钛合金材料以其优良的机械性能、耐腐蚀性能以及密度小等优点越来越广泛地应用于航空、航天、石油、化工及舰船等行业。钨极氩弧焊是上述各行业中大量应用的钛合金焊接结构最常使用的焊接方法之一。该方法具有工艺裕度大、工艺适应性强、焊缝质量优良等特点，但也存在电弧能量密度较低、穿透能力较差、焊接时的热输入较大、对材料的热损伤大、焊接应力变形较大等不足；特别是在钛合金焊接时，易产生气孔等缺陷，直接影响焊接构件的使用性能。
目前，新型飞机的研制对钛合金焊接结构件的要求越来越高，急需开发新型、优质、高效的焊接方法，以满足先进航空发动机、飞机的高效率、高性能及高可靠性的结构设计对先进制造技术长寿命、低成本的要求。活性焊剂钨极氩弧焊（A-TIG）技术就是适应这一要求而发展起来的。该技术不仅能解决上述常规TIG焊接存在的技术不足，而且在相同的工艺条件下，能提高构件的焊接质量和使用寿命[1-3]，为钨极氩弧焊技术开拓新的应用前景。
钛合金A-TIG焊接技及特点
A-TIG焊接技术是焊接前在待焊接工件上表面涂一层活性焊剂，然后沿焊剂层进行TIG焊的工艺方法。与常规TIG焊接工艺相比，钛合金A-TIG焊接电弧的穿透能力显著增强，热输入量、焊接变形及应力减小。在焊接相同规格的产品构件时，在相同的焊接电流条件下，可以实现不开坡口单道焊接或使堆焊层数明显减少，从而提高焊接生产率和产品质量，成倍降低成本。
另外，活性焊剂能够大大减少氩弧焊过程中产生的焊缝气孔缺陷，从而直接改善焊接接头及焊接结构的疲劳性能。试验表明，TC4钛合金A-TIG焊对接接头的疲劳极限比常规TIG焊提高16%，可达到母材的90%。目前钛合金活性焊剂氩弧焊技术已经发展成为一种为保证武器装备提高质量、提高加工效率和降低成本的新型先进连接制造技术。
钛合金A-TIG焊接技术的基本原理
薄膜的存在限制了电弧的导通截面，从而使电弧收缩；其次，由于焊接前钛合金材料表面覆盖活性焊剂层，在电弧导通过程中，只有电弧热先将活性焊剂和钛金属熔融，并实现液态钛把焊剂薄膜的成功挤走，才能实现电弧的成功导通和稳定燃烧。由于熔融的活性焊剂与液态钛之间有较好的浸润性，因此，焊剂薄膜又不容易被挤走。其被挤走的越少，焊缝也就越窄，电弧的热流量也就越集中，熔透的深度越深；第三，A-TIG焊接时，活性焊剂分子蒸汽进入电弧气氛，增加了弧柱中等离子的导热性，从而使电弧收缩；第四，电弧热使活性焊剂分解电离并进入到电弧外围空间，焊剂离子捕获电弧外围电子形成负离子，降低了弧柱外围空间的电压，从而使电弧收缩。正是由于上述几个方面的协同作用，使A-TIG焊接过程中焊接电弧发生明显收缩，弧柱电流密度增加，致使焊接熔深增加。
国外技术发展现状
活性焊剂最先是由乌克兰巴顿焊接研究所于60年代研制出来的。其最初的研制目的是为了通过在焊缝区添加卤化物以改善钛合金TIG焊时焊缝中的气孔问题。试验结果表明，添加的卤化物在抑制钛合金焊缝气孔的同时，还影响了焊缝的成形：在其他条件等同的情况下，焊缝熔深（h）增加，熔宽（b）减小，焊缝形状系数（ψ=b/h）也相应减小。此外，焊接时热输入（q/V）也相应降低。鉴于添加卤化物所带来的一系列积极效果，巴顿所于1964年开发了第一种多元活性焊剂产品——AHT-9A，用于钛合金焊接。目前，其A-TIG焊工艺已通过试验确认，并用于俄罗斯航空、航天、化工、压力容器、电力设备、核电设施等领域。美国在氩弧焊用活性焊剂的研究方面比乌克兰相对落后。但目前美国已利用开发出的不锈钢与碳钢氩弧焊用活性焊剂进行双体船壳体、油轮、核反应容器、压力容器等的建造；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。
北京航空制造工程研究所对钛合金A-TIG焊接技术进行了深入研究，从着重应用的角度出发，研制了适用于钛合金氩弧焊的活性焊剂产品，申请了国家发明专利并获授权。研究所对A-TIG焊接工艺进行了系统研究，从焊接的前处理工艺、焊接规范、焊后的热处理以及焊接接头的性能等方面与常规TIG焊接进行了比较详尽的对比，得到了常用钛合金材料A-TIG焊接的稳定的工艺参数，并在此基础上开展了A-TIG焊接技术工程应用研究。与沈阳飞机工业（集团）有限公司合作，针对TA15和BT20钛合金材料平板对接和穿透焊两种接头形式，在主机厂生产现场开展了TIG焊和A-TIG焊工艺对比、典型补焊工艺对比及补焊后接头强度和疲劳性能对比，得到了一系列相关基础数据，为有效指导工厂相关生产提供了依据。
在此基础上，北京航空制造工程研究所还已将研制的钛合金活性焊剂FT-01及A-TIG焊技术成功应用于了某航天大型钛合金焊接结构、某型号波纹腹板梁焊接结构等的焊接研究中，得到的焊缝接头性能优异，有效地降低了焊缝气孔数量，减小了焊接变形，产品综合性能优异，质量可靠。
活性焊剂焊接技术在激光焊接中的应用
北京航空制造工程研究所还进行了活性焊剂激光焊接工艺研究及应用研究，完成了焊接工艺试验及焊接接头性能测试试验。试验结果表明：活性焊剂能够有效改善钛合金激光焊接中的咬边缺陷，提高焊接接头的疲劳性能。目前，活性焊剂激光焊已成功应用于某型号飞机结构的批量生产中。
参考文献
[1] Lucas W, Howse D S .Activating flux increasing the performance and productivity of the TIGand Plasma welding processes, Weldingand Metal Fabrication. 1996,64(1): 11-17.
[2] Gurevich S M. Improving thepenetration of titanium alloys whenthey are welded by argontungstenarc process, Automatic Welding, 1965（9）:1-4.
[3] Lucas W, Howse D S . Ainvestigation into arc constriction byactive fluxes for TIG (A-TIG) welding,Science and Technology of Welding andJoining. 2000,3(5): 189-193.
6/2/2009
|
