復合焊(han)(han)接是高(gao)能焊(han)(han)與TIG、MIG和(he)MAG焊(han)(han)各(ge)取所長，進行聯合焊(han)(han)接，以(yi)高(gao)能焊(han)(han)為(wei)基礎開(kai)發(fa)出來的(de)(de)高(gao)科技焊(han)(han)接方法(fa)。前景看好，已經(jing)從試驗(yan)階段逐(zhu)步過渡(du)到用于(yu)生(sheng)產，受到人(ren)們(men)的(de)(de)重(zhong)視和(he)關注，為(wei)高(gao)質量(liang)高(gao)效率焊(han)(han)接技術(shu)創造了一個發(fa)展(zhan)空間(jian)。
一、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷(leng)金屬過(guo)(guo)渡(du)”）弧(hu)焊技(ji)(ji)術(shu)(shu)是Fronius 公司在研究(jiu)無飛濺過(guo)(guo)渡(du)技(ji)(ji)術(shu)(shu)、鋁與(yu)鋼異種金屬焊接、及薄板焊接的(de)基礎上逐漸發展和成熟起來的(de)一門(men)新的(de)弧(hu)焊技(ji)(ji)術(shu)(shu)。該項(xiang)技(ji)(ji)術(shu)(shu)與(yu)美國LINCOLN公司的(de)表面(mian)張(zhang)力過(guo)(guo)渡(du)技(ji)(ji)術(shu)(shu)（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以及日(ri)本OTC公司的(de)控(kong)制液橋過(guo)(guo)渡(du)技(ji)(ji)術(shu)(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均屬于(yu)數字化精確控(kong)制短路(lu)過(guo)(guo)渡(du)電弧(hu)技(ji)(ji)術(shu)(shu)。
CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)技(ji)術(shu)的最(zui)大(da)技(ji)術(shu)優勢(shi)在(zai)于(yu)其焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)過(guo)程飛濺少、焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)變形小、焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫冶金質量高（與常規熔化極氣(qi)(qi)體保(bao)(bao)護焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)相比）。但是，由于(yu)CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)過(guo)程中(zhong)熔池的溫度(du)相對較低，因此(ci)在(zai)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)中(zhong)、厚板時，液態焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫金屬在(zai)母(mu)材(cai)表(biao)(biao)面的潤濕性(xing)相對較差(cha)，得到焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫的余高相對較大(da)，特(te)別是在(zai)采(cai)用多層(ceng)多道(dao)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)時，易出現(xian)未熔合、夾渣等缺陷。此(ci)外，CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)在(zai)直流反接(jie)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)時，在(zai)純氬氣(qi)(qi)保(bao)(bao)護氣(qi)(qi)體下(xia)，由于(yu)保(bao)(bao)護氣(qi)(qi)體中(zhong)無氧化性(xing)氣(qi)(qi)體，且熔池中(zhong)缺少氧化物的存在(zai)，電弧(hu)(hu)的陰極斑點難以固定(ding)，隨焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)過(guo)程的進(jin)行(xing)而不(bu)(bu)(bu)停漂(piao)移(yi)，表(biao)(biao)現(xian)為電弧(hu)(hu)飄動(dong)，挺度(du)不(bu)(bu)(bu)足，導致(zhi)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)過(guo)程不(bu)(bu)(bu)穩(wen)定(ding)，這是CMT弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)技(ji)術(shu)不(bu)(bu)(bu)足。所以核電設備、航(hang)空航(hang)天對冶金性(xing)能要求極高的產品，在(zai)制(zhi)造中(zhong)無法應用。
二、CMT弧焊(han)與激光-CMT電弧復合熱源焊(han)接時電弧形貌上(shang)的比較
CMT過(guo)(guo)(guo)渡(du)技術實(shi)際上(shang)是一種(zhong)通(tong)過(guo)(guo)(guo)送絲協調(diao)及波形(xing)(xing)控制而(er)實(shi)現“冷”與“熱”交替的(de)(de)(de)短路過(guo)(guo)(guo)渡(du)弧(hu)焊技術。CMT過(guo)(guo)(guo)渡(du)中的(de)(de)(de)“熱”過(guo)(guo)(guo)程(cheng)實(shi)際上(shang)是大(da)電流電弧(hu)燃燒(shao)而(er)形(xing)(xing)成熔滴(di)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)，而(er)“冷”過(guo)(guo)(guo)程(cheng)實(shi)際上(shang)是小電流電弧(hu)維持燃燒(shao)待熔滴(di)過(guo)(guo)(guo)渡(du)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)。從圖(tu)3-68和圖(tu)3-69分(fen)別(bie)為其(qi)他焊接條件相同情況下的(de)(de)(de)單獨CMT的(de)(de)(de)電弧(hu)形(xing)(xing)貌及激光與CMT復合后的(de)(de)(de)電弧(hu)形(xing)(xing)貌。
從兩幅(fu)圖中可(ke)以看出，激(ji)(ji)光加入前后CMT電(dian)(dian)弧形(xing)(xing)貌發生了可(ke)喜的(de)變化：在(zai)純氬保護(hu)氣體保護(hu)下，激(ji)(ji)光與(yu)CMT電(dian)(dian)弧復合(he)后，激(ji)(ji)光對(dui)CMT電(dian)(dian)弧（特別是(shi)大電(dian)(dian)流燃弧階段的(de)電(dian)(dian)弧）產生了吸(xi)引(yin)作用，增加了電(dian)(dian)弧的(de)挺度，使得(de)原(yuan)本不穩定的(de)焊(han)(han)接過程(cheng)得(de)到穩定。還(huan)有焊(han)(han)縫正(zheng)面成(cheng)形(xing)(xing)美(mei)觀，可(ke)實(shi)現單面焊(han)(han)雙(shuang)面成(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不銹鋼TIG填絲(si)焊(han)和激光-CMT 復(fu)合熱(re)(re)(re)源(yuan)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)金(jin)相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)進行比(bi)較：這兩(liang)種(zhong)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)方法的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)，它們的(de)(de)金(jin)相(xiang)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)基本相(xiang)同(tong)，焊(han)縫(feng)(feng)金(jin)屬及焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)響區(qu)(qu)的(de)(de)奧(ao)氏體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)均為奧(ao)氏體(ti)＋少量8-鐵素(su)體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)，且焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)影響區(qu)(qu)的(de)(de)奧(ao)氏體(ti)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)發(fa)(fa)生明顯的(de)(de)粗(cu)化(hua)。但(dan)是，仔細(xi)對比(bi)兩(liang)種(zhong)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)焊(han)縫(feng)(feng)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)觀察則發(fa)(fa)現，焊(han)縫(feng)(feng)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略(lve)有差異(yi)：TIG填絲(si)焊(han)焊(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略(lve)粗(cu)大；激光-CMT 復(fu)合熱(re)(re)(re)源(yuan)焊(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略(lve)細(xi)小。可以認(ren)為，激光-CMT復(fu)合熱(re)(re)(re)源(yuan)的(de)(de)有效熱(re)(re)(re)輸(shu)入(ru)要比(bi)TIG填絲(si)焊(han)過(guo)程中的(de)(de)實際(ji)有效熱(re)(re)(re)輸(shu)入(ru)小，從(cong)表(biao)3-55焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)參數(shu)中可知，其焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)輸(shu)入(ru)僅為TIG填絲(si)焊(han)的(de)(de)48％左右，這是導致TIG填絲(si)焊(han)焊(han)縫(feng)(feng)的(de)(de)柱狀(zhuang)晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)略(lve)粗(cu)大的(de)(de)原因。
從技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)先進性來說，對于(yu)304不銹鋼而言(yan)，純氬保護的(de)(de)激(ji)光-CMT焊接(jie)(jie)，其焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)(de)力學性能不低于(yu)TIG焊，而焊接(jie)(jie)效率則(ze)是(shi)TIG填絲(si)焊的(de)(de)5倍。該項焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)技(ji)(ji)術(shu)若取(qu)代(dai)TIG填絲(si)焊應用(yong)于(yu)焊接(jie)(jie)生產，將是(shi)焊接(jie)(jie)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)一次重(zhong)大變革。
三、針對性(xing)試驗
目前國內外對(dui)于從事與(yu)核電厚壁(bi)部件的焊(han)(han)(han)接(jie)主要采用的上TIG 填充焊(han)(han)(han)（熱(re)絲(si)或冷絲(si)）焊(han)(han)(han)接(jie)方法。盡管這種(zhong)焊(han)(han)(han)接(jie)方法的焊(han)(han)(han)接(jie)質量相對(dui)比較(jiao)(jiao)穩定，但也存在以下問題：焊(han)(han)(han)接(jie)效(xiao)率低及焊(han)(han)(han)接(jie)熱(re)輸(shu)入大(da)，導致(zhi)焊(han)(han)(han)接(jie)變形也較(jiao)(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(yong)激光-CMT電弧復(fu)合(he)熱源焊(han)接(jie)(jie)(jie)方法焊(han)接(jie)(jie)(jie)8mm厚(hou)奧氏體型(xing)不銹(xiu)(xiu)鋼的試(shi)驗結果表明：焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的綜(zong)合(he)力學(xue)性能(neng)與304不銹(xiu)(xiu)鋼TIG填絲(si)(si)焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的綜(zong)合(he)力學(xue)性能(neng)相當，而焊(han)接(jie)(jie)(jie)效率是TIG填絲(si)(si)焊(han)的3～5倍(bei)。要取(qu)得這個結果，必須在復(fu)合(he)焊(han)縫金(jin)屬中嚴格控制C、N、0等微量(liang)元(yuan)素的含量(liang)，否則將對焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)力學(xue)性能(neng)中的沖擊(ji)性能(neng)極為(wei)不利，無(wu)法達到TIG填絲(si)(si)焊(han)的水平(ping)。
經分析，激光-CMT復合熱源焊(han)接時(shi)，如果后保(bao)護范(fan)圍小，則在較高(gao)速(su)度焊(han)接時(shi)易卷(juan)入空氣(qi)，從而使得焊(han)縫(feng)金屬中的(de)C、N、O等雜質元(yuan)素含量偏高(gao)。因此，焊(han)接后的(de)保(bao)護措施(shi)至關重要。
為此，用激光-CMT復合熱源焊接(jie)方(fang)法，在純氬氣保護及較高速(su)度焊接(jie)情(qing)況下，采取不同的后保護方(fang)法進行試驗，將(jiang)試驗結果與(yu)TIG填充絲焊進行對比。
1. 試驗材(cai)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(she)備
試(shi)驗(yan)用(yong)激光器(qi)為(wei)(wei)德國(guo)通快公司生產的(de)(de)TruDisk6002 型激光器(qi)，最大激光功(gong)率6kW，試(shi)驗(yan)中采用(yong)焦距為(wei)(wei)475mm的(de)(de)激光輸出透鏡；電弧焊機(ji)為(wei)(wei)奧地利Fronius公司生產的(de)(de)TPS4000型數字化CMT焊機(ji)；TIG填(tian)絲焊所用(yong)焊機(ji)為(wei)(wei)PANA-TIG SP300鎢極(ji)氬弧焊機(ji)。
3. 試驗方法
在純氬氣保(bao)(bao)護(hu)下采用兩種不同的(de)后保(bao)(bao)護(hu)措施，以U形坡口對接(jie)(jie)的(de)方(fang)式進行焊接(jie)(jie)，坡口形式如圖3-70所示，后保(bao)(bao)護(hu)措施如圖3-71所示。其中，方(fang)式一(yi)為單(dan)一(yi)細噴嘴保(bao)(bao)護(hu)，方(fang)式二為雙管(guan)后保(bao)(bao)護(hu)。
4. 試驗結(jie)果與分析
a. 氣體保護效果對焊縫成形及微量元素含量的影(ying)響
采(cai)用方式1后氣(qi)體保護時，焊(han)(han)縫發灰；而采(cai)用方式2后氣(qi)體保護時，焊(han)(han)縫呈銀(yin)白色，其氣(qi)體保護效果(guo)甚至(zhi)好于TIG填絲焊(han)(han)縫。
采用(yong)方式1和方式2增加后保(bao)護的(de)激光-CMT復合焊與(yu)TIG填絲焊焊縫(feng)中C、N、H、O元素的(de)含(han)量的(de)比較如表3-56所(suo)示。從表中可知，與(yu)方式1相比，采用(yong)方式2增加后保(bao)護焊縫(feng)中C、H元素的(de)含(han)量變化不大，而(er)N、O元素含(han)量下降到原(yuan)來的(de)1/4，并且與(yu)TIG填絲焊中C、N、H、O元素的(de)含(han)量相當，而(er)N、O元素的(de)主(zhu)要來源就(jiu)是空氣。
產生這(zhe)種變化主(zhu)要是因為(wei)：方式1后(hou)(hou)保(bao)護(hu)，噴(pen)嘴(zui)保(bao)護(hu)管徑(jing)細，保(bao)護(hu)范(fan)圍較(jiao)小，熔池極易卷入空氣，表現(xian)為(wei)焊(han)縫表面發灰，N、O元(yuan)(yuan)素(su)含(han)(han)量偏(pian)高；方式2后(hou)(hou)保(bao)護(hu)時，管徑(jing)較(jiao)粗，并且(qie)在焊(han)縫方向上并排排列著兩個后(hou)(hou)噴(pen)嘴(zui)，大(da)大(da)加強了(le)保(bao)護(hu)范(fan)圍，表現(xian)為(wei)焊(han)縫呈銀白色，N、O元(yuan)(yuan)素(su)含(han)(han)量大(da)幅下(xia)降。
由此可見，采用方式2增(zeng)加后保(bao)(bao)護(hu)后，能夠(gou)更好地隔絕空氣(qi)與(yu)熔池的接觸，極大地改善了焊縫的保(bao)(bao)護(hu)效(xiao)果(guo)。
b. 氣體保護(hu)效果對焊接(jie)接(jie)頭(tou)沖擊性(xing)能的影響
將(jiang)方式(shi)1和方式(shi)2增(zeng)加后(hou)(hou)保護的激光-CMT復合焊(han)焊(han)縫(feng)中(zhong)心(xin)進行沖(chong)擊性(xing)能(neng)測(ce)式(shi)結果與(yu)TIG填絲(si)(si)焊(han)的沖(chong)擊性(xing)能(neng)進行對比，見表3-57。可以看(kan)出，采用方式(shi)1焊(han)縫(feng)中(zhong)心(xin)進行沖(chong)擊值與(yu)TIG填絲(si)(si)焊(han)接頭有較(jiao)大差距(ju)；而方式(shi)2增(zeng)加氣(qi)體保護后(hou)(hou)焊(han)縫(feng)中(zhong)心(xin)沖(chong)擊值基(ji)本上與(yu)TIG填絲(si)(si)焊(han)焊(han)接接頭相當。
用SEM觀(guan)察沖擊(ji)斷(duan)口的微觀(guan)形(xing)(xing)貌(mao)(mao)(mao)：方(fang)式(shi)1焊(han)縫沖擊(ji)斷(duan)口形(xing)(xing)貌(mao)(mao)(mao)，韌窩尺(chi)寸較(jiao)(jiao)(jiao)小，數量(liang)較(jiao)(jiao)(jiao)多，深度較(jiao)(jiao)(jiao)淺，起伏(fu)較(jiao)(jiao)(jiao)小；方(fang)式(shi)2和TIG填絲焊(han)的焊(han)縫沖擊(ji)斷(duan)口形(xing)(xing)貌(mao)(mao)(mao)，韌窩尺(chi)寸較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，數量(liang)相對(dui)較(jiao)(jiao)(jiao)少，深度較(jiao)(jiao)(jiao)深，起伏(fu)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)。
在方式1的(de)焊(han)縫沖(chong)擊斷口上有(you)(you)很多尺寸較大的(de)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)，用EDS能(neng)譜分析看到，夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)中O、Si、Mn元素含量較高(gao)，為(wei)氧化物(wu)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)。這種夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)對(dui)焊(han)縫的(de)沖(chong)擊性能(neng)有(you)(you)很大的(de)影響，而其他斷口中未發現有(you)(you)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)存在。
方式(shi)2在(zai)焊(han)縫(feng)中未發現氧化物夾雜，因(yin)(yin)此焊(han)接(jie)接(jie)頭的沖擊性(xing)能較高(gao)。可以認(ren)為(wei)，氧化物夾雜是影響焊(han)接(jie)接(jie)頭沖擊性(xing)能主要(yao)因(yin)(yin)素，當氣體(ti)后(hou)保護效(xiao)果良好(hao)時，焊(han)接(jie)接(jie)頭的沖擊韌(ren)性(xing)較高(gao)，激光-CMT復合焊(han)基(ji)本(ben)達到(dao)TIG填(tian)絲(si)焊(han)的水平。該項焊(han)接(jie)接(jie)技(ji)術(shu)若(ruo)取代TIG填(tian)絲(si)焊(han)應用于焊(han)接(jie)生產，將是焊(han)接(jie)技(ji)術(shu)的一次重大變(bian)革。
