第2章 鎢極氬弧焊新技術

2.1 活性焊劑鎢極氬弧焊（A-TIG焊）

2.1.1 概述

一般TIG焊在單層焊接時通常只能獲得較小的熔深，對于厚度較大的焊件，要求焊縫背面熔透時，就要進行坡口加工，并采用多層焊接，從而影響了生產效率的提高。為了提高TIG焊的生產效率，降低成本，拓寬TIG焊的應用范圍，20世紀60年代，烏克蘭的巴頓焊接研究所（PWI）提出了活性化TIG焊的概念，并用于鈦合金的焊接中。在20世紀90年代，此種焊接技術引起了英國、美國、日本等一些國家的高度重視，使該焊接技術的研究和應用得到迅速發展，相繼研制出用于不銹鋼、碳鋼、低合金鋼等不同材料的活性焊劑。我國也已于20世紀末對此種焊接技術進行了研究和應用。

圖2-1 A-TIG焊接過程示意圖

活性焊劑鎢極氬弧焊也稱為活性劑鎢極氬弧焊，其英文為Activating Flux-TIGWelding，簡稱A-TIG焊。它是在被焊焊件的表面，涂敷一層很薄的活性焊劑，然后進行TIG焊。其焊接過程如圖2-1所示。在同樣的焊接參數下，可使焊縫熔深比一般TIG焊增加1～3倍，如圖2-2所示。對板厚12mm以下的低碳鋼采用I形對接坡口可一次焊接完成。

圖2-2 一般TIG焊與A-TIG焊熔深的比較

a）一般TIG焊熔深 b）A-TIG焊熔深

2.1.2 A-TIG焊的特點

1）顯著增加熔深。在焊接不銹鋼時，可由一般TIG焊的熔深3mm增加到12mm。可一次單面焊10mm厚的不銹鋼板。在采用A-TIG焊焊接16mm厚的不銹鋼板時，采用雙面焊正反面各焊一道焊縫，而一般TIG焊相應要焊5～9層（見表2-1）。

表2-1 A-TIG焊和一般TIG焊的比較（鋼板焊縫長1m）

2）高效節能。A-TIG焊的效率高是指它的綜合效率高，由于A-TIG焊熔深大，對一定厚度的焊件開I形坡口可一次熔透；在焊接厚板時，可加大坡口的鈍邊，減少坡口加工量，從而減少填充材料、焊層及輔助時間，其綜合效率高。由表2-1可以看出，板厚相同的情況下，其消耗功率約減少一半，焊接時間可節約一半，是一種高效節能的焊接方法。圖2-3所示為1m長焊縫不同焊接方法所需的焊道層數和焊接時間的比較。

3）減少對不同爐次鋼的敏感性。當S的質量分數小于0.002%時，仍能形成穩定的熔深。

4）焊接變形和殘余應力小。

A-TIG焊存在的不足，主要表現為焊前要求焊件表面待焊接處應認真打磨使之露出金屬光澤；焊縫表面成形差；焊后焊縫表面殘留的活性焊劑清理較困難。

圖2-3 1m長焊縫不同焊接方法所需的焊道層數和焊接時間的對比

2.1.3 活性焊劑

1.活性焊劑的基本類型

（1）鹵素化合物型 它們是以氟化物和氯化物為主要組分的活性焊劑，主要用于焊接鈦合金，可焊接厚度為7mm的鈦合金，采用I形對接坡口一次熔透。由于此類活性焊劑的組分對人體有害，一般不再使用。

（2）氧化物和氟化物型 其主要組分以氧化物為主，加入一定量的氟化物，主要用于不銹鋼、碳鋼等金屬的焊接。

（3）氧化物型 主要組分為氧化物，不含硫、碳氫化合物和氟化物?？捎糜?00多種奧氏體不銹鋼的焊接。

2.活性焊劑的組成

A_-TIG焊活性焊劑主要由氧化物、氟化物、鹵素鹽的混合物組成，主要成分為SiO₂、TiO₂、CaF₂、Cr₂O₃、CaO、MgO、NaCl等。

蘇聯研制的活性焊劑組成（質量分數）為：SiO₂57.3%，NaF6.4%，TiO₂13.6%，Ti粉13.6%，Cr₂O₃9.1%等。

日本的一種活性焊劑組成（質量分數）為：SiO₂25%，TiO₂7%，CaO35%，CaF₂20%，Al₂O₃2%，FeO4%，MnO7%。

美國的活性焊劑為SS系列，例如LFX-SS7，由純氧化物組成。

還有一種活性焊劑的組成（質量分數）為：TiO₂8%～9%，K₂O7%～8%，BaO18%～22%，SiO₂14%～16%，Li₃AlF₆45%～53%。

我國蘭州理工大學、哈爾濱工業大學、洛陽船舶材料研究所等單位也對活性焊劑進行了研究?；钚院竸┲饕獞靡韵挛镔|：SiO₂、TiO₂、CaO、MgO、Cr₂O₃、CaF₂、NaF等。在A_-TIG焊時，影響熔深最明顯的是SiO₂，其次為TiO₂。

2.1.4 活性焊劑的使用

首先將活性焊劑的組分混合均勻，然后用乙醇或丙酮等易揮發的有機溶劑，將其制成糊狀或懸浮狀，或做成噴霧劑狀，以備使用?？刹捎萌斯し椒ㄋ⑼?，也可用機械方法涂敷或直接噴涂在焊件表面。一般在涂敷前應將焊件表面要涂敷的區域打磨出金屬光澤，涂敷寬度10～20mm，在生產應用中涂敷量以涂層充分遮蓋住金屬光澤為宜，相應的厚度為0.013mm左右，活性焊劑使用量為0.3g/m左右。當溶劑揮發后，細微活性焊劑粉末附著在焊件表面，以便在活性焊劑涂層上進行焊接。

焊后焊縫兩側鋼板上殘留的活性焊劑應清除，清除的方法可用人工，也可用機械方法，一般用銅絲刷或砂輪將其清除干凈。

2.1.5 A-TIG焊的機理

A-TIG焊能增加熔深，是由于活性焊劑對電弧、熔池表面張力和陰極斑點等共同作用的結果。

1.電弧收縮學說

活性焊劑在電弧的高溫作用下，產生蒸發并以原子態包圍在電弧周圍區域。在電弧中心區域，電弧的溫度高于活性焊劑組分分子的分解溫度，保護氣體和活性焊劑的原子被電離成電子和正離子。由于電弧周圍區域溫度相對較低，活性焊劑蒸發的元素仍以分子和原子形式存在，被分解的原子大量俘獲該區域中的電子形成負離子，使電弧周圍區域作為主要導電的電子大大減少，導電能力下降，迫使電弧收縮，如圖2-4所示。其次由于活性焊劑的各組分均為多原子分子，在電弧溫度下發生熱解離而產生明熱反應，也迫使電弧壓縮。

電子親和能越大，越易形成負離子，因而氟比氯更有利于電弧收縮。雖然氧化物的電子親和能比鹵化物小，但其解離溫度比鹵化物高。在相同的條件下，解離溫度越高，越有利于電弧收縮。

圖2-4 負離子引起的電弧收縮

活性焊劑的組成物本身是不導電的，其熔點和沸點都比被焊金屬高，因此只在電弧中心溫度較高的區域有金屬蒸氣，從而使活性焊劑涂層的存在機械性地限制了陽極斑點區，使電弧不能擴展。

以上作用原理已通過試驗研究發現，在活性焊劑存在的情況下，陽極根部呈收縮狀，相反在一般TIG焊時，陽極斑點為發散狀，陽極根部形狀對熔池表面溫度分布也有強烈的影響。

以上原因造成電弧自動收縮、電弧電壓增加、熱量集中，從而使焊縫熔深增加。

2.熔池表面張力學說

表面張力理論認為，熔池金屬流動狀態對焊縫的幾何狀態有很大的作用。一般焊縫金屬在熔化狀態下，表面張力具有負的溫度系數，即熔池液態金屬從表面張力小的區域向表面張力大的區域流動。表面張力決定于熔池液體表面溫度梯度和熔池金屬中存在的某種微量元素或接觸到的活性氣氛（如O、S）。熔池中不存在活性元素時，熔池表面張力一般隨溫度升高而降低。在電弧正下方的熔池中心處表面張力較小，而熔池邊緣表面張力較大。這種表面張力的分布使熔池中液態金屬中心向邊緣流動，如圖2-5a所示。這種液態流動模式使得焊縫寬而淺。一旦熔池中含有某些微量元素或表面活性元素，則熔池液態金屬從熔池邊緣向中心流動，形成圖2-5b所示的流動狀態，可有效地使熔池中心高溫傳遞至熔池底部，形成沖刷作用，形成了一個相對深而寬的焊縫。

也有人通過試驗研究，發現活性焊劑在焊接過程中分解，使熔池中含氧量增加，從而改變了熔池的張力。只有熔池中氧的含量在一定范圍內時，才能最大地增加焊縫的熔深。

圖2-5 熔池表面張力對熔 池金屬流動和熔深的影響

2.1.6 A-TIG焊的應用

隨著用于不同材料的活性焊劑相繼研制成功，A-TIG焊可以用于焊接不銹鋼、低碳鋼、低合金高強度鋼、鈦合金、鎳合金等，并已應用于航空航天、電力、汽車、造船、化工、壓力容器等重要工業領域。俄羅斯已將該技術應用于焊接核反應堆管子部件等重要工程結構的生產中。美國采用A-TIG焊焊接一艘雙體船殼體及兩艘油輪，和一般TIG焊相比，可節約工時75%，現在使用該焊劑焊接艦船及潛艇用管道系統和一些零部件。圖2-6所示為A-TIG焊焊接鎳合金管道的情況。

A-TIG焊在日本已用于修復電廠熱力管道焊接頭，可不開坡口直接重熔予以修復。表2-2為A-TIG焊母材與焊縫的力學性能。表2-3為A-TIG焊的焊接參數及焊縫幾何尺寸，供使用時參考。

圖2-6 A-TIG焊焊接鎳合金管道

表2-2 A-TIG焊母材與焊縫的力學性能

表2-3 A-TIG焊的焊接參數及焊縫幾何尺寸

①316L新牌號為022Cr17Ni12Mo2。

2.1.7 316L不銹鋼管A-TIG焊工藝

A-TIG焊是在母材表面涂敷一層活性焊劑后施焊，在焊接電流不變的情況下，使焊縫熔深大幅度增加。下面介紹一項A-TIG焊的工程應用實例。

1.焊接工藝試驗

按照中國船級社《材料與焊接規范》第3章的“對接焊工藝認可試驗”規定，對316L不銹鋼管（?114mm×6mm）進行A-TIG對接焊工藝試驗，然后對焊縫進行射線探傷、外觀檢查、化學成分分析、力學性能試驗和宏觀金相檢查，以檢測此焊接方法的綜合性能。

（1）試驗材料及設備 材質為316L不銹鋼，尺寸為?114mm×6mm×150mm。使用自行研制的A-TIG焊劑，采用日本松下公司的YC-300TWSP手工TIG焊機。氣體為純氬，純度大于99.99%（體積分數）。采用鈰鎢極，直徑2.4mm，尖端角度45°。

（2）管子裝配 管子裝配前，將接口端部20mm范圍內的雜物清理干凈。裝配間隙小于1mm，錯邊小于1mm。采用對接I形坡口，管子焊接位置為水平轉動。

（3）涂刷活性焊劑 管子定位后，將已配制好的活性焊劑用毛筆涂敷到鋼管接口表面上，待其晾干后，采用旋轉TIG焊施焊。

（4）焊接參數 不銹鋼管的A-TIG焊焊接參數見表2-4。

表2-4 不銹鋼管的A-TIG焊焊接參數

2.試驗結果

（1）焊縫外觀檢查 焊縫表面成形均勻、光滑，無裂紋、焊瘤和咬邊，表面有少量黑色氧化渣。焊縫余高為1.0～1.5mm，正面寬5～6mm，背面寬3～4mm，不銹鋼管A-TIG焊焊縫外觀如圖2-7所示。

（2）射線探傷 檢驗結果顯示整條焊縫無不良缺陷。按照GB/T3558—2011標準，此焊縫的4張片均被評為Ⅰ級片。

（3）化學成分分析 316L鋼管母材和焊縫化學成分的實測值與標準值的對照見表2-5。從檢測結果看，316L鋼管A-TIG焊后，焊縫化學成分無明顯變化，符合GB/T3558—2011標準的要求。

（4）力學性能試驗 力學性能試驗結果見表2-6。顯然，焊縫的力學性能全部符合有關標準的要求。

圖2-7 不銹鋼管A-TIG焊焊縫外觀

（5）焊縫斷面宏觀檢查 焊縫斷面熔合良好，無裂紋和氣孔等各類缺陷，如圖2-8所示。

（6）焊縫微觀金相組織 焊縫組織均勻細小，鐵素體呈網狀；熔合線及熱影響區的晶粒沒有明顯增大，沒有過熱傾向。

表2-5 316L鋼管母材與焊縫的化學成分實測值與標準值對照表（質量分數，%）

表2-6 316L鋼管母材與焊縫的力學性能試驗結果

3.結論

試驗結果表明，316L不銹鋼管A-TIG焊對接試驗方法完全符合中國船級社《材料與焊接規范》第3章的“對接焊工藝認可試驗”的規定，其各項指標均滿足規范要求。此工藝具有以下特點：

1）對坡口加工精度要求不高（可機加工、切割）。

2）對管子裝配尺寸范圍要求較寬（圓度、間隙、錯邊等）。

圖2-8 宏觀焊縫

3）焊接生產效率高，可實現Ⅰ形坡口單面焊雙面成形。

4）焊接質量可與等離子弧焊相媲美，但成本很低。

5）焊縫力學性能和化學成分穩定。

6）焊縫收縮量和變形量小。

7）A-TIG焊可產生小孔效應，焊縫呈指狀，但無柱狀晶組織產生。