摘 要:  研制了兩種用于鋁合金焊接的活性焊絲:活性涂層焊絲和活性藥芯焊絲，分別采用這兩種活性焊絲對鋁合金進行了活性鎢極氬弧焊試驗。結果表明，由于活性劑通過焊絲過渡到電弧氣氛中，克服了以往在鋁合金母材表面手工涂敷活性劑存在的不足;相比而言，采用活性藥芯焊絲進行焊接時，焊縫表面成形較好，焊縫熔深明顯增加，并且焊縫組織也得到了明顯細化。

活性焊接是一種被焊材料表面受活性劑作用，焊后能顯著增加焊縫熔深的焊接方法 ［1］ ?；钚院附佑?20 世紀 60 年代中期烏克蘭巴頓焊接研究所 ［2］ 率先提出，隨后引起了世界各高校和科研機構(如美國的愛迪生焊接研究所)等的重視，并取得了很多的研究成果?；钚院附又饕?A-TIG 焊，法國學者 S． Sire和 S． Marya 提出的 FB-TIG 焊［3］ ，蘭州理工大學的樊丁和黃勇提出的 FZ-TIG 焊［4］ 三種。

A-TIG 焊采取焊前在待焊焊道表面涂敷很薄的活性劑，隨后進行 TIG 焊接，焊后熔深顯著增加。

FB-TIG 焊是將活性劑涂敷于待焊焊道兩側，中間留一定的間隙量，隨后進行 TIG 焊接，焊后焊縫表面成形良好，熔深增加較為明顯。FZ-TIG 焊與 FB-TIG 焊類似，中間留一定的間隙量，并涂敷成分不同的活性劑，焊后熔深顯著增加，且焊縫組織細化效果明顯。但是，上述活性焊接方法中，活性劑的涂敷均是采用手工涂敷，不僅效率低，而且無法保證活性劑的均勻分布，對焊接試驗結果以及焊接質量都有影響。因此，要求研究出新的活性焊接方法。

蘭州理工大學的黃勇等人提出了一種氣體輸送活性鎢極氬弧焊

［5］ ，即 GTFA-TIG 焊( gas transferflux activating TIG welding)，該方法改變了活性元素的引入方式，活性劑是由自動送粉裝置輸送到保護氣氛中，通過保護氣體將活性劑過渡到電弧-熔池系統進行施焊。由于電弧發生收縮，熔池金屬流態改變，致使熔深增加，同時也省去了手工涂覆活性劑的工序，實現了焊接過程自動化。

針對鋁合金的活性焊接，本試驗探索了一種新的活性劑引入方式，將活性劑包覆在鋁合金焊絲表面或填充至鋁管內，制備了活性涂層焊絲和活性藥芯焊絲，然后進行了活性 TIG 焊接。通過試驗來觀察焊縫表面成形、焊縫熔深、焊縫組織等，分析活性焊絲的特點。

試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗用 3003 鋁合金，屬于非熱處理強化鋁合金，具有塑性及耐蝕性好，焊接性好等優點，是目前焊接結構中應用最廣的一種鋁合金 ［6］ 。試件尺寸為150 mm ×45 mm ×4 mm，化學成分如表 1 所示。本試驗所用的鋁合金活性劑是由氧化物、氟化物、氯化物及 Al-Ti-B 按一定比例混合而成的。

表 1 3003 鋁合金板材的化學成分( 質量分數/%)

Table 1 Chemical composition of 3003

aluminum alloy(wt/%)

1.2 活性涂層焊絲及活性藥芯焊絲的制備

1. 2.1 活性涂層焊絲

1)采用直徑為 2． 5 mm 的 HS311 鋁硅合金焊絲，在焊絲表面預制螺紋，保證涂層與焊絲牢固結合。

2)將羥甲基纖維素用酒精稀釋至適當濃度，加入試驗所用活性劑和粉狀 Al-Ti-B 與之攪拌混合，制成涂層涂料，注意要攪拌均勻，不能留有較大的團塊或干粉，然后將涂料涂在焊絲表面后進行搓制。

3)將搓制好的焊絲放在空氣中自然干燥，然后放入電阻爐內烘焙 1． 5 h ～2 h。

圖 1 為制備好的活性焊絲。通過這種方法制作的活性焊絲不僅外表均勻美觀，而且涂層粘結比較牢固。

圖 1 活性涂層焊絲

Fig． 1 Activating coating welding wire

1. 2.2 活性藥芯焊絲

1)用研缽充分研磨鋁合金活性劑，把粉狀 Al-Ti-B 與鋁合金活性劑充分混合研磨。

2)將研磨好的焊劑放入電阻爐內烘焙 2 h ～ 3h，隨后將其填入內徑為 2． 4 mm，外徑為 3 mm 的純鋁管中。

圖 2 為制備好的活性藥芯焊絲。通過這種方法制作的活性藥芯焊絲不僅便于使用，而且焊接性好。

圖 2 活性藥芯焊絲

Fig． 2 Activating flux-cored wire

1.3 焊接試驗參數

在 150 mm ×45 mm ×4 mm 的 3003 鋁合金平板上進行堆焊試驗，同時用 HS311 鋁-硅合金焊絲 TIG焊作對比。在焊接試驗之前，對試件進行認真的表面清理。首先用不銹鋼絲刷去除試件表面的氧化膜，露出金屬光澤;然后用丙酮擦拭，清除油脂并晾干;采用交流鎢極氬弧焊，焊接參數如表 2 所示。

表 2 焊接工藝參數

Table 2 Welding parameters

  試驗結果及討論

2.1 活性焊絲對焊縫表面及熔深的影響

圖 3 為三種焊絲 TIG 焊的焊縫表面形貌。用這三種焊絲焊接的試件焊縫表面均無明顯氧化，成形良好。如圖 3a 所示，常規 HS311 焊絲 TIG 焊的焊縫表面光潔，焊縫寬度約為 9 mm;如圖 3b 所示，活性涂層焊絲的焊縫表面有一層斑駁的黑色熔渣，焊縫寬度約為 10 mm，且表面成形良好;而如圖 3c、d 所示，活性藥芯焊絲的焊縫表面均勻地覆蓋一層熔渣，去渣后表面成形良好，焊縫寬度約為 8． 5 mm。

圖 3 三種焊絲焊接后的焊縫表面

Fig． 3 Weld surface of three kinds of welding wires

圖 4 為用這三種焊絲 TIG 焊后的焊縫熔深照片。對比可知，HS311 焊絲 TIG 焊的焊縫熔深最小，活性涂層焊絲 A-TIG 焊接得到的焊縫熔深有所增加，采用活性藥芯焊絲 A-TIG 焊接得到的焊縫熔深最大，與圖 4a 相比，熔深增加了近 1 倍。由此可見，鋁合金采用活性藥芯焊絲 A-TIG 焊的焊縫成形良好，熔深明顯增加。

圖 4 三種焊絲焊接的焊縫熔深

Fig． 4 Weld penetration of three kinds of welding wires

2.2 活性焊絲對焊縫組織的影響

采用三種焊絲焊接的接頭組織如圖 5 所示，其中基體相主要為 α(Al)固溶體。圖 5a 所示，HS311焊絲 TIG 焊的焊接接頭的焊縫區為典型的樹枝狀晶鑄態組織，且晶粒粗大;圖 5c 所示，活性涂層焊絲焊接的焊縫區同為樹枝狀晶鑄態組織，與圖 5a 相比，焊縫組織少許細化，但晶粒大小不一且不均勻;圖 5e所示，活性藥芯焊絲焊接的焊縫區組織呈等軸狀，與圖 5a、c 相比，晶粒組織明顯細化。此外，如圖 5b、d、f 所示，三種焊絲焊縫靠近熔合區的組織都非常粗大，圖 5d 中可以看出有少許的未溶顆粒;圖 5f 中靠近熔合線一側晶粒沿散熱方向呈柱狀晶生長。

 分析與討論

試驗結果表明，采用活性焊絲的 A-TIG 焊焊縫表面成形良好，熔深明顯增加，其中采用活性藥芯焊絲焊接的焊縫熔深較普通 TIG 焊的焊縫熔深增加近1 倍。而對于 A-TIG 焊熔深增加的機制，目前主要有電弧收縮理論［7］ 和表面張力溫度梯度改變理論 ［8］ 。在本試驗中，采用活性藥芯焊絲進行 A-TIG 焊過程中，觀察到電弧發生明顯收縮。如圖 6 所示，在活性劑作用下，觀察到電弧確實發生收縮，能量密度更加集中，致使焊縫熔深明顯增加，可見電弧收縮應該是本試驗中熔深增加的主要原因。

圖 5 三種焊絲焊接接頭微觀組織

Fig． 5 Weld microstructure of three kinds of welding wires

圖 6 電弧形態

Fig． 6 Arc shape

如圖 5 所示，試驗所用的活性劑不僅僅是增加了焊縫熔深，而且還細化了焊縫的晶粒，這是本研究區別于其他類似研究的另一個地方。其細化焊縫晶粒的原因主要是由于在活性劑中加入了對鋁合金有明顯細化作用的 Al-Ti-B。關于 Al-Ti-B 的晶粒細化理論，目前學術界也說法不一，爭論較大。但大多數人用雙重形核理論［9］ 來解釋，即 Ti 溶于鋁合金液中形成 TiAl 3 ，當 w(Ti) ＞0． 15% 時，將發生包晶反應:TiAl 3 + L →α(Al)。其中 α(Al)相作為一個包層包圍著非均質核心 TiAl 3 ，但包層對溶質組元擴散起阻礙作用，致使包晶反應很難繼續進行，即包晶反應產物 α(Al)相不易繼續長大，因而獲得細小的 α(Al)晶粒組織。同時 B(硼)的存在能降低 TiAl 3 的溶解速度，從而延長細化功能的抗衰減時間，并且能促進TiAl 3 和 TiB 2 的形成，使晶粒細化作用增強。研究制備了活性涂層焊絲和活性藥芯焊絲這兩種活性焊絲，由于鎢極為非熔化極，焊接參數確定后，一旦引弧，電弧容易維持穩定，焊接過程中活性劑可以通過試驗所制的活性焊絲均勻地輸送到焊接區。并且通過試驗結果發現，采用活性藥芯焊絲焊接，其熔深增加效果和焊縫組織細化效果皆優于活性涂層焊絲的，其中存在的差異需要作進一步的研究。

 結 論

1)研制了兩種鋁合金用活性焊絲。該方法克服了傳統活性焊接中活性劑涂敷不均勻的不足，在保證焊縫表面成形良好的同時，焊縫熔深有所增加，并且焊縫晶粒組織也得到細化，提高了焊接質量。

2)雖然采用活性涂層焊絲 A-TIG 焊和活性藥芯焊絲 A-TIG 焊都可以增加焊縫熔深，但活性藥芯焊絲的增加效果更為明顯，它與常規焊絲普通 TIG 焊相比，其熔深增加近 1 倍，且表面成形良好;并且對于焊縫晶粒組織，活性藥芯焊絲的細化效果更優。

 參考文獻

［1］ VIDYAＲTHY Ｒ S，DWIVEDI D K． Activating flux tungsten inert gas welding for enhanced weld penetration［J］． Journal of Manufacturing Processes，2016，22( 1) :211 －228．

［2］ GUＲEVIEH S M，ZAMOKOV V N，Kushirenko N A． Improving the penetration of titanium alloys when they are welded by tungsten arc process［J］． Automatic Welding，1965，18( 9) :1 －5．

［3］ SIＲE S，MAＲYA S． New perspectives in TIG welding of aluminum through flux application FBTIG process ［C］∥The 7th International Welding Symposium． Kobe，Japan，2001: 113 －118．

［4］ 黃 勇，樊 丁，邵鋒． 活性劑增加鋁合金交流 FZ-TIG 焊熔深機理［J］． 機械工程學報，2010，46( 16) :113 －118．

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［6］ 周澤杰，黃志超，曹高浩． 3003 鋁合金 A-TIG 焊表面活性劑實驗［J］． 華東交通大學學報，2012，29( 1) :20 －23．

［7］ 黃 勇，樊 丁，樊清華． 活性劑增加鋁合金交流 A-TIG 焊熔深機理研究［J］． 機械工程學報，2006，42 ( 5) :45 －49．

［8］ 黃本生，楊 江，尹文鋒，等． A-TIG 焊研究進展及前景展望［J］． 材料導報，2016，30( 2) :76 －80．

［9］ 孫小平，石 路，管仁國，等． 鋁合金晶粒細化的研究進展與發展趨勢［J］． 有色礦冶，2010，26( 5) : 32

來源：制造工藝前沿

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