復(fu)合(he)(he)焊(han)(han)接(jie)(jie)是(shi)高(gao)(gao)(gao)能焊(han)(han)與TIG、MIG和MAG焊(han)(han)各(ge)取所長，進(jin)行聯合(he)(he)焊(han)(han)接(jie)(jie)，以(yi)高(gao)(gao)(gao)能焊(han)(han)為(wei)基礎開發(fa)出(chu)來的高(gao)(gao)(gao)科技(ji)焊(han)(han)接(jie)(jie)方法(fa)。前(qian)景看好，已經從(cong)試驗(yan)階(jie)段逐步過(guo)渡到(dao)用(yong)于生(sheng)產，受(shou)到(dao)人(ren)們的重視和關注，為(wei)高(gao)(gao)(gao)質量高(gao)(gao)(gao)效率(lv)焊(han)(han)接(jie)(jie)技(ji)術(shu)創造了一個發(fa)展空間。
一、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱(cheng)“冷金屬過(guo)渡(du)”）弧(hu)(hu)(hu)焊(han)技術(shu)(shu)是Fronius 公司在(zai)研究無飛(fei)濺過(guo)渡(du)技術(shu)(shu)、鋁與鋼(gang)異(yi)種金屬焊(han)接、及薄板焊(han)接的基(ji)礎上逐(zhu)漸發展(zhan)和成熟(shu)起(qi)來的一門新的弧(hu)(hu)(hu)焊(han)技術(shu)(shu)。該(gai)項技術(shu)(shu)與美國LINCOLN公司的表(biao)面張力(li)過(guo)渡(du)技術(shu)(shu)（Surface TensionTransfer，簡稱(cheng)STT）以及日本OTC公司的控制液(ye)橋過(guo)渡(du)技術(shu)(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱(cheng)CBT）均屬于數字化精確(que)控制短路過(guo)渡(du)電(dian)弧(hu)(hu)(hu)技術(shu)(shu)。
CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)技(ji)術的(de)最大技(ji)術優勢(shi)在于其(qi)焊(han)(han)(han)(han)接過(guo)程(cheng)飛(fei)濺(jian)少(shao)、焊(han)(han)(han)(han)接變形小、焊(han)(han)(han)(han)縫冶(ye)金質(zhi)量高(gao)（與常(chang)規熔(rong)化極氣體(ti)保(bao)(bao)護(hu)焊(han)(han)(han)(han)相比）。但是，由于CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)熔(rong)池(chi)的(de)溫度相對(dui)(dui)(dui)(dui)較低，因此在焊(han)(han)(han)(han)接中(zhong)(zhong)、厚板(ban)時(shi)，液(ye)態焊(han)(han)(han)(han)縫金屬在母材表(biao)面的(de)潤濕性相對(dui)(dui)(dui)(dui)較差，得到焊(han)(han)(han)(han)縫的(de)余高(gao)相對(dui)(dui)(dui)(dui)較大，特別(bie)是在采用多(duo)層多(duo)道焊(han)(han)(han)(han)時(shi)，易出現(xian)未熔(rong)合、夾渣等缺陷。此外，CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)在直流(liu)反接焊(han)(han)(han)(han)時(shi)，在純氬氣保(bao)(bao)護(hu)氣體(ti)下(xia)，由于保(bao)(bao)護(hu)氣體(ti)中(zhong)(zhong)無(wu)氧化性氣體(ti)，且熔(rong)池(chi)中(zhong)(zhong)缺少(shao)氧化物(wu)的(de)存在，電弧(hu)(hu)的(de)陰(yin)極斑點(dian)難(nan)以固定，隨焊(han)(han)(han)(han)接過(guo)程(cheng)的(de)進行而(er)不(bu)(bu)停漂移(yi)，表(biao)現(xian)為電弧(hu)(hu)飄動，挺度不(bu)(bu)足(zu)，導致焊(han)(han)(han)(han)接過(guo)程(cheng)不(bu)(bu)穩定，這是CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)技(ji)術不(bu)(bu)足(zu)。所(suo)以核(he)電設(she)備(bei)、航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天對(dui)(dui)(dui)(dui)冶(ye)金性能要(yao)求(qiu)極高(gao)的(de)產品，在制造中(zhong)(zhong)無(wu)法(fa)應用。
二(er)、CMT弧焊與激光-CMT電(dian)弧復合熱源焊接時電(dian)弧形(xing)貌上的(de)比較
CMT過渡(du)技(ji)術(shu)(shu)實(shi)際上是一種通過送絲協調及波形控制而實(shi)現“冷”與(yu)“熱”交替的(de)短路過渡(du)弧(hu)焊(han)技(ji)術(shu)(shu)。CMT過渡(du)中的(de)“熱”過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)實(shi)際上是大(da)電流電弧(hu)燃(ran)(ran)燒(shao)而形成熔(rong)滴(di)的(de)過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)，而“冷”過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)實(shi)際上是小電流電弧(hu)維持燃(ran)(ran)燒(shao)待熔(rong)滴(di)過渡(du)的(de)過程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)。從(cong)圖3-68和圖3-69分別為(wei)其他焊(han)接條件(jian)相同情況下的(de)單獨CMT的(de)電弧(hu)形貌及激光與(yu)CMT復合后的(de)電弧(hu)形貌。
從兩幅圖中可(ke)以(yi)看(kan)出，激光加入前后CMT電(dian)弧(hu)形(xing)貌發生(sheng)了可(ke)喜的變化：在純氬(ya)保護(hu)氣(qi)體(ti)保護(hu)下，激光與CMT電(dian)弧(hu)復(fu)合后，激光對CMT電(dian)弧(hu)（特別是(shi)大電(dian)流(liu)燃弧(hu)階段的電(dian)弧(hu)）產生(sheng)了吸引作(zuo)用，增加了電(dian)弧(hu)的挺度(du)，使得(de)原本不(bu)穩定的焊(han)接過程得(de)到穩定。還有焊(han)縫(feng)正面成(cheng)形(xing)美觀(guan)，可(ke)實(shi)現單面焊(han)雙面成(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)和激光-CMT 復合(he)(he)(he)熱(re)(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭的(de)金相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)進行(xing)比較：這兩種焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)方(fang)法的(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭，它們的(de)金相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)基(ji)本相(xiang)同，焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)金屬(shu)及焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)熱(re)(re)響區(qu)的(de)奧(ao)氏(shi)體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)均(jun)為奧(ao)氏(shi)體(ti)＋少量8-鐵素體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)，且焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)熱(re)(re)影響區(qu)的(de)奧(ao)氏(shi)體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)發生明(ming)顯的(de)粗(cu)化(hua)。但是(shi)，仔細(xi)對(dui)比兩種焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭的(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)組(zu)織(zhi)(zhi)觀察則發現，焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒略有(you)(you)差異：TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒略粗(cu)大；激光-CMT 復合(he)(he)(he)熱(re)(re)源焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒略細(xi)小。可(ke)以認為，激光-CMT復合(he)(he)(he)熱(re)(re)源的(de)有(you)(you)效(xiao)熱(re)(re)輸(shu)入(ru)(ru)(ru)要比TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)實際有(you)(you)效(xiao)熱(re)(re)輸(shu)入(ru)(ru)(ru)小，從表3-55焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)參數(shu)中(zhong)可(ke)知，其焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)熱(re)(re)輸(shu)入(ru)(ru)(ru)僅為TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)的(de)48％左(zuo)右，這是(shi)導致TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)的(de)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)晶(jing)粒略粗(cu)大的(de)原因。
從技術的先(xian)進(jin)性(xing)來(lai)說，對(dui)于304不(bu)銹(xiu)鋼而(er)言，純氬保護的激光(guang)-CMT焊接(jie)，其焊接(jie)接(jie)頭(tou)的力學性(xing)能不(bu)低于TIG焊，而(er)焊接(jie)效率(lv)則是TIG填絲焊的5倍。該項(xiang)焊接(jie)接(jie)技術若取代TIG填絲焊應用于焊接(jie)生產，將是焊接(jie)技術的一次重大變革。
三、針對性試驗
目前國內(nei)外對于從事與核電厚壁部件(jian)的(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)主要采用的(de)上TIG 填充焊(han)(han)（熱絲或冷絲）焊(han)(han)接(jie)(jie)方(fang)法(fa)。盡管這(zhe)種焊(han)(han)接(jie)(jie)方(fang)法(fa)的(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)質量(liang)相對比較(jiao)穩定，但也(ye)存在以下問題：焊(han)(han)接(jie)(jie)效率低及焊(han)(han)接(jie)(jie)熱輸入大(da)，導致焊(han)(han)接(jie)(jie)變形也(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。
采用激光(guang)-CMT電弧復(fu)合(he)(he)熱源焊(han)接方法(fa)(fa)焊(han)接8mm厚奧(ao)氏(shi)體型不銹鋼的(de)(de)(de)試驗結(jie)果表明：焊(han)接接頭的(de)(de)(de)綜(zong)合(he)(he)力學性能與304不銹鋼TIG填(tian)絲焊(han)接接頭的(de)(de)(de)綜(zong)合(he)(he)力學性能相當，而焊(han)接效率是TIG填(tian)絲焊(han)的(de)(de)(de)3～5倍。要(yao)取得這個(ge)結(jie)果，必須在復(fu)合(he)(he)焊(han)縫金屬中(zhong)嚴格控制C、N、0等(deng)微量(liang)元(yuan)素的(de)(de)(de)含量(liang)，否則將對焊(han)接接頭力學性能中(zhong)的(de)(de)(de)沖擊性能極為不利，無(wu)法(fa)(fa)達到TIG填(tian)絲焊(han)的(de)(de)(de)水(shui)平。
經分析，激光-CMT復合熱源焊(han)接(jie)時，如果后保(bao)護范圍小，則在(zai)較高速度焊(han)接(jie)時易卷入空氣(qi)，從而使得焊(han)縫金屬中(zhong)的C、N、O等雜(za)質元素含(han)量偏(pian)高。因此，焊(han)接(jie)后的保(bao)護措施至關重要。
為此，用激光-CMT復(fu)合熱源焊接方法，在純氬氣保護及較高速(su)度焊接情況下，采取不同的后保護方法進(jin)行(xing)試驗(yan)，將試驗(yan)結果(guo)與TIG填(tian)充(chong)絲焊進(jin)行(xing)對(dui)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
試驗用激(ji)光器(qi)為德國通快(kuai)公司(si)生產的(de)(de)TruDisk6002 型(xing)激(ji)光器(qi)，最大激(ji)光功率6kW，試驗中采用焦距為475mm的(de)(de)激(ji)光輸(shu)出透鏡；電(dian)弧焊(han)機(ji)為奧地利(li)Fronius公司(si)生產的(de)(de)TPS4000型(xing)數字化CMT焊(han)機(ji)；TIG填絲焊(han)所用焊(han)機(ji)為PANA-TIG SP300鎢極氬弧焊(han)機(ji)。
3. 試驗方法
在純氬氣(qi)保(bao)護下采用兩種不同的后(hou)(hou)保(bao)護措(cuo)施，以U形(xing)坡口對(dui)接的方(fang)式(shi)進(jin)行焊接，坡口形(xing)式(shi)如(ru)圖3-70所示，后(hou)(hou)保(bao)護措(cuo)施如(ru)圖3-71所示。其中(zhong)，方(fang)式(shi)一為(wei)單一細噴嘴保(bao)護，方(fang)式(shi)二為(wei)雙管后(hou)(hou)保(bao)護。
4. 試驗結果與分析
a. 氣體保(bao)護效果(guo)對(dui)焊(han)縫(feng)成(cheng)形及(ji)微量元素含量的影響
采用方(fang)式(shi)1后(hou)(hou)氣體保護(hu)時，焊(han)縫(feng)發灰；而采用方(fang)式(shi)2后(hou)(hou)氣體保護(hu)時，焊(han)縫(feng)呈銀白(bai)色(se)，其氣體保護(hu)效果甚至好于TIG填絲焊(han)縫(feng)。
采用方式(shi)(shi)1和方式(shi)(shi)2增加(jia)后保護(hu)的激光-CMT復合焊(han)與(yu)TIG填絲焊(han)焊(han)縫中C、N、H、O元素(su)(su)的含(han)(han)量的比較如表(biao)3-56所示。從表(biao)中可(ke)知(zhi)，與(yu)方式(shi)(shi)1相比，采用方式(shi)(shi)2增加(jia)后保護(hu)焊(han)縫中C、H元素(su)(su)的含(han)(han)量變化不大，而N、O元素(su)(su)含(han)(han)量下降到原(yuan)來的1/4，并且與(yu)TIG填絲焊(han)中C、N、H、O元素(su)(su)的含(han)(han)量相當(dang)，而N、O元素(su)(su)的主(zhu)要來源就是空(kong)氣。
產(chan)生這種(zhong)變化主(zhu)要(yao)是因為：方(fang)式1后保(bao)護，噴嘴保(bao)護管徑細，保(bao)護范圍(wei)較小，熔(rong)池極易卷(juan)入空氣，表現(xian)為焊(han)縫(feng)(feng)表面發灰，N、O元素(su)含(han)量偏高(gao)；方(fang)式2后保(bao)護時，管徑較粗，并且在焊(han)縫(feng)(feng)方(fang)向上(shang)并排(pai)排(pai)列著(zhu)兩個后噴嘴，大大加強了保(bao)護范圍(wei)，表現(xian)為焊(han)縫(feng)(feng)呈銀白色，N、O元素(su)含(han)量大幅下降。
由此可(ke)見(jian)，采用方式2增(zeng)加后(hou)保護后(hou)，能夠更好地隔絕空氣(qi)與(yu)熔池的接(jie)觸，極大地改善了(le)焊縫的保護效果。
b. 氣(qi)體保護效果對(dui)焊接接頭(tou)沖擊性能的影(ying)響(xiang)
將方式(shi)1和方式(shi)2增加后保(bao)護(hu)的(de)激光(guang)-CMT復合焊(han)焊(han)縫(feng)中心進(jin)行沖(chong)擊性能(neng)測式(shi)結果與TIG填(tian)絲焊(han)的(de)沖(chong)擊性能(neng)進(jin)行對(dui)比，見表3-57。可以(yi)看出，采(cai)用方式(shi)1焊(han)縫(feng)中心進(jin)行沖(chong)擊值(zhi)與TIG填(tian)絲焊(han)接(jie)頭有較(jiao)大(da)差距；而方式(shi)2增加氣體(ti)保(bao)護(hu)后焊(han)縫(feng)中心沖(chong)擊值(zhi)基本(ben)上與TIG填(tian)絲焊(han)焊(han)接(jie)接(jie)頭相當。
用SEM觀察(cha)沖擊斷口(kou)(kou)的微觀形(xing)貌(mao)：方式1焊縫(feng)沖擊斷口(kou)(kou)形(xing)貌(mao)，韌(ren)窩尺寸較(jiao)小(xiao)，數(shu)量較(jiao)多，深(shen)(shen)度(du)較(jiao)淺，起(qi)伏較(jiao)小(xiao)；方式2和TIG填絲焊的焊縫(feng)沖擊斷口(kou)(kou)形(xing)貌(mao)，韌(ren)窩尺寸較(jiao)大，數(shu)量相對較(jiao)少，深(shen)(shen)度(du)較(jiao)深(shen)(shen)，起(qi)伏較(jiao)大。
在方(fang)式1的(de)焊(han)縫(feng)(feng)沖擊斷口上有很多尺寸較大(da)的(de)夾雜物(wu)(wu)，用EDS能譜分析看(kan)到，夾雜物(wu)(wu)中(zhong)O、Si、Mn元素含量(liang)較高，為氧化物(wu)(wu)夾雜物(wu)(wu)。這種夾雜物(wu)(wu)對焊(han)縫(feng)(feng)的(de)沖擊性(xing)能有很大(da)的(de)影響，而其他斷口中(zhong)未發現(xian)有夾雜物(wu)(wu)的(de)存在。
方式2在(zai)焊(han)(han)縫(feng)中未(wei)發(fa)現氧(yang)化物夾雜，因(yin)此焊(han)(han)接接頭的(de)(de)沖擊(ji)性(xing)(xing)能較(jiao)高。可以認為，氧(yang)化物夾雜是影響焊(han)(han)接接頭沖擊(ji)性(xing)(xing)能主要因(yin)素，當氣(qi)體后保護效(xiao)果良(liang)好時，焊(han)(han)接接頭的(de)(de)沖擊(ji)韌(ren)性(xing)(xing)較(jiao)高，激光-CMT復合焊(han)(han)基本(ben)達到(dao)TIG填(tian)絲焊(han)(han)的(de)(de)水(shui)平。該項(xiang)焊(han)(han)接接技術若(ruo)取代(dai)TIG填(tian)絲焊(han)(han)應用(yong)于(yu)焊(han)(han)接生產，將(jiang)是焊(han)(han)接技術的(de)(de)一次重大變革。
