復(fu)合焊(han)接是高(gao)能焊(han)與TIG、MIG和MAG焊(han)各取所長，進(jin)行聯合焊(han)接，以高(gao)能焊(han)為(wei)(wei)基(ji)礎開發(fa)出(chu)來的(de)高(gao)科技(ji)焊(han)接方法(fa)。前景看(kan)好(hao)，已經從試(shi)驗階段逐步過渡到(dao)(dao)用于(yu)生產，受到(dao)(dao)人們的(de)重視和關(guan)注，為(wei)(wei)高(gao)質量高(gao)效(xiao)率焊(han)接技(ji)術創(chuang)造(zao)了(le)一個發(fa)展(zhan)空(kong)間(jian)。
一、CMT弧焊技術
CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金(jin)(jin)屬(shu)過渡”）弧(hu)焊(han)技(ji)術(shu)(shu)是Fronius 公司(si)在(zai)研究無飛濺過渡技(ji)術(shu)(shu)、鋁與(yu)鋼異種金(jin)(jin)屬(shu)焊(han)接、及薄板焊(han)接的(de)(de)基礎上逐漸發展和(he)成熟起來的(de)(de)一門新的(de)(de)弧(hu)焊(han)技(ji)術(shu)(shu)。該(gai)項技(ji)術(shu)(shu)與(yu)美(mei)國LINCOLN公司(si)的(de)(de)表面(mian)張力(li)過渡技(ji)術(shu)(shu)（Surface TensionTransfer，簡(jian)(jian)稱STT）以及日本OTC公司(si)的(de)(de)控制液橋過渡技(ji)術(shu)(shu)（Controlled Bridge Trans-fer，簡(jian)(jian)稱CBT）均屬(shu)于數字化精確控制短路過渡電弧(hu)技(ji)術(shu)(shu)。
CMT弧焊(han)技(ji)(ji)術的(de)(de)最大技(ji)(ji)術優勢(shi)在于其焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)過程(cheng)飛濺少(shao)、焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)變形小、焊(han)縫(feng)冶金質量高(gao)（與常規熔(rong)化(hua)(hua)極氣(qi)體(ti)保護(hu)(hu)焊(han)相比(bi)）。但是(shi)，由于CMT弧焊(han)過程(cheng)中(zhong)熔(rong)池(chi)(chi)的(de)(de)溫度相對(dui)較低，因(yin)此在焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)中(zhong)、厚板時，液態焊(han)縫(feng)金屬(shu)在母材表(biao)面的(de)(de)潤濕性(xing)相對(dui)較差，得(de)到焊(han)縫(feng)的(de)(de)余高(gao)相對(dui)較大，特(te)別是(shi)在采用多層多道焊(han)時，易出現未(wei)熔(rong)合、夾渣等缺陷。此外，CMT弧焊(han)在直流反接(jie)(jie)(jie)(jie)焊(han)時，在純(chun)氬氣(qi)保護(hu)(hu)氣(qi)體(ti)下，由于保護(hu)(hu)氣(qi)體(ti)中(zhong)無氧化(hua)(hua)性(xing)氣(qi)體(ti)，且熔(rong)池(chi)(chi)中(zhong)缺少(shao)氧化(hua)(hua)物的(de)(de)存在，電(dian)弧的(de)(de)陰極斑點(dian)難以固定，隨焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)過程(cheng)的(de)(de)進(jin)行而(er)不(bu)停漂移(yi)，表(biao)現為電(dian)弧飄動，挺度不(bu)足(zu)，導(dao)致焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)過程(cheng)不(bu)穩定，這是(shi)CMT弧焊(han)技(ji)(ji)術不(bu)足(zu)。所以核電(dian)設(she)備、航空航天對(dui)冶金性(xing)能要求極高(gao)的(de)(de)產(chan)品(pin)，在制造(zao)中(zhong)無法應用。
二、CMT弧(hu)焊與(yu)激(ji)光-CMT電弧(hu)復合熱源(yuan)焊接(jie)時電弧(hu)形貌上的比較(jiao)
CMT過(guo)渡技術實(shi)際上(shang)是(shi)一種通(tong)過(guo)送(song)絲協調及(ji)波(bo)形控(kong)制而(er)實(shi)現“冷”與“熱”交(jiao)替的短(duan)路過(guo)渡弧(hu)(hu)焊技術。CMT過(guo)渡中的“熱”過(guo)程(cheng)實(shi)際上(shang)是(shi)大電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)燃燒而(er)形成熔滴的過(guo)程(cheng)，而(er)“冷”過(guo)程(cheng)實(shi)際上(shang)是(shi)小電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)維(wei)持燃燒待熔滴過(guo)渡的過(guo)程(cheng)。從圖3-68和圖3-69分別為(wei)其他焊接條件相同情況下(xia)的單(dan)獨(du)CMT的電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)形貌及(ji)激光與CMT復合后的電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)形貌。
從兩幅圖中可以(yi)看出，激光(guang)加入前后CMT電(dian)弧(hu)形貌發生了(le)(le)可喜的(de)變化：在純(chun)氬保(bao)護氣體保(bao)護下，激光(guang)與CMT電(dian)弧(hu)復合后，激光(guang)對(dui)CMT電(dian)弧(hu)（特別是大電(dian)流燃弧(hu)階段(duan)的(de)電(dian)弧(hu)）產生了(le)(le)吸引(yin)作(zuo)用(yong)，增加了(le)(le)電(dian)弧(hu)的(de)挺度(du)，使得(de)原本不穩定的(de)焊接過(guo)程得(de)到(dao)穩定。還有焊縫正面成形美(mei)觀，可實(shi)現單面焊雙面成形。
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(bu)銹鋼的焊接。
304不銹(xiu)鋼TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)和激光-CMT 復合熱源焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)的(de)金相(xiang)組織(zhi)進行比較：這兩(liang)種焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)方(fang)法的(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)，它們的(de)金相(xiang)組織(zhi)基本相(xiang)同，焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)金屬及(ji)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)熱響區的(de)奧氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)均為奧氏(shi)體(ti)(ti)＋少量8-鐵(tie)素體(ti)(ti)組織(zhi)，且(qie)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)熱影響區的(de)奧氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)發生(sheng)明顯的(de)粗(cu)化。但是，仔(zi)細對(dui)比兩(liang)種焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭(tou)的(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)組織(zhi)觀察則(ze)發現，焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)有差異：TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)粗(cu)大；激光-CMT 復合熱源焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)細小(xiao)。可以(yi)認為，激光-CMT復合熱源的(de)有效(xiao)(xiao)熱輸(shu)(shu)入(ru)要比TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)過程中的(de)實際有效(xiao)(xiao)熱輸(shu)(shu)入(ru)小(xiao)，從表(biao)3-55焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)參(can)數中可知(zhi)，其焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)熱輸(shu)(shu)入(ru)僅為TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)的(de)48％左右，這是導致TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)的(de)柱(zhu)狀晶(jing)(jing)晶(jing)(jing)粒略(lve)粗(cu)大的(de)原(yuan)因(yin)。
從技(ji)術的(de)先(xian)進(jin)性(xing)來說，對于(yu)304不(bu)銹鋼而言，純(chun)氬保護的(de)激(ji)光-CMT焊(han)(han)接(jie)(jie)，其焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)力(li)學性(xing)能不(bu)低于(yu)TIG焊(han)(han)，而焊(han)(han)接(jie)(jie)效率則是TIG填絲焊(han)(han)的(de)5倍(bei)。該項(xiang)焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)技(ji)術若(ruo)取代(dai)TIG填絲焊(han)(han)應用于(yu)焊(han)(han)接(jie)(jie)生產，將(jiang)是焊(han)(han)接(jie)(jie)技(ji)術的(de)一(yi)次重大變革。
三、針對性試(shi)驗
目前國內外(wai)對(dui)于(yu)從事(shi)與核電厚(hou)壁(bi)部件的焊(han)接主(zhu)要采(cai)用(yong)的上TIG 填充焊(han)（熱(re)(re)絲(si)(si)或冷絲(si)(si)）焊(han)接方(fang)法。盡管這(zhe)種焊(han)接方(fang)法的焊(han)接質(zhi)量相(xiang)對(dui)比較穩定，但也存在以下問題(ti)：焊(han)接效率低及焊(han)接熱(re)(re)輸入(ru)大，導致焊(han)接變形也較大。
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(guang)-CMT電弧復合(he)(he)熱源焊(han)接(jie)(jie)(jie)方法(fa)焊(han)接(jie)(jie)(jie)8mm厚奧(ao)氏體型不銹(xiu)鋼(gang)的(de)(de)試驗結果(guo)表(biao)明：焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)綜(zong)合(he)(he)力(li)學性(xing)(xing)能(neng)與304不銹(xiu)鋼(gang)TIG填(tian)(tian)絲焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)綜(zong)合(he)(he)力(li)學性(xing)(xing)能(neng)相當，而焊(han)接(jie)(jie)(jie)效率是TIG填(tian)(tian)絲焊(han)的(de)(de)3～5倍。要取得(de)這個結果(guo)，必須在復合(he)(he)焊(han)縫金屬中(zhong)嚴格(ge)控制(zhi)C、N、0等微量(liang)元素的(de)(de)含量(liang)，否則將對焊(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭力(li)學性(xing)(xing)能(neng)中(zhong)的(de)(de)沖擊性(xing)(xing)能(neng)極為不利(li)，無法(fa)達(da)到TIG填(tian)(tian)絲焊(han)的(de)(de)水(shui)平。
經(jing)分析(xi)，激光-CMT復合熱源焊接(jie)時(shi)，如(ru)果后保護(hu)范圍小，則在(zai)較高(gao)(gao)速(su)度(du)焊接(jie)時(shi)易卷入空氣，從(cong)而使(shi)得(de)焊縫金屬中(zhong)的(de)C、N、O等雜質(zhi)元素含量(liang)偏高(gao)(gao)。因此，焊接(jie)后的(de)保護(hu)措施至關重要。
為此，用激光(guang)-CMT復(fu)合熱(re)源(yuan)焊(han)接(jie)方(fang)法，在(zai)純氬氣保護及較高速(su)度焊(han)接(jie)情況下，采取不同的后保護方(fang)法進行(xing)試驗，將試驗結果與TIG填(tian)充絲焊(han)進行(xing)對(dui)比(bi)。
1. 試驗(yan)材料(liao)和方(fang)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(bei)
試(shi)驗用激(ji)(ji)(ji)光器為(wei)德國通快公司生(sheng)產(chan)的TruDisk6002 型激(ji)(ji)(ji)光器，最大(da)激(ji)(ji)(ji)光功(gong)率(lv)6kW，試(shi)驗中采用焦距為(wei)475mm的激(ji)(ji)(ji)光輸出透鏡；電弧焊(han)機(ji)為(wei)奧(ao)地利Fronius公司生(sheng)產(chan)的TPS4000型數字化CMT焊(han)機(ji)；TIG填絲(si)焊(han)所用焊(han)機(ji)為(wei)PANA-TIG SP300鎢(wu)極氬(ya)弧焊(han)機(ji)。
3. 試驗方法
在純氬氣(qi)保護(hu)(hu)下(xia)采用兩種不同的后(hou)(hou)保護(hu)(hu)措施(shi)，以U形(xing)坡口(kou)對接(jie)的方式進行焊接(jie)，坡口(kou)形(xing)式如圖3-70所示，后(hou)(hou)保護(hu)(hu)措施(shi)如圖3-71所示。其中(zhong)，方式一(yi)為單一(yi)細噴嘴保護(hu)(hu)，方式二(er)為雙管后(hou)(hou)保護(hu)(hu)。
4. 試驗結果與分(fen)析
a. 氣體(ti)保護效果對焊縫成形(xing)及微量元素含量的(de)影響(xiang)
采用方(fang)式1后(hou)氣體保護(hu)時，焊縫發灰(hui)；而采用方(fang)式2后(hou)氣體保護(hu)時，焊縫呈銀白色，其氣體保護(hu)效(xiao)果甚至好于TIG填絲焊縫。
采用方式1和(he)方式2增加后保(bao)護的(de)(de)激光(guang)-CMT復合焊(han)與TIG填絲(si)焊(han)焊(han)縫(feng)中(zhong)(zhong)C、N、H、O元素的(de)(de)含(han)(han)量(liang)的(de)(de)比較如表(biao)3-56所示(shi)。從表(biao)中(zhong)(zhong)可知，與方式1相比，采用方式2增加后保(bao)護焊(han)縫(feng)中(zhong)(zhong)C、H元素的(de)(de)含(han)(han)量(liang)變化不大，而N、O元素含(han)(han)量(liang)下降(jiang)到原來(lai)的(de)(de)1/4，并且與TIG填絲(si)焊(han)中(zhong)(zhong)C、N、H、O元素的(de)(de)含(han)(han)量(liang)相當，而N、O元素的(de)(de)主要來(lai)源就是(shi)空氣(qi)。
產生這種變化主要是因(yin)為：方式1后(hou)(hou)保護(hu)(hu)，噴(pen)嘴保護(hu)(hu)管徑細，保護(hu)(hu)范圍較(jiao)小，熔池極易卷(juan)入空氣，表(biao)現為焊縫(feng)表(biao)面發灰，N、O元素含(han)量偏(pian)高(gao)；方式2后(hou)(hou)保護(hu)(hu)時(shi)，管徑較(jiao)粗，并(bing)且在焊縫(feng)方向上并(bing)排排列著兩個后(hou)(hou)噴(pen)嘴，大大加(jia)強了保護(hu)(hu)范圍，表(biao)現為焊縫(feng)呈銀白色(se)，N、O元素含(han)量大幅下降。
由此可(ke)見，采用方式2增(zeng)加后(hou)(hou)保護(hu)后(hou)(hou)，能(neng)夠更好(hao)地(di)隔絕空氣(qi)與熔池的接觸，極大(da)地(di)改(gai)善了焊縫的保護(hu)效果。
b. 氣體保護效果對焊接接頭沖擊性能(neng)的(de)影響
將方(fang)式1和方(fang)式2增(zeng)加(jia)后保護的激光(guang)-CMT復合焊(han)(han)焊(han)(han)縫(feng)(feng)(feng)中(zhong)心進(jin)行(xing)沖擊(ji)(ji)性(xing)能(neng)測式結果與TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)的沖擊(ji)(ji)性(xing)能(neng)進(jin)行(xing)對(dui)比，見表3-57。可以看出，采用方(fang)式1焊(han)(han)縫(feng)(feng)(feng)中(zhong)心進(jin)行(xing)沖擊(ji)(ji)值(zhi)與TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)接頭(tou)有較(jiao)大差距(ju)；而方(fang)式2增(zeng)加(jia)氣體(ti)保護后焊(han)(han)縫(feng)(feng)(feng)中(zhong)心沖擊(ji)(ji)值(zhi)基(ji)本(ben)上與TIG填(tian)絲(si)焊(han)(han)焊(han)(han)接接頭(tou)相當。
用SEM觀(guan)察沖擊斷口的微(wei)觀(guan)形(xing)貌(mao)：方式1焊縫沖擊斷口形(xing)貌(mao)，韌窩尺寸較(jiao)小(xiao)，數量(liang)(liang)較(jiao)多(duo)，深度(du)較(jiao)淺，起(qi)伏(fu)較(jiao)小(xiao)；方式2和TIG填(tian)絲焊的焊縫沖擊斷口形(xing)貌(mao)，韌窩尺寸較(jiao)大，數量(liang)(liang)相(xiang)對較(jiao)少(shao)，深度(du)較(jiao)深，起(qi)伏(fu)較(jiao)大。
在(zai)方(fang)式(shi)1的(de)(de)(de)焊(han)縫沖(chong)(chong)擊斷(duan)口上有很(hen)多(duo)尺寸較大的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)，用EDS能譜分析看到，夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)中O、Si、Mn元素含量較高(gao)，為氧化物(wu)夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)。這種夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)對焊(han)縫的(de)(de)(de)沖(chong)(chong)擊性能有很(hen)大的(de)(de)(de)影(ying)響，而其他斷(duan)口中未發(fa)現有夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)存在(zai)。
方式2在焊(han)(han)(han)縫中(zhong)未(wei)發現氧(yang)化物夾雜(za)，因此焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的沖擊(ji)性(xing)能較高。可以認(ren)為，氧(yang)化物夾雜(za)是影響(xiang)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)沖擊(ji)性(xing)能主(zhu)要因素，當(dang)氣體后保護效果良好時，焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的沖擊(ji)韌性(xing)較高，激光-CMT復合焊(han)(han)(han)基本(ben)達(da)到TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)的水平。該(gai)項(xiang)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)技術(shu)若(ruo)取代TIG填絲(si)焊(han)(han)(han)應用于焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)生產(chan)，將是焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)技術(shu)的一次(ci)重大變(bian)革。
