)參數中可知(zhi)，其焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)輸(shu)入僅為TIG填(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)的(de)48％左右，這是(shi)導致TIG填(tian)絲(si)(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)柱(zhu)(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)粗(cu)大(da)的(de)原因。
從技術的(de)先進性來說，對于(yu)304不銹鋼而(er)言，純(chun)氬(ya)保護的(de)激光(guang)-CMT焊接(jie)(jie)，其(qi)焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)力學性能不低(di)于(yu)TIG焊，而(er)焊接(jie)(jie)效率(lv)則是TIG填絲(si)焊的(de)5倍。該(gai)項焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術若取代(dai)TIG填絲(si)焊應用于(yu)焊接(jie)(jie)生產，將(jiang)是焊接(jie)(jie)技術的(de)一次重大變革(ge)。
三、針對性試驗(yan)
目前國內外對于從事與核電厚壁部件的焊(han)接(jie)(jie)主要(yao)采用(yong)的上TIG 填充焊(han)（熱(re)絲(si)或冷絲(si)）焊(han)接(jie)(jie)方法。盡管這種焊(han)接(jie)(jie)方法的焊(han)接(jie)(jie)質量相對比較(jiao)穩(wen)定，但(dan)也存(cun)在以下問題：焊(han)接(jie)(jie)效率(lv)低(di)及焊(han)接(jie)(jie)熱(re)輸入大，導致焊(han)接(jie)(jie)變形也較(jiao)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-CMT電弧(hu)復(fu)合熱源焊(han)(han)(han)(han)接(jie)方法(fa)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)8mm厚奧氏(shi)體型不(bu)(bu)銹鋼的(de)試驗結(jie)果(guo)表明：焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)的(de)綜(zong)合力(li)學(xue)性能(neng)與304不(bu)(bu)銹鋼TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)的(de)綜(zong)合力(li)學(xue)性能(neng)相當(dang)，而焊(han)(han)(han)(han)接(jie)效率是TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)的(de)3～5倍(bei)。要(yao)取得這個結(jie)果(guo)，必須在復(fu)合焊(han)(han)(han)(han)縫金屬中嚴格控(kong)制C、N、0等(deng)微(wei)量元素(su)的(de)含量，否則將對焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)力(li)學(xue)性能(neng)中的(de)沖擊(ji)性能(neng)極為不(bu)(bu)利，無法(fa)達到(dao)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)的(de)水(shui)平(ping)。
經分析，激(ji)光-CMT復合熱源焊接(jie)時(shi)，如果后保護范(fan)圍小，則在較高(gao)速度焊接(jie)時(shi)易卷入(ru)空氣(qi)，從(cong)而使得焊縫金屬(shu)中的(de)C、N、O等雜質元素含量偏高(gao)。因此，焊接(jie)后的(de)保護措施至關重要。
為此，用激(ji)光-CMT復合熱源焊(han)接(jie)方(fang)法，在純氬(ya)氣保護及較高速度焊(han)接(jie)情(qing)況下(xia)，采取不同的后保護方(fang)法進行(xing)試(shi)驗，將(jiang)試(shi)驗結果與TIG填充絲(si)焊(han)進行(xing)對比。
1. 試(shi)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. 試驗設備
試驗用(yong)(yong)激(ji)光器為(wei)德(de)國通快公司生(sheng)產的(de)(de)TruDisk6002 型(xing)激(ji)光器，最大激(ji)光功率6kW，試驗中采用(yong)(yong)焦距為(wei)475mm的(de)(de)激(ji)光輸出(chu)透鏡；電(dian)弧(hu)焊(han)機為(wei)奧地利Fronius公司生(sheng)產的(de)(de)TPS4000型(xing)數字化CMT焊(han)機；TIG填絲焊(han)所(suo)用(yong)(yong)焊(han)機為(wei)PANA-TIG SP300鎢極氬(ya)弧(hu)焊(han)機。
3. 試驗方法
在(zai)純氬氣保(bao)護下(xia)采用兩種不(bu)同的(de)后保(bao)護措施(shi)，以U形坡口對接的(de)方(fang)式進行焊接，坡口形式如(ru)圖3-70所(suo)示，后保(bao)護措施(shi)如(ru)圖3-71所(suo)示。其中，方(fang)式一(yi)為(wei)單(dan)一(yi)細(xi)噴嘴保(bao)護，方(fang)式二(er)為(wei)雙管(guan)后保(bao)護。
4. 試驗(yan)結果與分析
a. 氣(qi)體保(bao)護效果對焊縫成形及微量(liang)元素含(han)量(liang)的(de)影(ying)響
采用方式1后氣(qi)體保(bao)護時，焊縫(feng)(feng)發灰；而采用方式2后氣(qi)體保(bao)護時，焊縫(feng)(feng)呈銀白色，其氣(qi)體保(bao)護效果甚至好(hao)于TIG填絲焊縫(feng)(feng)。
采用(yong)方式(shi)(shi)1和方式(shi)(shi)2增加后(hou)保(bao)護的(de)激(ji)光-CMT復(fu)合(he)焊與(yu)TIG填絲(si)焊焊縫中C、N、H、O元素(su)的(de)含量(liang)的(de)比較如表3-56所示。從表中可知，與(yu)方式(shi)(shi)1相比，采用(yong)方式(shi)(shi)2增加后(hou)保(bao)護焊縫中C、H元素(su)的(de)含量(liang)變化(hua)不大，而N、O元素(su)含量(liang)下降到原來(lai)的(de)1/4，并且與(yu)TIG填絲(si)焊中C、N、H、O元素(su)的(de)含量(liang)相當，而N、O元素(su)的(de)主要(yao)來(lai)源就是空氣。
產(chan)生這種變化主要是因為(wei)：方式1后保(bao)護(hu)(hu)，噴嘴保(bao)護(hu)(hu)管徑(jing)細，保(bao)護(hu)(hu)范圍較小(xiao)，熔池極易卷(juan)入空氣，表(biao)現為(wei)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)表(biao)面發灰，N、O元素含(han)量(liang)偏高(gao)；方式2后保(bao)護(hu)(hu)時，管徑(jing)較粗，并且在(zai)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)方向(xiang)上(shang)并排(pai)排(pai)列著兩個后噴嘴，大大加強了保(bao)護(hu)(hu)范圍，表(biao)現為(wei)焊(han)(han)(han)縫(feng)(feng)呈銀白色，N、O元素含(han)量(liang)大幅(fu)下降。
由此(ci)可見，采(cai)用方(fang)式2增加(jia)后保護后，能(neng)夠更(geng)好地隔絕空(kong)氣與熔池的(de)接觸(chu)，極大地改善了焊縫的(de)保護效(xiao)果。
b. 氣體(ti)保護效果對焊接接頭沖(chong)擊性能的影響
將方(fang)式(shi)(shi)1和方(fang)式(shi)(shi)2增(zeng)加后保護的激光-CMT復合焊(han)焊(han)縫中(zhong)心進行(xing)沖擊性能(neng)測式(shi)(shi)結果與TIG填絲焊(han)的沖擊性能(neng)進行(xing)對比，見(jian)表(biao)3-57。可以看出(chu)，采用方(fang)式(shi)(shi)1焊(han)縫中(zhong)心進行(xing)沖擊值(zhi)與TIG填絲焊(han)接(jie)頭有較(jiao)大差距(ju)；而方(fang)式(shi)(shi)2增(zeng)加氣體保護后焊(han)縫中(zhong)心沖擊值(zhi)基本上與TIG填絲焊(han)焊(han)接(jie)接(jie)頭相當。
用SEM觀(guan)察沖擊斷(duan)口(kou)的(de)微觀(guan)形貌：方(fang)式1焊(han)縫(feng)沖擊斷(duan)口(kou)形貌，韌窩尺寸較(jiao)(jiao)小(xiao)，數量較(jiao)(jiao)多(duo)，深度(du)較(jiao)(jiao)淺，起(qi)伏(fu)較(jiao)(jiao)小(xiao)；方(fang)式2和TIG填絲(si)焊(han)的(de)焊(han)縫(feng)沖擊斷(duan)口(kou)形貌，韌窩尺寸較(jiao)(jiao)大(da)，數量相對較(jiao)(jiao)少，深度(du)較(jiao)(jiao)深，起(qi)伏(fu)較(jiao)(jiao)大(da)。
在方式1的(de)(de)焊縫沖(chong)擊斷口(kou)上有很(hen)多尺寸較大的(de)(de)夾(jia)(jia)雜物(wu)，用EDS能(neng)譜分(fen)析看到，夾(jia)(jia)雜物(wu)中O、Si、Mn元素含量較高，為氧(yang)化(hua)物(wu)夾(jia)(jia)雜物(wu)。這種夾(jia)(jia)雜物(wu)對焊縫的(de)(de)沖(chong)擊性能(neng)有很(hen)大的(de)(de)影響，而其他斷口(kou)中未發現有夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)存在。
方(fang)式2在焊縫(feng)中(zhong)未發現氧化物夾(jia)雜(za)(za)，因(yin)此(ci)焊接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的沖擊性(xing)(xing)能較高。可以認為(wei)，氧化物夾(jia)雜(za)(za)是影響焊接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)沖擊性(xing)(xing)能主要因(yin)素(su)，當氣(qi)體(ti)后保護效(xiao)果良好時，焊接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的沖擊韌性(xing)(xing)較高，激光-CMT復合焊基本(ben)達到TIG填(tian)絲焊的水平。該項焊接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)技術(shu)若取代TIG填(tian)絲焊應(ying)用于焊接(jie)(jie)(jie)生產，將是焊接(jie)(jie)(jie)技術(shu)的一次重(zhong)大變革。
