活性剂对厚壁管TIG焊接的影响

李佳伟， 陈炫如， 黄 泽， 李佳萍， 郝妮娜， 许海峰， 李 笑， 戴 军*

1. 常熟理工学院 汽车工程学院，江苏 常熟 215500 2. 江阴液压油管有限公司，江苏 江阴 214400

0 引言

活性化TIG 焊（A-TIG 焊接）是近年来一种可以提高焊接熔深并且改善焊缝质量的高效焊接方法。它主要是在被焊工件表层涂敷一层特殊的很薄的活性焊剂，再进行TIG 焊接。在相同的焊接参数下，同常规TIG 焊相比，A-TIG 焊可明显提高焊缝熔深，最高可达300%。对8 mm厚的板材可不开坡口一次焊透或获得较大的熔深，热输入降低，形变减小，且接头力学性能和常规TIG焊相当，有利于提高焊接生产效率，降低焊接生产成本［1-4］。研究发现［5］，合理的活性剂成分配比不会改变焊缝组织以及成分，焊缝的质量不会降低，均满足相关标准。鉴于A-TIG 焊的各种优点，在未来十几年内，ATIG焊接技术将继续发挥巨大的作用。

张瑞华等人［6-7］研究了低碳钢活性剂的配方并取得了良好的实验结果。赵勇［8］采用牌号为FS-01的活性剂对304 不锈钢进行实验，最终得出不锈钢活性剂相对涂敷量在3 层左右时所得的熔深最大，是普通熔深的2.5 倍。除上述两种活性剂外，如铝合金活性剂、钛合金活性剂、镁合金活性剂等多种合金活性剂也有应用研究。刘黎明等人［9］研究了TiO2、Cr2O3、CdCl2和ZnCl2四种活性剂对镁合金TIG焊接熔深的影响，结果发现，四种活性剂均能增大熔深，其中CdCl2和ZnCl2增加熔深效果最好，最大熔深可增加205%。Kulkarni等人［10］研究奥氏体316不锈钢和合金800异种金属A-TIG焊接头的组织与力学性能，发现A-TIG焊能焊透8 mm的钢板，并且无任何裂纹或缺陷，焊接接头具有良好的拉伸强度和冲击韧性，熔合区硬化能力低，焊接热影响区有明显的晶粒粗化。

目前对20#厚壁管钢在A-TIG焊方面的研究较少，本研究主要针对54 mm×8 mm的20#厚壁管开展活性剂对TIG 焊缝成形、熔深、熔宽、接头微观组织和力学性能的影响研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

焊接材料为20#钢管，20#钢属低碳钢，由于其C、Mn、Si 的含量少，焊接性较好，通常情况下不会因为焊接而引起严重的组织硬化和淬火组织，形成的焊接接头性能良好，焊后不需要进行热处理。管管对接的尺寸54 mm×8 mm×100 mm，整管焊接的尺寸为54 mm×8 mm×200 mm，其化学成分和力学性能如表1、表2所示。采用管管对接TIG 焊接，不开坡口不用焊丝，直接氩弧焊接。

表1 20#钢管的化学成分（质量分数，%）Table 1 The chemical composition of 20# steel pipe （wt.%）

表2 20#钢管的力学性能Table 2 Mechanical properties of 20# steel pipe

本次试验采用3 种活性剂，其中两种为新型活性剂，标为1号、2号活性剂，另外一种为江阴液压油管有限公司所用活性剂，标为3号活性剂。

1.2 试验方法

采用华恒（HUAHENG）TIG 焊专机，焊机电源型号为松下YC-400TX4。采用直流TIG焊，钨棒伸出长度5 mm，焊接电流为140 A，焊接速度3 mm/s，焊接角度为90°，保护气流量为10 L/min。本次试验共分为4 组，每组焊接2 个试样，前3 组为不同活性剂的管管对接，第4组为不添加活性剂的整管焊接。活性剂标号分别为1、2、3。试样标号类型见表3。活性剂先采用适量丙酮进行混合搅拌均匀，然后均匀涂覆在焊缝对接面上，静置段时间等表面干燥后进行焊接。

表3 试样编号类型Table 3 Type of sample number

1.3 金相试样制备与组织观察

采用线切割机将焊好的厚壁管切割为35 mm×10 mm×8 mm的金相试样，对试样使用XQ-2B热镶机进行热镶嵌处理，之后利用180#～2000#的金相专用砂纸进行金相研磨和抛光，直至待测表面出现光滑明亮且无明显划痕的镜面时，用5%的硝酸酒精进行腐蚀，在奥林巴斯GX51光学显微镜（OM）下观察组织。

1.4 拉伸性能测试

采用电火花线切割机将焊好的厚壁管切割加工成标准的拉伸试样，其尺寸如图1所示。每组试验需要切割2块拉伸试样，依次重复进行拉伸试验。采用WAW-600型微机控制电液伺服万能试验机进行拉伸试验。试样尺寸厚度为2 mm。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Tensile sample size

2 试验结果与讨论

2.1 焊接宏观形貌

焊接好的8 个试样的宏观形貌如图2所示，可以看出，添加1号活性剂的试样，焊缝表面宽度均匀一致，表面残渣较多，同时发现有少量气泡凸出。添加2 号活性剂的试样在收弧部位焊缝变宽，其余部位整体较均匀，无明显可见缺陷，表面有少量的残渣产生。添加3 号活性剂的试样，焊缝整体宽度均匀一致，无明显可见缺陷，表面残渣较少。未添加活性剂的试样焊缝宽度明显高于其他试样，表面无明显缺陷，表面残渣也较少。对厚壁管焊接宏观形貌分析可知，添加活性剂后，TIG 焊焊缝明显变窄，虽然表面有少量残渣产生，但整体较为美观。

图2 焊接宏观形貌Fig.2 Welding macro morphology

2.2 焊接接头宏观腐蚀

对8个焊接接头进行宏观腐蚀，实验结果如图3所示。可以看出，添加1 号活性剂的厚壁管能够完全焊透，焊缝无裂纹和其他缺陷，焊缝成形良好，焊缝正面宽度平均为9.457 mm，焊缝背面宽度平均为7.958 mm，表面凹陷平均为0.378 mm，背面凸起平均为0.672 mm。添加2 号活性剂的焊缝成形良好，无孔洞、裂纹和其他不良缺陷，焊缝正面宽度平均为8.639 mm，焊缝背面宽度平均为7.621 mm，表面凹陷平均0.371 mm，背面凸起平均0.923 mm。添加3 号活性剂的焊缝正面宽度平均为9.358 mm，背面宽度平均为7.209 mm，表面凹陷平均0.427 mm，背面凸起平均0.797 mm。

图3 焊接宏观腐蚀形貌Fig.3 Welding macroscopic corrosion morphology

由图3 可以看出，添加活性剂的焊缝均成形良好，能够焊透8 mm 厚的20#厚壁管。表4 为三种活性剂的焊缝对比，可以发现，所有焊缝表面凹陷、内部凸起均满足要求。其中，使用2号活性剂的试样，焊缝正面平均宽度为8.639 mm、背面平均宽度为7.621 mm，增加熔深的效果最明显，使用1号活性剂的试样次之，焊缝正面平均宽度为9.457 mm，焊缝背面平均宽度7.958 mm；使用3 号活性剂的试样增加熔深效果最差，焊缝正面平均宽度为9.358 mm，焊缝背面平均宽度为7.209 mm。

表4 三种活性剂焊接数据的对比Table 4 Comparison of welding data of 3 active fluxes

不添加活性剂的焊缝成形良好，无裂纹和其他不良缺陷，但是不添加活性剂无法焊透8 mm 的厚壁管，最大熔深为4.630 mm，平均熔深为4.597 mm，焊缝熔宽也比添加活性剂的试样更宽，最大熔宽为12.246 mm，平均熔宽为11.803 mm，焊缝平均收缩量为0.518 mm。其厚壁管接头焊缝熔宽和熔深统计如表5所示。对比表4、表5 可知，添加活性剂后的厚壁管焊缝均焊透，熔深增加量均达3.211 mm以上。熔宽相对于不添加活性剂的试样也更低。本次实验的三种活性剂均能达到增加熔深，降低焊接熔宽的效果。

表5 不添加活性剂的焊缝熔宽和熔深Table 5 Weld width and penetration depth without adding active agent

2.3 焊接接头微观组织分析

添加2号活性剂的焊接接头增加焊缝熔深的效果最好，因此对添加2 号活性剂的焊接接头进行微观组织分析。图4为材料的母材组织。母材为珠光体与铁素体混合物结构，白色区域为铁素体等轴晶，块状为黑色珠光体，晶粒细小均匀。

图4 20#钢母材显微组织Fig.4 Metallographic structure of the base metal zone

图5、图6为不同倍数下添加2号活性剂焊接接头热影响区和焊缝区金相组织。可以看出，相比母材，焊接热影响区的晶粒明显更为粗大，晶粒长大明显。20#钢的母材由铁素体和珠光体混合组成，母材区往热影响区过渡时，奥氏体晶粒逐渐长大，越靠近焊缝，晶粒越粗大，晶粒长大的倾向更大，但是组织基本没变，还是珠光体和铁素体。热影响区经历1 100 ℃以上到熔点以下的温度区间，晶粒处于过热状态，碳化物及夹杂物等阻碍晶粒长大的物质全部溶解在金属基体中，第二相弥散的质点由分散变为聚集，晶粒长大的阻碍得以大幅降低，小晶粒被大晶粒合并，因此奥氏体晶粒急剧长大［11］。

图5 添加2号活性剂焊接接头热影响区金相组织Fig.5 Metallographic structure of the heat-affected zone of the welded joint with No. 2 active agent

图6 添加2号活性剂焊接接头焊缝区金相组织Fig.6 The metallographic structure of the weld zone of the welded joint with the addition of No. 2 activator

图6为不同倍数下添加2号活性剂的厚壁管焊接接头的焊缝区金相组织。如图6所示，焊缝区的晶粒最为粗大，晶粒长大十分明显。在晶界处产生粗大的针状先共析铁素体，铁素体多而杂，焊缝区的主要组织还是铁素体和珠光体，并有少量上贝氏体和细板条马氏体。

2.4 焊接接头拉伸性能分析

图7是添加1号、2号、3号活性剂的焊接接头拉伸断裂形貌，因不添加活性剂整管焊接拉伸试验和母材类似，本次只对比添加3 种活性剂的焊接接头拉伸性能，表6 是接头拉伸试验结果。结合图表可知，3组拉伸试样均断裂在母材位置，焊缝强度均大于母材强度，抗拉强度均在标准范围（母材抗拉强度410～530 MPa）之内。

表6 接头拉伸试验结果Table 6 Tensile test results of joints

3 结论

本文采用三种不同的活性剂对20#钢厚壁管进行了TIG 焊接，并对焊接宏观形貌、宏观腐蚀形貌、显微组织进行了观察，并对焊接接头的拉伸性能进行了测试，得出以下结论：

（1）所有试样焊缝表面均无肉眼可见裂纹、气孔等缺陷。其中，使用3号活性剂焊接的试样，焊缝整体宽度最均匀一致，表面残渣少，外观最好；使用2号活性剂焊接的试样，在收弧部位宽度明显变宽，其余部位一致性较好，表面残渣也较少；使用1号活性剂焊接的试样，宽度均匀性次之，表面残渣较多。

（2）经焊缝断面宏观腐蚀检测，所有焊缝表面凹陷、内部凸起均满足要求。添加活性剂后焊缝熔宽变窄，熔深增加。不添加活性剂的焊接接头均未焊透8 mm 厚的20#钢管，熔深平均为4.597 mm，添加活性剂后的厚壁管焊缝均焊透，熔深增加量均达到3.211 mm 以上。使用2 号活性剂焊接增加熔深的效果最明显。添加活性剂后焊缝宏观组织无明显变化。

（3）添加活性剂的三组焊接试样，经拉伸试验后，断裂位置均位于钢管母材处，抗拉强度都在410～530 MPa之间，焊缝强度高于母材强度，满足强度要求。