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第2章钨极氩弧焊新技术

2.1 活性焊剂钨极氩弧焊（A-TIG焊）

2.1.1 概述

一般TIG焊在单层焊接时通常只能获得较小的熔深，对于厚度较大的焊件，要求焊缝背面熔透时，就要进行坡口加工，并采用多层焊接，从而影响了生产效率的提高。为了提高TIG焊的生产效率，降低成本，拓宽TIG焊的应用范围，20世纪60年代，乌克兰的巴顿焊接研究所（PWI）提出了活性化TIG焊的概念，并用于钛合金的焊接中。在20世纪90年代，此种焊接技术引起了英国、美国、日本等一些国家的高度重视，使该焊接技术的研究和应用得到迅速发展，相继研制出用于不锈钢、碳钢、低合金钢等不同材料的活性焊剂。我国也已于20世纪末对此种焊接技术进行了研究和应用。

图2-1 A-TIG焊接过程示意图

活性焊剂钨极氩弧焊也称为活性剂钨极氩弧焊，其英文为Activating Flux-TIGWelding，简称A-TIG焊。它是在被焊焊件的表面，涂敷一层很薄的活性焊剂，然后进行TIG焊。其焊接过程如图2-1所示。在同样的焊接参数下，可使焊缝熔深比一般TIG焊增加1～3倍，如图2-2所示。对板厚12mm以下的低碳钢采用I形对接坡口可一次焊接完成。

图2-2 一般TIG焊与A-TIG焊熔深的比较

a）一般TIG焊熔深 b）A-TIG焊熔深

2.1.2 A-TIG焊的特点

1）显著增加熔深。在焊接不锈钢时，可由一般TIG焊的熔深3mm增加到12mm。可一次单面焊10mm厚的不锈钢板。在采用A-TIG焊焊接16mm厚的不锈钢板时，采用双面焊正反面各焊一道焊缝，而一般TIG焊相应要焊5～9层（见表2-1）。

表2-1 A-TIG焊和一般TIG焊的比较（钢板焊缝长1m）

2）高效节能。A-TIG焊的效率高是指它的综合效率高，由于A-TIG焊熔深大，对一定厚度的焊件开I形坡口可一次熔透；在焊接厚板时，可加大坡口的钝边，减少坡口加工量，从而减少填充材料、焊层及辅助时间，其综合效率高。由表2-1可以看出，板厚相同的情况下，其消耗功率约减少一半，焊接时间可节约一半，是一种高效节能的焊接方法。图2-3所示为1m长焊缝不同焊接方法所需的焊道层数和焊接时间的比较。

3）减少对不同炉次钢的敏感性。当S的质量分数小于0.002%时，仍能形成稳定的熔深。

4）焊接变形和残余应力小。

A-TIG焊存在的不足，主要表现为焊前要求焊件表面待焊接处应认真打磨使之露出金属光泽；焊缝表面成形差；焊后焊缝表面残留的活性焊剂清理较困难。

图2-3 1m长焊缝不同焊接方法所需的焊道层数和焊接时间的对比

2.1.3 活性焊剂

1.活性焊剂的基本类型

（1）卤素化合物型它们是以氟化物和氯化物为主要组分的活性焊剂，主要用于焊接钛合金，可焊接厚度为7mm的钛合金，采用I形对接坡口一次熔透。由于此类活性焊剂的组分对人体有害，一般不再使用。

（2）氧化物和氟化物型其主要组分以氧化物为主，加入一定量的氟化物，主要用于不锈钢、碳钢等金属的焊接。

（3）氧化物型主要组分为氧化物，不含硫、碳氢化合物和氟化物。可用于300多种奥氏体不锈钢的焊接。

2.活性焊剂的组成

A_-TIG焊活性焊剂主要由氧化物、氟化物、卤素盐的混合物组成，主要成分为SiO₂、TiO₂、CaF₂、Cr₂O₃、CaO、MgO、NaCl等。

苏联研制的活性焊剂组成（质量分数）为：SiO₂57.3%，NaF6.4%，TiO₂13.6%，Ti粉13.6%，Cr₂O₃9.1%等。

日本的一种活性焊剂组成（质量分数）为：SiO₂25%，TiO₂7%，CaO35%，CaF₂20%，Al₂O₃2%，FeO4%，MnO7%。

美国的活性焊剂为SS系列，例如LFX-SS7，由纯氧化物组成。

还有一种活性焊剂的组成（质量分数）为：TiO₂8%～9%，K₂O7%～8%，BaO18%～22%，SiO₂14%～16%，Li₃AlF₆45%～53%。

我国兰州理工大学、哈尔滨工业大学、洛阳船舶材料研究所等单位也对活性焊剂进行了研究。活性焊剂主要应用以下物质：SiO₂、TiO₂、CaO、MgO、Cr₂O₃、CaF₂、NaF等。在A_-TIG焊时，影响熔深最明显的是SiO₂，其次为TiO₂。

2.1.4 活性焊剂的使用

首先将活性焊剂的组分混合均匀，然后用乙醇或丙酮等易挥发的有机溶剂，将其制成糊状或悬浮状，或做成喷雾剂状，以备使用。可采用人工方法刷涂，也可用机械方法涂敷或直接喷涂在焊件表面。一般在涂敷前应将焊件表面要涂敷的区域打磨出金属光泽，涂敷宽度10～20mm，在生产应用中涂敷量以涂层充分遮盖住金属光泽为宜，相应的厚度为0.013mm左右，活性焊剂使用量为0.3g/m左右。当溶剂挥发后，细微活性焊剂粉末附着在焊件表面，以便在活性焊剂涂层上进行焊接。

焊后焊缝两侧钢板上残留的活性焊剂应清除，清除的方法可用人工，也可用机械方法，一般用铜丝刷或砂轮将其清除干净。

2.1.5 A-TIG焊的机理

A-TIG焊能增加熔深，是由于活性焊剂对电弧、熔池表面张力和阴极斑点等共同作用的结果。

1.电弧收缩学说

活性焊剂在电弧的高温作用下，产生蒸发并以原子态包围在电弧周围区域。在电弧中心区域，电弧的温度高于活性焊剂组分分子的分解温度，保护气体和活性焊剂的原子被电离成电子和正离子。由于电弧周围区域温度相对较低，活性焊剂蒸发的元素仍以分子和原子形式存在，被分解的原子大量俘获该区域中的电子形成负离子，使电弧周围区域作为主要导电的电子大大减少，导电能力下降，迫使电弧收缩，如图2-4所示。其次由于活性焊剂的各组分均为多原子分子，在电弧温度下发生热解离而产生明热反应，也迫使电弧压缩。

电子亲和能越大，越易形成负离子，因而氟比氯更有利于电弧收缩。虽然氧化物的电子亲和能比卤化物小，但其解离温度比卤化物高。在相同的条件下，解离温度越高，越有利于电弧收缩。

图2-4 负离子引起的电弧收缩

活性焊剂的组成物本身是不导电的，其熔点和沸点都比被焊金属高，因此只在电弧中心温度较高的区域有金属蒸气，从而使活性焊剂涂层的存在机械性地限制了阳极斑点区，使电弧不能扩展。

以上作用原理已通过试验研究发现，在活性焊剂存在的情况下，阳极根部呈收缩状，相反在一般TIG焊时，阳极斑点为发散状，阳极根部形状对熔池表面温度分布也有强烈的影响。

以上原因造成电弧自动收缩、电弧电压增加、热量集中，从而使焊缝熔深增加。

2.熔池表面张力学说

表面张力理论认为，熔池金属流动状态对焊缝的几何状态有很大的作用。一般焊缝金属在熔化状态下，表面张力具有负的温度系数，即熔池液态金属从表面张力小的区域向表面张力大的区域流动。表面张力决定于熔池液体表面温度梯度和熔池金属中存在的某种微量元素或接触到的活性气氛（如O、S）。熔池中不存在活性元素时，熔池表面张力一般随温度升高而降低。在电弧正下方的熔池中心处表面张力较小，而熔池边缘表面张力较大。这种表面张力的分布使熔池中液态金属中心向边缘流动，如图2-5a所示。这种液态流动模式使得焊缝宽而浅。一旦熔池中含有某些微量元素或表面活性元素，则熔池液态金属从熔池边缘向中心流动，形成图2-5b所示的流动状态，可有效地使熔池中心高温传递至熔池底部，形成冲刷作用，形成了一个相对深而宽的焊缝。

也有人通过试验研究，发现活性焊剂在焊接过程中分解，使熔池中含氧量增加，从而改变了熔池的张力。只有熔池中氧的含量在一定范围内时，才能最大地增加焊缝的熔深。

图2-5 熔池表面张力对熔池金属流动和熔深的影响

2.1.6 A-TIG焊的应用

随着用于不同材料的活性焊剂相继研制成功，A-TIG焊可以用于焊接不锈钢、低碳钢、低合金高强度钢、钛合金、镍合金等，并已应用于航空航天、电力、汽车、造船、化工、压力容器等重要工业领域。俄罗斯已将该技术应用于焊接核反应堆管子部件等重要工程结构的生产中。美国采用A-TIG焊焊接一艘双体船壳体及两艘油轮，和一般TIG焊相比，可节约工时75%，现在使用该焊剂焊接舰船及潜艇用管道系统和一些零部件。图2-6所示为A-TIG焊焊接镍合金管道的情况。

A-TIG焊在日本已用于修复电厂热力管道焊接头，可不开坡口直接重熔予以修复。表2-2为A-TIG焊母材与焊缝的力学性能。表2-3为A-TIG焊的焊接参数及焊缝几何尺寸，供使用时参考。