活性TIG焊的研究进展

彭小洋，凌泽民，廖 娟，李金阁

（重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045）

0 引 言

近年来，高效节能的新型焊接方法成为国际焊接领域研究的热门课题之一。焊接技术正向着高效率、高质量、低成本、降低劳动强度和能耗的绿色方向发展。活性焊接（简称A－TIG焊）是近几年兴起的一种高效绿色的焊接技术，受到人们越来越多的关注［1］。它是通过焊前在待焊工件表面涂覆某种活性焊剂，以引起电弧收缩、电弧能量密度增加、电弧力增强，最终使得焊缝熔深增加的焊接方法。该方法最早是乌克兰巴顿焊接研究所（PWI）在20世纪60年代开发出的［2］，但直到90年代末欧美国家的研究机构（如美国的爱迪生焊接研究所和英国焊接研究所等）才开展广泛的研究［3］，其中英国焊接研究所开发的焊剂已经在海军造船业中使用［4］。目前该焊接方法已经应用于碳钢、不锈钢、镍基合金、钛合金及铝合金的焊接，其生产效率高、成本低、焊接变形小，具有广阔的应用前景。为了给国内相关研究人员提供参考，作者主要从A－TIG焊的工艺特点、基本原理、活性焊剂的研制等几方面对A－TIG焊的研究与应用现状进行了综述，并对其今后的发展方向进行了展望。

1 A－TIG焊的工艺特点

常规TIG焊主要缺点是熔深较浅（小于3mm），焊接效率低，焊接参数对材料成分的变化比较敏感，对于厚板焊接需要开坡口以便进行多道焊，多道焊时焊接变形和热影响区变大，影响接头质量；加大焊接电流可以增加焊接熔深，但是熔宽和熔池体积亦会增加，并且增大幅度远大于熔深增幅；同时还会增加钨极的损耗，造成焊缝金属的污染。

在相同的焊接规范下，A－TIG焊接电弧会产生明显的收缩，熔池的流动也发生显著变化，可以使熔深增加1～2倍。对于8mm厚板焊接可以不开坡口一次焊透，对于薄板可以在不改变焊接速度的情况下减小焊接热输入［5］。

与常规TIG焊相比较，A－TIG焊不仅可以提高生产效率，降低生产成本，而且还可以减小焊接变形，具有非常重要的应用前景［6］。与同等厚度的常规TIG焊相比，A－TIG焊可以进行高速低热输入焊接，非常适合薄壁小直径管－管、管－板的焊接。与传统的焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊等焊接方法相比，A－TIG焊焊接质量更可靠，生产效率更高；与先进的激光焊、电子束焊以及等离子弧焊相比，A－TIG焊所用的活性焊剂成分范围大，来源丰富，价格便宜，无需昂贵的焊接设备，使得A－TIG焊具有成本低、经济效益好的优点。

2 活性焊剂增大A－TIG焊熔深的机理

有关活性焊剂增加A－TIG焊熔深作用机理的研究，目前认为最具代表性的理论是Simonik［7］提出的“电弧收缩理论”和 Heiple［8］提出的“表面张力温度梯度改变理论”。前者讨论的是活性焊剂与电弧之间的作用，认为活性焊剂的加入会引起电弧收缩，电弧电导面积减小，电流密度增大，单位面积热输入增加，从而增大熔深。后者讨论的是活性焊剂与熔池金属之间的作用。当熔池表面没有表面活性元素时，表面张力温度梯度为负值，表面张力随温度的升高而减小，熔池表面形成从中心流向周边的Marangoni对流，得到宽而浅的熔池；当熔池表面存在活性焊剂时，表面张力温度梯度由负变正，表面张力随温度的升高而增大，熔池表面形成从周边向中心的Marangoni对流，形成窄而深的熔池。但是这两种理论均没有与活性焊剂本身的物理性质相结合，尚缺乏统一的认识。

Heiple［8］认为氧对溶滴与熔池的表面张力系数的影响小于硫的，但是Aidun等［9］的研究却得出相反的结果。Fuji等［10］研究了铝合金的A－TIG焊，认为表面张力所导致的Marangoni对流是增加熔深的原因。Savitslii等［11］在用活性焊剂进行焊接时在水冷铜阳极上没有观察到电弧收缩现象；Howse等［12］在多组元活性焊剂对不锈钢TIG焊、等离子焊、CO2激光焊和电子束焊的研究中发现，活性焊剂能显著增加TIG焊的熔深，对激光焊的熔深也稍有增加，对等离子弧焊的焊缝也有影响，但对于电子束焊的没有影响，从而认为焊缝熔深的增大是因为电弧收缩导致等离子体收缩造成的。Heiple等［13］用硒做微量元素研究不锈钢GTA焊、激光焊和电子束焊时，发现硒元素对GTA焊和激光焊焊缝的几何形状产生较大影响，而对电子束焊的影响较小。Tanaka等［14］用TiO2作活性焊剂对不锈钢TIG电弧等离子体进行了光谱测量，发现电弧中没有活性焊剂原子的存在，证明了活性焊剂的蒸发对电弧收缩没有影响；他们又对熔池表面温度进行了测量，发现涂覆活性焊剂时的温度分布陡峭，从而认为活性焊剂增大熔深的原因是活性焊剂作用下液态金属的表面张力温度梯度发生了改变。Katayama等［15］用钨粒子作示踪原子，用微焦X射线成像系统对含硫量不同的两种不锈钢进行了定点和移动TIG焊熔池行为研究，发现当含硫量较低时熔池中心的液态金属从熔池底部向熔池表面流动，而含硫量较高时液态金属从熔池表面流向熔池底部，验证了表面张力梯度理论。Marya等［16］对镁合金的A－TIG焊熔深增大原因进行了研究，发现卤化物改变了焊接电压，焊缝熔深和熔宽也发生了相应变化，指出焊接电压升高引起的热输入的增加是熔深和深宽变化的主要原因。国外很少有人专门针对铝合金进行ATIG焊熔深增大机理进行研究，而Sire等［17］针对铝合金采用了FBTIG焊的工艺方法进行了研究，他们发现采用SiO2时，电弧明显收缩，电压升高。

国内学者也对A－TIG熔深增大的机理进行了研究。苏钟鸣等［18］认为熔深增大与电弧电压的增大有关。刘黎明等［19］在进行镁合金A－TIG焊接时发现氯化物活性焊剂增大焊缝熔深的机理是活性焊剂与焊接电弧之间的相互作用。黄勇等［20］在对铝合金进行A－TIG焊的研究时，认为导电通道电阻增大是铝合金A－TIG焊熔深增大的原因。刘凤尧［21］利用熔池震荡法对熔池表面张力进行测量，利用光谱测量仪测量了A－TIG焊电弧光谱的分布特征。他们认为不同活性焊剂增大不锈钢熔深的机理不同，SiO2增加熔深是电弧收缩、阳极斑点收缩和表面张力温度梯度正负性变化共同作用的结果；TiO2增大熔深则是表面张力温度梯度改变的作用。

3 A－TIG焊活性焊剂的研制

活性焊剂的基本功能是降低溶滴与熔池界面的表面张力、改变体系的界面性质和状态。A－TIG焊是通过调节活性焊剂中微量元素的组成和含量来控制焊缝成形和提高焊接质量。对于某一牌号的焊接材料必须匹配一种针对该材料的活性焊剂，这样才能实现A－TIG焊接，并充分发挥A－TIG焊接技术的优越性。目前报道的几种用于具体钢材和有色金属的活性焊剂成分中均含有氧化物、氟化物或氧化物与卤化物的混合物。

由于活性焊剂增大焊缝熔深的机理还没有明确，所以对于活性焊剂的开发还处于反复试验摸索阶段。当前，世界各国都极为重视活性焊剂的研究、开发、生产和应用。20世纪90年代活性焊剂在焊接不锈钢、碳锰钢和低合金钢方面获得巨大成功。巴顿焊接研究所研制的以氟化物为主的活性焊剂可以使12mm厚的钛合金在A－TIG焊时无需开坡口而一次焊透，并且焊缝较窄、热影响区小。美国爱迪生研究所发现当活性焊剂中有硫、氧、铝和钙等元素存在时对焊缝的熔深和熔宽有一定的影响；当母材中硫和氧的含量增加时焊缝的熔深增大而熔宽减小。Dinechin等［22］研究表明活性焊剂可以放宽接头间隙的装配要求，使得焊缝质量对电弧长度波动的敏感性降低。Sire等［23］研究了 TiO2、Al2O3、LiF、SiO2和AlF3等活性焊剂对铝合金交流TIG焊和直流TIG焊的影响。结果发现，交流焊接时，SiO2和AlF3可以使熔深增大，LiF无明显作用，TiO2和Al2O3会减小熔深；直流焊接时，SiO2显著提高熔深和焊缝成形系数。Marya等［24］对镁合金的活性焊剂研究发现，LiCl、CaCl2、CdCl2、PbCl2和CeCl3等氯化物均能提高熔池深宽比。美国开发的不锈钢和碳钢用活性焊剂已经用于某双体船壳体及油轮的建造，海军方面正在用该活性焊剂焊接舰船及潜水艇的管道系统和某些零部件。日本近几年来也开发了不锈钢和低合金钢用的活性焊剂。

我国对A－TIG焊接技术的研究起于1998年前后，并获得了初步成果。刘凤尧等［25］研究了单一活性焊剂，相关试验表明，氟化物和氧化物活性焊剂均能增大不锈钢的焊缝熔深，使接头的显微组织、化学成分以及力学性能、抗晶间腐蚀性能等满足使用要求。陈莉等［26］研究表明，氟化物对钛合金焊接熔深影响显著。刘黎明等［27］采用 FC（flux－coated）焊丝的方法研究了ZnO和MnCl2二元活性焊剂对AZ31镁合金熔深的影响，通过两组元不同的配比，得出了焊缝在不同混合比情况下的深宽比。结果表明，使用活性焊剂能够显著增大焊缝熔深，在二元活性焊剂中，MnCl2含量越高熔深增大效果越好；当MnCl2含量达到40%（质量分数）时，熔深增大效果最明显。北京航空制造工程研究所针对不同板厚的钛合金开发的活性焊剂FT－01和FT－02表现出优异的性能，可以改善焊缝质量，提高焊缝深宽比，减小焊接热输入和焊接变形。兰州理工大学开发研制了不锈钢、碳钢及铝合金用的活性焊剂，其熔深达到传统TIG焊接熔深的2～3倍，已经申请了国家发明专利。洛阳船舶材料研究所、广船国际股份有限公司工艺研究所、大连铁道学院和陕西工学院针对不锈钢和碳钢用的活性焊剂配方也进行了研制。

4 A－TIG焊的数值模拟

常规TIG焊对电弧收缩现象的解释只是直接观察电弧形态和熔池中阳极斑点的运动，并没有考虑电弧中负离子存在的问题。焊接熔池中流体流动及焊接热过程是影响焊接质量和生产效率的主要因素之一。因此，获得熔池内流体流动及传热过程的动态信息对控制焊接质量有重要意义。数值模拟技术可以定量描述焊接熔池内流体流动及传热过程，为深入了解焊接过程中发生的现象提供了一种实用手段。目前，数值模拟技术的研究主要集中于表面活性元素对Marangoni流和熔池形状的影响。

自20世纪80年代中期，Kou［28］和 Tsai等［29］开始建立理论模型来研究表面张力对熔池中流体流动和熔深的影响，通过改变表面张力温度系数的正、负性质，可以预测熔池中出现的反向流动的涡流。有研究者［30－33］分别通过模拟和试验的方法研究了不同硫含量下熔池的瞬态发展过程。Xu等［34］利用数值模拟方法研究了熔池温度场和流场，结果也表明电弧收缩对焊缝成形和熔深的影响很小，熔池中的活性元素改变了表面张力温度系数∂γ／∂Τ的正负性，驱使液态金属流向熔池中心，提高了焊缝熔深，他们认为表面张力温度系数的改变是熔深增大的主要原因；同时比较了试验结果和模拟结果的焊缝成形情况，证明了模拟结果的准确性。赵玉珍等［35］模拟了微量元素氧的质量分数变化对TIG焊熔池流场的影响。张瑞华等［36］利用PHOENICS软件模拟了氧元素质量分数、电弧收缩效应等对熔池速度场和温度场的影响。结果证明：有无活性焊剂时熔池形状的数值模拟结果与试验结果相吻合；熔池表面张力梯度改变是熔深增加的主要原因；电弧收缩影响熔宽，对熔深也有一定的影响，但不是主要原因。雷永平等［37］采用电弧和熔池的统一模型控制方程和辅助方程，计算分析了表面活性元素硫含量对热表面张力驱动流和熔池形状的影响。张瑞华等［38］模拟了活性焊剂中氧元素的质量分数和电弧收缩效应对熔池流场和温度场的影响，并通过改变高斯热源的热流分布参数和电磁力中的电流密度模拟了弧压升高、电弧收缩对焊缝熔深增大的影响，结果证明温度场和流场速度几乎没有变化，熔深和熔宽也没有改变，说明了洛伦兹力对流体流动的影响很小。

5 A－TIG焊的应用

A－TIG焊在焊接领域内得到广泛运用。在20世纪90年代，前苏联将A－TIG用于低合金钢的焊接，最大焊接厚度达到12mm。美国开发了一种活性焊剂可用于焊接多种奥氏体不锈钢，并且焊缝熔深达到9mm，已投入工业使用［39］。美国开发的不锈钢与碳钢氩弧焊焊剂已用于造船业，能够节省工时达75%，目前已经用于船舰、潜艇的管道以及零部件焊接。近年来，日本研究了一种可用于氩弧焊的活性焊剂，用于修复电厂热力管道焊接接头处产生的裂纹，取得了良好的效果。

6 结束语

由于A－TIG焊优异的焊接性能和良好的经济效益，目前该方法已经广泛用于各类工业生产中，如电力、汽车、航天、化工等领域。但对于活性焊剂增大熔深的机理还没有确切的定论，今后关于A－TIG的研究还要从以下几方面进行：（1）活性焊剂成分的改进，新型活性焊剂的研发；（2）适合各类焊接材料的活性焊剂的研制；（3）活性焊剂对熔深影响机理的深入研究；（4）涂覆技术和工艺的研究等。另外，数值模拟技术对活性焊剂增大熔深的机理研究已有初步进展，数值模拟技术会成为研究熔深增大机理的重要方法，机理的掌握可使A－TIG焊接技术得到更加广泛的应用。

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