SiO2在粉末熔池耦合活性TIG焊熔池表面的過渡行為

黃 勇，許 杭

1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050

2.蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050

0 前言

隨著巴頓研究所提出活性焊以來，活性焊接法的研究與活性劑研發(fā)成為焊接領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1-3]，并且活性焊的高熔深與高效率使其很快被應(yīng)用到鋁合金焊接研究中，但是針對(duì)活性焊焊接過程中活性劑的過渡行為對(duì)熔池的影響鮮有報(bào)道，特別是針對(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化焊接的粉末熔池耦合活性TIG焊[4]（PPCA-TIG 焊，Powder Pool Coupled Activating TIG Welding）。

針對(duì)活性劑的過渡行為研究，黃勇等人[5]研究了N、O元素在不銹鋼中的過渡行為；盧劉杰[6]研究了O元素在奧氏體不銹鋼活性焊中的過渡行為；Lu等人[7]則是針對(duì)不銹鋼A-TIG焊建立了活性劑物化特性、熔池中O元素平均含量和焊縫成形之間的相關(guān)關(guān)系。此類針對(duì)不銹鋼材料的活性焊熔深增加，主要是活性元素O過渡后熔池表面張力梯度改變的結(jié)果，而在鋁合金中O的溶解度很低[8]，故這類活性劑過渡行為不適于分析鋁合金的活性焊過渡行為。針對(duì)鋁合金焊接，黃勇等人[9]研究了多種活性TIG焊中活性劑與熔池金屬以及表面氧化膜之間的化學(xué)反應(yīng)，但是這類活性焊焊接過程中是將活性劑涂覆在焊縫表面進(jìn)行焊接，有別于PPCA-TIG焊采用外層氣體將活性劑送入電弧-熔池耦合系統(tǒng)。

針對(duì)交流PPCA-TIG焊，不同活性劑粉末的引入會(huì)對(duì)焊接電弧以及熔池產(chǎn)生不同的影響，且活性劑的過渡過程會(huì)對(duì)焊縫表面成形產(chǎn)生重要作用。趙文強(qiáng)[10]針對(duì)SUS304不銹鋼的直流PPCA-TIG焊，研究了活性劑SiO2在電弧與熔池中的過渡過程，認(rèn)為表面張力溫度系數(shù)由負(fù)變正是SUS304不銹鋼焊接熔深增加的主要原因。薛旭普等人[11]研究了鹵化物對(duì)PPCA-TIG焊電弧的影響，發(fā)現(xiàn)活性劑MnCl2會(huì)在電弧中發(fā)生熔化、蒸發(fā)、解離和電離等過程，并使得電弧溫度以及電弧電壓升高，但對(duì)于活性劑在熔池表面的過渡以及對(duì)焊縫表面成形的影響并未探究。劉宏宇[12]建立了交流PPCA-TIG焊的暫態(tài)電弧模型，通過模擬研究了不同工藝參數(shù)對(duì)交流PPCA-TIG焊電弧等離子特性的研究，但并未考慮活性劑粉末對(duì)電弧等離子特性的影響。隨著鋁合金的廣泛應(yīng)用，對(duì)于鋁合金活性焊的深入認(rèn)識(shí)更加迫切，鋁合金的高效自動(dòng)化焊接趨勢(shì)愈發(fā)緊要，但當(dāng)前對(duì)活性劑在鋁合金熔池表面的過渡行為還鮮有報(bào)道。

本文通過鋁合金交流方波PPCA-TIG焊與傳統(tǒng)交流TIG焊對(duì)比，研究了活性劑SiO2對(duì)于焊縫表面成形的影響；通過熔池表面物相分析，研究了活性劑SiO2在熔池表面的過渡行為，并建立了過渡模型。

1 試驗(yàn)材料與方案

試驗(yàn)材料采用3003防銹鋁合金，試件尺寸為200 mm×100 mm×8 mm。在鋁合金活性焊中，SiO2作為活性劑能顯著增加熔深[13]，故選用單一組元氧化物SiO2作為活性劑，粉末粒度為100 ～200目，由外部送粉器送入焊槍，送粉量為1 g/min。焊前先用砂輪機(jī)打磨鋁合金板材表面，并依次采用酒精與丙酮擦拭待焊表面，焊接方法為交流方波PPCA-TIG焊，進(jìn)行表面熔焊，焊接參數(shù)如表1所示。

表1 交流PPCA-TIG焊接參數(shù)Table 1 AC PPCA-TIG welding parameters

采用OLYMPUSispeed3型號(hào)高速攝像系統(tǒng)對(duì)電弧形貌、電弧斑點(diǎn)行為進(jìn)行記錄，拍攝幀頻度為40 000 fps/s。焊后對(duì)焊縫表面宏觀形貌、熔深進(jìn)行拍攝記錄。

本文認(rèn)為SiO2在過渡過程中的高溫焊態(tài)電阻會(huì)使得電弧在熔池表面被強(qiáng)制收縮，為了探究SiO2焊接過程中的高溫焊態(tài)電阻對(duì)于焊縫表面成形與電弧的影響，進(jìn)行焊縫偏移試驗(yàn)[14]，如圖1所示，焊縫偏移率可表示為：

圖1 焊縫偏移試驗(yàn)活性劑涂敷方式[14]Fig.1 Active flux application method in weld offset test[14]

式中p為焊縫的偏移率；W1為無活性劑側(cè)焊縫邊緣到試件中心線的距離（單位：mm）；W2為有活性劑側(cè)焊縫邊緣到試件中心線的距離（單位：mm）。

為了獲取焊接過程中活性劑在高溫熔池表面的分布狀態(tài)，采用熄弧前某一刻對(duì)焊件背面噴水，使得熔池快速冷卻。試驗(yàn)采用的驟冷裝置如圖2所示，采用時(shí)間繼電器精準(zhǔn)控制驟冷時(shí)間。

圖2 驟冷裝置示意[6]Fig.2 Schematic diagram of rapid cooling device[6]

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫表面成形

圖3、圖4分別為傳統(tǒng)TIG焊與PPCA-TIG焊焊縫表面成形與熔深。相比于傳統(tǒng)TIG焊光滑的焊縫表面成形，以SiO2為活性劑的交流PPCA-TIG焊焊縫表面被焊渣覆蓋，表面成形較差。但活性劑SiO2的過渡使得在相同焊接工藝參數(shù)下，電弧可直接焊透8 mm厚的3003鋁合金。

圖3 焊縫表面成形Fig.3 Weld surface forming

圖4 焊縫熔深Fig.4 Weld penetration

2.2 斑點(diǎn)行為

針對(duì)鋁合金交流焊，活性劑的加入必然影響焊接電弧行為。將交流分為EN和EP兩個(gè)時(shí)段，在電弧燃燒穩(wěn)定后提取電弧形貌，結(jié)果如圖5、圖6所示。在EP時(shí)段時(shí)，PPCA-TIG焊的焊接電弧相較于TIG焊發(fā)生明顯的收縮，且陰極斑點(diǎn)數(shù)量明顯多于傳統(tǒng)TIG焊；而在EN時(shí)段，兩種焊接電弧的尺寸相差不大，但在熔池表面PPCA-TIG焊的導(dǎo)電區(qū)域小于TIG焊，所以SiO2過渡到熔池表面后對(duì)電弧產(chǎn)生強(qiáng)制收縮作用。

圖5 TIG焊斑點(diǎn)行為Fig.5 TIG welding spot behavior

圖6 PPCA-TIG焊斑點(diǎn)行為Fig.6 PPCA-TIG welding spot behavior

2.3 SiO2的高溫焊態(tài)電阻

采用焊縫偏移試驗(yàn)對(duì)SiO2的高溫焊態(tài)電阻進(jìn)行分析，焊縫表面如圖7所示，發(fā)現(xiàn)SiO2使得電弧偏轉(zhuǎn)向無活性劑一側(cè)，并且活性劑被燒結(jié)成為黑褐色焊渣粘附在焊縫表面。通過對(duì)圖8焊縫偏移率與電弧形貌的研究發(fā)現(xiàn)，焊縫的偏移率隨著中心線與活性劑涂覆區(qū)域之間間隙的降低而增大，在間隙為0 mm時(shí)，SiO2偏移率達(dá)到最大為57.14%。

圖7 偏移焊縫Fig.7 Deviation weld

圖8 焊縫偏移率Fig.8 Weld deviation ratios

由于焊接電弧會(huì)趨向于電阻更小的區(qū)域形成導(dǎo)電通道，而SiO2的加入使得電弧偏移，說明SiO2過渡行為會(huì)增加電阻，使得導(dǎo)電通道發(fā)生變化。PPCA-TIG焊接過程中，活性劑由焊槍外層氣均勻吹入電弧圓周外圍，而后在弧坑周圍粘附，因此SiO2的高溫焊態(tài)電阻使得電弧導(dǎo)電面積減小，同時(shí)在EN時(shí)段強(qiáng)制壓縮電弧。

以往研究中，O作為活性元素在活性焊過程中對(duì)表面張力梯度有很大影響[15]，本文通過氮?dú)溲醴治鰞x對(duì)熔池金屬中的氧含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。發(fā)現(xiàn)PPCA-TIG焊熔池氧含量低于母材金屬，說明焊接過程中O元素并未進(jìn)入熔池內(nèi)部，所以通過活性元素進(jìn)入熔池改變?nèi)鄢亟饘俚谋砻鎻埩Σ⒉贿m用于分析以SiO2為活性劑的鋁合金交流PPCA-TIG焊，更不是熔深增加的原因。

表2 熔池氧含量Table 2 Oxygen content of molten pool

2.4 SiO2過渡物相分析

2.4.1 驟冷試驗(yàn)

為了獲取高溫熔池表面焊渣以及熔池表面的物相分布，進(jìn)行了驟冷試驗(yàn)。為了得到較好的冷卻效果，試驗(yàn)設(shè)置噴水冷卻時(shí)間分別為熄弧前1.0 s、0.8 s、0.6 s、0.4 s、0.2 s、0 s，由于以SiO2為活性劑時(shí)可直接焊透8 mm的鋁合金，于是在驟冷試驗(yàn)時(shí)將焊接速度提高為105 mm/min。

圖9為SiO2過渡時(shí)熔池驟冷熔深，結(jié)果表明在熄弧前0 s、0.2 s、0.4 s和0.6 s對(duì)焊縫進(jìn)行背部噴水冷卻時(shí)，熔深沒有發(fā)生明顯變化，而在熄弧前0.8 s和1.0 s進(jìn)行背部噴水冷卻時(shí)，焊縫熔深明顯減小。熄弧前0.6 s為熔深變化的分界。對(duì)熄弧前0.4 s、0.6 s和0.8 s的焊縫進(jìn)行金相觀察，并與熄弧同時(shí)冷卻的焊縫進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖10所示。發(fā)現(xiàn)在熄弧前進(jìn)行冷卻會(huì)使得晶粒細(xì)化，并且以熄弧前0.6 s進(jìn)行背部噴水冷卻為分界，熄弧前時(shí)間大于0.6 s進(jìn)行背部噴水冷卻會(huì)使得晶體生長(zhǎng)一直延伸到焊縫表面，而小于0.6 s時(shí)晶體不能夠延伸到熔池表面。綜合以上分析，熄弧前0.6 s進(jìn)行焊件背部噴水冷卻時(shí)，不會(huì)影響焊縫的熔深，并且能夠快速地冷卻熔池金屬，從而較好地保留熔池金屬高溫狀態(tài)，結(jié)合對(duì)驟冷焊縫及其熔深的金相觀察，認(rèn)為熄弧前0.6 s對(duì)焊件背部噴水冷卻達(dá)到最好的驟冷效果。

圖9 PPCA-TIG-SiO2驟冷焊縫熔深Fig.9 PPCA-TIG-SiO2rapid cooling weld penetration

圖10 PPCA-TIG驟冷焊縫金相Fig.10 PPCA-TIG rapid cooling weld metallography

2.4.2 熔池表面形貌

針對(duì)PPCA-TIG焊熄弧前0.6 s噴水冷卻的驟冷弧坑進(jìn)行取樣，如圖11a所示。通過對(duì)弧坑的觀察測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在弧坑中心位置為白色的裸露金屬，表面沒有灰黑色顆粒的覆蓋，其寬度為4.5 mm，而裸露金屬外圍的弧坑表面被高溫焊態(tài)電阻較高的灰黑色活性劑焊渣所覆蓋。

圖11 弧坑表面形貌Fig.11 Crater surface appearance

沿著焊槍的行進(jìn)方向，將弧坑前、中、后分為A、B、C三個(gè)區(qū)域，對(duì)其表面形貌和成分進(jìn)行分析，其表面形貌如圖11b、11c、11d所示，在活性劑顆粒邊緣有明顯的熔化痕跡。通過圖12所示的不同分區(qū)的X射線光電子能譜（EDS）點(diǎn)掃結(jié)果，發(fā)現(xiàn)圖11所示的白色顆粒為活性劑，呈現(xiàn)不規(guī)則的塊狀分布，其主要成分為Al、Si、O，而黑色區(qū)域主要成分為Al、O。從弧坑表面的能譜分析結(jié)果可知，這是一個(gè)由Al過渡到以Si為主要成分的過程，這是因?yàn)榻?jīng)過焊接過程后，活性劑經(jīng)電弧處理后在熔池周圍聚集粘附，導(dǎo)致焊縫母材被活性劑所含元素大面積覆蓋。

圖12 PPCA-TIG-SiO2弧坑表面EDS圖譜Fig.12 EDS spectrum of PPCA-TIG-SiO2crater surface

通過以上三個(gè)區(qū)域的對(duì)比，A區(qū)為成分均勻區(qū)，由活性劑所含元素與母材金屬組成，B區(qū)主要為熔池金屬，表面以母材金屬氧化物為主，而C區(qū)基本被活性劑完全覆蓋，主要成分為活性劑所含成分。

2.4.3 焊縫表面成分分布

在進(jìn)行驟冷試驗(yàn)過程中，弧坑C區(qū)經(jīng)歷了從電弧離近到電弧遠(yuǎn)去的整個(gè)焊接過程，并且經(jīng)驟冷保留了其高溫狀態(tài)的元素及相的分布狀態(tài)。因此，弧坑C區(qū)是經(jīng)歷整個(gè)活性劑過渡過程的最佳弧坑區(qū)域，為了探究活性劑SiO2經(jīng)電弧處理，再過渡到熔池表面，其活性劑所含元素在熔池表面的分布情況，針對(duì)3003鋁合金交流PPCA-TIG焊焊縫，對(duì)焊縫弧坑圖11a中C區(qū)進(jìn)行了電子探針面分析，得到了不同元素在焊縫表面的分布（見圖13），并與傳統(tǒng)TIG焊焊縫表面元素的分布（見圖14）進(jìn)行了對(duì)比。

圖13 PPCA-TIG-SiO2焊縫表面Fig.13 PPCA-TIG-SiO2weld surface

圖14 TIG焊縫表面Fig.14 TIG weld surface

相比于傳統(tǒng)TIG焊焊縫表面Al、Si、O、Mn元素的均勻分布，PPCA-TIG-SiO2焊縫表面元素的均勻分布被破壞，從圖13可以清楚看到母材本身所含元素Mn經(jīng)過焊接過程后呈現(xiàn)出塊狀區(qū)域的分布，且含量很低，在焊縫表面的母材Al被活性劑所含元素大范圍覆蓋，活性劑所含元素Si、O呈現(xiàn)出不規(guī)則的塊狀分布。通過比對(duì)二次電子像與元素分布情況，可以看出熔坑表面凹進(jìn)的“溝壑”中主要成分為Al，基本沒有活性劑元素的存在，而凸起的區(qū)域基本被活性劑所含Si元素將Al覆蓋。

2.4.4 焊縫表面物相

針對(duì)焊接過程中的焊縫表面焊渣、焊縫表面和焊縫截面，進(jìn)行了XRD檢測(cè)分析，其分析位置示意如圖15所示。

圖15 分析位置示意Fig.15 Schematic diagram of analysis location

通過對(duì)SiO2作為活性劑的3003鋁合金交流PPCA-TIG焊的驟冷焊縫的XRD檢測(cè)，焊縫表面、焊縫截面和焊渣的XRD圖譜分別如圖16、圖17和圖18所示。發(fā)現(xiàn)焊縫表面的主要相為Al和SiO2，焊縫截面的主要存在相為Al，焊渣的主要存在相為SiO2。結(jié)合焊渣、焊縫表面以及截面的物相分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)過程中并未有新的物相生成，活性劑SiO2附著在熔池表面，最終以焊渣的形式存在于焊縫表面，使得焊縫表面粗糙不平，導(dǎo)致焊縫表面成形較差。

圖16 PPCA-TIG-SiO2焊縫表面XRD圖譜Fig.16 XRD pattern of PPCA-TIG-SiO2weld surface

圖17 PPCA-TIG-SiO2焊縫截面XRD圖譜Fig.17 XRD pattern of PPCA-TIG-SiO2weld section

圖18 PPCA-TIG-SiO2焊焊渣XRD圖譜Fig.18 XRD pattern of PPCA-TIG-SiO2welding slag

為了明確焊縫弧坑表面以及熔池中各元素的存在形式，針對(duì)焊縫弧坑表面和熔池金屬進(jìn)行了XPS分析，主要分析元素為Al、Si、O、Mn。圖19、圖20分別為PPCA-TIG-SiO2弧坑表面XPS全譜掃描和XPS窄掃描圖譜，圖21、圖22分別為PPCA-TIG-SiO2熔池XPS全譜掃描圖和XPS窄掃描圖譜，采用C1s284.8標(biāo)定，處理窄掃描圖譜。由圖19、圖21可知，弧坑表面與熔池內(nèi)均檢測(cè)不到Mn，這是由于SiO2為活性劑時(shí)，Si、Al的氧化物大量覆蓋在弧坑表面且濃度很高，受到XPS檢測(cè)極限限制，未檢測(cè)到Mn。由圖20發(fā)現(xiàn)弧坑表面Al的存在形式為金屬Al和Al2O3，O的存在形式為SiO2和Al2O3，Si的存在形式為SiO2，所以弧坑表層的灰褐色顆粒主要為存在形式為SiO2和Al2O3的混合物。由圖22發(fā)現(xiàn)熔池中Al主要以Al和Al2O3形式存在，O以Al2O3形式存在，結(jié)合圖21發(fā)現(xiàn)熔池中檢測(cè)不到Mn和Si，說明SiO2的過渡過程中活性劑所含元素沒有進(jìn)入到熔池內(nèi)部，且SiO2過渡到熔池表面粘附后并未深入熔池。

圖19 PPCA-TIG-SiO2弧坑表面XPS全譜掃描Fig.19 XPS full spectrum scanning of PPCA-TIG-SiO2crater surface

圖20 PPCA-TIG-SiO2弧坑表面XPS窄掃描圖譜Fig.20 Narrow scanning XPS spectrum of PPCA-TIG-SiO2 crater surface

圖21 PPCA-TIG-SiO2熔池XPS全譜掃描Fig.21 XPS full spectrum scanning of PPCA-TIG-SiO2molten pool

圖22 PPCA-TIG-SiO2熔池XPS窄掃描圖譜Fig.22 Narrow scanning XPS spectrum of PPCA-TIG-SiO2 molten pool

2.4.5 熔池表面反應(yīng)

在交流PPCA-TIG焊焊接過程中，母材金屬在極短時(shí)間內(nèi)被加熱熔化，同時(shí)活性劑粉末由焊槍送進(jìn)到電弧-熔池耦合系統(tǒng)，在此過程中，為了探究活性劑與熔池金屬的反應(yīng)過程，以15℃/min的加熱速率對(duì)3003鋁合金與活性劑粉末混合樣品進(jìn)行升溫?zé)嶂?差示掃描量熱（TG-DSC）試驗(yàn)，并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖23所示。發(fā)現(xiàn)從室溫到1 400℃之間DSC曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰，在661℃（鋁的熔點(diǎn)為660.4℃）時(shí)鋁合金熔化，吸收熱量，DSC曲線出現(xiàn)向下的峰；在1 110℃左右，DSC曲線出現(xiàn)一個(gè)向上的峰，這是由于熔融的鋁合金形成α-Al2O3導(dǎo)致。在整個(gè)過程中，3003鋁合金和SiO2沒有發(fā)生明顯的反應(yīng)過程，僅存在兩者自身的反應(yīng)熱過程，這與A-TIG焊具有相同結(jié)果[9]；并且熱分析產(chǎn)物 SiO2、Al2O3與Al均為試樣本身的物相，沒有新相產(chǎn)生。因此在電弧空間中有活性劑的加熱、融化、分解以及解離過程[16]，但是這些過程對(duì)熔池金屬的反應(yīng)過程并未產(chǎn)生足夠的影響。

圖23 TG-DSC分析Fig.23 TG-DSC analysis

3 過渡模型

通過以上分析，建立了活性劑SiO2在鋁合金交流PPCA-TIG中熔池表面的過渡模型，如圖24所示?；钚詣㏒iO2經(jīng)外層氣送進(jìn)到焊槍后，由焊槍外層氣送進(jìn)到電弧圓周外圍，而后在熔池邊緣粘附聚集。大量的SiO2粉末受到內(nèi)層保護(hù)氣的影響，活性劑顆粒飛離焊接電弧，部分活性劑顆粒具有足夠大的動(dòng)能進(jìn)入到電弧內(nèi)部，進(jìn)入電弧的顆粒大多直接粘附到熔化的鋁合金表面，并且粘附在熔池表面，使得弧坑中心為母材金屬，邊緣被活性劑粘附，強(qiáng)制電弧收縮。而少量的SiO2顆粒會(huì)在電弧中發(fā)生解離[16]：SiO2?Si+2O，并充斥在電弧導(dǎo)電空間中。

圖24 PPCA-TIG-SiO2熔池表面過渡示意Fig.24 PPCA-TIG-SiO2molten pool surface transition diagram

結(jié)合斑點(diǎn)行為的分析，通過焊槍外層氣體送進(jìn)到電弧-熔池耦合系統(tǒng)的部分SiO2過渡到熔池表面后，作為氧化物的SiO2吸引了陰極斑點(diǎn)，導(dǎo)致陰極斑點(diǎn)數(shù)量增加。在此過程中，陰極斑點(diǎn)在氧化物表面產(chǎn)生，由于陰極斑點(diǎn)的電流密度特別大，瞬間產(chǎn)生很高的溫度，使得氧化物Al2O3出現(xiàn)熔化、蒸發(fā)，使得熔化形成的液滴在各種力的作用下被噴射出來，同時(shí)在斑點(diǎn)處留下蝕坑；同時(shí)，尺寸較小的SiO2顆粒表面也會(huì)產(chǎn)生此過程，但經(jīng)電弧處理后熔化聚合粘附的SiO2顆粒在焊縫表面吸引陰極斑點(diǎn)的產(chǎn)生，并且不易被清理，因此陰極斑點(diǎn)趨向大斑形成，導(dǎo)致焊縫表面凹凸不平，成形較差，并且焊渣也出現(xiàn)呈塊狀分布的特征。

4 結(jié)論

（1）在鋁合金交流PPCA-TIG焊中，活性劑所含元素并未進(jìn)入熔池，熔深增加的主要原因是活性劑的加入導(dǎo)致電弧發(fā)生收縮。

（2）與傳統(tǒng)TIG焊相比，交流PPCA-TIG焊中活性劑SiO2的加入使得電弧收縮，且在EN時(shí)段的導(dǎo)電面積減少，熔深顯著增加。

（3）以SiO2為活性劑的PPCA-TIG焊焊縫表面成形差，主要原因是活性劑加入使得EP時(shí)段陰極斑點(diǎn)數(shù)量增加導(dǎo)致的。

（4）建立了活性劑SiO2在鋁合金交流PPCATIG中熔池表面的過渡模型。PPCA-TIG焊活性劑SiO2經(jīng)電弧作用處理后，并未與母材金屬發(fā)生反應(yīng)，主要以焊渣形式分布在距熔池中心2 mm外的區(qū)域，強(qiáng)制電弧收縮，聚集的活性劑導(dǎo)致焊縫表面成形不佳。