活性劑增加不銹鋼A-TIG焊熔深機(jī)理研究

任澤良，楊成剛,，宋友民

（1. 南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330063；2. 昆山華恒焊接股份有限公司 精密焊接事業(yè)部，江蘇 昆山 215300）

TIG焊是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛采用的一種焊接方法，因其焊縫優(yōu)質(zhì)而在精密焊接和高質(zhì)量焊接場(chǎng)合常常被應(yīng)用，但是，在常規(guī)的焊接參數(shù)下，單層焊接通常只能獲得較小的熔深，當(dāng)焊接厚度較大的板材或管材時(shí)，需進(jìn)行多層焊，這時(shí)需要開(kāi)坡口和添加大量的填充材料，因而使其應(yīng)用受到限制?；钚詣㏕IG焊技術(shù)(A-TIG)是烏克蘭E. O. Paon焊接研究所在20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的技術(shù)，并已經(jīng)在前蘇聯(lián)應(yīng)用于能源、化工和航空航天工業(yè)的焊接生產(chǎn)中[1—5]。A-TIG焊是在施焊板材的表面涂上一層很薄的活性劑，引起焊接電弧收縮或熔池流態(tài)發(fā)生變化，從而大幅度增加焊接熔深。利用這種方法可使焊接熔深比常規(guī)TIG焊增加1～3倍，在相同的規(guī)范下，活性化焊接能夠大幅度提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，而且無(wú)需更換設(shè)備。A-TIG的主要應(yīng)用材料已經(jīng)從最初的鈦合金擴(kuò)展到不銹鋼、碳鋼和高溫合金等材料，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，而我國(guó)A-TIG焊技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)才剛剛開(kāi)始[6—9]。

目前 A-TIG研究熱點(diǎn)主要集中在活性劑的研制以及活性劑增加熔深機(jī)理的研究。對(duì)于活性劑增加熔深機(jī)理的研究主要集中在電弧收縮理論[10—11]和表面張力梯度理論[12—14]兩個(gè)方面，但國(guó)際上目前還沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。文中采用自行研制的不銹鋼A-TIG焊多組元活性劑進(jìn)行試驗(yàn)，研究活性劑對(duì) A-TIG焊電弧形貌、陽(yáng)極斑點(diǎn)和電弧電壓的影響，對(duì)加深活性劑增加熔深機(jī)理的認(rèn)識(shí)、指導(dǎo)活性劑的研制和應(yīng)用方面具有重要的意義。

1 材料及方法

試驗(yàn)材料為 1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼板，試件尺寸為200 mm×50 mm×6 mm，采用自行研制的活性劑(SiO2-TiO2-Cr2O3-NiO-MnO-CuO-B2O3)進(jìn)行 A-TIG焊試驗(yàn)，焊接設(shè)備為昆山華恒焊接股份有限公司自制的TIG焊設(shè)備。焊前先用砂紙打磨鋼板，點(diǎn)焊固定，并依次用酒精丙酮擦洗。將活性劑和丙酮調(diào)成粘稠狀液體，用毛刷在待焊區(qū)均勻涂覆，涂層厚度基本能蓋住金屬表面即可，等待丙酮揮發(fā)進(jìn)行焊接。焊接參數(shù)為：焊接電流為175 A，焊接電壓為14 V，焊接速度為220 mm/min，氬氣流量為15 L/min，鎢極直徑為3.2 mm。采用高速攝影儀對(duì)電弧形貌、陽(yáng)極斑點(diǎn)進(jìn)行拍攝、記錄（曝光時(shí)間為20 μs，拍攝頻率為10 000幀/s，光圈為 22，相機(jī)鏡頭與焊接方向垂直）。焊后采用 3DVISION顯微鏡進(jìn)行宏觀拍照并對(duì)熔深和熔寬進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性劑對(duì)電弧電壓的影響

不涂活性劑(TIG)和涂敷活性劑(A-TIG)焊接時(shí)，弧長(zhǎng)與電弧電壓的關(guān)系見(jiàn)圖1?？芍瑢⒒￠L(zhǎng)從1 mm增加到4 mm，電弧電壓與弧長(zhǎng)近似為一種線性關(guān)系，不涂敷活性劑，每增加1 mm弧長(zhǎng)，電弧電壓提高0.82 V，陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的電位差為10 V，涂敷活性劑后每增加1 mm弧長(zhǎng)，電弧電壓提高1.26 V，陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的電位差為 10.8 V。與不涂敷活性劑焊接相比，涂敷活性劑后單位弧長(zhǎng)電壓提高了0.44 V，陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的電位差提高了0.8 V，可見(jiàn)活性劑可以促進(jìn)陽(yáng)極區(qū)和弧柱區(qū)收縮。

圖1 弧長(zhǎng)與電弧電壓的關(guān)系Fig.1 Relationship between arc length and arc voltage

2.2 活性劑對(duì)電弧形貌的影響

表1 電弧寬度Tab.1 Arc width

不涂活性劑與涂敷活性劑焊接時(shí)的平均電弧寬度見(jiàn)表 1，可見(jiàn)與不涂活性劑相比，涂敷活性劑后電弧寬度由4.97 mm變?yōu)?.12 mm，減小了17.1%，電弧發(fā)生收縮。圖2為涂敷活性劑前后電弧形貌的動(dòng)態(tài)圖，可見(jiàn)涂敷活性劑前后的電弧形態(tài)穩(wěn)定，沒(méi)有較大的波動(dòng)。涂敷活性劑前后電弧收縮幅度小，這是因?yàn)榛钚詣┰陔娀〖訜嶙饔孟路纸鉃閱钨|(zhì)原子，單質(zhì)原子在高溫電弧中汽化并游離到電弧邊緣低溫處形成氣流，此氣流與等離子氣流相互碰撞導(dǎo)致電弧收縮幅度小[15]，對(duì)比涂敷活性劑前后的電弧形貌可以發(fā)現(xiàn)，電弧等離子體發(fā)生了收縮，而且采用的優(yōu)化活性劑 B1中所包含的 Si, Ti, Ni, Mn, Cu等元素在高溫電弧作用下蒸發(fā)形成金屬蒸汽，引起電弧收縮，而電弧收縮引起電流密度集中，進(jìn)而電弧力也增大，最終導(dǎo)致電弧收縮。

圖2 電弧形貌Fig.2 Arc shape

2.3 活性劑對(duì)陽(yáng)極斑點(diǎn)的影響

TIG焊及A-TIG焊時(shí)陽(yáng)極斑點(diǎn)形貌見(jiàn)圖3?？梢钥闯鐾糠蠡钚詣┖箨?yáng)極斑點(diǎn)收縮，這是因?yàn)殡娀∠茸饔糜诨钚詣沟没钚詣┦軣崛刍纸?，活性劑的電阻率高于金屬表面，使得電弧作用下的活性劑表面能量更為集中，電弧?dǎo)電通道更小。不涂活性劑與涂敷活性劑焊接時(shí)的陽(yáng)極斑點(diǎn)尺寸見(jiàn)表2。由表2可知，與不涂活性劑相比，A-TIG焊時(shí)陽(yáng)極斑點(diǎn)長(zhǎng)軸長(zhǎng)度由9.92 mm變?yōu)?.22 mm，短軸長(zhǎng)度由4.75 mm變?yōu)?.35 mm，陽(yáng)極斑點(diǎn)明顯減小。

圖3 陽(yáng)極斑點(diǎn)形貌Fig.3 Anode spot morphology

表2 陽(yáng)極斑點(diǎn)尺寸Tab.2 Anode spot size

2.4 活性劑對(duì)焊縫成形的影響

TIG焊及A-TIG焊接頭橫截面宏觀形貌見(jiàn)圖4，未涂活性劑的焊縫熔寬為7.37 mm，熔深為1.71 mm。涂敷活性劑后的焊縫熔寬為 6.75 mm，熔深為 4.75 mm。相比于不涂活性劑的焊縫，涂敷活性劑后熔寬減小了0.62 mm，熔深增加了3.01 mm，焊縫熔深增加了2.78倍。

圖4 接頭橫截面宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of cross section of joint

3 結(jié)論

1)涂敷活性劑促進(jìn)了電弧陽(yáng)極區(qū)和弧柱區(qū)的收縮，當(dāng)電弧長(zhǎng)度為4 mm時(shí)，涂敷活性劑后電弧電壓升高了2.7 V，電弧寬度由4.97 mm變?yōu)?.12 mm，陽(yáng)極斑點(diǎn)尺寸也隨之變小。

2)相同工藝參數(shù)下，A-TIG焊熔寬有所減小，顯著增加焊縫熔深，焊縫熔深增加了 2.78倍，陽(yáng)極斑點(diǎn)收縮和電弧收縮是活性劑增加不銹鋼 A-TIG焊熔深的主要原因。