復(fù)合焊接是高能焊與TIG、MIG和MAG焊各取所長，進(jìn)行聯(lián)合焊接，以高能焊為基礎(chǔ)開發(fā)出來的高科技焊接方法。前景看好，已經(jīng)從試驗階段逐步過渡到用于生產(chǎn)，受到人們的重視和關(guān)注，為高質(zhì)量高效率焊接技術(shù)創(chuàng)造了一個發(fā)展空間。

一、CMT弧焊技術(shù)

  CMT（Cold Metal Transfer，也稱“冷金屬過渡”）弧焊技術(shù)是Fronius 公司在研究無飛濺過渡技術(shù)、鋁與鋼異種金屬焊接、及薄板焊接的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展和成熟起來的一門新的弧焊技術(shù)。該項技術(shù)與美國LINCOLN公司的表面張力過渡技術(shù)（Surface TensionTransfer，簡稱STT）以及日本OTC公司的控制液橋過渡技術(shù)（Controlled Bridge Trans-fer，簡稱CBT）均屬于數(shù)字化精確控制短路過渡電弧技術(shù)。

  CMT弧焊技術(shù)的最大技術(shù)優(yōu)勢在于其焊接過程飛濺少、焊接變形小、焊縫冶金質(zhì)量高（與常規(guī)熔化極氣體保護(hù)焊相比）。但是，由于CMT弧焊過程中熔池的溫度相對較低，因此在焊接中、厚板時，液態(tài)焊縫金屬在母材表面的潤濕性相對較差，得到焊縫的余高相對較大，特別是在采用多層多道焊時，易出現(xiàn)未熔合、夾渣等缺陷。此外，CMT弧焊在直流反接焊時，在純氬氣保護(hù)氣體下，由于保護(hù)氣體中無氧化性氣體，且熔池中缺少氧化物的存在，電弧的陰極斑點難以固定，隨焊接過程的進(jìn)行而不停漂移，表現(xiàn)為電弧飄動，挺度不足，導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，這是CMT弧焊技術(shù)不足。所以核電設(shè)備、航空航天對冶金性能要求極高的產(chǎn)品，在制造中無法應(yīng)用。

二、CMT弧焊與激光-CMT電弧復(fù)合熱源焊接時電弧形貌上的比較

  CMT過渡技術(shù)實際上是一種通過送絲協(xié)調(diào)及波形控制而實現(xiàn)“冷”與“熱”交替的短路過渡弧焊技術(shù)。CMT過渡中的“熱”過程實際上是大電流電弧燃燒而形成熔滴的過程，而“冷”過程實際上是小電流電弧維持燃燒待熔滴過渡的過程。從圖3-68和圖3-69分別為其他焊接條件相同情況下的單獨CMT的電弧形貌及激光與CMT復(fù)合后的電弧形貌。

  從兩幅圖中可以看出，激光加入前后CMT電弧形貌發(fā)生了可喜的變化：在純氬保護(hù)氣體保護(hù)下，激光與CMT電弧復(fù)合后，激光對CMT電弧（特別是大電流燃弧階段的電弧）產(chǎn)生了吸引作用，增加了電弧的挺度，使得原本不穩(wěn)定的焊接過程得到穩(wěn)定。還有焊縫正面成形美觀，可實現(xiàn)單面焊雙面成形。

  純氬保護(hù)的激光CMT復(fù)合焊焊接接頭與在TIG填絲的焊接接頭的力學(xué)性能方面進(jìn)行比較，測試結(jié)果見表3-52。從表中可知，激光-CMT復(fù)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(dāng)，而前者的抗拉強度則略高于后者。激光-CMT復(fù)合熱源焊接接頭的韌性更為穩(wěn)定。從接頭的硬度分布情況看，激光-CMT復(fù)合熱源焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)略高于TIG填絲的焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)。從焊接接頭的力學(xué)性能來考核，純氬保護(hù)的激光-CMT完全可以取代TIG填絲焊來實現(xiàn)304不銹鋼的焊接。

  304不銹鋼TIG填絲焊和激光-CMT 復(fù)合熱源焊接接頭的金相組織進(jìn)行比較：這兩種焊接方法的焊接接頭，它們的金相組織基本相同，焊縫金屬及焊接熱響區(qū)的奧氏體組織均為奧氏體＋少量8-鐵素體組織，且焊接熱影響區(qū)的奧氏體組織發(fā)生明顯的粗化。但是，仔細(xì)對比兩種焊接接頭的焊縫組織觀察則發(fā)現(xiàn)，焊縫柱狀晶晶粒略有差異：TIG填絲焊焊縫的柱狀晶晶粒略粗大；激光-CMT 復(fù)合熱源焊縫的柱狀晶晶粒略細(xì)小。可以認(rèn)為，激光-CMT復(fù)合熱源的有效熱輸入要比TIG填絲焊過程中的實際有效熱輸入小，從表3-55焊接參數(shù)中可知，其焊接熱輸入僅為TIG填絲焊的48％左右，這是導(dǎo)致TIG填絲焊焊縫的柱狀晶晶粒略粗大的原因。

  從技術(shù)的先進(jìn)性來說，對于304不銹鋼而言，純氬保護(hù)的激光-CMT焊接，其焊接接頭的力學(xué)性能不低于TIG焊，而焊接效率則是TIG填絲焊的5倍。該項焊接接技術(shù)若取代TIG填絲焊應(yīng)用于焊接生產(chǎn)，將是焊接技術(shù)的一次重大變革。

三、針對性試驗

  目前國內(nèi)外對于從事與核電厚壁部件的焊接主要采用的上TIG 填充焊（熱絲或冷絲）焊接方法。盡管這種焊接方法的焊接質(zhì)量相對比較穩(wěn)定，但也存在以下問題：焊接效率低及焊接熱輸入大，導(dǎo)致焊接變形也較大。

  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(fù)合熱源焊接的基礎(chǔ)上，提出了激光-CMT復(fù)合熱源焊接新方法。其特點是可以解決常規(guī)的熔化極氣體保護(hù)焊飛濺較大且必須在一定含量的氧化性保護(hù)氣體（O₂或CO₂）中才能穩(wěn)定焊接的問題，使其在純氬氣保護(hù)環(huán)境下獲得穩(wěn)定的焊接過程和良好的焊縫成形。

  采用激光-CMT電弧復(fù)合熱源焊接方法焊接8mm厚奧氏體型不銹鋼的試驗結(jié)果表明：焊接接頭的綜合力學(xué)性能與304不銹鋼TIG填絲焊接接頭的綜合力學(xué)性能相當(dāng)，而焊接效率是TIG填絲焊的3～5倍。要取得這個結(jié)果，必須在復(fù)合焊縫金屬中嚴(yán)格控制C、N、0等微量元素的含量，否則將對焊接接頭力學(xué)性能中的沖擊性能極為不利，無法達(dá)到TIG填絲焊的水平。

  經(jīng)分析，激光-CMT復(fù)合熱源焊接時，如果后保護(hù)范圍小，則在較高速度焊接時易卷入空氣，從而使得焊縫金屬中的C、N、O等雜質(zhì)元素含量偏高。因此，焊接后的保護(hù)措施至關(guān)重要。

為此，用激光-CMT復(fù)合熱源焊接方法，在純氬氣保護(hù)及較高速度焊接情況下，采取不同的后保護(hù)方法進(jìn)行試驗，將試驗結(jié)果與TIG填充絲焊進(jìn)行對比。

 1. 試驗材料和方法

   試驗材料為304不銹鋼，試板規(guī)格為400mm×200mm×20mm，保護(hù)氣體為工業(yè)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(xué)成分見表3-53，母材的力學(xué)性能見表3-54。采用激光-CMT復(fù)合熱源焊接試板。

 2. 試驗設(shè)備

   試驗用激光器為德國通快公司生產(chǎn)的TruDisk6002 型激光器，最大激光功率6kW，試驗中采用焦距為475mm的激光輸出透鏡；電弧焊機為奧地利Fronius公司生產(chǎn)的TPS4000型數(shù)字化CMT焊機；TIG填絲焊所用焊機為PANA-TIG SP300鎢極氬弧焊機。

 3. 試驗方法

   在純氬氣保護(hù)下采用兩種不同的后保護(hù)措施，以U形坡口對接的方式進(jìn)行焊接，坡口形式如圖3-70所示，后保護(hù)措施如圖3-71所示。其中，方式一為單一細(xì)噴嘴保護(hù)，方式二為雙管后保護(hù)。

4. 試驗結(jié)果與分析

  a. 氣體保護(hù)效果對焊縫成形及微量元素含量的影響 

     采用方式1后氣體保護(hù)時，焊縫發(fā)灰；而采用方式2后氣體保護(hù)時，焊縫呈銀白色，其氣體保護(hù)效果甚至好于TIG填絲焊縫。

    采用方式1和方式2增加后保護(hù)的激光-CMT復(fù)合焊與TIG填絲焊焊縫中C、N、H、O元素的含量的比較如表3-56所示。從表中可知，與方式1相比，采用方式2增加后保護(hù)焊縫中C、H元素的含量變化不大，而N、O元素含量下降到原來的1/4，并且與TIG填絲焊中C、N、H、O元素的含量相當(dāng)，而N、O元素的主要來源就是空氣。

    產(chǎn)生這種變化主要是因為：方式1后保護(hù)，噴嘴保護(hù)管徑細(xì)，保護(hù)范圍較小，熔池極易卷入空氣，表現(xiàn)為焊縫表面發(fā)灰，N、O元素含量偏高；方式2后保護(hù)時，管徑較粗，并且在焊縫方向上并排排列著兩個后噴嘴，大大加強了保護(hù)范圍，表現(xiàn)為焊縫呈銀白色，N、O元素含量大幅下降。

    由此可見，采用方式2增加后保護(hù)后，能夠更好地隔絕空氣與熔池的接觸，極大地改善了焊縫的保護(hù)效果。

  b. 氣體保護(hù)效果對焊接接頭沖擊性能的影響 

    將方式1和方式2增加后保護(hù)的激光-CMT復(fù)合焊焊縫中心進(jìn)行沖擊性能測式結(jié)果與TIG填絲焊的沖擊性能進(jìn)行對比，見表3-57。可以看出，采用方式1焊縫中心進(jìn)行沖擊值與TIG填絲焊接頭有較大差距；而方式2增加氣體保護(hù)后焊縫中心沖擊值基本上與TIG填絲焊焊接接頭相當(dāng)。

   用SEM觀察沖擊斷口的微觀形貌：方式1焊縫沖擊斷口形貌，韌窩尺寸較小，數(shù)量較多，深度較淺，起伏較小；方式2和TIG填絲焊的焊縫沖擊斷口形貌，韌窩尺寸較大，數(shù)量相對較少，深度較深，起伏較大。

   在方式1的焊縫沖擊斷口上有很多尺寸較大的夾雜物，用EDS能譜分析看到，夾雜物中O、Si、Mn元素含量較高，為氧化物夾雜物。這種夾雜物對焊縫的沖擊性能有很大的影響，而其他斷口中未發(fā)現(xiàn)有夾雜物的存在。

  方式2在焊縫中未發(fā)現(xiàn)氧化物夾雜，因此焊接接頭的沖擊性能較高。可以認(rèn)為，氧化物夾雜是影響焊接接頭沖擊性能主要因素，當(dāng)氣體后保護(hù)效果良好時，焊接接頭的沖擊韌性較高，激光-CMT復(fù)合焊基本達(dá)到TIG填絲焊的水平。該項焊接接技術(shù)若取代TIG填絲焊應(yīng)用于焊接生產(chǎn)，將是焊接技術(shù)的一次重大變革。