论文部分内容阅读
摘要：A-TIG焊是在焊接母材表面上涂敷一层活性焊剂，然后进行TIG焊的一种焊接方法。实验选取四种不同的活性焊剂，通过工艺实验对比分析了TIG焊与A-TIG焊焊缝熔深和焊缝成形的影响。试验结果表明，在相同的焊接工艺参数下， A-TIG焊的焊缝熔深要明显大于TIG焊的焊缝熔深，焊缝表面成形因选取的活性化焊剂不同而有很大区别。
关键词：A-TIG焊接；活性焊剂；焊缝熔深，焊缝成形
1前言
TIG焊（Tungsten Inert Gas Welding）即钨极惰性气体保护焊，是工业中常采用的焊接方法，是高质量焊接方法的代表。它是在惰性气体保护下，利用钨极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法，较其它焊接方法有明显的优点：焊接过程稳定，保护效果好，熔池可见性好，热输入可调，无飞溅。但该方法仍存在明显的局限性：一是焊接的熔深浅，熔敷率低完成单道焊一次成型的板厚小，厚板需要开坡口进行多道焊；二是TIG焊保护气体氩气、氦气价格昂贵，比一般的焊条电弧焊、埋弧焊、二氧化碳保护焊成本高，不易实现自动化。因此，长期以来，研究和开发既能充分利用TIG焊的优点，又能有效大幅度提高焊接熔深的新型TIG焊方法和技术，一直是世界范围内焊接技术研究人员追求和研究的目标之一。
近年来，一种新型高效焊接技术——A-TIG（Activating flux TIG）被人们所关注。该方法是在施焊板材的表面涂上一层很薄的表面活性焊剂，焊接过程中，在电弧高温热过程和电弧力的作用下，活性焊剂参与到电弧和熔池的物理和化学反应，导致电弧电流密度的增大，电弧发生收缩，焊缝熔池增加的一种焊接工艺，从而大大改善焊接熔深的方法。相关研究结果表明A-TIG焊接较传统TIG焊接有如下突出优点：
（1）显著提高焊接熔深。提高熔深是钢结构材料应用活性剂的首要目的和最重要特点。活性剂的使用可以使电弧收缩，焊接熔深增加。例如焊不锈钢，单道焊熔深可达6～12mm，与传统的TIG焊的3mm形成鲜明对比。
（2）焊前不用开坡口，焊接时无需添加焊丝。这样大大降低生产成本提高经济效率，同时还避免了焊丝质量引起的焊接质量问题。
（3）减小焊接收缩和变形。对同样厚度的焊件，A-TIG焊比TIG焊所需的电流小，因而热输入较小，同时熔深的提高导致焊道数的减少也使得热输入减少，所以焊接过程引起焊件的收缩和变形较小 。
（4）易于实现自动化，提高生产率。由于活性剂可以提高熔深，而熔深的增加可使焊道数减少。此外在同样的焊接电流下与传统的TIG焊相比，A-TIG焊可以提高焊速。焊道数的减少和焊速的提高都有利于焊接时间的减少，从而提高了焊接生产率，降低了成本。
正因为A-TIG焊有显著的优点和经济效益，所以它在实际生产中得到广泛的应用。现在A-TIG焊接技术已广泛应用于航天航空、化工、压力容器、核电设施等领域。
2A-TIG焊熔深增加机理
人们对熔深增加机理的研究就一直没有间断，目前已成为国际上研究的一个热点，并提出了很多理论，其中最具代表性的是“电弧收缩”理论和“表面张力温度梯度改变”理论。
（1）“电弧收缩”理论
活性剂在电弧高温下蒸发后以原子形态包围在电弧周边区域，由于电弧周边区域温度较低，活性剂蒸发原子捕捉该区域的电子形成负离子并散失到周围空间，使电弧中的电子数呈减少趋势，电弧导电性能减弱，其最终结果造成电弧自动产生收缩，热量集中、电弧力集中，即电弧的压缩可增强阳极焊缝根部的电流密度和电弧强度，从而使焊接熔深增加。
（2）“表面张力温度梯度改变”理论
熔池金属流动状态对所形成的熔深起到相当大的作用，普通焊接金属熔化状态下其表面张力具有负的温度系数，在这种情况下，熔池表面形成从熔池中心区域向熔池周边的表面张力流，所得到的熔深较浅；当熔池金属中存在某种微量元素(含量达到一定数值以上)或接触到活性气氛时，熔池液态金属的表面张力数值降低并且转变为正的温度系数，从而使熔池金属形成从熔池周边向着熔池中心区的表面张力流，熔池中心区的电弧热量通过液态金属的流动直接传向熔池底部，使熔池底部的加热效率提高，从而形成更大的熔深。
3活性焊剂的选用
活性焊剂的选用，早期的TIG焊用焊剂主要由用于焊接钛合金，形成了以氟化物和氯化物为主的焊剂涂层系列，该类型焊剂最大的缺点是焊剂组分的毒性大，不便于应用和推广。目前TIG焊用于焊接不锈钢、碳钢时，其活性剂成分主要为以氧化物为主，或辅以极少量氟化物组成。
实验选用四种常见的活性焊剂SiO2、TiO2、Cr2O3 和Fe2O3，分别将四种单一活性焊剂用丙酮调和，并均匀的涂敷在试件后半部分，每种单一活性剂涂敷宽度均为100mm，每种活性焊剂范围内焊接两道焊缝。
4实验
实验是将碳钢钢板表面除锈去氧化层，每一个试样焊接时活性剂只涂敷后半部分，以盖住工件表面金属光泽，前面的部分进行常规TIG焊，后面的部分进行A-TIG焊，整个过程采用自动焊接。这样就使得涂敷活性焊剂前后的试样一次焊接完成，保证在相同焊接工艺参数下进行焊接。
实验过程中为减少人为因素对焊接质量的影响，使用自动焊接。其中各种活性焊剂均采用相同的焊接规范参数焊接，焊接规范参数如表1所示。
5实验结果及分析
焊接完成后分别取TIG焊和A-TIG焊焊缝处的试样进行打磨抛光，用HNO3 (4%)酒精溶液进行腐蚀处理，所得实验结果见表2。
表2可以看出，单一的活性焊剂种类不同，对焊缝熔深熔宽的增加程度也有所不同。普通TIG焊时，焊缝熔深为1.94mm，涂活性化焊剂后，焊缝熔深明显高于不涂焊剂的焊缝熔深,其中以活性焊剂SiO2对焊缝熔深增加最为明显，焊缝熔深达到了4.10mm，远远大于普通TIG焊焊缝熔深，并且熔宽也有明显的减小，这说明活性剂SiO2对熔深增加有明显促进作用，熔宽变窄说明对电弧有收缩作用,而活性焊剂TiO2、Cr2O3 和Fe2O3虽然对焊缝熔宽没有明显改变，在熔深增加上也不如活性焊剂SiO2对熔深增加的明显，但其熔深也比普通TIG焊时焊缝熔深大，其熔深分别增加了0.46mm、0.90mm、0.76mm。
6结论
通过对A-TIG焊进行实验得到如下结论：
1.A-TIG焊较常规TIG焊可以显著的提高熔深，涂活性焊剂SiO2对熔深增加最明显。
参考文献：
1杨春利．电弧焊基础.哈尔滨工业大学出版社，2003
2郭德伦．活性焊剂焊接技术的研究与应用，航空航天焊接国际论坛论文集，2004
3李志远，钱乙余，张九海，等．先进连接方法，第一版，机械工业出版社，2000
4杨春利，牛尾诚夫，田中学，等．TIG电弧活性化焊接现象和机理研究，焊接，2000，(4)，16-18
5Heiple C．K Roper J．1L Mechanism for mirror element effect on TIG fusion zone geometry．Welding Journal．1982．(4)：97-102
关键词：A-TIG焊接；活性焊剂；焊缝熔深，焊缝成形
1前言
TIG焊（Tungsten Inert Gas Welding）即钨极惰性气体保护焊，是工业中常采用的焊接方法，是高质量焊接方法的代表。它是在惰性气体保护下，利用钨极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法，较其它焊接方法有明显的优点：焊接过程稳定，保护效果好，熔池可见性好，热输入可调，无飞溅。但该方法仍存在明显的局限性：一是焊接的熔深浅，熔敷率低完成单道焊一次成型的板厚小，厚板需要开坡口进行多道焊；二是TIG焊保护气体氩气、氦气价格昂贵，比一般的焊条电弧焊、埋弧焊、二氧化碳保护焊成本高，不易实现自动化。因此，长期以来，研究和开发既能充分利用TIG焊的优点，又能有效大幅度提高焊接熔深的新型TIG焊方法和技术，一直是世界范围内焊接技术研究人员追求和研究的目标之一。
近年来，一种新型高效焊接技术——A-TIG（Activating flux TIG）被人们所关注。该方法是在施焊板材的表面涂上一层很薄的表面活性焊剂，焊接过程中，在电弧高温热过程和电弧力的作用下，活性焊剂参与到电弧和熔池的物理和化学反应，导致电弧电流密度的增大，电弧发生收缩，焊缝熔池增加的一种焊接工艺，从而大大改善焊接熔深的方法。相关研究结果表明A-TIG焊接较传统TIG焊接有如下突出优点：
（1）显著提高焊接熔深。提高熔深是钢结构材料应用活性剂的首要目的和最重要特点。活性剂的使用可以使电弧收缩，焊接熔深增加。例如焊不锈钢，单道焊熔深可达6～12mm，与传统的TIG焊的3mm形成鲜明对比。
（2）焊前不用开坡口，焊接时无需添加焊丝。这样大大降低生产成本提高经济效率，同时还避免了焊丝质量引起的焊接质量问题。
（3）减小焊接收缩和变形。对同样厚度的焊件，A-TIG焊比TIG焊所需的电流小，因而热输入较小，同时熔深的提高导致焊道数的减少也使得热输入减少，所以焊接过程引起焊件的收缩和变形较小 。
（4）易于实现自动化，提高生产率。由于活性剂可以提高熔深，而熔深的增加可使焊道数减少。此外在同样的焊接电流下与传统的TIG焊相比，A-TIG焊可以提高焊速。焊道数的减少和焊速的提高都有利于焊接时间的减少，从而提高了焊接生产率，降低了成本。
正因为A-TIG焊有显著的优点和经济效益，所以它在实际生产中得到广泛的应用。现在A-TIG焊接技术已广泛应用于航天航空、化工、压力容器、核电设施等领域。
2A-TIG焊熔深增加机理
人们对熔深增加机理的研究就一直没有间断，目前已成为国际上研究的一个热点，并提出了很多理论，其中最具代表性的是“电弧收缩”理论和“表面张力温度梯度改变”理论。
（1）“电弧收缩”理论
活性剂在电弧高温下蒸发后以原子形态包围在电弧周边区域，由于电弧周边区域温度较低，活性剂蒸发原子捕捉该区域的电子形成负离子并散失到周围空间，使电弧中的电子数呈减少趋势，电弧导电性能减弱，其最终结果造成电弧自动产生收缩，热量集中、电弧力集中，即电弧的压缩可增强阳极焊缝根部的电流密度和电弧强度，从而使焊接熔深增加。
（2）“表面张力温度梯度改变”理论
熔池金属流动状态对所形成的熔深起到相当大的作用，普通焊接金属熔化状态下其表面张力具有负的温度系数，在这种情况下，熔池表面形成从熔池中心区域向熔池周边的表面张力流，所得到的熔深较浅；当熔池金属中存在某种微量元素(含量达到一定数值以上)或接触到活性气氛时，熔池液态金属的表面张力数值降低并且转变为正的温度系数，从而使熔池金属形成从熔池周边向着熔池中心区的表面张力流，熔池中心区的电弧热量通过液态金属的流动直接传向熔池底部，使熔池底部的加热效率提高，从而形成更大的熔深。
3活性焊剂的选用
活性焊剂的选用，早期的TIG焊用焊剂主要由用于焊接钛合金，形成了以氟化物和氯化物为主的焊剂涂层系列，该类型焊剂最大的缺点是焊剂组分的毒性大，不便于应用和推广。目前TIG焊用于焊接不锈钢、碳钢时，其活性剂成分主要为以氧化物为主，或辅以极少量氟化物组成。
实验选用四种常见的活性焊剂SiO2、TiO2、Cr2O3 和Fe2O3，分别将四种单一活性焊剂用丙酮调和，并均匀的涂敷在试件后半部分，每种单一活性剂涂敷宽度均为100mm，每种活性焊剂范围内焊接两道焊缝。
4实验
实验是将碳钢钢板表面除锈去氧化层，每一个试样焊接时活性剂只涂敷后半部分，以盖住工件表面金属光泽，前面的部分进行常规TIG焊，后面的部分进行A-TIG焊，整个过程采用自动焊接。这样就使得涂敷活性焊剂前后的试样一次焊接完成，保证在相同焊接工艺参数下进行焊接。
实验过程中为减少人为因素对焊接质量的影响，使用自动焊接。其中各种活性焊剂均采用相同的焊接规范参数焊接，焊接规范参数如表1所示。
5实验结果及分析
焊接完成后分别取TIG焊和A-TIG焊焊缝处的试样进行打磨抛光，用HNO3 (4%)酒精溶液进行腐蚀处理，所得实验结果见表2。
表2可以看出，单一的活性焊剂种类不同，对焊缝熔深熔宽的增加程度也有所不同。普通TIG焊时，焊缝熔深为1.94mm，涂活性化焊剂后，焊缝熔深明显高于不涂焊剂的焊缝熔深,其中以活性焊剂SiO2对焊缝熔深增加最为明显，焊缝熔深达到了4.10mm，远远大于普通TIG焊焊缝熔深，并且熔宽也有明显的减小，这说明活性剂SiO2对熔深增加有明显促进作用，熔宽变窄说明对电弧有收缩作用,而活性焊剂TiO2、Cr2O3 和Fe2O3虽然对焊缝熔宽没有明显改变，在熔深增加上也不如活性焊剂SiO2对熔深增加的明显，但其熔深也比普通TIG焊时焊缝熔深大，其熔深分别增加了0.46mm、0.90mm、0.76mm。
6结论
通过对A-TIG焊进行实验得到如下结论：
1.A-TIG焊较常规TIG焊可以显著的提高熔深，涂活性焊剂SiO2对熔深增加最明显。
参考文献：
1杨春利．电弧焊基础.哈尔滨工业大学出版社，2003
2郭德伦．活性焊剂焊接技术的研究与应用，航空航天焊接国际论坛论文集，2004
3李志远，钱乙余，张九海，等．先进连接方法，第一版，机械工业出版社，2000
4杨春利，牛尾诚夫，田中学，等．TIG电弧活性化焊接现象和机理研究，焊接，2000，(4)，16-18
5Heiple C．K Roper J．1L Mechanism for mirror element effect on TIG fusion zone geometry．Welding Journal．1982．(4)：97-102