復合焊(han)接是高能焊(han)與TIG、MIG和(he)MAG焊(han)各取所長，進行聯合焊(han)接，以高能焊(han)為基礎開(kai)發(fa)出來的高科技(ji)焊(han)接方法(fa)。前(qian)景看(kan)好，已經(jing)從試(shi)驗階段逐步過渡到(dao)用于(yu)生產，受到(dao)人們的重視和(he)關注，為高質(zhi)量高效率焊(han)接技(ji)術(shu)創(chuang)造(zao)了一個發(fa)展空間(jian)。
一、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金屬過渡(du)”）弧(hu)焊(han)技(ji)術(shu)是(shi)Fronius 公司在研究無飛(fei)濺過渡(du)技(ji)術(shu)、鋁與鋼異種(zhong)金屬焊(han)接、及(ji)(ji)薄板焊(han)接的(de)(de)基礎上(shang)逐漸發展(zhan)和成熟起來的(de)(de)一(yi)門新的(de)(de)弧(hu)焊(han)技(ji)術(shu)。該項(xiang)技(ji)術(shu)與美國LINCOLN公司的(de)(de)表面張(zhang)力過渡(du)技(ji)術(shu)（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以及(ji)(ji)日本OTC公司的(de)(de)控制液橋過渡(du)技(ji)術(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均(jun)屬于數字化精確控制短路過渡(du)電弧(hu)技(ji)術(shu)。
CMT弧焊(han)(han)(han)技術的最大技術優勢在(zai)(zai)(zai)于其焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)飛濺少(shao)、焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)變形小、焊(han)(han)(han)縫冶金(jin)(jin)質(zhi)量高(gao)（與(yu)常規熔(rong)化(hua)極氣體保護焊(han)(han)(han)相比(bi)）。但是，由(you)于CMT弧焊(han)(han)(han)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中熔(rong)池(chi)的溫度(du)相對(dui)較(jiao)低，因此在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)中、厚板時，液態焊(han)(han)(han)縫金(jin)(jin)屬在(zai)(zai)(zai)母材(cai)表面(mian)的潤濕(shi)性(xing)(xing)相對(dui)較(jiao)差，得(de)到焊(han)(han)(han)縫的余高(gao)相對(dui)較(jiao)大，特別是在(zai)(zai)(zai)采用多(duo)層多(duo)道焊(han)(han)(han)時，易出現未熔(rong)合(he)、夾渣等(deng)缺陷(xian)。此外，CMT弧焊(han)(han)(han)在(zai)(zai)(zai)直流(liu)反接(jie)(jie)焊(han)(han)(han)時，在(zai)(zai)(zai)純(chun)氬氣保護氣體下，由(you)于保護氣體中無(wu)氧(yang)(yang)化(hua)性(xing)(xing)氣體，且熔(rong)池(chi)中缺少(shao)氧(yang)(yang)化(hua)物的存在(zai)(zai)(zai)，電弧的陰(yin)極斑點(dian)難以(yi)固(gu)定，隨焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)的進行而不(bu)(bu)(bu)停漂移，表現為(wei)電弧飄動(dong)，挺度(du)不(bu)(bu)(bu)足，導(dao)致焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)不(bu)(bu)(bu)穩定，這是CMT弧焊(han)(han)(han)技術不(bu)(bu)(bu)足。所以(yi)核(he)電設備、航空航天(tian)對(dui)冶金(jin)(jin)性(xing)(xing)能要求極高(gao)的產品，在(zai)(zai)(zai)制造中無(wu)法(fa)應用。
二、CMT弧焊(han)與激光-CMT電弧復合熱源(yuan)焊(han)接(jie)時(shi)電弧形(xing)貌上的比(bi)較
CMT過(guo)(guo)(guo)渡技術實(shi)際(ji)上是(shi)一種通過(guo)(guo)(guo)送絲協調及(ji)波形(xing)控制而(er)實(shi)現“冷”與“熱”交替(ti)的(de)(de)(de)短路過(guo)(guo)(guo)渡弧焊(han)技術。CMT過(guo)(guo)(guo)渡中的(de)(de)(de)“熱”過(guo)(guo)(guo)程(cheng)實(shi)際(ji)上是(shi)大電(dian)(dian)流電(dian)(dian)弧燃(ran)燒而(er)形(xing)成熔(rong)滴的(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)，而(er)“冷”過(guo)(guo)(guo)程(cheng)實(shi)際(ji)上是(shi)小電(dian)(dian)流電(dian)(dian)弧維持(chi)燃(ran)燒待熔(rong)滴過(guo)(guo)(guo)渡的(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)。從圖3-68和圖3-69分別為其他(ta)焊(han)接條件(jian)相同(tong)情(qing)況下(xia)的(de)(de)(de)單獨CMT的(de)(de)(de)電(dian)(dian)弧形(xing)貌及(ji)激(ji)光與CMT復合(he)后的(de)(de)(de)電(dian)(dian)弧形(xing)貌。
從兩幅圖(tu)中可以看出，激(ji)(ji)光加入前后(hou)CMT電弧(hu)(hu)形貌發生(sheng)了可喜的變化：在純氬保(bao)護氣體(ti)保(bao)護下，激(ji)(ji)光與CMT電弧(hu)(hu)復合后(hou)，激(ji)(ji)光對CMT電弧(hu)(hu)（特別是(shi)大(da)電流(liu)燃弧(hu)(hu)階段的電弧(hu)(hu)）產生(sheng)了吸引作用，增加了電弧(hu)(hu)的挺度，使得原本(ben)不(bu)穩(wen)定的焊接過程得到穩(wen)定。還有(you)焊縫(feng)正面(mian)成(cheng)形美觀，可實現(xian)單(dan)面(mian)焊雙面(mian)成(cheng)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(bu)銹(xiu)鋼TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)和激光(guang)-CMT 復合(he)(he)熱(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)(tou)的(de)(de)(de)金相組(zu)(zu)(zu)織(zhi)進行比(bi)較：這兩種(zhong)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)方法的(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)(tou)，它們的(de)(de)(de)金相組(zu)(zu)(zu)織(zhi)基(ji)本(ben)相同，焊(han)(han)(han)(han)(han)縫金屬及焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)熱(re)響(xiang)區的(de)(de)(de)奧氏(shi)體組(zu)(zu)(zu)織(zhi)均為(wei)奧氏(shi)體＋少量8-鐵素體組(zu)(zu)(zu)織(zhi)，且焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)熱(re)影(ying)響(xiang)區的(de)(de)(de)奧氏(shi)體組(zu)(zu)(zu)織(zhi)發(fa)生(sheng)明顯的(de)(de)(de)粗化。但(dan)是(shi)，仔細對比(bi)兩種(zhong)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)(tou)的(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)縫組(zu)(zu)(zu)織(zhi)觀察則(ze)發(fa)現(xian)，焊(han)(han)(han)(han)(han)縫柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)晶(jing)粒略(lve)有(you)(you)差異(yi)：TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)縫的(de)(de)(de)柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)晶(jing)粒略(lve)粗大(da)；激光(guang)-CMT 復合(he)(he)熱(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)縫的(de)(de)(de)柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)晶(jing)粒略(lve)細小。可以認為(wei)，激光(guang)-CMT復合(he)(he)熱(re)源的(de)(de)(de)有(you)(you)效(xiao)(xiao)熱(re)輸入(ru)(ru)要比(bi)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)過程中(zhong)的(de)(de)(de)實際有(you)(you)效(xiao)(xiao)熱(re)輸入(ru)(ru)小，從表(biao)3-55焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)參數中(zhong)可知，其焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)熱(re)輸入(ru)(ru)僅為(wei)TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)的(de)(de)(de)48％左(zuo)右(you)，這是(shi)導致TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)縫的(de)(de)(de)柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)晶(jing)粒略(lve)粗大(da)的(de)(de)(de)原因。
從技(ji)術(shu)的先進性(xing)來說，對于(yu)304不(bu)銹(xiu)鋼而言，純氬保護的激光-CMT焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)，其焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的力學性(xing)能不(bu)低于(yu)TIG焊(han)(han)(han)，而焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)效率則是(shi)TIG填絲焊(han)(han)(han)的5倍。該項(xiang)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技(ji)術(shu)若取代TIG填絲焊(han)(han)(han)應用于(yu)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)生產，將是(shi)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)技(ji)術(shu)的一次(ci)重大變革。
三、針對性試驗(yan)
目(mu)前國內外對于(yu)從事與(yu)核電厚壁部件的(de)(de)焊(han)接主要采用的(de)(de)上TIG 填充(chong)焊(han)（熱(re)絲(si)或冷(leng)絲(si)）焊(han)接方法(fa)。盡管這種焊(han)接方法(fa)的(de)(de)焊(han)接質量(liang)相對比較(jiao)穩定，但也存在以下問題：焊(han)接效率(lv)低及焊(han)接熱(re)輸入大，導致焊(han)接變形也較(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)復合熱源(yuan)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)方(fang)法焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)8mm厚(hou)奧(ao)氏體型不(bu)(bu)銹(xiu)鋼的(de)(de)試驗結果表明(ming)：焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)(tou)的(de)(de)綜合力(li)(li)學(xue)性(xing)能與(yu)304不(bu)(bu)銹(xiu)鋼TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)(tou)的(de)(de)綜合力(li)(li)學(xue)性(xing)能相當，而焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)效(xiao)率是TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)(de)3～5倍。要取(qu)得這個結果，必須在復合焊(han)(han)(han)縫金屬中(zhong)嚴格控(kong)制C、N、0等(deng)微量元素(su)的(de)(de)含量，否則將對焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)(tou)力(li)(li)學(xue)性(xing)能中(zhong)的(de)(de)沖擊性(xing)能極為不(bu)(bu)利，無法達(da)到TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)的(de)(de)水平。
經分析，激光(guang)-CMT復合熱(re)源焊接時，如果后保護范圍小，則在較高速度焊接時易卷(juan)入空氣，從而使得焊縫金屬(shu)中的(de)C、N、O等雜質(zhi)元素含量偏高。因此，焊接后的(de)保護措(cuo)施至關重(zhong)要。
為此，用(yong)激光-CMT復合熱(re)源焊(han)接方法，在純(chun)氬(ya)氣保(bao)護及較高速度焊(han)接情況下，采取不同的后保(bao)護方法進行試驗(yan)，將試驗(yan)結果與TIG填充絲(si)焊(han)進行對比。
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(shi)驗設備
試驗用激光(guang)器為(wei)(wei)德國通快公司(si)生產(chan)(chan)的TruDisk6002 型(xing)激光(guang)器，最大激光(guang)功率(lv)6kW，試驗中采(cai)用焦距為(wei)(wei)475mm的激光(guang)輸出透(tou)鏡；電(dian)弧(hu)焊(han)機為(wei)(wei)奧地利Fronius公司(si)生產(chan)(chan)的TPS4000型(xing)數字(zi)化CMT焊(han)機；TIG填絲焊(han)所用焊(han)機為(wei)(wei)PANA-TIG SP300鎢極(ji)氬弧(hu)焊(han)機。
3. 試驗方法
在純氬氣保護下采用兩種(zhong)不(bu)同的后保護措施(shi)，以U形坡(po)口對接的方(fang)式進行焊接，坡(po)口形式如圖(tu)3-70所(suo)(suo)示，后保護措施(shi)如圖(tu)3-71所(suo)(suo)示。其(qi)中，方(fang)式一為(wei)單(dan)一細噴嘴保護，方(fang)式二為(wei)雙(shuang)管(guan)后保護。
4. 試驗結果與分析
a. 氣(qi)體保(bao)護效(xiao)果對焊縫成形及微量元素含(han)量的影響
采用方(fang)式(shi)1后氣(qi)體(ti)保護時，焊(han)縫發(fa)灰；而采用方(fang)式(shi)2后氣(qi)體(ti)保護時，焊(han)縫呈銀白色，其氣(qi)體(ti)保護效果甚至好于(yu)TIG填(tian)絲(si)焊(han)縫。
采用(yong)方(fang)(fang)式(shi)1和方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)加(jia)后(hou)保護的(de)激(ji)光-CMT復合(he)焊與(yu)(yu)(yu)TIG填絲焊焊縫(feng)中(zhong)C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)含量(liang)的(de)比較如表3-56所示。從(cong)表中(zhong)可知，與(yu)(yu)(yu)方(fang)(fang)式(shi)1相比，采用(yong)方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)加(jia)后(hou)保護焊縫(feng)中(zhong)C、H元(yuan)素(su)(su)的(de)含量(liang)變化不(bu)大，而(er)N、O元(yuan)素(su)(su)含量(liang)下(xia)降(jiang)到原來的(de)1/4，并且與(yu)(yu)(yu)TIG填絲焊中(zhong)C、N、H、O元(yuan)素(su)(su)的(de)含量(liang)相當，而(er)N、O元(yuan)素(su)(su)的(de)主要來源就是空氣。
產(chan)生這種變化主(zhu)要是因為(wei)：方式1后保(bao)護，噴嘴保(bao)護管徑(jing)細(xi)，保(bao)護范(fan)圍(wei)(wei)較(jiao)小，熔池極易(yi)卷入空氣，表現(xian)為(wei)焊縫表面發灰，N、O元素含(han)量偏高；方式2后保(bao)護時，管徑(jing)較(jiao)粗(cu)，并(bing)且(qie)在(zai)焊縫方向(xiang)上并(bing)排排列著兩個后噴嘴，大大加強了保(bao)護范(fan)圍(wei)(wei)，表現(xian)為(wei)焊縫呈銀白色，N、O元素含(han)量大幅下(xia)降。
由此可見(jian)，采用方式2增加后保(bao)護后，能夠更(geng)好地(di)隔絕(jue)空氣與熔池的(de)接觸(chu)，極大地(di)改善(shan)了(le)焊縫的(de)保(bao)護效果。
b. 氣體保(bao)護效果(guo)對焊接(jie)接(jie)頭(tou)沖擊性能的影響(xiang)
將方(fang)式1和方(fang)式2增加后保護的(de)激光(guang)-CMT復合焊(han)(han)焊(han)(han)縫(feng)中(zhong)心(xin)進(jin)(jin)行沖擊性能測式結果與TIG填(tian)絲焊(han)(han)的(de)沖擊性能進(jin)(jin)行對比，見(jian)表3-57。可以(yi)看出(chu)，采用(yong)方(fang)式1焊(han)(han)縫(feng)中(zhong)心(xin)進(jin)(jin)行沖擊值與TIG填(tian)絲焊(han)(han)接頭(tou)有(you)較大差距(ju)；而方(fang)式2增加氣體(ti)保護后焊(han)(han)縫(feng)中(zhong)心(xin)沖擊值基本上與TIG填(tian)絲焊(han)(han)焊(han)(han)接接頭(tou)相當。
用(yong)SEM觀察沖(chong)擊(ji)斷口的微觀形(xing)貌：方式(shi)(shi)1焊縫沖(chong)擊(ji)斷口形(xing)貌，韌窩尺寸較(jiao)(jiao)(jiao)小，數量(liang)較(jiao)(jiao)(jiao)多，深(shen)度較(jiao)(jiao)(jiao)淺，起伏較(jiao)(jiao)(jiao)小；方式(shi)(shi)2和TIG填絲(si)焊的焊縫沖(chong)擊(ji)斷口形(xing)貌，韌窩尺寸較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，數量(liang)相對較(jiao)(jiao)(jiao)少，深(shen)度較(jiao)(jiao)(jiao)深(shen)，起伏較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)。
在(zai)方式1的(de)焊(han)縫(feng)沖擊(ji)斷(duan)口(kou)上有很多尺寸(cun)較大的(de)夾雜(za)(za)物(wu)，用EDS能譜(pu)分(fen)析看到，夾雜(za)(za)物(wu)中(zhong)O、Si、Mn元素含量較高，為氧(yang)化物(wu)夾雜(za)(za)物(wu)。這種夾雜(za)(za)物(wu)對(dui)焊(han)縫(feng)的(de)沖擊(ji)性(xing)能有很大的(de)影響，而(er)其他(ta)斷(duan)口(kou)中(zhong)未發(fa)現(xian)有夾雜(za)(za)物(wu)的(de)存在(zai)。
方式2在焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)中未(wei)發(fa)現氧(yang)化物夾雜，因此焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)的沖擊(ji)(ji)性(xing)能較高(gao)。可以認(ren)為，氧(yang)化物夾雜是影(ying)響焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)沖擊(ji)(ji)性(xing)能主要(yao)因素，當氣體后(hou)保(bao)護效(xiao)果良(liang)好時，焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)的沖擊(ji)(ji)韌性(xing)較高(gao)，激光-CMT復合焊(han)(han)(han)(han)基本達到TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)的水平(ping)。該項焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術若取代TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)應用(yong)于焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)生產(chan)，將是焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)技術的一次重(zhong)大(da)變(bian)革。
