T91鋼TIG焊活性劑的研制

1、T91鋼TIG焊活性劑的研制摘要活性化TIG焊在當(dāng)今受到國內(nèi)外的高度重視，同傳統(tǒng)的TIG焊想比，在相同的規(guī)范下能大幅度地提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。本文主要針對(duì)不銹鋼及T91鋼，以電弧收縮理論和熔池表面張力變化理論為依據(jù)，對(duì)A-TIG焊中不同單一成分的活性劑對(duì)焊縫成形、電弧形態(tài)、電弧電壓及焊縫熔深與熔寬比（D/W）的影響進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以期能得到較為適合的活性劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，各種單一成分的活性劑均可達(dá)到增加熔深的效果，其中CaO、MnO2、SiO2、Cr2O3對(duì)焊縫的深寬比影響最明顯，成形較理想。在此基礎(chǔ)上將不同的活性劑（主要針對(duì)氧化物）按不同比例混合并用相同方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以焊縫的深寬比變化

2、為主要依據(jù)選擇較理想的混合焊劑，最終得到CaO、MnO2、SiO2、Cr2O3、與MgO、Al2O3 混合的焊劑較為適合。關(guān)鍵詞：T91 A-TIG AbstractActivating TIG welding is attaching importance inside and outside today , it can greatly improve productivity , reducing the production cost. This text is dead against stainless steel and T91 steel, according as the t

3、heory of electricity arc shrink and the change of the surface tension of melt, doing experiment in the effect of vary single activate flux to welding molding、arc form、arc voltage and the ratio of the depth to the width of the welding, to find a suited activate flux. The result showed that all of the

4、 activate flue can increase the depth of the melt and CaO、MnO2、SiO2、Cr2O3 can give the most distinct improvement. Then make them into a mixture in different proportion and complete the contrast experiment. According as the improvement of the ratio of the depth to the width of the melt, we can gain a

5、 suited flux make up of CaO、MnO2、SiO2、Cr2O3、MgO and Al2O3. Keywords: T91 steel Activate flux 目 錄目錄：摘要- -1英文摘要- -2目錄 - - -3第一章 緒論 -4 1.1課題的提出及背景 -4 1.2A-TIG焊的應(yīng)用特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn) -5 1.3活性焊劑增加熔深的機(jī)理 -5 1.4A-TIG焊的研究現(xiàn)狀 -7 1.5A-TIG焊的應(yīng)用前景 -10 1.6研究內(nèi)容 -10第二章 實(shí)驗(yàn)部分 -11 2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備 -11 2.2實(shí)驗(yàn)方法 -13 2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果 -13 2.4結(jié)論 -19參考文獻(xiàn)

6、-21T91鋼TIG焊助焊劑的研制第一章 緒論 1.1 課題的提出及背景T91/P91鋼是一種改進(jìn)型馬氏體耐熱鋼，它是在9Cr-1Mo鋼的基礎(chǔ)上添加微量V，Nb調(diào)整Si，Ni和Al的含量后形成的一種新型的超9Cr鋼。該材料的高溫持久強(qiáng)度，抗蠕變性能及持久塑性均優(yōu)于9Cr-1Mo鋼，抗氧化性和抗腐蝕性與9Cr-1Mo鋼相當(dāng)。其在同樣的溫度、壓力條件下，鋼管壁厚可大大降低，材料可大大節(jié)省。其設(shè)計(jì)許用應(yīng)力在550以上為9Cr-1Mo鋼和21/4Cr1Mo鋼的兩倍，在625時(shí)，持久強(qiáng)度與1Cr19Ni9等同。因此，目前在亞臨界機(jī)組，超臨界鍋爐管子壁溫在650以下的過熱器管和再熱管中得到廣泛應(yīng)用。目前鎢

7、極氬弧焊（TIG焊）廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造、原子能、化工、紡織等工業(yè)中。由于氬氣的保護(hù)，隔離了空氣對(duì)熔化金屬的有害作用，可焊接易氧化的有色金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金、鈦及鈦合金以及難熔的活性金屬等。但是，由于鎢電極的載流能力有限，電弧功率受到限制，致使焊縫熔深淺，焊接效率低，所以，鎢極氬弧焊一般只適于焊接厚度小于6mm的工件。對(duì)于不銹鋼，板厚小于3mm時(shí)可以一次焊透，超過此厚度的工件不但需要開坡口，進(jìn)行多層填絲焊，甚至還需要預(yù)熱才能施焊。為解決TIG焊熔透量較低的問題，人們?cè)鲞^許多研究工作，例如：?jiǎn)畏矫嬖黾雍附与娏鳎蛘咴诒Ｗo(hù)氣體中加入氦氣、氫氣等成分，用以增加焊縫熔深。這些措施雖取得了一些

8、成績，但因隨之而來的負(fù)面效應(yīng)仍有不盡人意之處。在上世紀(jì)60年代，烏克蘭巴頓焊接研究所（PWI）的專家根據(jù)焊縫中微量元素影響焊縫熔深的這一現(xiàn)象，于焊接前將含有某些微量元素的活性焊劑涂在待焊工件表面上進(jìn)行焊接，用以影響焊縫的形狀，從而達(dá)到有選擇的控制焊縫形狀的目的，隨后的研究成果逐步形成最初的活性焊劑氬弧焊（A-TIG焊），并應(yīng)用于能源、化工和航空航天工業(yè)領(lǐng)域。20世紀(jì)末期，英國TWI和美國EWI對(duì)A-TIG進(jìn)行了研究，并轉(zhuǎn)入實(shí)際應(yīng)用，其中EWI的活性劑FSS-7已經(jīng)用于海軍艦艇的制造中，TWI正開發(fā)以熔焊工藝中使用活性焊劑為核心的研究項(xiàng)目。21世紀(jì)初，巴頓焊接研究所已將A-TIG技術(shù)應(yīng)用于焊接核

9、反應(yīng)堆管子部件、汽車胎環(huán)、氧氣鋼瓶、汽車壓縮空氣鋼瓶、高壓罐等工業(yè)領(lǐng)域。試驗(yàn)證明，在相同的焊接規(guī)范下，同常規(guī)的TIG焊相比，A-TIG焊可以大幅度提高焊接熔深（最大可達(dá)300%），而不增加正面寬度。目前A-TIG焊可以用于焊接不銹鋼、碳鋼、鎳基合金和鈦合金等材料。同傳統(tǒng)的TIG焊相比，A-TIG焊可以提高生產(chǎn)率2-6倍，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)還可以減小焊接變形，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。1.2 A-TIG焊的應(yīng)用特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)ATIG焊的工藝方法的改進(jìn)之處是在原有TIG焊的條件下, 焊接前在焊接區(qū)材料表面涂上一薄層活性焊劑(厚度不足0. 13mm) , 此焊劑為無機(jī)物粉末和揮發(fā)性液體介質(zhì)(如丙酮等) 的

10、混合物, 揮發(fā)性液體介質(zhì)揮發(fā)后, 留下活性焊劑。焊接時(shí)在電弧熱作用下, 焊劑蒸發(fā), 其中的活性組分直接轉(zhuǎn)移至等離子區(qū), 與電弧發(fā)生相互作用。而焊劑的蒸發(fā)對(duì)電極的性能或壽命沒有任何負(fù)面影響。焊劑可用噴涂、粘帖或刷子刷等方法涂覆。焊接過程中在活性焊劑的作用下引起焊接電弧收縮，電弧能量密度增加，電弧力增大，最終導(dǎo)致焊縫熔深增加的一種焊接新工藝。在相同焊接工藝參數(shù)下試驗(yàn)時(shí)，從TIG 堆焊與A-TIG 焊的電弧形態(tài)照片及焊縫斷面的宏觀照片中對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比，A-TIG 焊的焊接電弧明顯收縮，并且焊縫熔深有較大幅度增加。從焊縫宏觀斷面的照片中可以看出，TIG 焊的熔深不到3mm，而A-TIG 焊的熔深接近7

11、mm，是TIG 焊的23 倍。與傳統(tǒng)的焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊等焊接方法相比，A-TIG 焊具有質(zhì)量可靠，生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)；與先進(jìn)的激光焊、電子束焊以及等離子弧焊相比，由于A-TIG 焊所用的活性焊劑材料具有成分組成范圍寬，來源豐富，價(jià)格便宜，而且無需昂貴的焊接設(shè)備，使得A-TIG 焊又具有成本低，經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用前景。A-TIG焊典型的應(yīng)用是較厚工件（312mm）的精密焊接，這種情況下采用氣體保護(hù)自動(dòng)焊可以充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。與同等厚度的常規(guī)TIG 焊相比，A-TIG 焊可以進(jìn)行高速低熱輸入焊接，所以非常適合于薄壁小直徑管&管、管&板焊接。

12、分別對(duì)采用TIG 焊及A-TIG 焊工藝焊接的試板進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，A-TIG 焊中的活性焊劑對(duì)焊縫中主要成分的含量影響極小，并且采用A-TIG 焊工藝焊接的焊縫接頭在強(qiáng)度、韌塑性、抗晶間腐蝕性能等各方面均等同于或優(yōu)于TIG 焊焊接的接頭。這說明A-TIG 焊在大幅度增加焊縫熔深提高焊接生產(chǎn)率的同時(shí)，仍可以保證良好的焊縫質(zhì)量。1.3 活性焊劑增加熔深的機(jī)理 到目前為止，關(guān)于活性劑對(duì)電弧作用的機(jī)理主要有以下三種學(xué)術(shù)觀點(diǎn)：電弧收縮機(jī)理，表面張力原理和陽極斑點(diǎn)原理(1). 電弧收縮理論 電弧收縮理論認(rèn)為：活性劑在電弧高溫下蒸發(fā)后以原子態(tài)包圍在電弧周邊區(qū)域，由于電弧周邊區(qū)域溫度較低，活性

13、劑蒸發(fā)原子捕捉該區(qū)域中的電子形成負(fù)離子并散失到周圍空間。負(fù)離子雖然帶的電量和電子相同，但因?yàn)樗馁|(zhì)量比電子大得多，不能有效擔(dān)負(fù)傳遞電荷的任務(wù)，導(dǎo)致電場(chǎng)遷都減小，根據(jù)最小電壓原理，電弧有自動(dòng)時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度增加到最小限度的傾向，結(jié)果造成電弧自動(dòng)收縮，電弧電壓增加，熱量幾種，用于熔化母材的熱量也增多，從而是焊接熔深增加。在相同的親合能條件下，解離溫度越高越有利于電弧收縮。比如，氟比氯更有利于電弧收縮。氯化物也有類似的效果，雖然它們的電子親合能比鹵化物小，但其解離溫度比鹵化物高，故其電弧收縮效果不一定比鹵化物小。圖11 負(fù)離子引起的電弧收縮隨著焊接電流的增加，電弧傳遞電荷的能力提高。負(fù)離子的形成對(duì)電弧傳遞

14、電荷能力減弱的作用不再起到主導(dǎo)作用。同時(shí)，當(dāng)焊接電流超過一定值后，活性劑會(huì)完全擴(kuò)散，不會(huì)再起作用。因此，隨焊接電流的增大，加活性劑合不加活性劑的效果差別逐漸減小。另外，焊接速度增加會(huì)降低熱輸入，負(fù)離子形成幾率也有一定增加。目前很多學(xué)者都認(rèn)為電弧收縮是由于電弧外層區(qū)域形成了負(fù)離子的原因，認(rèn)為對(duì)于類似于SiO2的氧化物，電弧溫度的升高足以使SiO2分子發(fā)生分解，但是SiO2并不是完全被分解，SiO2分子仍然會(huì)存在于電弧中，而SiO2分子會(huì)捕捉電弧外層的電子形成SiO2負(fù)離子，由此會(huì)引起電弧電子密度的下降，導(dǎo)致電弧的收縮。而在此過程中，電流始終不變，因此造成了電弧電壓的上升。 (2). 表面張力原理

15、 表面張力理論認(rèn)為：熔池金屬流動(dòng)狀態(tài)對(duì)焊縫的成形會(huì)有相當(dāng)大的作用，一般的焊縫金屬，其熔化狀態(tài)下的表面張力具有負(fù)的溫度系數(shù)，即使表面張力的液體區(qū)域向表面張力大的液體區(qū)域流動(dòng)。而當(dāng)熔池金屬中存在某種微量元素或接觸到活性氣氛時(shí)（如S，O）,熔池液態(tài)金屬的表面張力數(shù)值降低并轉(zhuǎn)變?yōu)檎臏囟认禂?shù)，即，從而使熔池金屬形成從熔池周邊向著熔池中心的表面張力流，促使焊接過程中的有效熱輸入量增加，從而使焊縫熔深增加，圖1.2使表面張力系數(shù)分別為正和負(fù)時(shí)對(duì)熔池和熔深的影響示意圖，從圖中可以看出，正的表面張力系數(shù)有利于熔池的增加，而負(fù)的則相反。 圖12 熔池表面張力對(duì)熔池和熔深的影響(3) 陽極斑點(diǎn)理論 陽極斑點(diǎn)理論認(rèn)

16、為：在熔池添加硫化物、氯化物、氧化物后，熔池上的電弧陽極斑點(diǎn)出現(xiàn)明顯的收縮，同時(shí)產(chǎn)生較大的熔深。經(jīng)分析認(rèn)為，添加活性劑后，熔池產(chǎn)生的金屬蒸汽受到抑制，由于金屬粒子更容易被電離，在金屬蒸汽減少的情況下，只能形成較小范圍的陽極斑點(diǎn)，電弧導(dǎo)電通道緊縮，加強(qiáng)了等離子體的挖掘作用，在激活了熔池內(nèi)部電磁對(duì)流的同時(shí)，減弱了等離子體的對(duì)流作用，從而形成較大的熔深。V. S. MECHEV還認(rèn)為，在陽極區(qū)，一個(gè)類似中空的負(fù)離子空間分布由于受到前向收縮力而壓縮陽極區(qū)的電子流朝陽極運(yùn)動(dòng)，從而引起了陽極勢(shì)能的大大削減，最終大幅度提高了陽極區(qū)的電流密度。其壓縮程度取決于某個(gè)長度范圍內(nèi)的電場(chǎng)能，而這個(gè)長度又取決于空間電荷

17、中負(fù)離子的濃度和它的幾何形狀。“陽極斑點(diǎn)理論”基本上屬于電弧收縮理論的一種，其根源仍是基于焊接電弧在活性劑作用下發(fā)生了收縮。因此本研究中將重點(diǎn)主要放在“電弧收縮機(jī)理”以及“熔池表面張力機(jī)理”作用的方面。試圖通過實(shí)驗(yàn)尋找活性化焊接過程中這兩種機(jī)理所起的作用。1.4 A-TIG焊的研究現(xiàn)狀國內(nèi)A-TIG研究現(xiàn)狀國內(nèi)對(duì)A-TIG焊技術(shù)的研究在2000年左右開始，目前研究工作只是集中在高校和研究所，還沒有推廣到實(shí)際生產(chǎn)中，在某些部門用從國外購買的活性劑焊接欽合金和不銹鋼。國內(nèi)航空工業(yè)總公司625研究所從烏克蘭巴頓焊接研究所引入了活性劑焊接工藝和配方。哈爾濱工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了A-TIG焊機(jī)理和配方的研究，開

18、發(fā)了相關(guān)的助焊劑。樊丁教授也對(duì)碳鋼的助焊劑進(jìn)行了研究。楊春利等針對(duì)TIG焊集中的電弧現(xiàn)象作了一定的研究，他采用在變動(dòng)的焊接電流下檢測(cè)電弧電壓的方式來考察A-TIG焊接電弧收縮及活性劑的影響。他認(rèn)為判斷電弧收縮與否的最為明確和最有說服力的辦法是考察電弧電壓的變化。如果在同一氣氛下電流電壓發(fā)生了變化則就可認(rèn)定必有某種因素影響了電弧并使之收縮。經(jīng)過對(duì)Si02和TiO2兩種活性劑成分的比較，他認(rèn)為Si02覆蓋在母材表面、正電極下方形成熔池后，電弧陽極區(qū)即電弧弧根擴(kuò)展需要克服較大的阻尼，而陽極斑點(diǎn)容易在純金屬處形成，能量平衡的結(jié)果造成電弧的自動(dòng)收縮。而Ti0:屬于金屬氧化物，電阻率較低，對(duì)電弧導(dǎo)電通道的

19、阻礙作用較小，因此電弧收縮困難。對(duì)此他認(rèn)為以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象采用負(fù)離子形成理論是很難解釋的。因?yàn)樵谪?fù)離子理論下，兩種活性劑成分均會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)、分解、電離現(xiàn)象，都會(huì)產(chǎn)生負(fù)離子，同時(shí)對(duì)電弧產(chǎn)生冷卻作用，使得電弧收縮。由此得到一種觀點(diǎn)：即活性劑對(duì)電弧作用只是電弧陽極區(qū)行為的表現(xiàn)。樊丁等對(duì)鋁合金交流A-TIG焊熔深增加機(jī)理進(jìn)行了研究，在試驗(yàn)中進(jìn)行了常見氧化物和鹵化物的鋁合金交流A-TIG焊，研究了單一組分活性劑對(duì)焊縫熔深的影響。并對(duì)這些活性劑進(jìn)行了交流TIG焊電弧便宜試驗(yàn)。將電弧偏移率與A-TIG焊焊縫熔深進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋁合金交流A-TIG焊電弧中導(dǎo)電通道電阻對(duì)焊縫熔深的影響很大。他認(rèn)為電弧作為一種氣體

20、導(dǎo)體，電流也要通過電阻最小的通道構(gòu)成回路?；钚詣┰陔娀「邷睾碗妶?chǎng)作用下，并改變由電弧、活性劑涂層和焊接存在改變了導(dǎo)電通道的電阻。而TIG焊焊接電源的外特性為恒流外特性，從而改變了電源的輸入功率或電弧的熱效率，最終影響到焊縫熔深的大小。國外A-TIG研究現(xiàn)狀以鹵素化合物組成的氬弧焊用焊劑早在60年代就在前蘇聯(lián)得到應(yīng)用與發(fā)展，主要用來焊接鈦合金，最早稱為焊劑層上氬弧焊；在70年代，以氧化物和氯化物組成的氬弧焊用焊劑在工業(yè)上得到應(yīng)用，主要用于焊接不銹鋼，在采用直邊坡口不加絲的情況下，可獲得單道熔深810mm的焊縫，盡管當(dāng)時(shí)人們并不了解其機(jī)理；90年代，氬弧焊用焊劑在焊接碳錳鋼、低合金鋼方面獲得最大成

21、功，并發(fā)展成A-TIG一種新的焊接工藝方法。該工藝相對(duì)傳統(tǒng)的氬弧焊而言，使用焊劑涂層仍是最主要的特點(diǎn)，還可能包括其他微小的工藝改進(jìn)，例如，使用空心鎢極。A-TIG在焊接12mm厚對(duì)接鋼板時(shí)所使用的焊劑量約為0.10.5g/m，其形成的單面焊雙面成形焊縫獨(dú)具特點(diǎn)：焊縫上下表面較寬，而焊縫中部較窄，其樹枝晶方向幾乎與雙面焊效果相同。該焊接工藝已通過相關(guān)試驗(yàn)。 目前國外在活性劑焊接方面研究工作做的比較集中的是設(shè)立在EWI的海軍連接中心(Navy Joining Center-NJC)。NJC針對(duì)以下幾種材料進(jìn)行了研究：(1) 不銹鋼（如Types304.316，347，409，410）；(2) 鎳基

22、合金（如Alloys600，625，690，718，800）；(3) 碳鋼和低合金鋼（如A36，SA-178C，21/4Cr-1Mo，X80）;(4) 銅-鎳合金（70-30Cu-Ni,90-10Cu-Ni）；(5) 鈦合金（純鈦和Ti-6Al-4V）。其中NJC研制的用于不銹鋼的活性劑已經(jīng)商業(yè)化并注冊(cè)（名稱為FASTIG SS7），其針對(duì)不銹鋼和鎳基合金的活性劑已經(jīng)應(yīng)用到海軍飛行器（Newport News Shipbuilding）和驅(qū)逐艦箱體（Bath Lron Works）等造船廠或給海軍提供零部件的工業(yè)用戶中（TIG焊）。通過使用TIG焊活性劑，能夠大幅度地降低生產(chǎn)周期（達(dá)到50），

23、熔深最大可達(dá)普通TIG焊的300，同時(shí)能夠降低散熱條件變化的敏感性（可能導(dǎo)致不均勻的熔透或形成非對(duì)稱的對(duì)接焊縫），降低熱輸入和減小焊接變形。 一般的活性劑由于量非常小，不會(huì)改變焊縫的化學(xué)成分和機(jī)械性能，但用于不銹鋼304的活性劑，在某些應(yīng)用場(chǎng)合可能產(chǎn)生凝固裂紋和降低韌性。 NJC的產(chǎn)品是以粉末的形式提供的，同丙酮或其他揮發(fā)性物質(zhì)混合，形成糊狀涂到接頭的表面，厚度大約為0.005英寸，也就是以覆蓋母材為準(zhǔn)，如圖1-6所示。涂層的寬度比焊縫稍寬。 日本今年來也開發(fā)了氬弧焊用涂層狀焊劑，該焊劑涂敷在工件表面后，使用TIG焊，具有增加熔深的效果，但該焊劑產(chǎn)品主要用于修復(fù)電場(chǎng)熱力管道焊接接頭處常產(chǎn)生的裂

24、紋，可不開坡口直接重熔予以修復(fù)。英國焊接研究所（TWI）正在對(duì)此類焊劑的作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，其與巴頓焊接研究所合作的致力于氬弧焊焊用焊劑用于工業(yè)生產(chǎn)的項(xiàng)目已取得進(jìn)展，該項(xiàng)目總投資超過10億英鎊。 很多研究者相信電弧收縮增加了陽極根部的電流密度，導(dǎo)致熔深增加。在相同電流強(qiáng)度下，添加活性劑的TIG與常規(guī)的TIG相比可以看到明顯的電弧收縮。電弧收縮被認(rèn)為是分子蒸發(fā)所致。即氟、氯等鹵素或者氧等電負(fù)性較高的元素在電弧外測(cè)溫度相對(duì)較低的區(qū)域吸引電子。1.5 A-TIG焊接技術(shù)的應(yīng)用前景 雖然A-TIG 焊接技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展應(yīng)用處于起步階段，許多方面仍有待于進(jìn)一步完善，但因其焊接質(zhì)量好、焊接生產(chǎn)率高、生

25、產(chǎn)成本低廉的顯著優(yōu)點(diǎn)而存在在著巨大的發(fā)展?jié)摿?。目前，世界?個(gè)最著名的焊接研究所(PWI、EWI、TWI) 正積極致力于這一新型焊接工藝的研究、發(fā)展和應(yīng)用。隨著國內(nèi)外專家對(duì)A-TIG 焊接機(jī)理的進(jìn)一步研究以及工藝應(yīng)用方面的日漸成熟，適用于更多鋼種、工藝性更好的活性焊劑將被研究出來。此外基于A-TIG 焊技術(shù)的新工藝，例如利用A-TIG 焊開發(fā)研究薄板材料的高速焊接技術(shù)及表面改性和修復(fù)也是有待開發(fā)的一個(gè)很重要的應(yīng)用領(lǐng)域1.6研究內(nèi)容到目前為止，人們認(rèn)為“電弧收縮”和“熔池表面張力變化”是A-TIG焊接中導(dǎo)致熔深增加的兩個(gè)主要原因。以這兩種理論為參考，我們著重研究在焊接T91鋼時(shí)，SiO2、TiO

26、2等幾種單一活性劑的作用機(jī)理，其主要內(nèi)容包括以下2個(gè)方面：1、用高速攝像系統(tǒng)研究A-TIG焊中不同成分活性劑對(duì)電弧形態(tài)的影響2、用示波器研究A-TIG焊中不同成分活性劑對(duì)電弧電壓的影響3、分析對(duì)比不同成分活性劑對(duì)焊縫成形及焊縫熔深的影響通過對(duì)各種單一活性劑的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，最終尋求一種適合T91鋼的混合焊劑。第二章 實(shí)驗(yàn)部分2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)中采用福尼斯TPS-4000電源；焊接過程中使用FAST CAM Super-10000C高速攝像系統(tǒng)拍攝電弧形態(tài)；使用Agilent 54624A型示波器采集電流及電弧電壓數(shù)據(jù)；2.1.1焊接電源 2-1-1 實(shí)驗(yàn)所用電源2.1.2高速攝象系統(tǒng) 2-1-2

27、高速攝影系統(tǒng)本試驗(yàn)需要觀測(cè)活性劑加入后，焊接電弧的變化，因此需要對(duì)焊接電弧進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，因此有必要連續(xù)記錄焊接電弧形態(tài)的變化。實(shí)驗(yàn)中考慮采用高速攝像設(shè)備。高速攝像的紀(jì)錄速度范圍很廣，可以由300幀/秒到10000幀/秒。而且膠卷由于其感光媒體顆粒微粒因此能夠取得高清晰度和高分辨率的畫面，但是使用高速攝像也有很多不便，首先機(jī)器調(diào)節(jié)困難，因?yàn)楦咚贁z影采用完全的光學(xué)成像原理，因此對(duì)試驗(yàn)的光路等都有比較嚴(yán)格的要求，其次在實(shí)際操作時(shí)高速攝像的驅(qū)動(dòng)電機(jī)由啟動(dòng)到穩(wěn)定速度至少需要1秒的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)會(huì)浪費(fèi)較多的膠片，而且拍完后膠片需要沖洗后才能重放做觀察和分析，這樣使得研究更復(fù)雜。在這種情況下，考慮采用高

28、速攝像裝備來分析活性劑在焊接過程中對(duì)電弧形態(tài)的影響。高速攝像的發(fā)展是和信息時(shí)代緊密相連的，大量運(yùn)用數(shù)字技術(shù)，圖像的紀(jì)錄和存儲(chǔ)已從有形（如膠卷）轉(zhuǎn)變?yōu)闊o形（如磁盤或存儲(chǔ)模塊）。通過CCD攝像頭直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字化圖像，然后就可以隨時(shí)存儲(chǔ)，同時(shí)由監(jiān)視器顯示，工作結(jié)束后即可及時(shí)重放，這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)拍攝中存在的問題，然后即使處理，減少無畏的浪費(fèi)，節(jié)約試驗(yàn)所需要的時(shí)間。對(duì)于紀(jì)錄下的圖像可以立刻轉(zhuǎn)存至與之相連的計(jì)算機(jī)中或者消去原有紀(jì)錄重新記錄數(shù)據(jù)，對(duì)于記錄下的數(shù)據(jù)可以立刻通過軟件完成數(shù)據(jù)分心和計(jì)算得到結(jié)論。所有這些都是使用高速攝影所無法實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)對(duì)電弧圖像采用連續(xù)圖片形式存取，這樣所攝得圖片就與高速攝影

29、膠片一樣。采用同時(shí)啟動(dòng)攝像和信號(hào)波形紀(jì)錄方式實(shí)現(xiàn)了圖像和數(shù)據(jù)的同步采集。攝像中所使用的高速攝像機(jī)為FASTCAM SUPER 10KC彩色高速攝像機(jī)。高速攝像機(jī)攝取成像屏的電弧圖像，這樣不但實(shí)現(xiàn)了攝取電弧圖像的目的，也避免了強(qiáng)烈的電弧光直接射入高速攝像機(jī)，損壞機(jī)器。由于高速攝像能夠拍攝的時(shí)間間隔有限，因此在實(shí)驗(yàn)中必須嚴(yán)格控制高速攝像拍攝進(jìn)行的時(shí)間，應(yīng)當(dāng)保證拍攝到焊接電弧由無活性劑區(qū)域進(jìn)入活性劑區(qū)域這個(gè)階段的過渡過程，以保證繼續(xù)研究的可能性和準(zhǔn)確性。2.1.3 示波器實(shí)驗(yàn)過程中采用示波器對(duì)焊接過程中電弧電壓的變化進(jìn)行數(shù)據(jù)和波形采集。本試驗(yàn)所采用的示波器是Agilent 54624A型示波器。此示

30、波器利高清晰顯示與2MB MegaZoom深存儲(chǔ)器相結(jié)合，能發(fā)現(xiàn)有關(guān)信號(hào)的大量信息，能夠采集數(shù)據(jù)和圖像等。技術(shù)參數(shù)：示波器通道數(shù)：4 帶寬：100MHz 采樣率：200MSa/s 最大輸入：400V 分辨率：8bit(平均時(shí)為12bit) 量程：1mV/div至5V/div 邏輯通道數(shù)：- 最大采樣率：- 輸入電平：- 時(shí)基：5ns/div至50s/div 觸發(fā)：邊沿,脈沖寬度,碼型,12C,TV,序列,持續(xù)時(shí)間 峰檢測(cè)：5ns 顯示：具有32級(jí)亮度的高清晰顯示;1,000點(diǎn)的水平分辨率 顯示更新率：達(dá)25,000,000矢量/秒/通道 顯示方式：常規(guī),峰檢測(cè),延遲,滾動(dòng),帶Z消隱的XY,平均

31、 測(cè)量 峰峰值,最大值,最小值,平均值,幅度,波頂,波底, 過沖,前沖,有效值,頻率,周期,+脈沖寬度, -脈沖寬度,占空比,最大值時(shí)間,相位,延遲 波形運(yùn)算：相減,相乘,FFT,積分,微分 存儲(chǔ)：內(nèi)裝軟盤 連接性：標(biāo)準(zhǔn)配置的RS-232和并行接口,可選GPIB接口模塊(N2757A) 內(nèi)裝幫助：9種語言,在按任何鍵時(shí) 電源：100Vac-240Vac±10%,47Hz-440Hz,100W儀器照片如圖23所示 圖2-1-3 Agilent 54624A型示波器2.2實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)主要以電弧收縮理論和熔池表面張力變化為依據(jù)，實(shí)驗(yàn)過程中主要采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)每次的焊接過程中的幾個(gè)工藝參

32、數(shù)（如氬氣流量、焊接電流、焊接時(shí)車速、電弧長度等）固定，在此基礎(chǔ)上使用各種不同活性劑，對(duì)比由此形成的不同的焊縫形態(tài)、電弧電壓、電弧形態(tài)及熔深，并最終以焊縫的深寬比（D/W）為依據(jù)來選擇合適的活性劑。試驗(yàn)材料均采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼（100×50×5mm）及T91鋼，由于T91鋼成本較貴，而且和不銹鋼的焊接性能相近，故在實(shí)驗(yàn)的前期基本都是以不銹鋼為母材進(jìn)行焊接。活性劑的選擇：目前國內(nèi)外開發(fā)并使用的活性劑主要有三種類型:氧化物、氟化物和氯化物。早期由PWI 研制的用于鈦合金焊接的活性劑以氧化物和氯化物為主,但是氯化物的毒性大,不利于推廣和應(yīng)用。目前國外焊接不銹鋼、碳鋼等

33、所使用的活性劑以氧化物為主,而本次實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)不銹鋼及T91鋼的活性劑的選擇。因此本文主要選擇了單一成分的氧化物(SiO2 、Cr2O3 和TiO2)作為活性劑,適當(dāng)配合幾種鹵化物分別研究活性劑其對(duì)焊縫成形的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)取一定的活性劑，加入丙酮調(diào)成糊狀，用刷子均勻的涂在試件。丙酮揮發(fā)后在同一焊接規(guī)范下。控制焊接小車以均勻的速度帶動(dòng)試件移動(dòng)，使電弧從無活性劑區(qū)域逐漸進(jìn)入有活性劑區(qū)域。2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果單一成分活性劑對(duì)焊縫成形的影響 無焊劑SiO2CaO無焊劑 （a）CaO對(duì)不銹鋼成形的影響 （b）SiO2對(duì)不銹鋼成形的影響 （c）SiO2、TiO2對(duì)T91鋼焊縫成形的影響圖2-3-1單一成分焊劑

34、對(duì)焊縫成形的影響 將各種單一成分焊劑影響下的焊縫外觀相比較得下表：焊劑名稱焊縫外觀CaO明顯變窄，表面不光滑KCl明顯變寬，成形不均勻CaCl2寬窄變化不明顯，成形較好，CaCO3明顯變窄，成形可以，表面氧化較CaO嚴(yán)重，未發(fā)黑ZnO加寬不明顯，表面光潔NaF不潔凈，成形差Cr2O3光潔，加寬不明顯SiO2變窄，成形差TiO2變化不明顯，成形好MnO2變化不明顯，表面光潔，成形好 圖2-3-2不同的單一焊劑對(duì)焊縫成形的影響2.3.2單一成分活性劑對(duì)熔深及熔寬的影響首先是對(duì)單一成分氧化物作為活性劑的影響。圖所示是加入單一成分焊劑時(shí)熔深變化圖，焊接參數(shù)選擇的是電流均為110A，弧長3mm左右，氣流

35、流量10L/min，焊接速度為156mm/min。試樣焊完后通過無齒鋸鋸開并用不同粒度的砂紙研磨斷面，將劃痕去除，最后用拋光機(jī)拋光后用王水腐蝕，這樣即可在端面顯示焊縫形態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明加入活性劑可以使焊縫熔深顯著增加。SiO2無焊劑CaOCr2O3圖2-3-3 單一成活性劑對(duì)焊縫熔深的影響 在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)選用幾種氧化物如TiO2、MnO2等作為活性劑來增加熔深，在焊接中保持工藝參數(shù)不變，只改變活性劑種類，則所得焊縫的深度及寬度如下表所示：序號(hào)焊劑熔寬D熔深WD/W1SiO545452TiO251.50.33MnO583334CaO571435

36、CaO4.220.476196KCl459027CaCl25.220.3846158CaCO341.80.459ZnO4.220.4761910NaF5.210.19230811Cr2O352.50.5無焊劑51.20.24 圖2-3-4 不同活性劑影響的焊縫的深度、寬度及深寬比 圖2-3-5 不同活性劑影響下的焊縫的D/W對(duì)比 由圖可得，從增加熔深來看大多數(shù)活性劑均可比未涂焊劑時(shí)達(dá)到增大D/W的效果，以上幾種焊劑中效果較明顯的有SiO2、MnO2、CaO、ZnO、Cr2O3。2.3.3單一成分活性劑對(duì)電弧電壓的影響 圖2-3-6焊劑SiO2、電流100A時(shí)的電弧電壓波形 圖

37、2-3-7焊劑TiO2、電流100A時(shí)的電弧電壓波形 SiO2作用下電弧從無焊劑區(qū)進(jìn)入有焊劑區(qū)時(shí)升高幅度較大，而TiO2對(duì)電弧變化影響不大。2.3.4 單一成分活性劑對(duì)電弧形態(tài)的影響試樣制備時(shí)是將焊劑涂敷在鋼板的后半段，如圖中所示，電弧電壓在前半段變化不明顯，當(dāng)焊接過程從無焊劑區(qū)進(jìn)入到有焊劑區(qū)域時(shí)電弧電壓升高，電弧發(fā)生收縮。下圖為單一成分焊劑下完成TIG焊時(shí)拍攝的電弧形態(tài)圖：Cr2O3無焊劑 (a)無焊劑 (b)Cr2O3 (c)SiO2(d)MnO2 (e)NaF圖2-3- 8電弧形態(tài)變化 由圖可看出，SiO2對(duì)電弧形態(tài)影響比較明顯，其他幾種焊劑作用的電弧變化不大。2.3.5 SiO2、Mn

38、O2與TiO2混合焊劑對(duì)熔深的影響先將SiO2、MnO2分別與TiO2初步按不同比例混合在相同的工藝參數(shù)下完成焊接，并制成試樣獲得熔深，由此得到的熔深對(duì)比如圖2.3.3： SiO2:MnO2:TiO2=1:1:1時(shí)的焊縫熔深No flux1:92:83:74:6Sio2: TiO2MnO2:TiO25:56:47:38:29:1Sio2: TiO2MnO2:TiO2圖2-3-9SiO2、MnO2、TiO2混合得到的熔深對(duì)比圖2.3.6多種成分混合焊劑對(duì)焊縫成形及深寬比的影響 焊劑3焊劑4 焊劑2焊劑6 圖2-3-10 幾種混合焊劑影響下的焊縫熔深（1）混合焊劑對(duì)焊縫成形的影響序號(hào)焊劑名稱 焊縫

39、外觀180%MnO2+20%ZnO成形漂亮，表面幾乎無渣，焊縫光亮257.3%SiO2+6.4%NaF+13.6%Ti粉+9.1%Cr2O3成形不均勻，表面渣嚴(yán)重370%（SiO2+Cr2O3+MnO2）+30%（NaF+TiO2）各組分量相等成形較好，表面幾乎無渣，焊縫光亮460%（SiO2TiO2Al2O3Cr2O3）+40%（CaOMgOMnO2）各組分量相等成形較好，表面幾乎無渣，焊縫光亮50.5gNaF+1gTiO2+0.5gCr2O3+1gMnO2成形較好，表面渣成魚骨狀650%TiO2+10%SiO2+10%Cr2O3+10%KCl+10%CaCl2+10%MnO2成形較好，表面渣致密 2-3-11 混合焊劑對(duì)焊縫成形的影響（2）混合焊劑對(duì)焊縫深寬比的影響 圖2-3-12 混合焊劑影響下的焊縫深寬比注：圖中焊劑序號(hào)為上