復(fu)合焊(han)接是高(gao)能(neng)焊(han)與(yu)TIG、MIG和MAG焊(han)各取(qu)所長(chang)，進行(xing)聯合焊(han)接，以高(gao)能(neng)焊(han)為基礎開發(fa)出(chu)來的高(gao)科技焊(han)接方法。前景(jing)看好(hao)，已經從(cong)試驗(yan)階(jie)段(duan)逐步過渡到用(yong)于生(sheng)產，受到人們(men)的重視和關注，為高(gao)質量高(gao)效率(lv)焊(han)接技術創造了一(yi)個發(fa)展空(kong)間。
一、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱(cheng)(cheng)“冷金(jin)屬過(guo)(guo)渡(du)”）弧焊技術(shu)是Fronius 公司在(zai)研(yan)究無飛濺過(guo)(guo)渡(du)技術(shu)、鋁與鋼(gang)異種金(jin)屬焊接(jie)、及薄(bo)板(ban)焊接(jie)的(de)基礎上逐漸發(fa)展(zhan)和成熟(shu)起來的(de)一門新(xin)的(de)弧焊技術(shu)。該項(xiang)技術(shu)與美國LINCOLN公司的(de)表面張力過(guo)(guo)渡(du)技術(shu)（Surface TensionTransfer，簡稱(cheng)(cheng)STT）以及日本OTC公司的(de)控(kong)(kong)制液橋過(guo)(guo)渡(du)技術(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱(cheng)(cheng)CBT）均屬于數(shu)字化(hua)精確控(kong)(kong)制短路過(guo)(guo)渡(du)電弧技術(shu)。
CMT弧焊(han)技術的(de)最大技術優勢在(zai)(zai)于其焊(han)接過(guo)程飛(fei)濺(jian)少、焊(han)接變(bian)形小、焊(han)縫冶金(jin)質(zhi)量高(gao)（與常(chang)規熔化極氣(qi)體保(bao)護(hu)焊(han)相比）。但是(shi)，由(you)于CMT弧焊(han)過(guo)程中(zhong)熔池(chi)的(de)溫(wen)度(du)相對較(jiao)低，因此在(zai)(zai)焊(han)接中(zhong)、厚板(ban)時，液態焊(han)縫金(jin)屬在(zai)(zai)母材表面(mian)的(de)潤濕性相對較(jiao)差，得到焊(han)縫的(de)余高(gao)相對較(jiao)大，特別(bie)是(shi)在(zai)(zai)采用多層多道(dao)焊(han)時，易出現(xian)未(wei)熔合、夾渣等缺陷。此外，CMT弧焊(han)在(zai)(zai)直流反接焊(han)時，在(zai)(zai)純(chun)氬氣(qi)保(bao)護(hu)氣(qi)體下(xia)，由(you)于保(bao)護(hu)氣(qi)體中(zhong)無(wu)氧化性氣(qi)體，且熔池(chi)中(zhong)缺少氧化物的(de)存(cun)在(zai)(zai)，電弧的(de)陰極斑點難以(yi)固定，隨焊(han)接過(guo)程的(de)進行而不停(ting)漂移(yi)，表現(xian)為(wei)電弧飄動(dong)，挺度(du)不足，導(dao)致(zhi)焊(han)接過(guo)程不穩(wen)定，這(zhe)是(shi)CMT弧焊(han)技術不足。所以(yi)核電設備、航(hang)空航(hang)天對冶金(jin)性能要求(qiu)極高(gao)的(de)產品，在(zai)(zai)制(zhi)造(zao)中(zhong)無(wu)法應用。
二、CMT弧焊(han)與激光(guang)-CMT電弧復合熱源焊(han)接(jie)時(shi)電弧形貌上的比較(jiao)
CMT過(guo)(guo)渡(du)技(ji)術實(shi)際(ji)上是一種通過(guo)(guo)送絲協(xie)調(diao)及(ji)波形(xing)控制而(er)(er)實(shi)現“冷(leng)”與“熱”交替的(de)短(duan)路過(guo)(guo)渡(du)弧(hu)焊技(ji)術。CMT過(guo)(guo)渡(du)中的(de)“熱”過(guo)(guo)程實(shi)際(ji)上是大電(dian)流電(dian)弧(hu)燃燒(shao)而(er)(er)形(xing)成熔(rong)滴的(de)過(guo)(guo)程，而(er)(er)“冷(leng)”過(guo)(guo)程實(shi)際(ji)上是小電(dian)流電(dian)弧(hu)維持燃燒(shao)待熔(rong)滴過(guo)(guo)渡(du)的(de)過(guo)(guo)程。從圖3-68和(he)圖3-69分(fen)別為其他(ta)焊接條件相同情況下的(de)單獨CMT的(de)電(dian)弧(hu)形(xing)貌(mao)及(ji)激(ji)光(guang)與CMT復(fu)合后的(de)電(dian)弧(hu)形(xing)貌(mao)。
從兩幅圖中可(ke)以看出，激(ji)光(guang)加入前后(hou)CMT電(dian)(dian)弧形(xing)貌(mao)發(fa)生了可(ke)喜(xi)的(de)變化(hua)：在純氬保護(hu)(hu)氣體保護(hu)(hu)下，激(ji)光(guang)與CMT電(dian)(dian)弧復(fu)合后(hou)，激(ji)光(guang)對CMT電(dian)(dian)弧（特(te)別是(shi)大電(dian)(dian)流燃(ran)弧階段(duan)的(de)電(dian)(dian)弧）產生了吸引作用(yong)，增加了電(dian)(dian)弧的(de)挺度，使得原本不穩定的(de)焊接過程得到穩定。還有焊縫正(zheng)面成形(xing)美(mei)觀，可(ke)實現單(dan)面焊雙(shuang)面成形(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不銹鋼的焊接。
304不銹(xiu)鋼TIG填絲焊(han)和激(ji)(ji)光(guang)(guang)-CMT 復(fu)合(he)(he)熱(re)源(yuan)(yuan)(yuan)焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)金相組織進行比較：這兩種焊(han)接(jie)(jie)方法的(de)焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭，它(ta)們(men)的(de)金相組織基本相同(tong)，焊(han)縫(feng)金屬(shu)及焊(han)接(jie)(jie)熱(re)響區(qu)的(de)奧(ao)氏(shi)體組織均為奧(ao)氏(shi)體＋少(shao)量8-鐵(tie)素體組織，且焊(han)接(jie)(jie)熱(re)影響區(qu)的(de)奧(ao)氏(shi)體組織發(fa)生明顯的(de)粗(cu)(cu)化。但是，仔(zi)細對比兩種焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)焊(han)縫(feng)組織觀察(cha)則發(fa)現，焊(han)縫(feng)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒略有(you)差(cha)異：TIG填絲焊(han)焊(han)縫(feng)的(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒略粗(cu)(cu)大(da)；激(ji)(ji)光(guang)(guang)-CMT 復(fu)合(he)(he)熱(re)源(yuan)(yuan)(yuan)焊(han)縫(feng)的(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒略細小。可以認(ren)為，激(ji)(ji)光(guang)(guang)-CMT復(fu)合(he)(he)熱(re)源(yuan)(yuan)(yuan)的(de)有(you)效(xiao)熱(re)輸(shu)入(ru)(ru)要(yao)比TIG填絲焊(han)過(guo)程中的(de)實際有(you)效(xiao)熱(re)輸(shu)入(ru)(ru)小，從(cong)表3-55焊(han)接(jie)(jie)參數中可知，其焊(han)接(jie)(jie)熱(re)輸(shu)入(ru)(ru)僅為TIG填絲焊(han)的(de)48％左右，這是導致TIG填絲焊(han)焊(han)縫(feng)的(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒略粗(cu)(cu)大(da)的(de)原因(yin)。
從技術(shu)的(de)先進性(xing)來說，對于(yu)304不銹(xiu)鋼而(er)言，純氬保護的(de)激(ji)光(guang)-CMT焊(han)接，其(qi)焊(han)接接頭的(de)力學性(xing)能不低于(yu)TIG焊(han)，而(er)焊(han)接效(xiao)率則是TIG填絲(si)焊(han)的(de)5倍。該項(xiang)焊(han)接接技術(shu)若取代TIG填絲(si)焊(han)應用于(yu)焊(han)接生產，將是焊(han)接技術(shu)的(de)一次重(zhong)大(da)變革。
三、針對性試驗
目前(qian)國內(nei)外對(dui)于從事(shi)與核(he)電厚壁部件的(de)焊(han)接(jie)(jie)主要采用的(de)上TIG 填(tian)充焊(han)（熱絲或冷絲）焊(han)接(jie)(jie)方(fang)法。盡管這種焊(han)接(jie)(jie)方(fang)法的(de)焊(han)接(jie)(jie)質量相(xiang)對(dui)比較穩定，但也(ye)存在以下(xia)問題：焊(han)接(jie)(jie)效率低及焊(han)接(jie)(jie)熱輸入大(da)，導(dao)致焊(han)接(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。
采用激光(guang)-CMT電弧(hu)復合(he)(he)熱(re)源焊(han)(han)(han)(han)接(jie)方法焊(han)(han)(han)(han)接(jie)8mm厚奧(ao)氏體型(xing)不銹鋼(gang)的試驗結(jie)果表明：焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭的綜合(he)(he)力(li)學性能(neng)(neng)與304不銹鋼(gang)TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭的綜合(he)(he)力(li)學性能(neng)(neng)相當，而(er)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)效(xiao)率是TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)的3～5倍(bei)。要取(qu)得這個結(jie)果，必須在(zai)復合(he)(he)焊(han)(han)(han)(han)縫金屬中(zhong)嚴格控制C、N、0等微(wei)量元(yuan)素的含(han)量，否則將對焊(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭力(li)學性能(neng)(neng)中(zhong)的沖擊性能(neng)(neng)極為不利，無法達到TIG填絲焊(han)(han)(han)(han)的水平。
經(jing)分(fen)析(xi)，激光-CMT復合熱(re)源焊接時，如果后(hou)保護范圍小，則在較高速(su)度(du)焊接時易卷入空氣(qi)，從(cong)而使得焊縫金屬中的C、N、O等雜質元素含量偏高。因此(ci)，焊接后(hou)的保護措施至關重(zhong)要(yao)。
為此，用激(ji)光-CMT復合熱源(yuan)焊(han)接(jie)方法(fa)，在純氬氣保(bao)護及(ji)較高速(su)度焊(han)接(jie)情(qing)況下，采取不同的后保(bao)護方法(fa)進行試驗(yan)(yan)，將(jiang)試驗(yan)(yan)結(jie)果(guo)與TIG填充絲(si)焊(han)進行對比。
1. 試驗(yan)材(cai)料和(he)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
試驗用激(ji)光器(qi)為德(de)國通快公司生(sheng)產(chan)的(de)TruDisk6002 型激(ji)光器(qi)，最(zui)大激(ji)光功(gong)率6kW，試驗中采(cai)用焦(jiao)距為475mm的(de)激(ji)光輸出透鏡；電弧(hu)焊(han)機(ji)為奧地利(li)Fronius公司生(sheng)產(chan)的(de)TPS4000型數字(zi)化CMT焊(han)機(ji)；TIG填(tian)絲焊(han)所用焊(han)機(ji)為PANA-TIG SP300鎢(wu)極氬(ya)弧(hu)焊(han)機(ji)。
3. 試驗方(fang)法
在純氬氣保(bao)護(hu)下采用兩種不(bu)同的后(hou)保(bao)護(hu)措施，以(yi)U形坡口對接的方(fang)式進(jin)行(xing)焊接，坡口形式如圖3-70所(suo)示(shi)，后(hou)保(bao)護(hu)措施如圖3-71所(suo)示(shi)。其中，方(fang)式一為(wei)單(dan)一細噴嘴保(bao)護(hu)，方(fang)式二為(wei)雙管后(hou)保(bao)護(hu)。
4. 試驗結果與分析(xi)
a. 氣體保護效果(guo)對焊縫成形及微量元(yuan)素含量的影響
采用方式(shi)1后氣體(ti)保(bao)護時(shi)，焊縫發灰；而(er)采用方式(shi)2后氣體(ti)保(bao)護時(shi)，焊縫呈銀白(bai)色(se)，其氣體(ti)保(bao)護效果甚至好于(yu)TIG填(tian)絲焊縫。
采用方式1和方式2增(zeng)加后保護(hu)的(de)(de)(de)激光-CMT復合焊(han)與(yu)TIG填(tian)絲(si)焊(han)焊(han)縫(feng)中C、N、H、O元素的(de)(de)(de)含(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)比(bi)較如表3-56所示(shi)。從表中可(ke)知，與(yu)方式1相比(bi)，采用方式2增(zeng)加后保護(hu)焊(han)縫(feng)中C、H元素的(de)(de)(de)含(han)量(liang)(liang)變化不大，而N、O元素含(han)量(liang)(liang)下降到原來(lai)(lai)的(de)(de)(de)1/4，并且與(yu)TIG填(tian)絲(si)焊(han)中C、N、H、O元素的(de)(de)(de)含(han)量(liang)(liang)相當，而N、O元素的(de)(de)(de)主要來(lai)(lai)源就(jiu)是空氣(qi)。
產生(sheng)這種(zhong)變(bian)化主要是因為(wei)：方(fang)(fang)(fang)式(shi)1后保(bao)護，噴(pen)嘴保(bao)護管徑細，保(bao)護范(fan)圍(wei)較小，熔池(chi)極易(yi)卷入空氣，表現為(wei)焊縫表面(mian)發灰，N、O元素含(han)(han)量(liang)偏高；方(fang)(fang)(fang)式(shi)2后保(bao)護時，管徑較粗(cu)，并且在焊縫方(fang)(fang)(fang)向上(shang)并排排列(lie)著(zhu)兩個后噴(pen)嘴，大(da)大(da)加強了保(bao)護范(fan)圍(wei)，表現為(wei)焊縫呈(cheng)銀白(bai)色，N、O元素含(han)(han)量(liang)大(da)幅下降。
由(you)此(ci)可見(jian)，采用方式2增加后(hou)保(bao)護(hu)后(hou)，能夠更(geng)好地隔(ge)絕空氣(qi)與熔池(chi)的接觸，極(ji)大(da)地改(gai)善(shan)了焊縫(feng)的保(bao)護(hu)效果(guo)。
b. 氣體保護效果對焊(han)接(jie)接(jie)頭沖擊性(xing)能(neng)的(de)影響
將方(fang)(fang)式(shi)1和方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)(zeng)加后保護(hu)的(de)(de)激光-CMT復合焊(han)(han)焊(han)(han)縫(feng)(feng)中心進行(xing)沖擊(ji)(ji)性能(neng)測式(shi)結(jie)果與TIG填絲焊(han)(han)的(de)(de)沖擊(ji)(ji)性能(neng)進行(xing)對比(bi)，見表(biao)3-57。可以看出，采用方(fang)(fang)式(shi)1焊(han)(han)縫(feng)(feng)中心進行(xing)沖擊(ji)(ji)值(zhi)與TIG填絲焊(han)(han)接(jie)頭(tou)有較(jiao)大差距；而方(fang)(fang)式(shi)2增(zeng)(zeng)加氣體保護(hu)后焊(han)(han)縫(feng)(feng)中心沖擊(ji)(ji)值(zhi)基(ji)本上(shang)與TIG填絲焊(han)(han)焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)相當。
用SEM觀察沖(chong)擊斷(duan)(duan)口的微觀形貌(mao)(mao)：方(fang)式(shi)1焊(han)縫沖(chong)擊斷(duan)(duan)口形貌(mao)(mao)，韌窩尺寸較(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)，數量較(jiao)(jiao)(jiao)多，深度較(jiao)(jiao)(jiao)淺(qian)，起(qi)伏較(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)；方(fang)式(shi)2和TIG填(tian)絲焊(han)的焊(han)縫沖(chong)擊斷(duan)(duan)口形貌(mao)(mao)，韌窩尺寸較(jiao)(jiao)(jiao)大，數量相對較(jiao)(jiao)(jiao)少，深度較(jiao)(jiao)(jiao)深，起(qi)伏較(jiao)(jiao)(jiao)大。
在方式1的焊(han)縫沖擊斷(duan)口(kou)上有(you)很(hen)多尺寸較(jiao)大的夾雜(za)物(wu)(wu)，用EDS能譜分(fen)析看(kan)到，夾雜(za)物(wu)(wu)中(zhong)O、Si、Mn元素含量較(jiao)高，為氧化物(wu)(wu)夾雜(za)物(wu)(wu)。這種(zhong)夾雜(za)物(wu)(wu)對焊(han)縫的沖擊性能有(you)很(hen)大的影響，而(er)其他斷(duan)口(kou)中(zhong)未發現(xian)有(you)夾雜(za)物(wu)(wu)的存在。
方式2在焊(han)縫中(zhong)未發現氧化物夾雜，因此(ci)焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)沖擊(ji)性能較(jiao)高。可以認(ren)為，氧化物夾雜是(shi)影響焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭沖擊(ji)性能主要因素，當氣體(ti)后保護效果良好時，焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)沖擊(ji)韌性較(jiao)高，激光-CMT復合焊(han)基本達(da)到TIG填(tian)絲焊(han)的(de)水平。該項焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技術(shu)若取代(dai)TIG填(tian)絲焊(han)應(ying)用于焊(han)接(jie)(jie)生產，將(jiang)是(shi)焊(han)接(jie)(jie)技術(shu)的(de)一(yi)次重大變(bian)革。
