A-TIG 焊在不銹鋼領域的應用

蔡養川，羅 震

（天津大學 材料科學與工程學院，天津300072）

A-TIG焊接方法最早是由烏克蘭巴頓焊接研究所（PWI）在20世紀60年代提出的，但是直到20世紀90年代末期才被歐美國家的研究所 （如EWI、TWI等）廣泛研究，其中 EWI開發的活性焊劑已經得到了廣泛應用。這種焊接方法是在施焊板材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發生變化，從而大幅增加焊接熔深的焊接方法。利用這種方法可使焊接熔深比常規TIG焊增加1～3倍，對中厚板 （3～10 mm）不銹鋼材料可實現單面焊雙面成形。與傳統TIG焊相比，A-TIG焊接方法具有焊接效率高、焊縫質量良好、操作方便、成本低廉等顯著優點[1-2]。

A-TIG焊的關鍵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、鹵化物和氟化物，對于不同的材料，其適用的活性劑成分不同。但是由于這種技術的重要性，活性劑的成分和配方在PWI和EWI都有專利限制，公開出版物上很少報道。目前對A-TIG焊的研究主要集中在活性劑作用機理和活性化焊接應用技術的研究方面。本研究以奧氏體不銹鋼為例，系統介紹和分析A-TIG焊的作用機理。

1 A-TIG焊對焊縫性能的影響

1.1 試驗準備

模擬A-TIG焊接試驗前準備流程如圖1所示[3]。首先將配好的活性劑研磨均勻；然后將活性劑與乙醇或甲醛混合，攪拌均勻，攪拌結果以呈奶油狀為宜；繼而用毛刷將活性劑均勻地涂抹在待焊區域；最后，待涂抹區域干燥后進行焊接試驗。

圖1 A-TIG焊接試驗前準備示意圖

1.2 A-TIG焊對熔深的影響

文獻[4]通過試驗研究發現，各種活性劑對焊道熔深的影響各不相同，各單一活性劑與焊縫熔深增加的排序如圖2所示，圖2中h為有活性劑區的熔深，h0為無活性劑區的熔深。

圖2 單一活性劑對焊道熔深的影響

文獻[5]以10 mm厚SUS304不銹鋼為試驗材料，得到活性劑涂敷量與焊道熔深之間的關系曲線如圖3所示。由圖3可以看出對于兩種活性劑，當涂敷量少于0.7 mg/cm2時，焊道熔深隨活性劑涂敷量的增加而明顯增加；當活性劑涂敷量大于0.7 mg/cm2時后，焊道熔深增加不明顯。

圖3 活性劑涂覆量對焊接熔深的影響

試驗結果表明，A-TIG焊接時，焊接接頭熔深主要受活性劑成分和涂覆量兩方面的影響。為獲得優良的焊接接頭，在合理選擇和調配各活性劑的基礎上，還應合理地控制活性劑的涂覆量。

1.3 A-TIG焊對焊縫組織和力學性能的影響

研究發現，采用涂覆活性劑的A-TIG焊與常規TIG焊相比，前者獲得的焊縫力學性能明顯優于后者[6-8]。通過分析發現，由于A-TIG焊的熔深明顯大于常規TIG焊，所以，在獲得相同焊接熔深的情況下，常規TIG焊需要增加熱輸入，而熱輸入的增加會改變焊縫金屬組織結構（如圖4所示[9]），降低了焊接接頭的力學性能。

1.4 A-TIG焊對焊縫耐腐蝕性能的影響

應力腐蝕是在化學介質和應力協同作用下腐蝕的一種基本形式，是指受應力的材料在特定環境下產生滯后開裂，甚至發生滯后斷裂的現象。通常，不存在應力時應力腐蝕非常輕微，但當應力超過某一臨界值后，金屬會在腐蝕并不嚴重的情況下發生脆斷[10]。

應力腐蝕常具有下列重要特征[11-12]。

（1）應力腐蝕必須同時具備特定環境、足夠大的應力、特定的合金成分和結構三個條件。

（2）應力腐蝕是一種與時間有關的滯后破裂。對無裂紋的拉伸試樣，當應力σ還遠低于斷裂應力σb時就能引起應力腐蝕裂紋的產生和擴展。

（3）產生應力腐蝕的合金表面往往都產生鈍化膜或保護膜，這類膜的厚度有一個或幾個原子層直至較厚的可見膜。

圖4 A-TIG焊和TIG焊焊縫金相組織形貌對比（400×）

（4）應力腐蝕裂紋擴展速率一般為（10-6～10-3）mm/min，比均勻腐蝕快106倍。

文獻[13]通過研究發現，A-TIG焊試樣的應力腐蝕裂紋無論在表面開裂程度和裂紋擴展深度上都要小于常規TIG焊試樣的應力腐蝕裂紋，證明了A-TIG焊有效的提高了工件的抗應力腐蝕開裂的能力。

2 A-TIG焊熔深增加機理

針對熔深增加機理的研究，國內外學者進行了大量的研究工作。目前已經被廣泛接受的機理有：“電弧收縮”觀點，“表面張力”觀點和“陽極斑點收縮”觀點[14-15]。

2.1 “電弧收縮”理論

電弧壓縮機制如圖5所示，A-TIG焊接過程中，活性劑蒸發后以原子態包圍在電弧周圍。活性劑蒸發后的原子能夠捕獲外圍區域的電子形成負離子。和電子相比，負離子的質量要大很多，不能參與導電，導致電場強度減小。由于A-TIG焊接過程中電流保持不變，根據最小電壓原理，電弧會自動收縮、電壓增加，使焊接熱源用于熔化母材的熱量增加，從而使熔深增加[16]。

圖5 電弧壓縮機制示意圖

針對“電弧收縮”理論，國內外學者進行了許多相關的研究工作。Howse D S[17]經過試驗研究，采用不同的焊接熱源焊接涂覆氧化物活性劑的不銹鋼時，發現電弧收縮是焊縫熔深增加的主要機理；而當沒有等離子時，活性劑不能使焊縫熔深增加。張瑞華等人[18-19]研究了不銹鋼A-TIG焊接過程中活性劑對電弧的影響。試驗結果表明，電弧弧根的等離子發光區發生了明顯收縮。山東大學的李清明[20]等人以不銹鋼為母材，研究了TiO2和SiO2活性劑對直流TIG焊接電弧形態和電弧電壓的影響。試驗表明，涂敷SiO2后，電弧狀態發生了明顯的變化，電弧電壓明顯增加；而涂敷TiO2活性劑后，電弧形態沒有發生明顯的變化，電弧電壓降低。

2.2 “陽極斑點”理論

非金屬化合物作為活性劑焊接時，活性劑涂層對液態熔池產生的金屬蒸汽有抑制作用。所以電弧導電通道受到壓縮，從而獲得了較大的熔深[8]。如圖6所示，在熔池中添加了氧化物、硫化物和氯化物后，溶池表面的斑點出現了明顯的收縮[21]。

圖6 無活性劑和有活性劑的電弧陽極斑點對比

MECHEV V S[22]通過研究發現，在陽極區收縮力作用下，該區域的電子流向陽極運動而降低了陽極勢能，最終將大幅度提高陽極區電流密度。

2.3 “表面張力溫度梯度改變”理論

溶池表面張力和對流如圖7所示。

傳統TIG焊接過程中，液態熔池中心溫度高，熔池周圍為低溫的液固共存相。所以熔池表面中心表面張力較小，而熔池外圍表而張力較大。在表面張力差的作用下，使液態金屬由中心向外圍流動，如圖7（a）所示，因而形成的熔池橫截面形貌寬而淺。

A-TIG焊接過程中，活性元素使熔池表面張力溫度系數由負值變為正值，即熔池表面張力隨著溫度的增加而增大。如圖7（b）所示，涂敷活性劑后液態熔池表面表張力發生變化，使液態金屬由熔池邊緣流向熔池中心流動，從而使熔池形成窄而深的橫截面[23-24]。

圖7 A-TIG焊和TIG焊溶池表面張力和對流對比示意圖

國內外學者對熔池表面張力進行了廣泛而深入的研究。Leconte S[25]研究了A-TIG焊接過程中氧化物為活性劑對不銹鋼焊縫熔池流動方式的影響。結果表明：活性劑中的氧元素能夠改變液態熔池中的Marangoni對流方式，即熔池中形成由邊緣向溶池中心流動的對流使溶深增加。蘭州理工大學張瑞華等人[19]研究表明：無活性劑時，熔池液態金屬由中心向邊緣流動；有活性劑時，液態金屬由熔池邊緣向中心流動；熔池流動方式的改變是不銹鋼A-TIG焊接熔深增加的主要機理。

3 結 論

（1）相同焊接參數下，A-TIG焊相對于傳統TIG焊，熔深顯著增加。

（2）獲得相同焊接接頭，A-TIG焊相對于傳統TIG焊，熱輸入少，獲得的焊縫組織較優良，因此具有更好的力學性能。

（3）A-TIG焊接熔深增加機理主要有“電弧收縮”觀點，“表面張力”觀點和“陽極斑點收縮”觀點，而不同活性劑的熔深增加機理各不相同。

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