薄膜的存在限制了電弧的導(dǎo)通截面，從而使電弧收縮；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。

 

鈦合金A-TIG焊接技及特點(diǎn)

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)。

 

目前針對TC4鈦合金，多采用氬弧焊或等離子弧焊進(jìn)行焊接加工，但該兩種方法均需填充焊接材料，由于保護(hù)氣氛、純度及效果的限制，帶來接頭含氧量增加，強(qiáng)度下降，且焊后變形較大。采用電子束焊接和激光束焊接，研究了TC4鈦合金的焊接工藝性，實現(xiàn)該種材料的精密焊接。

 

試驗材料為TC4（Ti-6Al-4V）；試驗設(shè)備：SW1002/7.5-150型真空電子束焊機(jī)、RS2000型軸流CO2激光加工機(jī)。在試驗實施時，焊接階梯試環(huán)，粗找工藝參數(shù)，初步確定焊接工藝規(guī)范；焊接平板對接試樣，利用X射線探傷儀檢測焊縫內(nèi)部質(zhì)量，并進(jìn)行金相組織分析；焊接對接試環(huán)，用三坐標(biāo)精密測試儀測量焊件軸向與徑向焊接變形。

(1) 焊縫氣孔傾向。焊縫中的氣孔是焊接鈦合金最普遍的缺陷，存在于被焊金屬電弧區(qū)中的氫和氧是產(chǎn)生氣孔的主要原因。TC4鈦棒電子束焊接，其焊縫中氣孔缺陷很少。為此，著重就激光焊接焊縫中形成氣孔的工藝因素進(jìn)行研究。

由試驗結(jié)果可以看出，激光焊接時焊縫中的氣孔與焊縫線能量有較密切關(guān)系，若焊接線能量適中，焊縫內(nèi)只有極少量氣孔、甚至無氣孔，線能量過大或過小均會導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)嚴(yán)重的氣孔缺陷。此外，焊縫中是否有氣孔缺陷還與焊件壁厚有一定關(guān)系，比較試樣試驗結(jié)果可看出，隨著焊接壁厚的增加，焊縫中出現(xiàn)氣孔的概率增加。

(2) 焊縫內(nèi)部質(zhì)量。利用平板對接試樣，采用電子束焊接和激光焊接來考察焊縫內(nèi)部質(zhì)量，經(jīng)理化檢測，焊縫內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)X射線探傷，達(dá)GB3233-87 II級要求，焊縫表面和內(nèi)部均無裂紋出現(xiàn)，焊縫外觀成型良好，色澤正常。

(3) 焊深及其波動情況。鈦合金作為工程構(gòu)件使用，對焊深有一定要求，否則不能滿足構(gòu)件強(qiáng)度要求；而且要實現(xiàn)精密焊接，必須對焊深波動加以控制。為此，采用電子束焊接和激光焊接方法分別焊接了兩對對接試環(huán)，焊后對試環(huán)進(jìn)行了縱向及橫向解剖，來考察焊深及焊深波動情況，結(jié)果表明，電子束焊接焊縫平均焊深可達(dá)2.70mm以上，焊深波動幅度為-5.2~+6.0%，不超過±10%；激光焊接焊縫平均焊深約為2.70mm，焊深波動幅度為- 3.8~+5.9%，不超過±10%。

(4) 接頭變形分析。利用對接試環(huán)來考察接頭焊接變形，檢測了對接試環(huán)的徑向及軸向變形，結(jié)果表明，電子束焊接和激光焊接的變形都很小。電子束焊接的徑向收縮變形量為f 0.05~f 0.09mm，軸向收縮量為0.06~0.14mm；激光焊接的徑向收縮變形量為f 0.03~f 0.10mm，軸向收縮變形量為0.02~0.03mm。

(5) 焊縫組織分析。經(jīng)理化檢測，焊縫組織為a+b，組織形態(tài)為柱狀晶+等軸晶，有少量的板條馬氏體出現(xiàn)，晶粒度與基體接近，熱影響區(qū)較窄，組織形態(tài)和特征較為理想。

 

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。