活性劑增加不銹鋼A-TIG焊熔深機理研究

任澤良，楊成剛,，宋友民

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

TIG焊是現代工業生產中被廣泛采用的一種焊接方法，因其焊縫優質而在精密焊接和高質量焊接場合常常被應用，但是，在常規的焊接參數下，單層焊接通常只能獲得較小的熔深，當焊接厚度較大的板材或管材時，需進行多層焊，這時需要開坡口和添加大量的填充材料，因而使其應用受到限制。活性劑TIG焊技術(A-TIG)是烏克蘭E. O. Paon焊接研究所在20世紀60年代開發的技術，并已經在前蘇聯應用于能源、化工和航空航天工業的焊接生產中[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發生變化，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TIG焊增加1～3倍，在相同的規范下，活性化焊接能夠大幅度提高生產率、降低生產成本，而且無需更換設備。A-TIG的主要應用材料已經從最初的鈦合金擴展到不銹鋼、碳鋼和高溫合金等材料，應用范圍日益擴大，而我國A-TIG焊技術的研究和開發才剛剛開始[6—9]。

目前 A-TIG研究熱點主要集中在活性劑的研制以及活性劑增加熔深機理的研究。對于活性劑增加熔深機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]兩個方面，但國際上目前還沒有形成統一的認識。文中采用自行研制的不銹鋼A-TIG焊多組元活性劑進行試驗，研究活性劑對 A-TIG焊電弧形貌、陽極斑點和電弧電壓的影響，對加深活性劑增加熔深機理的認識、指導活性劑的研制和應用方面具有重要的意義。

1 材料及方法

試驗材料為 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)進行 A-TIG焊試驗，焊接設備為昆山華恒焊接股份有限公司自制的TIG焊設備。焊前先用砂紙打磨鋼板，點焊固定，并依次用酒精丙酮擦洗。將活性劑和丙酮調成粘稠狀液體，用毛刷在待焊區均勻涂覆，涂層厚度基本能蓋住金屬表面即可，等待丙酮揮發進行焊接。焊接參數為：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。采用高速攝影儀對電弧形貌、陽極斑點進行拍攝、記錄（曝光時間為20 μs，拍攝頻率為10 000幀/s，光圈為 22，相機鏡頭與焊接方向垂直）。焊后采用 3DVISION顯微鏡進行宏觀拍照并對熔深和熔寬進行測量。

2 結果與分析

2.1 活性劑對電弧電壓的影響

不涂活性劑(TIG)和涂敷活性劑(A-TIG)焊接時，弧長與電弧電壓的關系見圖1。可知，將弧長從1 mm增加到4 mm，電弧電壓與弧長近似為一種線性關系，不涂敷活性劑，每增加1 mm弧長，電弧電壓提高0.82 V，陽極區和陰極區的電位差為10 V，涂敷活性劑后每增加1 mm弧長，電弧電壓提高1.26 V，陽極區和陰極區的電位差為 10.8 V。與不涂敷活性劑焊接相比，涂敷活性劑后單位弧長電壓提高了0.44 V，陽極區和陰極區的電位差提高了0.8 V，可見活性劑可以促進陽極區和弧柱區收縮。

圖1 弧長與電弧電壓的關系Fig.1 Relationship between arc length and arc voltage

2.2 活性劑對電弧形貌的影響

表1 電弧寬度Tab.1 Arc width

不涂活性劑與涂敷活性劑焊接時的平均電弧寬度見表 1，可見與不涂活性劑相比，涂敷活性劑后電弧寬度由4.97 mm變為4.12 mm，減小了17.1%，電弧發生收縮。圖2為涂敷活性劑前后電弧形貌的動態圖，可見涂敷活性劑前后的電弧形態穩定，沒有較大的波動。涂敷活性劑前后電弧收縮幅度小，這是因為活性劑在電弧加熱作用下分解為單質原子，單質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致電弧收縮幅度小[15]，對比涂敷活性劑前后的電弧形貌可以發現，電弧等離子體發生了收縮，而且采用的優化活性劑 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，進而電弧力也增大，最終導致電弧收縮。

圖2 電弧形貌Fig.2 Arc shape

2.3 活性劑對陽極斑點的影響

TIG焊及A-TIG焊時陽極斑點形貌見圖3。可以看出涂敷活性劑后陽極斑點收縮，這是因為電弧先作用于活性劑，使得活性劑受熱熔化分解，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，電弧導電通道更小。不涂活性劑與涂敷活性劑焊接時的陽極斑點尺寸見表2。由表2可知，與不涂活性劑相比，A-TIG焊時陽極斑點長軸長度由9.92 mm變為8.22 mm，短軸長度由4.75 mm變為4.35 mm，陽極斑點明顯減小。

圖3 陽極斑點形貌Fig.3 Anode spot morphology

表2 陽極斑點尺寸Tab.2 Anode spot size

2.4 活性劑對焊縫成形的影響

TIG焊及A-TIG焊接頭橫截面宏觀形貌見圖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 結論

1)涂敷活性劑促進了電弧陽極區和弧柱區的收縮，當電弧長度為4 mm時，涂敷活性劑后電弧電壓升高了2.7 V，電弧寬度由4.97 mm變為4.12 mm，陽極斑點尺寸也隨之變小。

2)相同工藝參數下，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，陽極斑點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。