單一成分活性劑對鋁合金作用效果的研究

何麗君，林三寶

(1.機械科學研究院 哈爾濱焊接研究所，黑龍江 哈爾濱150080；2.哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

單一成分活性劑對鋁合金作用效果的研究

何麗君1，林三寶2

(1.機械科學研究院 哈爾濱焊接研究所，黑龍江 哈爾濱150080；2.哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

活性化TIG(A-TIG)焊已成為近年來的研究熱點，但主要集中在不銹鋼和鈦合金兩種材料，在鋁合金中的應用較少。針對鋁合金A-TIG焊進行了初步的研究和探索，選擇四種單一成分的活性劑，采用表面兩側涂敷方式，通過2A14鋁合金的平板堆焊實驗，研究了在相同規(guī)范下不同活性劑對焊縫熔深、焊縫成形、氣孔和微觀組織的影響。實驗結果表明，與常規(guī)TIG焊相比，活性劑能顯著增加焊縫熔深，不同活性劑增加熔深的效果不同。

活性劑；TIG焊；鋁合金

0 前言

活性劑TIG焊(A-TIG焊)是在施焊板材的表面涂上一層很薄的活性劑，使焊接電弧收縮或熔池流態(tài)發(fā)生變化，焊縫熔深比常規(guī)TIG焊增加1～2倍以上。A-TIG焊的優(yōu)點包括[1]：(1)焊接熔深大，生產率高，可節(jié)省工時75%；(2)對施焊材料的微量元素不敏感，焊接熔深穩(wěn)定；(3)成本低，節(jié)約焊材，應用領域廣，易實現焊接自動化。

在20世紀60年代中期，巴頓焊接研究所率先提出了“活性化焊接”的概念，至20世紀80年代初期，在鋼、鈦合金的焊接中取得了良好效果。近年來國外科研機構和產業(yè)部門加大了活性化TIG焊方法的研究，并形成了A-TIG焊的概念和技術。國內哈爾濱工業(yè)大學、蘭州理工大學等高校和科研機構開展了此項研究工作，已經開發(fā)出低碳鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳基合金活性劑，申請了發(fā)明專利[2-5]。法國的Sire S和蘭州理工大學先后進行了FBTIG焊的研究[5-7]。

鋁合金因其質量輕等優(yōu)點在航空航天、汽車等行業(yè)得到了越來越廣泛的應用，但針對鋁合金活性劑的研究目前較少[6-7]。本研究從單一成分的活性劑入手，對鋁合金A-TIG焊的焊縫成形、熔深和組織進行了研究，以期為下一步鋁合金活性劑的開發(fā)和應用奠定基礎。

1 試驗材料及方法

材料選用2A14-T6鋁合金，尺寸200mm×100mm× 8 mm，化學成分如表1所示。實驗采用德國LORCH交直流氬弧焊機，交流焊接和純氬氣保護。

表1 2A14-T6鋁合金的化學成分和力學性能

根據之前的初步試驗結果，選取四種鹵化物作為活性劑，分別是：NaF、MgF2、CaF2、AlF3。

焊前采用鋼刷去掉表面的氧化膜和雜質，再用丙酮清洗，以去除有機物。將活性劑粉末用丙酮混合成糊狀或懸濁液，用刷子均勻地涂在試件表面。

如果采用在焊縫表面直接涂敷的方式，在焊接過程中電弧由于導電狀態(tài)的改變而變得不穩(wěn)定，電弧陰極斑點在活性劑表面來回掃動，電弧跳動活躍，焊縫表面成形差，如圖1所示。因此本實驗借鑒FBTIG方式，在焊縫兩側涂敷活性劑，在中間區(qū)域進行焊接。為了防止兩側涂敷的活性劑向中間滲透，先將焊接區(qū)域粘上透明膠，再將活性劑涂敷在試件表面，待活性劑中丙酮揮發(fā)后撕去透明膠。此實驗過程中焊接規(guī)范參數均相同，如表2所示。

在不涂敷活性劑的情況下進行焊接，焊后測得焊縫寬度為5.83mm，陰極清理作用范圍為9.00 mm。在涂敷四種活性劑的焊接過程中，為使活性劑在電弧作用范圍內，同時保持電弧的陰極清理作用，選取活性劑兩側涂敷間距為5 mm。

焊接完成后的試樣在中間沿橫截面用線切割切開，經過打磨拋光和腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察焊縫熔深和微觀組織。

圖1 焊縫表面直接涂敷活性劑效果

表2 焊接規(guī)范參數

2 結果與討論

2.1 單一成分活性劑對鋁合金熔深的影響

所測量的焊縫熔深、熔寬數據如表3所示，焊縫橫截面照片如圖2所示。

表3 不同活性劑的焊縫熔深、熔寬

圖2 焊縫宏觀橫截面照片

不涂敷活性劑時焊縫的熔深和熔寬分別是0.75mm和5.83mm，深寬比0.13。與不涂活性劑焊縫熔深相比，兩側涂敷NaF的焊縫熔深增加68%。焊縫的深寬比增大為0.21。涂MgF2時熔深增加最多，但熔寬也增至最大，焊縫深寬比增大了0.19。CaF2使焊縫熔深增加了107%，熔寬也比不涂活性劑時大，焊縫的深寬比增大了0.18。

AlF3對焊縫的熔深增加效果在所選活性劑中雖然要小于MgF2，但其焊縫寬度最小，深寬比最大。

2.2 單一成分活性劑對鋁合金焊縫氣孔的影響

在表2所示的規(guī)范參數下，通過不涂活性劑，以及兩側分別涂敷NaF、MgF2、CaF2和AlF3進行堆焊實驗，選取焊接試件探傷，射線相片如圖3所示。

由圖3可知，在無活性劑的情況下，平板堆焊鋁合金焊縫氣孔較多。氫是鋁及其合金產生氣孔的主要原因。加入了AlF3和NaF后，由于氟化物活性劑在電弧高溫作用下分解為氟原子和金屬原子，氟原子和氫結合成氟化氫，大大減少了氫的存在，使得焊縫氣孔減少，同時從電弧形態(tài)變化可看出，加入了AlF3和NaF后的電弧穩(wěn)定性較好，電弧氣氛中的含氫量減小，因而溶入焊縫中的氫就小，所以不易形成氣孔。

加入了CaF2和MgF2后，雖然氟化氫的結合有利于減少氫，但由于焊接過程中電弧形態(tài)非常不穩(wěn)定，導致氣體保護效果差，來自電弧氣氛中的水分增多。電弧氣氛中水分是產生氣孔的氫的主要來源，因而CaF2或MgF2的加入并沒有減少氣孔，反而會導致產生較多的氣孔。

圖3 不同活性劑X射線探傷結果

2.3 活性劑對焊縫微觀組織的影響

由于活性劑對電弧的拘束程度不同，因此涂敷不同活性劑使得電弧的熱輸入不同，不同的熱輸入決定了金屬被加熱的溫度，從而得到不同的焊接熔深和熱影響區(qū)，并改變了焊縫的微觀組織。不涂活性劑與涂敷四種不同活性劑時焊縫微觀組織如圖4所示。

圖4 不同活性劑的微觀組織照片

沒有加入活性劑的焊縫其熔深淺，焊縫中心區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)小，母材中鋁鎂銅硅呈塊狀分布，焊縫中心不見氣孔。加入NaF后，焊縫熔深增加，熔合區(qū)范圍增大，熱影響區(qū)范圍增大，焊縫中心也未見氣孔。加入MgF2和CaF2的焊件中，焊縫中心區(qū)域增加較大，焊縫中心晶粒變細，有很多的氣孔。加入AlF3后，焊縫中心區(qū)域大大增加，焊縫區(qū)晶粒最細，這種組織有利于強度的提高，焊縫中心未見有氣孔。

3 結論

(1)在鋁合金A-TIG焊的熔深增加效果方面，所選的四種活性劑均可增加焊縫熔深，其中MgF2效果最好。

(2)MgF2焊縫中發(fā)現較多氣孔，而涂敷AlF3的焊縫中氣孔很少；焊縫微觀組織方面，加入MgF2、CaF2和AlF3后焊縫微觀組織晶粒變細，而加入NaF對微觀組織影響不大。

[1]黃 勇，樊 丁.A-TIG焊接與常規(guī)TIG焊的對比[J].甘肅工業(yè)大學報，2003，29(1)：1-3.

[2]楊春利，牛尾誠夫，田中學.TIG電弧活性化焊接現象和機理研究(一)——表面活性劑對不銹鋼材料TIG焊熔深的影響[J].焊接，2000(4)：16-18.

[3]楊春利，牛尾誠夫，田中學.TIG電弧活性化焊接現象和機理研究(二)——活性化TIG焊接中的電弧現象[J].焊接，2000(5)：15-18.

[4]張瑞華，樊 丁，尹 燕.低碳鋼高效TIG焊的活性劑研制[J].甘肅工業(yè)大學學報，2001(12)：8-10.

[5]Sire Marya.New Perspectives in TIG Welding of Aluminum through Flux Application FB-TIG Process[A].Proc of the 7th Symposium.Kobe Japan[C].JWS，2001：113-118.

[6]黃 勇，樊 丁.鋁合金交流A-TIG焊中活性劑和焊接參數對焊縫熔深的影響[J].甘肅工業(yè)大學學報，2003，29(3)：6-9.

[7]黃 勇，樊 丁，樊清華.鋁合金FBTIG焊的試驗研究[J].焊接，2004(3)：10-12.

Effect of activating flux with single component on TIG welding of aluminium alloy

HE Li-jun1，LIN San-bao2
(1.Harbin Welding Institute，China Academy of Machinery Science＆Technology，Harbin 150080，China；2.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

Activating flux Tungsten Inert Gas(A-TIG)welding technique has become a hot-spot research area in welding industry.Currently research is mainly focused on the materials such as stainless steel and titanium alloy and few reports exist on material of aluminum alloy.In this paper，A-TIG welding of aluminum alloy with single component flux was experimentally carried out.Bead-on-plate welding of 2A14 Al alloy using the boundary coating method is used.Experimental results show that the weld penetration depth can be increased in A-TIG welding compared with conventional TIG welding.Different flux component has different effect on penetration depth increase.

activating flux；TIG welding；aluminium alloy

TG457.14

A

1001-2303(2011)07-0043-04

2011-04-27

何麗君(1964—)，女，黑龍江哈爾濱人，學士，高級工程師，主要從事高效焊接工藝的研究工作。