钨极氩弧焊用焊剂的发展与应用

钨极氩弧焊用焊剂的发展与应用

李凯

中国石油股份有限公司管道沈阳输油气分公司维抢修中心辽宁沈阳110000

摘要：结合国内外钨极氩弧焊用焊剂的研究、发展与应用的实际情况，综合论述了钨极氩弧焊用焊剂这一新型的焊接用涂层产品的使用特点、作用效能及其应用前景。

关键词：氩弧焊；焊剂；熔深；生产率

钨极氩弧焊用焊剂又称氩弧焊用活性焊剂，是乌克兰的巴顿焊接研究所（PWI）在60年代首创的一种目的在于增加氩弧焊焊缝熔深的焊剂产品，目前习惯将使用此类焊剂的氩弧焊工艺称为A-TIG。A-TIG通过大幅度增加焊接熔深而提高焊接生产率，可将l2mm厚碳锰钢一道焊成单面焊双面成形焊缝而引人注目，该工艺在90年代已进入实用阶段。90年代美国、英国、日本也致力于氩弧焊用焊剂的研究、发展与应用，显示了氩弧焊用焊剂具有独特的优势。本文结合我所氩弧焊用焊剂的研究结果，介绍这一新的焊接用焊剂产品的发展及应用状况。

1作用机理与特点

1.1作用机理

由于氩弧焊用焊剂种类不同，所焊接的金属种类也不同，氩弧焊用焊剂使焊接电弧收缩增加熔深的机理显然是多方面的。一种较为普遍认可的机理是：焊接时，涂敷于阳极（工件）的焊剂中的卤素化合物在电弧热的作用下挥发出来，所产生的电负性元素吸附了位于阳极的电弧中外围区域用于电弧导电的电子致使阳极电弧收缩，并导致阳极压降及电场强度的增加，从而增加了电弧在阳极区的产热量及熔透能力。目前对于氧化物致使电弧收缩的原因初步归结为挥发态的氧化物也具有吸附电子的能力。考虑到电弧的收缩会导致电弧中等离子流运动状态的改变以及熔池中熔融金属流运动状态的改变，氩弧焊用焊剂使焊接电弧收缩增加熔深的机制有一定的复杂性。文献认为，熔池中熔融金属流的运动会冷却电弧，导致电弧的二次收缩，进而使电弧穿出l2mm厚钢板以小孔效应进行焊接，这明显与被焊金属熔池的流动性、导热能力强有关，这也决定了钛合金、不锈钢使用氩弧焊用焊剂后电弧穿透能力应次于碳钢、低合金钢。

1.2作用特点

氩弧焊用焊剂对焊接熔池的作用特点是：能显著增加电弧的能量密度，增加焊缝熔深，获得深宽比为2～3的焊缝，由于每米焊道焊剂消耗量在0.3g左右，对焊缝主要合金成分的质量分数产生影响的可能性极小，同时，依然可以保证焊缝金属保持很低的S，P，0，N的质量分数（N合金化除外）。

2氩弧焊用焊剂在国外的发展与应用状况

2.1氩弧焊用焊剂在原苏联的发展与应用

以卤素化合物组成的氩弧焊用焊剂早在60年代就在前苏联得到应用与发展，主要用来焊接钛合金，最早称为焊剂层上氩弧焊；在70年代，以氧化物和氟化物组成的氩弧焊用焊剂在工业上得到应用，主要用于焊接不锈钢，在采用直边坡口不加丝的情况下，可获得单道熔深8～l0mm的焊缝，尽管当时人们并不了解其机理；90年代，氩弧焊用焊剂在焊接碳锰钢、低合金钢方面获得最大成功，并发展成A-TIG---一种新的焊接工艺方法。该工艺相对传统的氩弧自动焊而言，使用焊剂涂层仍是其最主要的特点，还可能包括其它微小的工艺改进，例如，使用空心钨极。A-TIG在焊接l2mm厚对接钢板时所使用的焊剂量约为0.l～0.5g/m，其形成的单面焊双面成形焊缝独具特点：焊缝上下表面较宽，而焊缝中部较窄，其树枝晶方向几乎与双面焊效果等同。该焊接工艺已通过相关试验，可用于航空航天、化学工业、压力容器、电力设备、核电设施等领域。

2.2氩弧焊用焊剂在美国的发展与应用

美国在氩弧焊用焊剂的研究方面远远落后前苏联，l993年美国的爱迪生焊接研究所（EWI）与海军连接中心（NJC）开始进行氩弧焊用焊剂的研究，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氩弧焊用焊剂，其中不锈钢与碳钢氩弧焊用焊剂分项目的研究费用为25万美元，该分项目于l998年基本完成，其开发的不锈钢氩弧焊用焊剂SS系列已商品化，不锈钢与碳钢氩弧焊用焊剂已投入工业应用，目前其镍基合金用焊剂也已开发出来，正在开发铝、钛用活性焊剂产品。SS系列焊剂可用于300多种奥氏体不锈钢的焊接，使焊缝熔深增加到9mm以上，SS7焊剂用于焊接直径l3cm、壁厚7mm左右的不锈钢钢管的优越性已得到认可，采用直边坡口，两个焊道即可完成钢管的对接（第二道需加丝以填满第一道留下的微弱的凹陷）。SS7焊剂可采用人工方法刷涂，焊剂涂层的厚度以涂层充分遮盖钢的本色为宜（相应的厚度约为0.0l3mm，焊剂消耗量约为0.3g/m），也可采用机械刷涂焊剂涂层的新方法，以利于大规模应用，提高涂层厚度均匀性，这两种刷涂方法都可使SS7焊剂获得工业应用。其所出售的焊剂LFX-SS7配有混合焊剂及溶剂用瓶、涂敷用刷、介绍如何使用的光盘等，该焊剂不含硫、碳氢化合物及氟化物。

在不锈钢焊接方面，SS系列焊剂和常规的自动氩弧焊设备配合可有以下优点：减少或清除各炉次钢板由微量元素差异而造成熔深差异，减少坡口加工量，在焊接6～7mm厚的钢材时，一道即基本完成对接，减少焊接变形，同时，焊缝质量不受影响。目前，尚无公开的文献发表以了解美国开发的用于碳钢的氩弧焊焊剂的情况。

美国开发的不锈钢与碳钢氩弧焊用焊剂已用于一艘双体船壳体及两艘油轮的建造，和常规焊接工艺相比，可节省工时75%，海军方面正使用该焊剂焊接舰船及潜艇用管道系统和某些零部件。该类焊剂可应用于航空航天、化学工业、压力容器、海洋工程等领域，估计5年后将有29：1的投资回报率。

2.3氩弧焊用焊剂在其它国家发展与应用

日本近年来也开发了氩弧焊用涂层状焊剂，该焊剂涂敷在工件表面后，使用TIG焊，具有增加熔深的效果，但该焊剂产品主要用于修复电厂热力管道焊接接头处常产生的裂纹，可不开坡口直接重熔予以修复。英国焊接研究所（TWI）正在对此类焊剂的作用机理进行深入研究，其与巴顿焊接研究所合作的致力于氩弧焊用焊剂用于工业生产的项目已取得进展，该项目总投资超过l0万英镑。

3氩弧焊用焊剂对焊缝熔深的增加能力的验证

氩弧焊用焊剂的效能及机理如何，引起了国内焊接工作者的注意。我国学者在瑞典皇家工学院考察过三种称之为SS、MS、DS的氩弧焊用焊剂，用以焊接采用直边坡口的不锈钢对接板。其中厚l2mm2205双相不锈钢焊接接头获得了良好的抗点蚀性能，并证明使用焊剂对于抑制含氮不锈钢熔池中氮的逸出十分有效，鉴于其所获得的焊缝的深宽比不大，焊接中可能使用了衬垫。国内对氩弧焊用焊剂增加熔深的机理也已开始进行研究。

我所对氩弧焊用焊剂研究已获得良好的初步结果，所研制的焊剂可轻松地一道完成6mm厚不锈钢的对接，能够一道完成8mm厚304不锈钢的对接，焊缝表面呈金黄色并带有少量点状熔渣，最大焊缝熔深可达到l0mm以上，焊接接头性能可满足相关标准要求。

4发展及应用前景

虽然氩弧焊用焊剂在国外的发展、应用仍处于起步阶段，但其发展潜力巨大，目前积极致力于发展、应用此类焊剂的正是世界上三家最著名的焊接研究所（PWI、EWI、TWI），氩弧焊用焊剂的发展表明，随着国内外对氩弧焊用焊剂的机理研究及工艺研究的逐渐成熟，新的工艺性更好、增加熔深能力更强的焊剂品种的逐渐出现，常规氩弧焊低效率高成本的不利局面将得到改善。以使用氩弧焊用焊剂涂层为特点的A-TIG焊接工艺将在3～l2mm厚材料的高品质焊接方面得以广泛应用。

参考文献：

[l]杨春利.TIG电弧活性化焊接现象和机理研究（l）[J].焊接，2000，（4）：l6-l8.