3003鋁合金A-TIG焊表面活性劑實驗

周澤杰，黃志超，曹高浩

（華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西南昌 330013）

鋁合金具有密度小，比強度高，耐腐蝕性能好，導電導熱性能好，易回收等一系列優點，在航天航空、汽車、電子等領域具有巨大的應用潛力，已成為工業生產中最常用的有色金屬之一[1]。連接技術是實現其應用的關鍵，開發高質高效、節能降耗的先進連接技術已成為國內外研究熱點。

鎢極氬弧焊（tungsten inert gas weiding，簡稱TIG焊）是最常見的鋁合金焊接方法，焊接接頭質量好，可全方位焊接。但由于鎢極載流能力有限，電弧熱分散，單道焊接熔深淺，熔覆率低，焊接生產效率低，所以限制了它的應用[2]。

活性鎢極氬弧焊（activating flux tungsten inert gas weiding，簡稱A-TIG焊）克服了傳統焊接方法的缺陷，通過在待焊材料表面涂敷一定成分的活性焊劑，能明顯增加焊縫熔深，顯著提高焊接生產效率。該方法具有高效率、高質量、低能耗、低成本、焊接熱輸入小、焊接變形小、焊縫成形效果好等優點，具有明顯的技術優勢和廣闊的應用前景。該技術正在應用于航空、火箭制造和原子能等工業技術領域[3-4]。

1 實驗材料、方法及條件

1.1 實驗材料

實驗材料為3003鋁合金，屬于非熱處理強化的鋁錳防銹合金，強度中等，塑性及耐蝕性好，焊接性也很好，是目前鋁合金焊接結構中應用最廣的鋁合金之一。試驗用3003鋁合金化學成分見表1。待焊試樣尺寸為200 mm×80 mm×8 mm。

1.2 實驗方法及條件

選用氧化物 SiO2，TiO2和鹵化物 MnCl2，NaCl，CaF2作為活性劑，用精度為0.01 mg電子天平進行稱量。焊接設備為WSME315交直流脈沖TIG焊機，鎢極為釷鎢極。焊接方法為交流TIG焊，其焊接工藝參數如表2所示。

表1 3003鋁合金化學成分Tab.1 Chemical composition of 3003AA

表2 焊接工藝參數Tab.2 Welding parameter

焊前處理：用鋼絲球刷凈鋁合金表面，直到露出金屬光澤為止。然后用HF（5%）+HNO3（35%）+H2O（60%）的酸洗液將剛刷凈的鋁合金表面腐蝕幾分鐘，再用水沖洗干凈，吹干。畫線，做標記，最后將活性劑用丙酮溶解，攪拌成糊狀后，再用毛刷均勻地涂敷在工件表面，以蓋住原有的金屬光澤為宜。試樣一半涂敷活性劑，另一半不涂敷活性劑。

有活性劑區和無活性劑區的焊縫采用單道焊一次性焊接完成。觀察焊接過程，并在焊接結束后，觀察試件表面焊縫成形的情況。截取試樣的焊縫橫截面，在AD413ZT數碼顯微鏡下觀察并測量無活性劑作用以及涂敷活性劑后焊縫的熔深，以分析活性劑對焊縫熔深的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 活性劑對焊縫表面質量的影響

圖1所示為活性劑對焊縫表面質量的影響，圖示左半部分為無活性劑區焊縫表面，右半部分為涂敷活性劑后的焊縫表面。

圖1 活性劑對焊縫表面質量的影響Fig.1 Effect of activating flux on welding surface

通過實驗發現，未涂敷活性焊劑時，焊接過程中電弧安靜，噪聲小，無金屬飛濺，焊接后無需清除殘余熔劑或焊渣，焊縫表面平整光滑，成形良好。涂敷活性劑后，焊接噪聲變大，并且會產生少量的金屬飛濺，成形的焊縫表面不平滑。這是由于無活性劑時鋁合金表面被空氣氧化而形成一層致密的氧化層，交流氬弧焊的負極性半波對鋁材表面氧化膜具有陰極清理作用，正極性半波時釷鎢棒為陰極，具有較強的電子發射能力，焊縫表面質量良好。涂敷活性焊劑之后，鋁材表面被活化劑覆蓋，無法實現負極性半波的陰極清理作用，并且由于工頻交流電源每秒有100次改變方向和經過零點，導致電弧穩定性差，表面成形差。

2.2 活性劑對焊縫橫截面的影響

圖2所示為未涂敷活性劑的焊縫截面，熔深1.727 cm，熔寬5.0525 cm，焊縫無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。涂敷活性劑焊縫橫截面見圖3～圖7。其中，圖3、圖4和圖5分別為涂敷鹵化物CaF2、MnCl2和NaCl單組元活性劑焊縫，焊縫熔深分別為2.021 6 mm，1.942 7 mm和1.959 7 mm。可見熔深略有增加，增加約為0.2～0.3 mm，焊縫熔寬變化不大。涂敷CaF2焊縫表面有較大焊縫余高，且有氣孔產生，氣孔多分布在靠近熔合區的焊縫處。圖6和圖7分別為涂敷氧化物SiO2和TiO2單組元活性劑焊縫橫截面，焊縫熔深分別為2.655 mm，3.119 mm，熔寬分別為6.238 mm，7.604 mm，較無活性劑時增加較多，且焊縫無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。

圖2 無活性劑焊縫橫截面（30X）Fig.2 Cross section of weld without flux

圖3 涂敷CaF2焊縫橫截面（30X）Fig.3 Cross section of weld with CaF2

圖4 涂敷MnCl2焊縫橫截面（30X）Fig.4 Cross section of weld with MnCl2

圖5 涂敷NaCl焊縫橫截面（30X）Fig.5 Cross section of weld with NaCl

圖6 涂敷SiO2焊縫橫截面（30X）Fig.6 Cross section of weld with SiO2

圖7 涂敷TiO2焊縫橫截面（30X）Fig.7 Cross section of weld with TiO2

2.3 活性劑對焊縫熔深的影響

總體來看，涂敷活性焊劑均能一定程度的增加焊縫熔深，圖8所示為在相同焊接條件下涂敷活性焊劑后相對于未涂敷活性焊劑的焊縫熔深增加百分比。由圖可知，焊縫熔深隨活性劑成分不同而不同，鹵化物增加焊縫熔深不明顯，氧化物增加焊縫熔深的作用要比鹵化物大，其中以TiO2增加熔深作用最顯著，增加約80%。

圖8 活性劑增加焊縫熔深的百分比Fig.8 Increment percentage of penetration

3 活性劑增加A-TIG焊熔深機理

A-TIG焊接過程中，電弧發生收縮是A-TIG焊接熔深增加的重要原因之一。在電弧高溫作用下活性劑蒸發，以原子形態分布在電弧周圍，并與該區域的電子形成負離子，由于負離子質量比電子大很多，不能有效的參與電弧的導電，電弧導電能力下降，最終造成電弧收縮、集中，能量密度增加，熔深增加[5～10]。

4 結論

1）在進行鋁合金交流TIG焊時，在焊縫表面涂敷一定的活性劑可以一定程度的增加焊縫熔深。

2）在進行鋁合金A-TIG焊時，焊縫熔深隨涂敷的活性劑的成分不同而不同，總體來看，鹵化物增加焊縫熔深的作用不明顯，氧化物增加焊縫熔深的作用要比鹵化物大，其中以TiO2作用最顯著，熔深增加約80%。

3）交流TIG焊時無活性劑的表面成形良好，涂敷活性劑的表面成形變差。涂敷氧化物活性劑的焊縫沒有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。

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