活性TIG焊的研究進展

彭小洋，凌澤民，廖 娟，李金閣

（重慶大學材料科學與工程學院，重慶400045）

0 引 言

近年來，高效節(jié)能的新型焊接方法成為國際焊接領域研究的熱門課題之一。焊接技術正向著高效率、高質量、低成本、降低勞動強度和能耗的綠色方向發(fā)展?；钚院附樱ê喎QA－TIG焊）是近幾年興起的一種高效綠色的焊接技術，受到人們越來越多的關注［1］。它是通過焊前在待焊工件表面涂覆某種活性焊劑，以引起電弧收縮、電弧能量密度增加、電弧力增強，最終使得焊縫熔深增加的焊接方法。該方法最早是烏克蘭巴頓焊接研究所（PWI）在20世紀60年代開發(fā)出的［2］，但直到90年代末歐美國家的研究機構（如美國的愛迪生焊接研究所和英國焊接研究所等）才開展廣泛的研究［3］，其中英國焊接研究所開發(fā)的焊劑已經在海軍造船業(yè)中使用［4］。目前該焊接方法已經應用于碳鋼、不銹鋼、鎳基合金、鈦合金及鋁合金的焊接，其生產效率高、成本低、焊接變形小，具有廣闊的應用前景。為了給國內相關研究人員提供參考，作者主要從A－TIG焊的工藝特點、基本原理、活性焊劑的研制等幾方面對A－TIG焊的研究與應用現狀進行了綜述，并對其今后的發(fā)展方向進行了展望。

1 A－TIG焊的工藝特點

常規(guī)TIG焊主要缺點是熔深較淺（小于3mm），焊接效率低，焊接參數對材料成分的變化比較敏感，對于厚板焊接需要開坡口以便進行多道焊，多道焊時焊接變形和熱影響區(qū)變大，影響接頭質量；加大焊接電流可以增加焊接熔深，但是熔寬和熔池體積亦會增加，并且增大幅度遠大于熔深增幅；同時還會增加鎢極的損耗，造成焊縫金屬的污染。

在相同的焊接規(guī)范下，A－TIG焊接電弧會產生明顯的收縮，熔池的流動也發(fā)生顯著變化，可以使熔深增加1～2倍。對于8mm厚板焊接可以不開坡口一次焊透，對于薄板可以在不改變焊接速度的情況下減小焊接熱輸入［5］。

與常規(guī)TIG焊相比較，A－TIG焊不僅可以提高生產效率，降低生產成本，而且還可以減小焊接變形，具有非常重要的應用前景［6］。與同等厚度的常規(guī)TIG焊相比，A－TIG焊可以進行高速低熱輸入焊接，非常適合薄壁小直徑管－管、管－板的焊接。與傳統的焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊等焊接方法相比，A－TIG焊焊接質量更可靠，生產效率更高；與先進的激光焊、電子束焊以及等離子弧焊相比，A－TIG焊所用的活性焊劑成分范圍大，來源豐富，價格便宜，無需昂貴的焊接設備，使得A－TIG焊具有成本低、經濟效益好的優(yōu)點。

2 活性焊劑增大A－TIG焊熔深的機理

有關活性焊劑增加A－TIG焊熔深作用機理的研究，目前認為最具代表性的理論是Simonik［7］提出的“電弧收縮理論”和 Heiple［8］提出的“表面張力溫度梯度改變理論”。前者討論的是活性焊劑與電弧之間的作用，認為活性焊劑的加入會引起電弧收縮，電弧電導面積減小，電流密度增大，單位面積熱輸入增加，從而增大熔深。后者討論的是活性焊劑與熔池金屬之間的作用。當熔池表面沒有表面活性元素時，表面張力溫度梯度為負值，表面張力隨溫度的升高而減小，熔池表面形成從中心流向周邊的Marangoni對流，得到寬而淺的熔池；當熔池表面存在活性焊劑時，表面張力溫度梯度由負變正，表面張力隨溫度的升高而增大，熔池表面形成從周邊向中心的Marangoni對流，形成窄而深的熔池。但是這兩種理論均沒有與活性焊劑本身的物理性質相結合，尚缺乏統一的認識。

Heiple［8］認為氧對溶滴與熔池的表面張力系數的影響小于硫的，但是Aidun等［9］的研究卻得出相反的結果。Fuji等［10］研究了鋁合金的A－TIG焊，認為表面張力所導致的Marangoni對流是增加熔深的原因。Savitslii等［11］在用活性焊劑進行焊接時在水冷銅陽極上沒有觀察到電弧收縮現象；Howse等［12］在多組元活性焊劑對不銹鋼TIG焊、等離子焊、CO2激光焊和電子束焊的研究中發(fā)現，活性焊劑能顯著增加TIG焊的熔深，對激光焊的熔深也稍有增加，對等離子弧焊的焊縫也有影響，但對于電子束焊的沒有影響，從而認為焊縫熔深的增大是因為電弧收縮導致等離子體收縮造成的。Heiple等［13］用硒做微量元素研究不銹鋼GTA焊、激光焊和電子束焊時，發(fā)現硒元素對GTA焊和激光焊焊縫的幾何形狀產生較大影響，而對電子束焊的影響較小。Tanaka等［14］用TiO2作活性焊劑對不銹鋼TIG電弧等離子體進行了光譜測量，發(fā)現電弧中沒有活性焊劑原子的存在，證明了活性焊劑的蒸發(fā)對電弧收縮沒有影響；他們又對熔池表面溫度進行了測量，發(fā)現涂覆活性焊劑時的溫度分布陡峭，從而認為活性焊劑增大熔深的原因是活性焊劑作用下液態(tài)金屬的表面張力溫度梯度發(fā)生了改變。Katayama等［15］用鎢粒子作示蹤原子，用微焦X射線成像系統對含硫量不同的兩種不銹鋼進行了定點和移動TIG焊熔池行為研究，發(fā)現當含硫量較低時熔池中心的液態(tài)金屬從熔池底部向熔池表面流動，而含硫量較高時液態(tài)金屬從熔池表面流向熔池底部，驗證了表面張力梯度理論。Marya等［16］對鎂合金的A－TIG焊熔深增大原因進行了研究，發(fā)現鹵化物改變了焊接電壓，焊縫熔深和熔寬也發(fā)生了相應變化，指出焊接電壓升高引起的熱輸入的增加是熔深和深寬變化的主要原因。國外很少有人專門針對鋁合金進行ATIG焊熔深增大機理進行研究，而Sire等［17］針對鋁合金采用了FBTIG焊的工藝方法進行了研究，他們發(fā)現采用SiO2時，電弧明顯收縮，電壓升高。

國內學者也對A－TIG熔深增大的機理進行了研究。蘇鐘鳴等［18］認為熔深增大與電弧電壓的增大有關。劉黎明等［19］在進行鎂合金A－TIG焊接時發(fā)現氯化物活性焊劑增大焊縫熔深的機理是活性焊劑與焊接電弧之間的相互作用。黃勇等［20］在對鋁合金進行A－TIG焊的研究時，認為導電通道電阻增大是鋁合金A－TIG焊熔深增大的原因。劉鳳堯［21］利用熔池震蕩法對熔池表面張力進行測量，利用光譜測量儀測量了A－TIG焊電弧光譜的分布特征。他們認為不同活性焊劑增大不銹鋼熔深的機理不同，SiO2增加熔深是電弧收縮、陽極斑點收縮和表面張力溫度梯度正負性變化共同作用的結果；TiO2增大熔深則是表面張力溫度梯度改變的作用。

3 A－TIG焊活性焊劑的研制

活性焊劑的基本功能是降低溶滴與熔池界面的表面張力、改變體系的界面性質和狀態(tài)。A－TIG焊是通過調節(jié)活性焊劑中微量元素的組成和含量來控制焊縫成形和提高焊接質量。對于某一牌號的焊接材料必須匹配一種針對該材料的活性焊劑，這樣才能實現A－TIG焊接，并充分發(fā)揮A－TIG焊接技術的優(yōu)越性。目前報道的幾種用于具體鋼材和有色金屬的活性焊劑成分中均含有氧化物、氟化物或氧化物與鹵化物的混合物。

由于活性焊劑增大焊縫熔深的機理還沒有明確，所以對于活性焊劑的開發(fā)還處于反復試驗摸索階段。當前，世界各國都極為重視活性焊劑的研究、開發(fā)、生產和應用。20世紀90年代活性焊劑在焊接不銹鋼、碳錳鋼和低合金鋼方面獲得巨大成功。巴頓焊接研究所研制的以氟化物為主的活性焊劑可以使12mm厚的鈦合金在A－TIG焊時無需開坡口而一次焊透，并且焊縫較窄、熱影響區(qū)小。美國愛迪生研究所發(fā)現當活性焊劑中有硫、氧、鋁和鈣等元素存在時對焊縫的熔深和熔寬有一定的影響；當母材中硫和氧的含量增加時焊縫的熔深增大而熔寬減小。Dinechin等［22］研究表明活性焊劑可以放寬接頭間隙的裝配要求，使得焊縫質量對電弧長度波動的敏感性降低。Sire等［23］研究了 TiO2、Al2O3、LiF、SiO2和AlF3等活性焊劑對鋁合金交流TIG焊和直流TIG焊的影響。結果發(fā)現，交流焊接時，SiO2和AlF3可以使熔深增大，LiF無明顯作用，TiO2和Al2O3會減小熔深；直流焊接時，SiO2顯著提高熔深和焊縫成形系數。Marya等［24］對鎂合金的活性焊劑研究發(fā)現，LiCl、CaCl2、CdCl2、PbCl2和CeCl3等氯化物均能提高熔池深寬比。美國開發(fā)的不銹鋼和碳鋼用活性焊劑已經用于某雙體船殼體及油輪的建造，海軍方面正在用該活性焊劑焊接艦船及潛水艇的管道系統和某些零部件。日本近幾年來也開發(fā)了不銹鋼和低合金鋼用的活性焊劑。

我國對A－TIG焊接技術的研究起于1998年前后，并獲得了初步成果。劉鳳堯等［25］研究了單一活性焊劑，相關試驗表明，氟化物和氧化物活性焊劑均能增大不銹鋼的焊縫熔深，使接頭的顯微組織、化學成分以及力學性能、抗晶間腐蝕性能等滿足使用要求。陳莉等［26］研究表明，氟化物對鈦合金焊接熔深影響顯著。劉黎明等［27］采用 FC（flux－coated）焊絲的方法研究了ZnO和MnCl2二元活性焊劑對AZ31鎂合金熔深的影響，通過兩組元不同的配比，得出了焊縫在不同混合比情況下的深寬比。結果表明，使用活性焊劑能夠顯著增大焊縫熔深，在二元活性焊劑中，MnCl2含量越高熔深增大效果越好；當MnCl2含量達到40%（質量分數）時，熔深增大效果最明顯。北京航空制造工程研究所針對不同板厚的鈦合金開發(fā)的活性焊劑FT－01和FT－02表現出優(yōu)異的性能，可以改善焊縫質量，提高焊縫深寬比，減小焊接熱輸入和焊接變形。蘭州理工大學開發(fā)研制了不銹鋼、碳鋼及鋁合金用的活性焊劑，其熔深達到傳統TIG焊接熔深的2～3倍，已經申請了國家發(fā)明專利。洛陽船舶材料研究所、廣船國際股份有限公司工藝研究所、大連鐵道學院和陜西工學院針對不銹鋼和碳鋼用的活性焊劑配方也進行了研制。

4 A－TIG焊的數值模擬

常規(guī)TIG焊對電弧收縮現象的解釋只是直接觀察電弧形態(tài)和熔池中陽極斑點的運動，并沒有考慮電弧中負離子存在的問題。焊接熔池中流體流動及焊接熱過程是影響焊接質量和生產效率的主要因素之一。因此，獲得熔池內流體流動及傳熱過程的動態(tài)信息對控制焊接質量有重要意義。數值模擬技術可以定量描述焊接熔池內流體流動及傳熱過程，為深入了解焊接過程中發(fā)生的現象提供了一種實用手段。目前，數值模擬技術的研究主要集中于表面活性元素對Marangoni流和熔池形狀的影響。

自20世紀80年代中期，Kou［28］和 Tsai等［29］開始建立理論模型來研究表面張力對熔池中流體流動和熔深的影響，通過改變表面張力溫度系數的正、負性質，可以預測熔池中出現的反向流動的渦流。有研究者［30－33］分別通過模擬和試驗的方法研究了不同硫含量下熔池的瞬態(tài)發(fā)展過程。Xu等［34］利用數值模擬方法研究了熔池溫度場和流場，結果也表明電弧收縮對焊縫成形和熔深的影響很小，熔池中的活性元素改變了表面張力溫度系數?γ／?Τ的正負性，驅使液態(tài)金屬流向熔池中心，提高了焊縫熔深，他們認為表面張力溫度系數的改變是熔深增大的主要原因；同時比較了試驗結果和模擬結果的焊縫成形情況，證明了模擬結果的準確性。趙玉珍等［35］模擬了微量元素氧的質量分數變化對TIG焊熔池流場的影響。張瑞華等［36］利用PHOENICS軟件模擬了氧元素質量分數、電弧收縮效應等對熔池速度場和溫度場的影響。結果證明：有無活性焊劑時熔池形狀的數值模擬結果與試驗結果相吻合；熔池表面張力梯度改變是熔深增加的主要原因；電弧收縮影響熔寬，對熔深也有一定的影響，但不是主要原因。雷永平等［37］采用電弧和熔池的統一模型控制方程和輔助方程，計算分析了表面活性元素硫含量對熱表面張力驅動流和熔池形狀的影響。張瑞華等［38］模擬了活性焊劑中氧元素的質量分數和電弧收縮效應對熔池流場和溫度場的影響，并通過改變高斯熱源的熱流分布參數和電磁力中的電流密度模擬了弧壓升高、電弧收縮對焊縫熔深增大的影響，結果證明溫度場和流場速度幾乎沒有變化，熔深和熔寬也沒有改變，說明了洛倫茲力對流體流動的影響很小。

5 A－TIG焊的應用

A－TIG焊在焊接領域內得到廣泛運用。在20世紀90年代，前蘇聯將A－TIG用于低合金鋼的焊接，最大焊接厚度達到12mm。美國開發(fā)了一種活性焊劑可用于焊接多種奧氏體不銹鋼，并且焊縫熔深達到9mm，已投入工業(yè)使用［39］。美國開發(fā)的不銹鋼與碳鋼氬弧焊焊劑已用于造船業(yè)，能夠節(jié)省工時達75%，目前已經用于船艦、潛艇的管道以及零部件焊接。近年來，日本研究了一種可用于氬弧焊的活性焊劑，用于修復電廠熱力管道焊接接頭處產生的裂紋，取得了良好的效果。

6 結束語

由于A－TIG焊優(yōu)異的焊接性能和良好的經濟效益，目前該方法已經廣泛用于各類工業(yè)生產中，如電力、汽車、航天、化工等領域。但對于活性焊劑增大熔深的機理還沒有確切的定論，今后關于A－TIG的研究還要從以下幾方面進行：（1）活性焊劑成分的改進，新型活性焊劑的研發(fā)；（2）適合各類焊接材料的活性焊劑的研制；（3）活性焊劑對熔深影響機理的深入研究；（4）涂覆技術和工藝的研究等。另外，數值模擬技術對活性焊劑增大熔深的機理研究已有初步進展，數值模擬技術會成為研究熔深增大機理的重要方法，機理的掌握可使A－TIG焊接技術得到更加廣泛的應用。

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