活性TIG焊工艺研究

1、学号:20070602060237密级_兰州城市学院专科毕业论文活性TIG焊的工艺研究学院名称:兰州城市学院专业名称:焊接技术及其自动化学生姓名:赵万指导教师:晏丽琴二一年四月郑重声明本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名:赵万日期:2010-4-25对一种高效的TIG焊方法-A-TIG进行了初步研究。A-TIG即在预先准备好的施焊

2、材料上涂敷一层表面活性剂,对其进行系列表面堆焊试验。结果表明:在相同焊接参数下,涂敷表面活性剂后焊接电弧有明显收缩,熔池深度也有显著增加,而熔宽稍有减少。着重介绍了活性剂成分的调配及活性剂成分对熔深变化的影响,并且对熔深增加机理进行了初步研究。关键词:A-TIG焊接熔深活性剂电弧收缩表面张力0前言 (11普通TIG焊接工艺性能分析 (12活性TIG焊接技术的必要性分析 (13.表面活性剂对活性TIG焊熔深增加机理的影响 (23.1A-TIG焊接熔深增加机理 (23.2活性剂增加铝合金交流A-TIG焊熔深机理研究 (23.3氧化物增加铝合金A-TIG焊熔深机理研究 (23.4表面活性剂对铝合金直

3、流反接A-TIG焊熔深的影响 (34各种活性TIG焊工艺 (34.1活性化TIG(A-TIG焊技术 (34.2不锈钢A-TIG焊 (34.3钛合金A-TIG焊 (34.4其他材料 (34.5应用技术开发 (45实验结果及其评定 (45.1实验方法 (45.2试验结果 (45.3讨论 (85.4结论 (100前言TIG焊在现代焊接法中很普及,它的优点是焊缝质量高,一般用于精密焊接及高质量的焊接场所。其主要缺点是:单道焊接熔深浅;对材料成分的变化敏感;生产效率低。近年来,一种新型的焊接法-A-TIG(Activating flux TIG焊正引起世界范围内人们的高度重视。A-TIG方法是在施焊板材

4、的表面涂上表面活性剂,然后再施行常规TIG焊。该方法可大大提高焊接熔深,利用这种方法和技术可使焊接熔深和生产效率比常规TIG焊增加13倍,对板厚38mm材料无需开坡口,可一次焊接完成。正因如此,引起了乌、英、日、美等国的高度重视。目前乌克兰巴顿焊接研究所已将该技术应用于焊接核反应堆管子部件等重要工程结构的生产中,国内研究才刚刚起步。活性化氩弧焊(A-TIG焊接方法与传统TIG焊相比,具有明显的熔深增加作用.模拟了Nimonic263A-TIG焊接流场温度场,并对试验与模拟焊缝形状进行了对比.结果表明,同一焊接电流下,与TIG焊缝相比,A-TIG焊缝的熔深较深而熔宽较小.随着焊接电流的增加或者焊

5、接速度的降低,A-TIG焊缝熔深呈线性增加,且比TIG焊的熔深增加效果明显.通过分析流体流动方式,进一步推测了A-TIG熔深增加机理:熔池内液体流动方式是熔深增加的主要原因,熔池中心处液体的流速明显高于熔池边缘,中心由外向内的环流为熔池内液体流动的主导方向.这个方向的环流将高温液体带到熔池底部,使熔池底部的熔化速度较熔池边缘有了明显的增加,且随着焊接电流的增加,熔深增加效果也不断提高.1普通TIG焊接工艺性能分析普通TIG焊焊接3mm以上的厚大板件时,由于TIG钨极载流能力有限,产热量低等原因,需要对焊件进行开坡口,增加了工作量;又需要多层多道施焊,每层间的焊接质量都需要保证,又增加了焊接难度

6、,所以限制了其在实际生产中的应用。2活性TIG焊接技术的必要性分析所谓A-TIG焊就是通过在传统TIG焊前将很薄的一层表面活性物(简称A-TIG活性物涂敷在施焊板材表面,然后进行正常焊接,在保证焊缝质量的基础上,使得焊熔深显著增加,从而大大提高了焊接生产效率,降低了生产成本.A-TIG焊最先应用于钛合金的焊接,随后发展到C-Mn钢的焊接.目前,这种焊接方法已经应用于焊接不锈钢,碳钢,镍基合金等多种材料.该方法与传统的TIG焊相比,具有三大突出优点:焊接熔深大,生产效率高,A-TIG焊熔深达到常规TIG焊熔深的2-3倍,1对板厚为3-12mm的材料无须靠坡口,了依次焊接完成,生产率提高2-6倍。

7、对施焊材料中所含的微量元素不敏感,焊接熔深桅顶。成本地,应用领域广,易实现自动化焊接.将A-TIG焊这种焊接方法引入到钛合金的焊接中,竟能克服传统TIG焊的缺点,显著增加焊接熔深,从而大大提高生产效率,降低生产成本,具有良好的应用前景。3.表面活性剂对活性TIG焊熔深增加机理的影响3.1A-TIG焊接熔深增加机理活性化氩弧焊(A-TIG焊接方法与传统TIG焊相比,具有明显的熔深增加作用.模拟了Nimonic263A-TIG焊接流场温度场,并对试验与模拟焊缝形状进行了对比.结果表明,同一焊接电流下,与TIG焊缝相比,A-TIG焊缝的熔深较深而熔宽较小.随着焊接电流的增加或者焊接速度的降低,A-T

8、IG焊缝熔深呈线性增加,且比TIG焊的熔深增加效果明显.通过分析流体流动方式,进一步推测了A-TIG熔深增加机理:熔池内液体流动方式是熔深增加的主要原因,熔池中心处液体的流速明显高于熔池边缘,中心由外向内的环流为熔池内液体流动的主导方向.这个方向的环流将高温液体带到熔池底部,使熔池底部的熔化速度较熔池边缘有了明显的增加,且随着焊接电流的增加,熔深增加效果也不断提高.3.2活性剂增加铝合金交流A-TIG焊熔深机理研究采用多组元活性剂AF305进行铝合金交流A-TIG焊时,熔深达到传统TIG焊的3倍以上.进行了交流、直流正接和直流反接A-TIG焊,发现极性不同时活性剂对熔深的影响也不同.研究了强制

9、电弧收缩对交流焊熔深的影响,发现弧根整体收缩并不是AF305增加交流A-TIG焊熔深的主要机理,熔深显著增加主要与焊渣成片分布有关.对焊渣进行了SEM形貌观察和EDS成分分析,并采用氦弧焊证实了焊接过程中焊渣在熔池表面成片分布,电弧斑点极大收缩.向AF305活性剂中添加铝粉改变焊渣分布,研究焊渣分布与熔深的关系,证实了焊渣成片分布能增加焊接熔深.认为焊渣成片分布使得电弧斑点极大收缩,斑点压力以及电弧和熔池内的Lorentz力增强,最终焊接熔深显著增加.3.3氧化物增加铝合金A-TIG焊熔深机理研究以SiO2和V2O5作为实验用表面活性剂分别进行了铝合金直流正接TIG焊和真空电子束焊,研究了当氧

10、化物只影响TIG电弧行为和焊接熔池行为时活性剂对焊接熔深的影响规律,分析了氧化物增加铝合金A-TIG焊熔深的机理.结果发现,这两种氧化物都能明显增加直流正接TIG焊的熔深,但都对真空电子束焊熔深、熔宽几乎没有影响.认为氧化物增加铝合金A-TIG焊熔深主要是电弧因素起主要作用,表面张力梯度改变理论上几乎不起作用.3.4表面活性剂对铝合金直流反接A-TIG焊熔深的影响分别以TiO2,SiO2,V2O5,CaF2和NaF作为试验用表面活性剂,研究了表面活性剂对铝合金直流反接A-TIG焊熔深的影响,初步分析了表面活性剂增加铝合金A-TIG焊熔深的机理.试验发现,这些活性剂都能不同程度地增加熔深,TiO

11、2增加熔深的效果不明显,而SiO2可使熔深达到传统TIG焊熔深的3.5倍,并且使电弧电压显著增加.研究认为,除SiO2外,其它活性剂增加熔深的主要因素均不是热输入。4各种活性TIG焊工艺4.1活性化TIG(A-TIG焊技术活性化TIG焊(A-TIG技术使用特殊研制的活化材料(活性剂,在焊前涂敷到被焊工件的表面,在焊接参数不变的情况下,与常规TIG焊相比,焊缝熔深增加一倍以上且并不增加正面焊缝宽度。对于中等厚度的材料(构件,可不开坡口一次焊透;对于薄板,A-TIG焊可以提高焊接速度,或者使用小规范焊接,减小热输入及减小焊接变形。通过调整活性剂的成分,可以改善焊缝的组织和性能。因此A-TIG的应用

12、,使得焊接效率和质量都得到了提高,具有广阔的应用前景。4.2不锈钢A-TIG焊针对304、316不锈钢材料开发了相应的活性焊剂以及相应的焊接工艺,并成功地应用在航天容器环缝焊接中。使用结果表明:采用A-TIG焊,5mm不锈钢一次焊透,增加了效率并减少了焊接变形。筒体直线度<5mm,椭圆度<2mm。4.3钛合金A-TIG焊所研制开发的钛合金活性剂及相应的焊接工艺已经应用在造船产品的钛合金环缝的焊接中。结果表明:5mm的钛合金焊缝由原有的4道焊缝减为2道,消减气孔并消除了背面的反抽现象。4.4其他材料针对镍基高温合金和镁合金等材料,开发了活性剂及A-TIG焊接工艺,并将在航空、航天等行

13、业进行应用。4.5应用技术开发针对活性剂A-TIG焊的应用技术,研制了手工涂敷设备、自动涂敷设备,以及各种接头如角焊缝的焊接工艺。5实验结果及其评定5.1实验方法5.1.1材料和试样本试验采用的施焊板材为低碳钢,基础的表面活性剂材料主要为SiO2, TiO2、CaO、MgO、卤化物,Cr2O3等。试样尺寸为200x80x6mm5.1.2试验方法试验使用的焊接电源为唐山松下生产的晶闸管控制/交直流两用焊接电源,焊接电流为130A,焊接速度为70mm/min。称取各种成分用的是电子天平,精度为0.01mg。焊前用丙酮将按一定比例调配的活性剂搅拌成浆糊状,用刷子均匀地刷到工件的一端。在同一焊接规范下

14、,将有涂层区和无涂层区一次焊接完成。焊时观察电弧和电压变化,焊完后观察工件表面焊缝成型的好坏,将观察结果进行记录。再将焊缝过渡区进行切割后磨试样,观察试样的熔深、熔宽变化。选用较好的一种配方,依次改变电弧弧长进行焊接,分析其影响规律。5.2试验结果5.2.1萤石含量对熔深的影响这组实验中的三种活性剂(A1、A2、A3主要考查萤石含量变化时对熔深的影响,具体实验结果见表1 1萤石含量对熔池形状的影响注:表中""前面的数据表示无活性剂时的试验结果,后面的数据表示涂上活性剂后的试验结果。萤石含量对焊接熔深的影响如图1所示: 图1萤石含量对焊接熔深的影响从图1中我们可以看出随萤石含

15、量的增加,熔深的增加倍数反而减小。5.2.2NaCl含量变化对熔深的影响本组实验六种活性剂配方(B1-B6中NaCl的含量是由小到大的,具体的实验结果见表2 表2NaCl含量对熔池形状的影响涂有配方B1-3的试板焊接后得到的熔深与其相对应的无活性剂的熔深的照片对照如图2所示: (a无活性剂的熔池形状(b有活性剂的熔池形状图2涂有活性剂B3的试板焊后熔深对照(I=150ANaCl含量对焊接熔深的影响如图3所示 图3NaCl含量对焊接熔深的影响从图3可以看出:随NaCl含量的增加,熔深的增加倍数也随之增加。5.2.3弧长对熔深的影响我们选用以前实验得到的较好的一组配方来做这两组实验,关于弧长的试验

16、结果如表3所示。 表3随弧长变化活化剂对熔池形状的影响随着弧长的变化活性剂对熔池形状的影响如图4所示 图4随着弧长的变化活性剂对熔池形状的影响从表3和图4中反映出:在弧长大约为3mm长时熔深增加最明显,且焊接电弧收缩明显,焊接成形良好。5.3讨论总结以上的试验现象和试验结果,可以认为表面活性剂使焊接熔深增加的主要原因有以下三个方面。乌克兰学者倾向于第一种原因,而美国学者则认为第二种原因是熔深增加的最主要原因。目前国际上对表面活性剂使熔深增加的机理还没有统一的观点。5.3.1电弧收缩导致熔深增加电弧收缩是试验中肉眼可以观察到的现象。在活性剂涂层上焊接时,电弧会有明显收缩,致使电流密度集中,导电面

17、积缩小,同时电弧力也增加,最终使熔深增加。电弧收缩的原因有3种可能。在电弧的中心区域,电弧的温度高于分子的分解温度,气体和活性剂原子被电离成电子和正离子。在弧柱较冷的外围区域,被蒸发的物质仍然以分子和被分解的原子的形式存在,被分解的原子大量地吸附电子,形成负离子,使外围区域作为主要导电物质的电子减少,导电能力下降,使电弧收缩。因为我们使用的活性剂的各组分都是多原子分子,所以在电弧气氛下发生热解离,热解离是吸热反应,所以根据最小电压原理,使电弧收缩。因为涂层物质本身不导电,又因为涂层物质的熔沸点都比金属的高,所以只在电弧中心温度较高的区域,有金属的蒸发,形成阳极斑点,即涂层的存在减小了阳极斑点区

18、,从而使电弧收缩。5.3.2表面张力梯度的影响在纯金属和许多合金中,表面张力随温度的增加而减小,即d/dT<0,因为表面张力大的地方液体很难流动,所以都是表面张力小的液体向表面张力大的地方流动。在熔池中,中心区域温度高,故熔池金属如图5A流动,这样形成宽而浅的熔深。当熔池中添加有活性元素(如S,O时,d/dT>0,这样形成深而窄的熔深。5.3.3热输入的增加在试验过程中,绝大多数的试板在涂上活性剂后电弧电压有不同程度的增加,而电弧的电流恒定不变,则热输入增加,肯定有利于熔深的增加。按电弧电压增加的数量值,本实验中热输入比原来最多增加15%,而实际熔深可达300%以上。可见热输入虽然使熔池有所增加,但不是熔深增加的主要因素。5.3.4进一步讨论那么电弧收缩和熔池表面张力梯度哪一方面的影响更大呢?我们用涂有活性剂的试板进行小功率电子束焊接试验。因为电子束焊没有电弧,不用考虑电弧收缩。故而对电子束来说只有表面张力的作用。实验结果是电子束焊对熔深的影响很小