活性劑對船用鋼A-TIG對焊焊接角變形的影響

崔丁鸞 張立志 朱麗萍 石南輝 黃貴朗

摘 要：活性劑配方是A-TIG焊接的關鍵，本文通過單因素試驗分析研究不同單一成分活性劑種類對焊接熔寬、熔深及表面成形的影響，結合復合活性劑中Cr2O3及SiO2含量變化對焊縫成形的影響規(guī)律，通過正交實驗獲得適用于E36船用鋼的活性焊劑配方。研究表明，僅使用單一成分活性劑時，使用氧化物型活性劑與使用鹵化物型活性劑相比，可以獲得更大的焊縫熔深，其中Cr2O3對焊縫熔深影響最大;在焊接電流為170A，焊接速度為100mm/min工況下，使用復合型活性焊接焊縫熔深可達5mm以上，表面成形良好。

關鍵詞：活性焊劑;焊縫熔深;表面成形

1 前言

活性劑鎢極惰性氣體氬弧焊是在鎢極惰性氣體氬弧焊的基礎上，在待焊工件表面涂覆一層由氧化物、氟化物、氯化物等組成的活性劑的焊接方法，其不但具有常規(guī)TIG焊焊接質量好、電弧穩(wěn)定、無飛濺、焊縫成型美觀等優(yōu)點，同時焊縫熔深相比常規(guī)TIG增加了一至三倍，使正反兩面焊接更趨合理，大幅減少了焊接成本，提高了焊接效率。該技術可應用在壓力容器、船舶、汽車航天航空、化工等領域的不銹鋼、碳鋼、低合金鋼等黑色金屬及鋁合金、鈦合金、鎂合金等有色金屬的焊接中[1 2]。A-TIG焊技術最早由烏克蘭巴頓研究所于1960s年在鈦合金的焊接中提出[3]，在1990s年趨于成熟[4]。目前盡管國內外針對部分牌號的低碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鎂合金等金屬已成功研發(fā)出相應的活性焊劑，但廣泛的工業(yè)推廣仍然受限[5-8]。國內外針對A-TIG焊的研究主要集中在工藝因素、活性劑成分對熔深、熔深增加機理的影響及焊縫組織與性能的影響上[6、8、9]，而對于A-TIG焊接對焊縫焊接變形的研究極少，而焊縫的焊接變形監(jiān)控是船舶建造過程中非常重要生產(chǎn)任務。因此，本文針對一種常用的船用鋼EH36，分析研究不同單一成分活性劑、復活成分活性劑對焊縫平板對接角變形的影響，從而為該技術在船舶行業(yè)的進一步工業(yè)推廣應用提供技術支持。

2 試驗條件及方法

2.1 試驗材料及規(guī)格

試驗采用EH36船用鋼，其化學成分及力學性能如表1所示。

試驗所用活性劑原料均為化學純度原料，所涂覆的活性劑為丙酮與活性劑原料混合物。氬氣為工業(yè)純度99.99%氬氣。平板對焊試件的尺寸為200 mm×100 mm×6 mm，主要評價指標為焊接角變形量。

2.2 試驗設備及方法

試驗裝置如圖1 所示，主要由工作平臺，自動焊接小車，焊機組成，吹氬裝置構成。TIG 焊機采用北京時代科技股份有限公司生產(chǎn)的WSE-315交直流TIG弧焊機，自動焊接小車為金泰割焊公司生產(chǎn)的CG1-30直擺式焊接小車。

焊前對焊道2cm范圍進行拋光去銹，并涂覆上相應活性劑，活性劑涂覆量以遮蓋住母材金屬光澤為宜，待所涂覆活性劑內丙酮基本揮發(fā)后再開始實施焊接操作。本試驗焊接方法采用活性劑鎢極氬弧焊（A-TIG），其工藝參數(shù)如表2所示。

3 試驗結果與討論

3.1單一活性劑A-TIG焊角變形的影響

本試驗首先選取了幾種常用的單一活性劑進行焊接試驗，分別為：Al2O3、MnO2、TiO2、ZnO、SiO2、NaCl。圖2為無活性劑的TIG焊與添加不同單一活性劑的A-TIG焊的焊縫表面成形對比。涂敷SiO2的A-TIG焊和未涂敷活性劑的TIG焊焊縫表面相似;涂敷MnO2、NaCl的A-TIG焊焊縫表面魚鱗紋明顯，余高較小，但NaCl脫渣較困難;涂敷Al2O3的A-TIG焊焊縫表面出現(xiàn)少量氣孔及凹陷缺陷;而涂敷TiO2和ZnO的A-TIG焊焊縫表面成形坑洼，有明顯余高。

圖3為不同活性劑對焊縫對接角變形量的影響。由圖3可見，涂敷單一活性劑種類對焊接角變形量產(chǎn)生不同程度的影響，無活性劑的普通TIG焊焊后變形量是2.06°，MnO2和SiO2使涂敷活性劑變形量增大更多，其余四種使焊后變形量減少，其中TiO2焊后變形改善效果最明顯，在沒有添加活性劑的基礎上減少了變形量將近2/3，可見，TiO2對減小焊后變形有較顯著作用。而活性劑Al2O3、ZnO、NaCl雖然對焊后變形的影響不如活性劑TiO2的明顯，但也相對于不添加活性劑的焊后變形量改善了0.57～0.78°左右。

對上述焊件焊縫按照標準GB/T 226-1991進行低倍宏觀檢驗后，使用不同單一活性劑條件下的焊縫的熔深變化情況如圖4所示。通常認為，對于平板對焊，角變形的產(chǎn)生主要是因為焊縫表面部分凝固收縮以及熱收縮大于下焊縫底部[10]，角變形量與焊縫成形系數(shù)存在相關性，然而，從圖4可見，對于A-TIG焊接，平板對接的角變形與焊縫成形系數(shù)相關性較低，使用MnO2及SiO2兩種單一活性劑相對其他活性劑情況下產(chǎn)生了較大的角變形。Char及Eagar在研究埋弧焊焊劑時發(fā)現(xiàn)指出，MnO及SiO2兩種氧化物相對其他氧化物在高溫下的穩(wěn)定性最差[11]，使得大量的Si或Mn在熔池表面流失并生成相應的Si/Mn及氧蒸汽。本試驗中，使用MnO2及SiO2產(chǎn)生的較大角變形量可能與其高溫穩(wěn)定性較差有關。

3.2復合型活性劑對A-TIG平板對焊焊后變形的影響

為進一步獲得變形控制較好的復合型活性劑配方，從上述六種活性劑中選用了四種變形量較小的單一活性劑作為復合活性劑原料，其分別是TiO2、ZnO、NaCl和Al2O3。根據(jù)單一活性劑A-TIG焊焊后變形的權重，在上述4中因素中設計了三水平，如表3所示。

本次試驗采用四因素三水平正交表，根據(jù)正交表與各因素的水平配比，共有九種配方，表頭設計及相應試驗結果如表4所示。其中，i為水平，Ii為正交表所在列中水平相同的試驗結果和的平均值，R為所在列的極差值。由正交實驗表各因素列進行極差分析可得， A、B、C、D四個因素中，A和D因素的R值較大，說明這兩個因素在選定范圍內，指標焊后變形量對A和D因素的含量變化較敏感。而B因素的R值幾乎接近于零，說明B因素含量變化對焊后變形量幾乎沒有影響，且焊后變形量大，因此可將B因素設為誤差列考慮。通過以上分析可得，在選定的成分范圍內，A因素的“1”水平、C因素的“2”水平、D因素的“1”水平、B因素為誤差列的配方為較優(yōu)組合，即TiO2含量為37%，ZnO含量為28%，NaCl含量為18%，Al2O3含量為17%。

4 小結

（1）涂覆不同單一活性劑的表面成形質量依次為MnO2、NaCl、SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO。其中，涂覆NaCl脫渣較困難，涂覆Al2O3的焊縫表面易出現(xiàn)氣孔及凹陷缺陷。

（2） 使用不同種活性劑對焊后變形產(chǎn)生不同程度的影響，相對未使用活性劑的情況下，TiO2、ZnO、NaCl、Al2O3活性劑使焊后變形量減小，SiO2、MnO2活性劑使焊后變形量增大。

（3）A-TIG平板對接焊接角變形量與焊縫成形系數(shù)相關性較低，原因可能與活性劑成分的高溫穩(wěn)定性有關。

（4）通過正交試驗，確定復合型活性劑的最佳配方TiO2、ZnO、NaCl和Al2O3的含量分別是37%、28%、18%和17%。

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項目基金：北部灣大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201811607065）