鈦合金的活性焊劑焊接技術(shù)

鈦合金材料以其優(yōu)良的機(jī)械性能、耐腐蝕性能以及密度小等優(yōu)點越來越廣泛地應(yīng)用于航空、航天、石油、化工及艦船等行業(yè)。鎢極氬弧焊是上述各行業(yè)中大量應(yīng)用的鈦合金焊接結(jié)構(gòu)最常使用的焊接方法之一。該方法具有工藝裕度大、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、焊縫質(zhì)量優(yōu)良等特點，但也存在電弧能量密度較低、穿透能力較差、焊接時的熱輸入較大、對材料的熱損傷大、焊接應(yīng)力變形較大等不足;特別是在鈦合金焊接時，易產(chǎn)生氣孔等缺陷，直接影響焊接構(gòu)件的使用性能。

目前，新型飛機(jī)的研制對鈦合金焊接結(jié)構(gòu)件的要求越來越高，急需開發(fā)新型、優(yōu)質(zhì)、高效的焊接方法，以滿足先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)、飛機(jī)的高效率、高性能及高可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計對先進(jìn)制造技術(shù)長壽命、低成本的要求。活性焊劑鎢極氬弧焊(A-TIG)技術(shù)就是適應(yīng)這一要求而發(fā)展起來的。該技術(shù)不僅能解決上述常規(guī)TIG焊接存在的技術(shù)不足，而且在相同的工藝條件下，能提高構(gòu)件的焊接質(zhì)量和使用壽命[1-3]，為鎢極氬弧焊技術(shù)開拓新的應(yīng)用前景。

鈦合金A-TIG焊接技及特點

A-TIG焊接技術(shù)是焊接前在待焊接工件上表面涂一層活性焊劑，然后沿焊劑層進(jìn)行TIG焊的工藝方法。與常規(guī)TIG焊接工藝相比，鈦合金A-TIG焊接電弧的穿透能力顯著增強(qiáng)，熱輸入量、焊接變形及應(yīng)力減小。在焊接相同規(guī)格的產(chǎn)品構(gòu)件時，在相同的焊接電流條件下，可以實現(xiàn)不開坡口單道焊接或使堆焊層數(shù)明顯減少，從而提高焊接生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，成倍降低成本。

另外，活性焊劑能夠大大減少氬弧焊過程中產(chǎn)生的焊縫氣孔缺陷，從而直接改善焊接接頭及焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能。試驗表明，TC4鈦合金A-TIG焊對接接頭的疲勞極限比常規(guī)TIG焊提高16%，可達(dá)到母材的90%。目前鈦合金活性焊劑氬弧焊技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種為保證武器裝備提高質(zhì)量、提高加工效率和降低成本的新型先進(jìn)連接制造技術(shù)。

鈦合金A-TIG焊接技術(shù)的基本原理

第一，薄膜的存在限制了電弧的導(dǎo)通截面，從而使電弧收縮;

第二、其次，由于焊接前鈦合金材料表面覆蓋活性焊劑層，在電弧導(dǎo)通過程中，只有電弧熱先將活性焊劑和鈦金屬熔融，并實現(xiàn)液態(tài)鈦把焊劑薄膜的成功擠走，才能實現(xiàn)電弧的成功導(dǎo)通和穩(wěn)定燃燒。由于熔融的活性焊劑與液態(tài)鈦之間有較好的浸潤性，因此，焊劑薄膜又不容易被擠走。其被擠走的越少，焊縫也就越窄，電弧的熱流量也就越集中，熔透的深度越深;

第三，A-TIG焊接時，活性焊劑分子蒸汽進(jìn)入電弧氣氛，增加了弧柱中等離子的導(dǎo)熱性，從而使電弧收縮;

第四，電弧熱使活性焊劑分解電離并進(jìn)入到電弧外圍空間，焊劑離子捕獲電弧外圍電子形成負(fù)離子，降低了弧柱外圍空間的電壓，從而使電弧收縮。正是由于上述幾個方面的協(xié)同作用，使A-TIG焊接過程中焊接電弧發(fā)生明顯收縮，弧柱電流密度增加，致使焊接熔深增加。

國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

活性焊劑最先是由烏克蘭巴頓焊接研究所于60年代研制出來的。其最初的研制目的是為了通過在焊縫區(qū)添加鹵化物以改善鈦合金TIG焊時焊縫中的氣孔問題。試驗結(jié)果表明，添加的鹵化物在抑制鈦合金焊縫氣孔的同時，還影響了焊縫的成形：在其他條件等同的情況下，焊縫熔深(h)增加，熔寬(b)減小，焊縫形狀系數(shù)(ψ=b/h)也相應(yīng)減小。此外，焊接時熱輸入(q/V)也相應(yīng)降低。鑒于添加鹵化物所帶來的一系列積極效果，巴頓所于1964年開發(fā)了第一種多元活性焊劑產(chǎn)品——AHT-9A，用于鈦合金焊接。目前，其A-TIG焊工藝已通過試驗確認(rèn)，并用于俄羅斯航空、航天、化工、壓力容器、電力設(shè)備、核電設(shè)施等領(lǐng)域。美國在氬弧焊用活性焊劑的研究方面比烏克蘭相對落后。但目前美國已利用開發(fā)出的不銹鋼與碳鋼氬弧焊用活性焊劑進(jìn)行雙體船殼體、油輪、核反應(yīng)容器、壓力容器等的建造;海軍方面正使用該焊劑焊接艦船及潛艇用管道系統(tǒng)和某些零部件。