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1、A-TIG焊接技术,一、A-TIG焊概念 A-TIG焊即指“活性化TIG焊”。 普通TIG焊电弧进行钢、钛、铝等材料焊接，由于电弧热量分散及电弧力数值低等多项原因，在正常使用的规范参数下，考虑焊缝深度比等成型方面的要求，通常单层焊接只能够获得较小的熔深。活性化氩弧焊(A-TIG)焊接方法与传统TIG焊相比,具有明显的熔深增加作用。在同一焊接电流下,与TIG焊缝相比,A-TIG焊缝的熔深较深而熔宽较小。随着焊接电流的增加或者焊接速度的降低,A-TIG焊缝熔深呈线性增加,且比TIG焊的熔深增加效果明显。 巴顿研究所以实用技术为主，在活性剂影响机理方面认为是电弧收缩的作用。欧美等国对此项技术的研究开
2、展的较晚，80年代随着表面张力影响学说的提出，对活性化焊接机理有了新的认识，随后多年的研究重点也随之转移到焊接表面张力的研究上，进入90年代，人们重新认识活性化焊接的应用前景，近年来国外科研机构和产业部门对活性化TIG焊方法有加速的趋势，并形成了A-TIG焊的概念和技术，工作受到广泛重视。 活性化焊接是把某种物质成分的活性剂涂覆在被焊件母材焊接区，正常规范下焊接熔深大幅度提高，这在TIG焊的发展应用方面具有很大的优势。活性化焊接所形成的焊缝在深度方向上的熔宽差别减小，在减少构件焊接变形方面亦有良好效果，这是焊接中的一项重要成果。由于活性剂在电弧高温下分解的作用，对于焊缝金属中的非纯净物有净化作
3、用，能够提高焊接接头性能。,二、A-TIG焊的主要的特点及其优点： ATIG焊实际上是焊前在待焊区域涂敷某种活性焊剂，焊接过程中在活性焊剂的作用下引起焊接电弧收缩，电弧能量密度增加，电弧力增大，最终导致焊缝熔深增加的一种焊接新工艺。在ATIG焊接工艺中，一般采用I字型坡口，焊接时无需填加焊丝。根据经验，对于10 mm厚的奥氏体不锈钢、12mm厚的碳锰钢可一次焊透，实现单面焊双面成形。在相同焊接工艺参数下，进行TIG堆焊与ATIG焊试验，观察到与TIG焊相比，ATIG焊的焊接电弧明显收缩，并且焊缝熔深有较大幅度的增加。从焊缝宏观断面可以看出，TIG焊的熔深不到3 mm，而ATIG焊的熔深接近7
4、mm，焊缝熔深增加了2-3倍4。 与传统的手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊等焊接方法相比，ATIG焊具有质量可靠、生产效率高的优点；与先进的激光焊，电子束焊以及等离子焊相比，ATIG焊在焊接效率上虽稍有欠缺(如图2显示了不同焊接方法焊接l m长CMn钢钢板的焊接时间对比)，但因其所用的活性焊剂材料成分组成宽，来源丰富，价格便宜，而且无需昂贵的焊接设备，使得ATIG焊具有成本低廉，经济性好的优点，因此具有良好的经济效益和广泛的应用前景。ATIG焊典型的应用是较厚工件(3-12 mm)的精密焊接，这种情况下采用气体保护自动焊可以充分发挥其优点。与同等厚度的常规TIG焊相比，A一TIG焊可以进行高速低
5、热量输入焊接，所以非常适合于薄壁小直径管一管、管一板焊接。,优点： 1)操作简单、方便、成本低一一A-TIG 使用特殊研制的助焊剂(也称为活性剂)， 在焊前涂敷到被焊工件的表而，使用普 通的TIG焊焊接设备和参数规范就可以 进行焊接。焊后附在焊缝表而的熔渣可 以简单地采用刷洗的方法去除，不会对 焊缝产生污染。 2)大幅度地提高焊接效率、降低焊 接成本一一在焊接规范参数不变的情况下， 与常规TIG焊相比，A-TIG焊可以提高熔深一倍以上（对于12mm厚度不锈钢可以单道一次焊透)，而且不增加正面焊缝宽度。因此对于中等厚度的材料可不开坡口一次焊透，对于更厚的焊件则可以减少焊道的层数。 对于薄板A-T
6、IG焊可以提高焊接速度，或者使用小规范焊接，减小热输入及减小焊接变形。图l示出焊接不锈钢厚板lm长焊缝各种焊接方法所需的焊道层数和焊接时间对比，可以看出，A-TIG焊对减少焊道层数和缩短焊接时间有明显的效果。图2示出了6mm厚度不锈钢板使用TIG焊和A-TIG焊的熔深对比情况。,3)提高焊接质量一一A-TIG焊通过在同等速度下采用小规范，可以有效地减少焊接变形。通过调整活性剂的成分，可以改善焊缝的组织和性能。此外，钛合金活性化焊接能 够消除常规TIG焊所表现出的氢气孔，也可以净化焊缝(降低焊缝中的含氧量)。对于表面清理不当、保护出现问题或者潮湿气候下的焊接，钛合金常规TIG焊缝中容易出现气孔，
7、而采取活性化焊接后，气孔没有出现。图3示出l.2mm厚度钛合金扳对缝焊接时气孔产生情况，在未涂敷活性剂区域，焊缝中产生了较多量的气孔，而涂敷活性剂区域没有产生焊接气孔。,4)焊缝正反面熔化成形好一一A-TIG焊得到的焊缝，其正反面熔化宽度比例更趋合理，熔宽均匀稳定，由于焊件散热条件变化或者夹具(内涨环)压紧程度不一致所导致的 背面出现蛇形焊道及不均匀熔透(或非对称焊缝)的程度减低，对保证焊缝使用性能有利。,5)适用范围广泛一一A-TIG焊最初是开发用来消除钛合金焊缝气孔，后来应用在提高钛合金的熔深和焊缝性能上。目前A-TIG焊可以用在钛合金、不锈钢、镍基合金、铜镍 合金、碳钢上，PWI还开发了
8、相关的药芯焊丝用于MIG焊中。 A-TIG焊可以广泛地用于航空、航天、造船、锅炉和汽车车辆等应用上述材料又需要高质量焊缝的场合。 三、与A-TTG焊的作用机理有关的学术观点 3.1“电弧收缩”理论 针对A-TIG焊发生的明显的电弧收缩现象，人们在电弧方而作了较多的研究，并认为“电弧收缩”对熔深增加有很大的影响。 “电弧收缩”理论认为：活性剂在电弧高温下 蒸发后以原子态包围在电弧周边区域，由于电弧 周边区域温度较低，活性剂蒸发原子捕捉该区域 中的电子形成负离子并散失到周围空间。负离子 虽然带的电量和电子相同，但因为它的质量比电 子大得多，不能有效担负传递电荷的任务，导致 电场强度E减小，根据最小
9、电压原理，电弧有自动 使E增加到最小限度的倾向，结果造成电弧自动收缩(如图4所示)，电弧电压增加，热量集中，用于熔化母材的热量也增多，从而使焊接熔深增加。,在相同的亲合能条件下，解离温度越高越有利于电弧收缩。比如，氟比氯更有利于电弧收缩。氧化物也有类似的效果，虽然它们的电子亲合能比卤化物小，但其解离温度比卤化物高，故其电弧收缩效果不一定比卤化物小。电流增加会提高电弧温度，负离子形成机率相对减少，解离机率也将减少，故电弧收缩倾向下降。文献指出：在用活性剂焊接超过8mm的钢板时，由于需要大的电流，而活性剂随电流的增加更大程度地由弧柱中心向电弧周围扩散并散失，当电流超过一定值时，活性剂完全扩散，不再
10、起作用。另外，焊接速度增加会降低热输入，负离子形成机率也有一定增加。虽然负离子出现对于电弧收缩是一个很好的解释，可是由于负离子本身的特性和试验手段的缺乏，负离子理论也只是一个未经过实践证实的学说而已。 3.2“阳极斑点”理论 “阳极斑点”理论认为：在熔池中添加硫化物、氯化物、氧化物后，熔池上的电弧阳极斑点出现明显的收缩，同时产生较大的熔深。 对于这种现象，文献认为：添加活性剂后，熔池产生的金属蒸汽受到抑制，由于金属粒子更容易被电离，在金属蒸汽减少的情况下，只能形成较小范围的阳极斑点，电弧导电通道紧缩，在激活了熔池内部电磁对流的同时，熔池表而的等离子对流受到减弱，从而形成较大的熔深。这种解释对非
11、金属化合物型的活性剂较有说服力，但对金属化合物却不适,用。V.S.MECHEV还认为，在阳极区，一个类似中空的负离子空间分布(实际上是一个静电棱镜)由于受到前向收缩力而压缩阳极区的电子流朝阳极运动，从而引起了阳极势能的大大削减，最终大幅度提高了阳极区的电流密度。其压缩程度取决于某个长度范围内的电场能，而这个长度又取决于空间电荷中负离子的浓度和它的几何形状。 实际研究中，负离子未能得到证实，而阳极斑点变化可以由观察证实，所以后者应该更具说服力，但不能排除负离子的合理性。 3.3 表面张力理论 “表而张力”理论认为：熔池金属流动状态对焊缝的熔深起到相当大的作用，一般的焊缝金属，其熔化状态下的表而张
12、力具有负的温度系数，熔池的表而形成从熔池中心向熔池倒边的表而张力流，结果得到浅而宽的焊缝；当熔池金属中存在某种微量元素或接触到活性气氛时，熔池液态金属的表而张力数值降低并转变为正的温度系数，从而使熔池金属形成从熔 池周边向着熔池中心的表面张力流，熔池中心的电弧热量通过液态金属的流动直接传向熔池底部，对熔池底部的加热效率提高，形成更大的熔深。 图5是表面张力系数分别为正和负时对熔池和熔深的影响示意图，从图中可以看出，正的表面张力系数有利于熔深的增加，而负的则相反。,在研究活性剂对焊接熔深的变化时，用熔池谐振法测得焊接熔池表面张力及其变化。用1mm厚的SUS304不锈钢板作A-TIG焊试验，结果发
13、现：活性剂TiO2、SiO2涂敷在焊件表而较大幅度降低了焊接熔池表面张力，且活性剂涂敷量对熔池表面力存在影响，当涂敷量大于0.7mg/cm后熔池表面张力的变化张出现饱和。,四、A-TIG焊的应用 目前，A-TIG焊在实际中有许多应用。 4.1 A-T I G焊接法在薄壁管道焊接中的应用 在传统焊接方法中对于厚度大干2毫米的管道焊接时般都需要开坡口，当焊接环形接头时，在焊缝处容易产生焊接缺陷。对干要求比较特殊的管道，采用传统的焊接方法通常都有很高的返焊率。因此管道的 环形焊缝工艺是焊接技术中重要问题也是难题。,活性焊接技术(ATIG)是一种源 自乌克兰的焊接工艺，能够大幅度的提高焊 缝熔深，提高
14、了焊接效率，能够适应多种焊 接场合。活性焊接技术的关键是在焊接板 材表面涂抹表面活性剂，起到增加焊接熔 深的作用(焊接熔深可为普通TIG焊接熔深 的2倍以上)，其他的操作和传统的TIG焊 接相同，活性焊接法可达到单面焊接双面成 型的效果。活性焊接法的这一优势在管道 焊接中具有重要意义，是解决重要管道焊接 的关键技术。 4.2 A-TIG焊在不锈钢中的应用 A-TIG(活性钨极氩弧焊)作为一种新兴的焊接工艺， 因其可以提高生产率，降低生产成本，减小焊接变形， 受到各国的高度重视。ATI G 焊就是焊接前在待焊母材的表面涂上一层活性剂， 焊接时活性剂能够引起电弧收缩或使熔池流态发生变化，从而大幅度
15、地增加焊接熔深，使焊接生产效率提高75。目前国际上使用的不锈钢活性剂能够增加焊接熔深12 倍。 对于8 ITl m 厚度以下的不锈钢钢板对接无需开坡口，可以一次焊接完并且单面焊双面成形。,五、国内外A-TTG焊技术研究现状 乌克兰巴顿焊接研究所于20世纪60年代中期发现，在TIG焊时在母材表面涂敷卤素化合物可以使钛合金的焊接熔深增加。在70年代，以氧化物和氟化物组成的活性剂在工业上得到应用，主要用于焊接不锈钢，在直边坡口不填丝的情况下，可获得单道熔深8-10mm的焊缝。90年代，活性剂在焊接碳锰钢、低合金钢方面获得成功，并发展成A-TIG焊接新方法。1993年美国的爱迪生焊接研究所（EWI）与
16、海军连接中心（NJC）开始进行活性剂的研究，该项目总投资80万美元，用以开发不锈钢、碳钢、镍基合金及钛合金的活性剂，其中不锈钢与碳钢活性剂分项目的研究费用为25万美元，该分项目于1998年基本完成，开发的不锈钢活性剂SS系列已商品化，不锈钢与碳钢活性剂已投入工业应用。目前镍基合金用活性剂也已开发出来，正在开发铝、钛及其合金用活性剂产品。SS系列活性剂可用于多种奥氏体不锈钢的焊接，使焊缝熔深增加到9mm以上。SS7活性剂用于焊接直径13cm、壁厚7mm左右的不锈钢钢管的优越性已得到广泛认可，采用直边坡口，两个焊道即可完成钢管的对接（第二道需加丝填满第一道留下的凹陷）。SS7活性剂可采用人工方法刷涂，活性剂涂层的厚度以涂层充分遮盖钢的本色为宜；也可采用机械刷涂的方法，以利于大规模应用，提高涂层厚度均匀性。这两种刷涂方法都在工业中得到应用。所出售的活性剂SS7配有混合活性剂及溶剂用瓶、涂敷用刷、介绍如何使用的光盘等，该活性剂不含硫、碳氢化合物及氟化物。,在不锈钢焊接方面，SS系列活性剂和常规的自动氩弧焊设备配合可有以下优点
