樊清華，樊 丁，黃 勇

（1.安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000；2.蘭州理工大學(xué)有色金屬材料加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730050）

由于鋁合金本身具有良好的物理屬性，如小密度、耐腐蝕、高比強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在很多行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛.對(duì)于鋁合金來說最常見的連接方法是鎢極氬弧焊——即TIG焊（Tungsten Inert Gas Welding），是一種用鎢作為電極的非熔化極氬氣保護(hù)焊，有焊接接頭質(zhì)量高、焊接位置不受限制等優(yōu)點(diǎn).由于TIG焊所用焊極為鎢極，鎢極本身承載電流能力有限，進(jìn)行焊接時(shí)導(dǎo)致焊接熔深比較淺、焊縫熔覆率比較低，因此焊接生產(chǎn)率低下，在工業(yè)生產(chǎn)中限制了鎢極氬弧焊的應(yīng)用.

近年來，活性焊接法——即A－TIG（Activating flux TIG welding）焊引起了世界范圍內(nèi)研究者的高度重視［1－4］.所謂A－TIG焊接法就是焊接前焊接材料表面涂敷一層很薄的活性劑，焊接時(shí)，由于活性劑的作用引起焊接電弧發(fā)生收縮或熔池內(nèi)融化金屬流態(tài)發(fā)生改變［1－3］，從而顯著提高焊接熔深.活性A－TIG焊克服傳統(tǒng)TIG焊缺點(diǎn)，顯著提高了生產(chǎn)效率.目前，針對(duì)鋁合金A－TIG焊的研究很少［4－6］.

本文利用直流正接焊縫偏移實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行不同活性劑作用下的鋁合金A－TIG焊.直流正接焊接鋁合金時(shí)，不能有效去除鋁合金表面的氧化膜，活性劑不能有效進(jìn)入熔池，因此活性劑只能影響焊接電弧，從而分析焊接電弧的變化對(duì)鋁合金A－TIG焊焊縫熔深的影響.同時(shí)，由于正接TIG焊是交流TIG焊的組成部分，因此本研究對(duì)于交流A－TIG焊焊縫熔深改變機(jī)理研究有重要的理論指導(dǎo)意義.采用焊縫偏移試驗(yàn)，一側(cè)有活性劑一側(cè)無活性劑，分析活性劑和電弧所組成的導(dǎo)電通道電阻對(duì)A－TIG焊熔深的影響.

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料：鋁合金為LF21.試件尺寸為：長200 mm，寬80 mm，厚6 mm.實(shí)驗(yàn)用表面活性劑分別為：NaF、CaF2、TiO2、SiO2、V2O5以及蘭州理工大學(xué)研制的活性劑AF305.焊接規(guī)范：焊接速度125 mm·min－1，氬氣流量12 L·min－1，鎢極直徑3.2 mm，鎢極尖端角度45°，電弧長度3 mm，焊接電流140 A直流正接.實(shí)驗(yàn)方法：焊縫偏移實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)前，在試件表面中心線一側(cè)均勻地涂敷上活性劑，保證活性劑內(nèi)側(cè)邊緣線與試件中心線齊平，并且兩條線之間留有不同的間隙X，焊接時(shí)要求焊槍的電極尖端精確地沿著試件表面中心線行走，如圖1所示.圖1中W1、W2分別表示無表面活性劑側(cè)和有表面活性劑側(cè)焊縫邊緣線到試件表面中心線的距離.

圖1 焊縫偏移實(shí)驗(yàn)活性劑涂敷方式

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同間隙X下焊接時(shí)，不同的表面活性劑對(duì)焊接電壓和焊接熔深比（有活性劑與無活性劑時(shí)焊接熔深的比值）的影響如圖2、圖3所示.從圖2、圖3可以看出，除了在表面活性劑NaF作用下焊接電壓和焊接熔深比隨著間隙的增加而增加外，在其他的表面活性劑作用下，焊接電壓和焊縫熔深比隨著間隙的增加而減小.

圖3 不同活性劑和不同間隙對(duì)焊接熔深的影響

尤其對(duì)表面活性劑SiO2，在無SiO2作用時(shí)，焊縫熔深為3.5 mm（板厚8 mm）.在有SiO2作用且間隙X＝0時(shí)，焊接電壓增加的最多，且焊縫熔深的增加最大，為8 mm.間隙X＝2 mm、4 mm時(shí)，焊縫熔深逐漸減小，分別為4.4 mm和3.1 mm.焊縫溶深截面如圖4所示.

圖4 SiO2作用時(shí)不同間隙下鋁合金焊縫熔深截面

在不同間隙即X＝0、X＝2 mm和X＝4 mm時(shí)進(jìn)行A－TIG焊，如圖5所示.不同表面活性劑產(chǎn)生的焊縫偏移率P：

其中：W1，W2分別表示無表面活性劑側(cè)和有表面活性劑側(cè)焊縫邊緣線到試件表面中心線的距離（mm）.

從圖5可以看出，除了在表面活性劑CaF2和NaF作用下，焊縫偏移率為P負(fù)值，且焊縫偏移率P隨著間隙X的增加逐漸增加外，在其他表面活性劑作用時(shí)，焊縫的偏移率P都為正值，且焊縫的偏移率P隨著間隙X的增加都是逐漸減小的.

X＝0間隙下，在表面活性劑SiO2作用下，焊縫的偏移率p最大，此時(shí)W1＝5.2 mm，W2＝1.5 mm，其焊縫表面如圖6所示，并且焊縫明顯偏離有活性劑區(qū).這種偏移是由于在焊接過程中，電弧到達(dá)有表面活性劑區(qū)時(shí)，焊接電弧明顯向無活性劑涂層的方向偏移造成的，電弧偏移如圖7所示.

圖5 不同活性劑和不同間隙對(duì)焊縫偏移率的影響

圖6 X＝0在活性劑SiO2作用下焊縫偏移表面

圖7 間隙X＝0在活性劑SiO2作用下焊接電弧偏移

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖2、圖3可以看出，在不同表面活性劑作用下，焊接電壓的變化趨勢與焊縫熔深比的變化趨勢是一致的.焊接時(shí)，TIG焊溫度場分布穩(wěn)定，焊接熔池發(fā)生不同程度的相變［7］，不同的表面活性劑在焊接電弧的高溫作用下，都會(huì)發(fā)生不同程度的電離.由于不同表面活性劑的高溫電離度不一樣，由Sa Ha公式：

式中，x表示電離度，P表示壓力，T表示弧柱溫度，Ui表示電離電位.可以得知，在電離電位Ui和壓力P不變的情況下，不同程度的電離度的變化將會(huì)引起電弧溫度發(fā)生不同程度的變化；還由于鋁合金表面分為涂有表面活性劑區(qū)和無表面活性劑區(qū)，不同活性劑的散熱系數(shù)和鋁合金散熱系數(shù)不盡相同，所引起電弧溫度的變化也是不同的，由此產(chǎn)生的焊縫熔深的變化也是不同的.因此進(jìn)行鋁合金A－TIG焊時(shí)，焊接電弧熱輸入的變化是焊接熔深變化的一個(gè)重要影響因素.

在進(jìn)行高溫焊接時(shí)，鋁合金的電阻率很小，由圖5可知，在不同活性劑作用下，焊縫偏移率P有負(fù)值，說明焊接電弧和表面活性劑兩部分共同形成的導(dǎo)電通道電阻構(gòu)成了焊接時(shí)整個(gè)的導(dǎo)電通道電阻.由于鋁合金的電阻率和熔沸點(diǎn)一般都低于實(shí)驗(yàn)所用活性劑的電阻率和熔沸點(diǎn)，如果導(dǎo)電通道電阻只是由表面活性劑本身所形成，則在本實(shí)驗(yàn)中就不會(huì)出現(xiàn)在活性劑涂敷區(qū)焊縫偏離無活性劑一側(cè)的現(xiàn)象了.

在焊縫偏移率實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于試件表面涂敷活性劑時(shí)，活性劑在焊接電弧高溫和電場作用下會(huì)發(fā)生熔化→蒸發(fā)→解離→電離等一系列的物理變化，這種不同物理性能的改變會(huì)直接影響焊接電弧以及焊接熔池.

在進(jìn)行焊縫偏移A－TIG焊時(shí)，表面活性劑不同程度地進(jìn)入到焊接電弧和焊接熔池內(nèi)部，從而使得焊接電弧和焊接熔池的化學(xué)成分改變.由于活性劑電離進(jìn)入焊接電弧，使試件表面的活性劑和焊接電弧所形成的導(dǎo)電通道的電阻也得到不同程度的改變，且活性劑進(jìn)入到焊接電弧時(shí)，會(huì)改變電弧周圍的磁場，使磁力線分布不均勻，導(dǎo)致電弧四周受力不均勻，使電弧偏向一側(cè)，發(fā)生了偏移.

焊接電弧是一種氣體導(dǎo)體，焊接時(shí)焊接電流會(huì)通過導(dǎo)電通道電阻最小時(shí)所形成的回路，由于無活性劑側(cè)和有活性劑側(cè)的導(dǎo)電通道電阻是不同的，進(jìn)行A－TIG焊時(shí)焊接電弧偏向?qū)щ娡ǖ离娮栎^小的一側(cè)，所以在活性劑涂敷區(qū)在不同間隙X下焊縫都發(fā)生了不同程度的偏移.

焊縫偏移率P的大小反應(yīng)了在直流正接焊縫偏移A－TIG焊時(shí)，不同表面活性劑對(duì)焊接導(dǎo)電通道電阻大小的影響.由于在不同活性劑作用下的焊縫偏移率P不同，因此不同活性劑所形成的電阻通道電阻的變化對(duì)A－TIG焊熔深變化的影響也不同.其中在表面活性劑SiO2的作用下，在間隙X＝0時(shí)焊縫偏移率P最大，說明導(dǎo)電通道電阻對(duì)表面活性劑SiO2增加熔深有很重要的影響.

4 結(jié)論

用焊縫偏移實(shí)驗(yàn)，對(duì)鋁合金進(jìn)行直流正接A－TIG焊時(shí)，導(dǎo)電通道電阻的變化和熱輸入變化對(duì)焊接熔深的變化有重要影響.在不同活性劑作用下，表面活性劑所引起的焊接電壓的變化趨勢和焊接熔深的變化趨勢是一致的.不同表面活性劑在不同間隙X下進(jìn)行A－TIG焊時(shí)，在表面活性劑CaF2和NaF作用下，隨著間隙X的增加焊縫偏移率P也是逐漸增加；而在TiO2和SiO2等表面活性劑作用時(shí)，隨著間隙X的增加焊縫偏移率P都是逐漸減小的.在表面活性劑SiO2作用下，焊縫熔深的變化除了熱輸入的影響外，導(dǎo)電通道電阻變化對(duì)焊縫熔深的變化起到很重要的作用.

［1］ Pierce S W，Burgardt P，Olson D L.Thermocapillaryand arc phenomena in stainless steel welding［J］.Welding Research Supplement，1999（2）：45－52.

［2］ Lucas W.Activating Flux－Increasing the Performance and Productivity of the TIG and Plasma Processes［J］.Welding and Metal Fabrication，1996（1）：11－17.

［3］ C R Heiple，J R Roper，R T Stanger.Surface active element effects on the shape of GTA，laser and electron beam welds［J］.Welding Research Supplement，1983（3）：72－77.

［4］ 黃勇，樊丁，樊清華.表面活性劑對(duì)鋁合金直流正接A－TIG焊熔深的影響［J］.焊接學(xué)報(bào)，2004，10（5）：60－62.

［5］ 黃勇，樊丁，樊清華.活性劑增加鋁合金交流A－TIG焊熔深機(jī)理研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（5）：45－49.

［6］ 黃勇，樊丁.SiO2增加鋁合金交流A－TIG焊熔深的機(jī)理［J］.焊接學(xué)報(bào)，2008，29（1），45－49.

［7］ 張書權(quán)，王仲玨，代禮，等.0Cr18Ni9不銹鋼焊接溫度場的數(shù)值仿真［J］.安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，26（3）：20－23.