活性劑對(duì)厚壁管TIG焊接的影響

李佳偉， 陳炫如， 黃 澤， 李佳萍， 郝妮娜， 許海峰， 李 笑， 戴 軍*

1. 常熟理工學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500 2. 江陰液壓油管有限公司，江蘇 江陰 214400

0 引言

活性化TIG 焊（A-TIG 焊接）是近年來(lái)一種可以提高焊接熔深并且改善焊縫質(zhì)量的高效焊接方法。它主要是在被焊工件表層涂敷一層特殊的很薄的活性焊劑，再進(jìn)行TIG 焊接。在相同的焊接參數(shù)下，同常規(guī)TIG 焊相比，A-TIG 焊可明顯提高焊縫熔深，最高可達(dá)300%。對(duì)8 mm厚的板材可不開(kāi)坡口一次焊透或獲得較大的熔深，熱輸入降低，形變減小，且接頭力學(xué)性能和常規(guī)TIG焊相當(dāng)，有利于提高焊接生產(chǎn)效率，降低焊接生產(chǎn)成本［1-4］。研究發(fā)現(xiàn)［5］，合理的活性劑成分配比不會(huì)改變焊縫組織以及成分，焊縫的質(zhì)量不會(huì)降低，均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。鑒于A-TIG 焊的各種優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)十幾年內(nèi)，ATIG焊接技術(shù)將繼續(xù)發(fā)揮巨大的作用。

張瑞華等人［6-7］研究了低碳鋼活性劑的配方并取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。趙勇［8］采用牌號(hào)為FS-01的活性劑對(duì)304 不銹鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終得出不銹鋼活性劑相對(duì)涂敷量在3 層左右時(shí)所得的熔深最大，是普通熔深的2.5 倍。除上述兩種活性劑外，如鋁合金活性劑、鈦合金活性劑、鎂合金活性劑等多種合金活性劑也有應(yīng)用研究。劉黎明等人［9］研究了TiO2、Cr2O3、CdCl2和ZnCl2四種活性劑對(duì)鎂合金TIG焊接熔深的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四種活性劑均能增大熔深，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］研究奧氏體316不銹鋼和合金800異種金屬A-TIG焊接頭的組織與力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)A-TIG焊能焊透8 mm的鋼板，并且無(wú)任何裂紋或缺陷，焊接接頭具有良好的拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性，熔合區(qū)硬化能力低，焊接熱影響區(qū)有明顯的晶粒粗化。

目前對(duì)20#厚壁管鋼在A-TIG焊方面的研究較少，本研究主要針對(duì)54 mm×8 mm的20#厚壁管開(kāi)展活性劑對(duì)TIG 焊縫成形、熔深、熔寬、接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

焊接材料為20#鋼管，20#鋼屬低碳鋼，由于其C、Mn、Si 的含量少，焊接性較好，通常情況下不會(huì)因?yàn)楹附佣饑?yán)重的組織硬化和淬火組織，形成的焊接接頭性能良好，焊后不需要進(jìn)行熱處理。管管對(duì)接的尺寸54 mm×8 mm×100 mm，整管焊接的尺寸為54 mm×8 mm×200 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。采用管管對(duì)接TIG 焊接，不開(kāi)坡口不用焊絲，直接氬弧焊接。

表1 20#鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 The chemical composition of 20# steel pipe （wt.%）

表2 20#鋼管的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 20# steel pipe

本次試驗(yàn)采用3 種活性劑，其中兩種為新型活性劑，標(biāo)為1號(hào)、2號(hào)活性劑，另外一種為江陰液壓油管有限公司所用活性劑，標(biāo)為3號(hào)活性劑。

1.2 試驗(yàn)方法

采用華恒（HUAHENG）TIG 焊專(zhuān)機(jī)，焊機(jī)電源型號(hào)為松下YC-400TX4。采用直流TIG焊，鎢棒伸出長(zhǎng)度5 mm，焊接電流為140 A，焊接速度3 mm/s，焊接角度為90°，保護(hù)氣流量為10 L/min。本次試驗(yàn)共分為4 組，每組焊接2 個(gè)試樣，前3 組為不同活性劑的管管對(duì)接，第4組為不添加活性劑的整管焊接?；钚詣?biāo)號(hào)分別為1、2、3。試樣標(biāo)號(hào)類(lèi)型見(jiàn)表3。活性劑先采用適量丙酮進(jìn)行混合攪拌均勻，然后均勻涂覆在焊縫對(duì)接面上，靜置段時(shí)間等表面干燥后進(jìn)行焊接。

表3 試樣編號(hào)類(lèi)型Table 3 Type of sample number

1.3 金相試樣制備與組織觀察

采用線切割機(jī)將焊好的厚壁管切割為35 mm×10 mm×8 mm的金相試樣，對(duì)試樣使用XQ-2B熱鑲機(jī)進(jìn)行熱鑲嵌處理，之后利用180#～2000#的金相專(zhuān)用砂紙進(jìn)行金相研磨和拋光，直至待測(cè)表面出現(xiàn)光滑明亮且無(wú)明顯劃痕的鏡面時(shí)，用5%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，在奧林巴斯GX51光學(xué)顯微鏡（OM）下觀察組織。

1.4 拉伸性能測(cè)試

采用電火花線切割機(jī)將焊好的厚壁管切割加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，其尺寸如圖1所示。每組試驗(yàn)需要切割2塊拉伸試樣，依次重復(fù)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。采用WAW-600型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試樣尺寸厚度為2 mm。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Tensile sample size

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接宏觀形貌

焊接好的8 個(gè)試樣的宏觀形貌如圖2所示，可以看出，添加1號(hào)活性劑的試樣，焊縫表面寬度均勻一致，表面殘?jiān)^多，同時(shí)發(fā)現(xiàn)有少量氣泡凸出。添加2 號(hào)活性劑的試樣在收弧部位焊縫變寬，其余部位整體較均勻，無(wú)明顯可見(jiàn)缺陷，表面有少量的殘?jiān)a(chǎn)生。添加3 號(hào)活性劑的試樣，焊縫整體寬度均勻一致，無(wú)明顯可見(jiàn)缺陷，表面殘?jiān)^少。未添加活性劑的試樣焊縫寬度明顯高于其他試樣，表面無(wú)明顯缺陷，表面殘?jiān)草^少。對(duì)厚壁管焊接宏觀形貌分析可知，添加活性劑后，TIG 焊焊縫明顯變窄，雖然表面有少量殘?jiān)a(chǎn)生，但整體較為美觀。

圖2 焊接宏觀形貌Fig.2 Welding macro morphology

2.2 焊接接頭宏觀腐蝕

對(duì)8個(gè)焊接接頭進(jìn)行宏觀腐蝕，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯砑? 號(hào)活性劑的厚壁管能夠完全焊透，焊縫無(wú)裂紋和其他缺陷，焊縫成形良好，焊縫正面寬度平均為9.457 mm，焊縫背面寬度平均為7.958 mm，表面凹陷平均為0.378 mm，背面凸起平均為0.672 mm。添加2 號(hào)活性劑的焊縫成形良好，無(wú)孔洞、裂紋和其他不良缺陷，焊縫正面寬度平均為8.639 mm，焊縫背面寬度平均為7.621 mm，表面凹陷平均0.371 mm，背面凸起平均0.923 mm。添加3 號(hào)活性劑的焊縫正面寬度平均為9.358 mm，背面寬度平均為7.209 mm，表面凹陷平均0.427 mm，背面凸起平均0.797 mm。

圖3 焊接宏觀腐蝕形貌Fig.3 Welding macroscopic corrosion morphology

由圖3 可以看出，添加活性劑的焊縫均成形良好，能夠焊透8 mm 厚的20#厚壁管。表4 為三種活性劑的焊縫對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，所有焊縫表面凹陷、內(nèi)部凸起均滿足要求。其中，使用2號(hào)活性劑的試樣，焊縫正面平均寬度為8.639 mm、背面平均寬度為7.621 mm，增加熔深的效果最明顯，使用1號(hào)活性劑的試樣次之，焊縫正面平均寬度為9.457 mm，焊縫背面平均寬度7.958 mm；使用3 號(hào)活性劑的試樣增加熔深效果最差，焊縫正面平均寬度為9.358 mm，焊縫背面平均寬度為7.209 mm。

表4 三種活性劑焊接數(shù)據(jù)的對(duì)比Table 4 Comparison of welding data of 3 active fluxes

不添加活性劑的焊縫成形良好，無(wú)裂紋和其他不良缺陷，但是不添加活性劑無(wú)法焊透8 mm 的厚壁管，最大熔深為4.630 mm，平均熔深為4.597 mm，焊縫熔寬也比添加活性劑的試樣更寬，最大熔寬為12.246 mm，平均熔寬為11.803 mm，焊縫平均收縮量為0.518 mm。其厚壁管接頭焊縫熔寬和熔深統(tǒng)計(jì)如表5所示。對(duì)比表4、表5 可知，添加活性劑后的厚壁管焊縫均焊透，熔深增加量均達(dá)3.211 mm以上。熔寬相對(duì)于不添加活性劑的試樣也更低。本次實(shí)驗(yàn)的三種活性劑均能達(dá)到增加熔深，降低焊接熔寬的效果。

表5 不添加活性劑的焊縫熔寬和熔深Table 5 Weld width and penetration depth without adding active agent

2.3 焊接接頭微觀組織分析

添加2號(hào)活性劑的焊接接頭增加焊縫熔深的效果最好，因此對(duì)添加2 號(hào)活性劑的焊接接頭進(jìn)行微觀組織分析。圖4為材料的母材組織。母材為珠光體與鐵素體混合物結(jié)構(gòu)，白色區(qū)域?yàn)殍F素體等軸晶，塊狀為黑色珠光體，晶粒細(xì)小均勻。

圖4 20#鋼母材顯微組織Fig.4 Metallographic structure of the base metal zone

圖5、圖6為不同倍數(shù)下添加2號(hào)活性劑焊接接頭熱影響區(qū)和焊縫區(qū)金相組織?？梢钥闯觯啾饶覆?，焊接熱影響區(qū)的晶粒明顯更為粗大，晶粒長(zhǎng)大明顯。20#鋼的母材由鐵素體和珠光體混合組成，母材區(qū)往熱影響區(qū)過(guò)渡時(shí)，奧氏體晶粒逐漸長(zhǎng)大，越靠近焊縫，晶粒越粗大，晶粒長(zhǎng)大的傾向更大，但是組織基本沒(méi)變，還是珠光體和鐵素體。熱影響區(qū)經(jīng)歷1 100 ℃以上到熔點(diǎn)以下的溫度區(qū)間，晶粒處于過(guò)熱狀態(tài)，碳化物及夾雜物等阻礙晶粒長(zhǎng)大的物質(zhì)全部溶解在金屬基體中，第二相彌散的質(zhì)點(diǎn)由分散變?yōu)榫奂ЯｉL(zhǎng)大的阻礙得以大幅降低，小晶粒被大晶粒合并，因此奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大［11］。

圖5 添加2號(hào)活性劑焊接接頭熱影響區(qū)金相組織Fig.5 Metallographic structure of the heat-affected zone of the welded joint with No. 2 active agent

圖6 添加2號(hào)活性劑焊接接頭焊縫區(qū)金相組織Fig.6 The metallographic structure of the weld zone of the welded joint with the addition of No. 2 activator

圖6為不同倍數(shù)下添加2號(hào)活性劑的厚壁管焊接接頭的焊縫區(qū)金相組織。如圖6所示，焊縫區(qū)的晶粒最為粗大，晶粒長(zhǎng)大十分明顯。在晶界處產(chǎn)生粗大的針狀先共析鐵素體，鐵素體多而雜，焊縫區(qū)的主要組織還是鐵素體和珠光體，并有少量上貝氏體和細(xì)板條馬氏體。

2.4 焊接接頭拉伸性能分析

圖7是添加1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)活性劑的焊接接頭拉伸斷裂形貌，因不添加活性劑整管焊接拉伸試驗(yàn)和母材類(lèi)似，本次只對(duì)比添加3 種活性劑的焊接接頭拉伸性能，表6 是接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)合圖表可知，3組拉伸試樣均斷裂在母材位置，焊縫強(qiáng)度均大于母材強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度均在標(biāo)準(zhǔn)范圍（母材抗拉強(qiáng)度410～530 MPa）之內(nèi)。

表6 接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Tensile test results of joints

3 結(jié)論

本文采用三種不同的活性劑對(duì)20#鋼厚壁管進(jìn)行了TIG 焊接，并對(duì)焊接宏觀形貌、宏觀腐蝕形貌、顯微組織進(jìn)行了觀察，并對(duì)焊接接頭的拉伸性能進(jìn)行了測(cè)試，得出以下結(jié)論：

（1）所有試樣焊縫表面均無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋、氣孔等缺陷。其中，使用3號(hào)活性劑焊接的試樣，焊縫整體寬度最均勻一致，表面殘?jiān)伲庥^最好；使用2號(hào)活性劑焊接的試樣，在收弧部位寬度明顯變寬，其余部位一致性較好，表面殘?jiān)草^少；使用1號(hào)活性劑焊接的試樣，寬度均勻性次之，表面殘?jiān)^多。

（2）經(jīng)焊縫斷面宏觀腐蝕檢測(cè)，所有焊縫表面凹陷、內(nèi)部凸起均滿足要求。添加活性劑后焊縫熔寬變窄，熔深增加。不添加活性劑的焊接接頭均未焊透8 mm 厚的20#鋼管，熔深平均為4.597 mm，添加活性劑后的厚壁管焊縫均焊透，熔深增加量均達(dá)到3.211 mm 以上。使用2 號(hào)活性劑焊接增加熔深的效果最明顯。添加活性劑后焊縫宏觀組織無(wú)明顯變化。

（3）添加活性劑的三組焊接試樣，經(jīng)拉伸試驗(yàn)后，斷裂位置均位于鋼管母材處，抗拉強(qiáng)度都在410～530 MPa之間，焊縫強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。