TIG焊活性劑對(duì)焊縫成形的影響

1、TIG焊活性劑對(duì)焊縫成形的影響TIG焊在生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，它可以獲得優(yōu)質(zhì)焊縫，常用來(lái)焊接有色金屬、不銹鋼、超高強(qiáng)度鋼等材料。但是TIG焊存在熔深淺(3mm)、焊接效率低等缺點(diǎn)，對(duì)于厚板需要開(kāi)坡口進(jìn)行多道焊。增大焊接電流雖然能使熔深增加，但熔寬和熔池體積增加的幅度要遠(yuǎn)大于熔深的增加幅度。 活性化TIG焊方法近年來(lái)引起了世界范圍內(nèi)的重視。該方法最早是由烏克蘭巴頓焊接研究所(PWI)在60年代研制1，但是直到90年代末期歐美國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)(如愛(ài)迪生焊接研究所（EWI）和英國(guó)焊接研究所（TWI）等)才開(kāi)展廣泛的研究2，其中EWI開(kāi)發(fā)的焊劑已經(jīng)在海軍造船業(yè)中使用3。這種技術(shù)是在焊前將焊

2、縫表面涂敷上一層活性焊劑(簡(jiǎn)稱活性劑)，在相同的焊接規(guī)范下，同常規(guī)的TIG焊相比，可以大幅度地提高熔深(最大可達(dá)300%)。對(duì)于8mm的厚板焊接可以不開(kāi)坡口一次獲得較大的熔深或一次焊透，對(duì)于薄板可以在不改變焊接速度的情況下減小焊接熱輸入4。目前A-TIG焊可以用于焊接不銹鋼、碳鋼、鎳基合金和鈦合金等材料。同傳統(tǒng)的TIG焊相比，A-TIG焊，可以大大地提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)還可以減小焊接變形，具有非常重要的應(yīng)用前景5。A-TIG焊關(guān)鍵的因素在于活性劑成分的選配。目前常用的活性劑成分主要有氧化物、氯化物和氟化物，不同的材料，其適用的活性劑成分不同。但是由于這種技術(shù)的重要性，活性劑的成分和配

3、方在PWI和EWI都有專利限制，公開(kāi)出版物上很少報(bào)道。目前對(duì)A-TIG焊的研究主要集中在活性劑作用機(jī)理的研究和活性化焊接應(yīng)用技術(shù)的研究?jī)蓚€(gè)方面。本文主要針對(duì)不銹鋼材料和鈦合金材料，試驗(yàn)研究不同活性劑和活性劑涂敷量對(duì)焊縫成形的影響，為后續(xù)確定這些材料所適用的最佳活性劑奠定基礎(chǔ)。1 試驗(yàn)方法1.1 活性劑種類的選擇目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)并使用的活性劑主要有三種類型：氧化物、氟化物和氯化物。早期由PWI研制的用于鈦合金焊接的活性劑以氧化物和氯化物為主，但是氯化物的毒性大，不利于推廣和應(yīng)用。目前國(guó)外焊接不銹鋼、碳鋼等所使用的活性劑以氧化物為主，而對(duì)于鈦合金材料的焊接其活性劑中含有一定的氟化

4、物成分。因此本文主要選擇了單一成分的氧化物(SiO2、Cr2O3和TiO2)和氟化物(CaF2和NaF)作為活性劑，分別研究活性劑涂敷量對(duì)焊縫成形的影響。1.2 試驗(yàn)方法150mm×50mm×6mm平板堆焊，材料0Cr18Ni9不銹鋼和TC4(Ti6Al4V)鈦合金，鈦合金試件的厚度為2mm。焊接不銹鋼的規(guī)范參數(shù)見(jiàn)表1，鈦合金焊接的規(guī)范參數(shù)見(jiàn)表2。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與TIG和A-TIG的可比性，在每條焊縫焊接之前，均JP重新研磨電極呈標(biāo)準(zhǔn)形狀，調(diào)整電弧至標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，保證每條焊縫均在同一規(guī)范條件下焊接。試驗(yàn)時(shí)，分別將ASiO2、BNaF、CCr2O3、D

5、0;TiO2和ECaF2 等五種活化劑粉末，用丙酮調(diào)和成溶液，然后用扁平毛刷均勻地涂敷在五種各6塊共31塊試板上，但涂層厚度各不相同。待丙酮完全揮發(fā)后，將長(zhǎng)150mm的試板均劃分成90mm與60mm兩區(qū)，其中60mm區(qū)域上的活化劑擦拭到濾紙上，通過(guò)電子分析天平（精度為0.01mg）測(cè)量并計(jì)算出每塊試板單位面積活化劑的涂敷量，列入表3和表4中。2 試驗(yàn)結(jié)果 2.1 單一成分的活性劑對(duì)不銹鋼焊縫成形的影響圖1給出了五種單一成分的活性劑涂敷量對(duì)焊縫成形影響的照片。圖中的焊接方向從左到右，白線左邊沒(méi)有涂敷活性劑，白線右邊涂敷了活性劑。從不同種類活性劑以及活性劑涂

6、敷量不同時(shí)，所形成的焊縫成形可以看到下列情況。(1) 對(duì)于涂敷了SiO2活性劑的焊縫，隨著SiO2涂敷量的增加，焊道寬度逐漸變窄，弧坑變長(zhǎng)變窄變深。焊道后部余高變高,在涂敷活性劑和未涂敷活性劑的交接處，焊道金屬堆積多，在所有活性劑中，SiO2對(duì)焊縫成形作用效果最大。(2) 活性劑NaF、Cr2O3對(duì)焊道成形的影響不明顯。隨著涂敷量的增加，焊縫寬度變化并不大，弧坑也沒(méi)有明顯變化。與無(wú)活性劑的焊縫相比，焊道寬度也沒(méi)有明顯的變化，但弧坑比無(wú)活性劑的要大。(3) 隨著TiO2涂敷量的增加，焊道外觀變化不大，弧坑沒(méi)有明顯變化，與無(wú)活性劑時(shí)相似。但所形成的焊縫表面比較平整規(guī)則

7、，沒(méi)有出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象，比無(wú)活性劑的焊道成形要好。(4) 活性劑CaF2對(duì)焊道成形影響較大。隨著CaF2涂敷量的增加，焊縫成形變差，弧坑變化不大，焊縫寬度變化不大。但隨著CaF2量的增加出現(xiàn)咬邊等缺陷。(5) 對(duì)熔深的影響上，與無(wú)活性劑相比，上述五種活性劑都能夠增加焊縫的熔深，而且隨著涂敷量的增加，熔深也相應(yīng)的增加。但是當(dāng)涂敷量達(dá)到一定值時(shí)，熔深增加達(dá)到飽和，再增加涂敷量，熔深反而下降。如圖2所示。2.2 單一成分的活性劑對(duì)鈦合金焊縫成形的影響圖3給出了2mm厚度TC4鈦合金表面堆焊中使用活性劑的作用效果。為了便于對(duì)比，試驗(yàn)中選擇各活性劑的涂敷量相近，并且都能對(duì)焊縫形

8、成完全熔透。從圖3中可以看出,在焊接鈦板時(shí)，活性劑CaF2、NaF、SiO2和TiO2對(duì)熔深和熔寬的影響都比較大。未涂敷活性劑區(qū)域中的焊道，只有正面產(chǎn)生了較寬的熔化，背面未見(jiàn)明顯熔化；而涂敷活性劑的焊縫，在正面有合適的熔寬的同時(shí)，背面亦得到完全熔透，正反面狀態(tài)良好。焊道的寬度比無(wú)活性劑的窄。涂有表面活性劑Cr2O3的區(qū)域雖然同無(wú)活性劑的焊縫相比熔深增加，但是正面寬度幾乎沒(méi)變化，而且焊縫中心區(qū)凹陷，容易出現(xiàn)的咬邊現(xiàn)象。3 討論到目前為止，人們認(rèn)為"電弧收縮"和"熔池表面張力變化"是A-TIG焊接中導(dǎo)致熔深增加的兩個(gè)主要原因68。3.1 

9、電弧收縮機(jī)理對(duì)熔深增加的"電弧收縮"理論認(rèn)為，活性劑在電弧高溫下蒸發(fā)后以原子形態(tài)包圍在電弧周邊區(qū)域，由于電弧周邊區(qū)域溫度較低，活性劑蒸發(fā)原子捕捉該區(qū)域中的電子形成負(fù)離子并散失到周圍空間，使電弧中的電子數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，電弧導(dǎo)電性能減弱，其最終結(jié)果造成電弧自動(dòng)產(chǎn)生收縮，熱量集中、電弧力集中，從而使焊接熔深增加。然而到目前為止，有關(guān)電弧中的負(fù)離子存在問(wèn)題尚沒(méi)有確切的測(cè)得。一項(xiàng)試驗(yàn)觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在熔池中添加硫化物、氯化物、氧化物后，熔池上的陽(yáng)極斑點(diǎn)出現(xiàn)明顯收縮，如圖4所示，同時(shí)產(chǎn)生較大的熔深。綜合試驗(yàn)現(xiàn)象及分析結(jié)果認(rèn)為，添加活性元素后，熔池產(chǎn)生的金屬蒸氣受到抑制，由于金屬蒸氣更容易

10、被電離，在金屬蒸氣較少的情況下，只能形成較小范圍的陽(yáng)極斑點(diǎn)，電弧導(dǎo)電通道緊縮， 在激活了熔池內(nèi)部電磁對(duì)流的同時(shí)，熔池表面的等離子對(duì)流受到減弱，從而形成較大的焊接熔深。在電弧中負(fù)離子存在沒(méi)有得到證實(shí)的情況下，由于陽(yáng)極斑點(diǎn)變化已經(jīng)得到了更多的證實(shí)，并且與焊接實(shí)際效果符合，應(yīng)該從"電弧收縮"角度解釋熔深增加是正確觀點(diǎn)。3.2 "表面張力變化"影響機(jī)理焊接工作者對(duì)熔池表面張力持續(xù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，在活性化焊接中，其基本觀點(diǎn)認(rèn)為，熔池金屬流動(dòng)狀態(tài)對(duì)所形成的熔深起到相當(dāng)大的作用，普通焊接金屬熔化狀態(tài)下其表面張力具有負(fù)的溫度系數(shù)，這種情況下，

11、熔池表面形成從熔池中心區(qū)域向熔池周邊的表面張力流，所得到的熔深較淺；當(dāng)熔池金屬中存在某種微量元素（含量達(dá)到一定數(shù)值以上）或接觸到活性氣氛時(shí)，熔池液態(tài)金屬的表面張力數(shù)值降低并且轉(zhuǎn)變?yōu)檎臏囟认禂?shù)，從而使熔池金屬形成從熔池周邊向著熔池中心區(qū)的表面張力流，熔池中心區(qū)的電弧熱量通過(guò)液態(tài)金屬的流動(dòng)直接傳向熔池底部，使熔池底部的加熱效率提高，從而形成更大的熔深。上述兩種情況對(duì)焊接熔深的影響如圖5所示。O、Si等是很強(qiáng)的表面活性元素，可使熔池具有正的表面張力溫度梯度，F(xiàn)、Cr、Si以及其它金屬蒸氣可使電弧收縮。上述兩個(gè)原因的共同作用使焊縫的熔深得到大幅度的增加?；钚詣┲懈髟氐暮坎煌?，作用效果不同，所得到最大熔深也不同。作者所做的研究也證實(shí)了電弧收縮和熔池表面張力變化的共同作用是活性劑增加熔深的主要原因9，10。4 結(jié) 論(1) 在對(duì)0Cr18Ni9不銹鋼堆焊試驗(yàn)中，所使用的活性劑CaF2、SiO2、NaF、Cr2O3和TiO2都能夠增加焊縫的熔深。與無(wú)活性劑的焊縫相比，隨著活性劑涂敷量