A-TIG焊关键的因素在于活性剂成分的选配.doc

A-TIG焊关键的因素在于活性剂成分的选配。目前常用的活性剂成分主要有氧化物、氯化物和氟化物，不同的材料，其适用的活性剂成分不同。但是由于这种技术的重要性，活性剂的成分和配方在PWI和EWI都有专利限制，公开出版物上很少报道。目前对A-TIG焊的研究主要集中在活性剂作用机理的研究和活性化焊接应用技术的研究两个方面。本章主要分两部分.前四节为第一部分，主要针对碳钢Q235材料，试验研究不同活性剂和活性剂涂敷量对焊缝成形的影响，同时选出针对Q235所适用的较理想的活性剂，其中所用的主要试验装置是林肯TIG-355型焊机和读数显微镜。第二部分是主要对焊缝的力学性能和微观组织进行分析。4.1试验装置及活性剂涂敷试验4.1.1试验设备及材料 下面是要做试验所需设备及实验材料：TIG焊机 一台氩气瓶 一瓶试件（Q235钢） 数块防护面罩 人手一个秒表 一个烧杯 三个玻璃棒 两根扁平刷 两个电光分析天平 一台正置式金相显微镜 一台维氏硬度机 一台抛光机 一台数码相机 一部滤纸 若干金相砂纸 若干4%硝酸酒精溶液脱脂棉 玻璃板实验所需药品1实验装置介绍该实验使用美国林肯TIG-355型方波脉冲氩弧焊机，TIG-355型是恒流的钨极惰性气体保护焊焊接电源，可用于交流与直流TIG焊，电流范围是2400A。TIG-355型方波脉冲氩弧焊机主要技术参数如表4-1。 表4-1 TIG-355型方波脉冲氩弧焊机主要技术参数输入电压 380V 电极材料 纯钨最大输出电流 400A 起动调整时间 0.110s提前供气时间 010s 滞后供气时间 555s脉冲频率 0.110Hz 脉宽比 0100%2实验药品在本实验中所需的药品有两大类：活性剂和载体。活性剂主要有氧化物（TiO2、Cr2O3和SiO2）和氟化物（CaF2）。TiO2、Cr2O3和 CaF2是粉末状的，而SiO2是颗粒状的。其中CaF2溶于水有毒应该注意安全。载体主要有羟甲基纤维素、丙酮、水、增稠剂和苯丙树脂。4.1.2活性剂涂敷实验由于活性剂粉末是颗粒状或粉末状，在进行焊接实验前先对活性剂进行涂敷实验，为后续试验奠定基础。对于粉末状的药品，通过实验发现其用丙酮稀释后刷在金属表面完全能够满足实验要求。SiO2是颗粒状的，在实验中所用的SiO2是60100目的，观察其粘附效果，但是SiO2的颗粒度需要进一步解决，对此，我们做了下列实验，见表4-2。综合上述十组实验进行比较，就粘附能力和干燥快慢等方面来考虑，我们选择第九组（SiO2+硅胶+增稠剂+丙酮）和第十组（SiO2+苯丙树脂）实验所用的成分，但由于增稠剂是价格比较高，所以最后选用即SiO2+苯丙树脂这组。SiO2+苯丙树脂的效果好其原因主要有两个：（1） 苯丙树脂有一定的稠度，SiO2在其中能很好的调匀。（2） 苯丙树脂的粘结性与起化学成分有关。表4-2 试验现象活性剂 载体 现象及效果细颗粒SiO2 丙酮 效果差，没有粘附能力 纤维素+丙酮 涂敷时粘度小，效果差，干燥后，粘附能力小 纤维素+水 涂敷时粘度小，效果差，干燥时间长，而且干燥后粘附能力小 增稠剂+水 发现其粘结效果还算可以，但其干燥较慢，且充分干燥后，表面膜出现崩裂现象。 丙酮+增稠剂 能得到相差不多的粘附力，而且该方法涂刷后很容易就能干燥，也不出现崩裂现象，效果总体较好 硅胶+纤维素+丙酮 其涂刷层附着力差，不适合使用 硅胶+纤维素+水 其涂刷层附着力差，不适合使用，效果也不理想，主要是因为其涂刷膜干燥慢，干燥后粘附能力差 硅胶+增稠剂+水 该组分在涂刷时其成膜均匀，膜的外观美观，待到干燥后，粘附能力小，用手轻触便成粉末状 硅胶+增稠剂+丙酮 效果较好 苯丙树脂 该组分效果最好4.1.3对试件处理实验由于实验所用的试件的材料为Q235,是低碳钢，在其表面有一层氧化物。所以对要用试件首先用粗砂纸进行打磨，去掉表面的一层氧化皮。然后用盐酸对其表面的氧化膜用浓度为10%稀盐酸进行腐蚀，腐蚀完全后迅速用清水冲洗干净，而后有吹风机将其吹干并将其放在干燥处以备后面的实验使用。4.2单组分活性剂的试验4.2.1 活性剂种类的选择目前国内外开发并使用的活性剂主要有三大类型：氧化物、氟化物和氯化物，焊接不锈钢、碳钢等所使用的活性剂以氧化物为主（由于氯化物的毒性较大，不利于推广和应用）。因此本文单组分活性剂主要选择了单一成分的氧化物（SiO2、CrO3和TiO2）和氟化物（CaF2）作为活性剂，分别研究活性剂涂敷量对焊缝成形的影响。为后面的多组分活性剂选定奠定基础。4.2.2试验方法及现象以Q235碳钢板为试件，尺寸为150mm50mm6mm平板堆焊。为了保证试验结果的正确性与TIG焊和A-TIG焊的可比性，在每条焊缝焊接之前，均重新研磨电极呈标准形状，调整电弧至标准长度，保证每条焊缝均在同一规范条件下焊接。试验时分别将SiO2、CaF2、Cr2O3和TiO2等四种活性剂粉末，通过电光分析天平（精度为0.1mg）测量并计算出每块试件所需活性剂的量，将称量好的活性剂用丙酮调和成溶液，然后用扁平刷均匀地涂敷在试件上，其中涂敷的长度为80mm，宽度为20mm。待丙酮挥发后，将涂层区和无涂层区一次焊接完成，所用的焊接规范参数见表4-3。在焊接过程中可以观察到现象如表4-4。 表4-3焊接规范参数 焊接电流（直流）I/A 焊接速度v/(mm/min) 氩气流量q/(L/min 电弧长度L/mm 电极直径D/mm 电极尖角（）100 200 6 3 2.5 60表4-4 焊接现象项目成分 电弧电压U/v 熔深变化/mm 熔宽变化mm 焊接现象及分析 无活性剂 无活 性剂 无活 性剂 有活 性剂 无活性剂 有活性剂 SiO2 10.2 13.4 2.4 3.5 7.0 6.0 电弧收缩明显，成形美观，电弧电压有所升高。TiO2 11.3 11.4 2.4 3.0 7.2 6.7 电弧收缩不明显，成形美观，有活性剂区反应激烈。CaF2 11.2 11.8 2.3 4.2 7.1 6.5 电弧特别收缩明显，成形美观有涂层的区部分焊透。Cr2O3 11.3 11.5 2.4 2.9 7.0 6.8 电弧收缩较明显，成形美观，电弧电压稳定。4.2.3焊缝熔深的测定和硬度测定1实验步骤：（1）焊接完毕后在试件中间位置用剪板机垂直于焊缝切断，剪取所需要的焊缝试片，尺寸以50*20为宜。试片周围用锉刀打磨除去毛刺，同时将焊缝两边用锉刀锉去1mm左右，为后续实验做好准备。（2）用砂纸打磨试片。研磨试片的砂纸由粗到细、且不要把粗砂粒带到细的砂纸上。试片研磨完后，用清水清洗，进行机械抛光，抛光后再用清水清洗试片，有滤纸吸干。禁止用手触摸抛光面。（3）将抛光后的试片，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，见被腐蚀的表面颜色加深大一定程度时（腐蚀时间大约510s）立即用清水冲洗，然后用脱脂棉蘸取无水乙醇轻轻擦去水分，并用吹风机吹干。（4）把制备好的试片在*500的显微镜下观察，并拍下金相组织照片。2实验结果分析图4.1给出了四种活性剂涂敷后对焊缝熔深的影响。从图可知，不同种类的活性剂所形成的焊缝成形可以看到下列情况：（1）对于涂敷了SiO2活性剂的焊缝，与没有涂敷活性剂的焊缝相比，焊道宽度变窄，弧坑变长变深，焊道后部余高变高；在涂敷活性剂和未涂敷活性剂的交接处，焊道金属堆积多。在焊接是电弧电压有较大程度的增加，在该试验中焊接参数下电弧电压增加3.2V.（2）活性剂Cr2O3对焊道成形的影响不是很明显。焊缝宽度变化并不大，弧坑也不明显变化。与无活性剂的焊缝相比，焊道宽度也没有明显的变化，但弧坑比无活性剂的更大。（3）涂敷了活性剂TiO2的焊缝的焊道外观没有明显的变化，弧坑与没有活性剂时相似。但所形成的焊缝表面比较平整规则，没有出现咬边现象，比无活性剂的焊道成形好。电弧电压变化不明显。（4）活性剂CaF2对焊道成形影响较大，弧坑变化不大，焊缝的宽度变化不大，但熔深增加的较明显。（5）对熔深的影响上，与无活性剂相比，上述的四种活性剂都能够增加焊缝的熔深。4.2.4分析原因根据相关资料，涂敷SiO2活性剂的焊缝熔深应该增加的最多，熔深最大可增加达300%，但本实验所测定涂敷SiO2活性剂的焊缝熔深仅增加了150%，分析主要原因是由于SiO2颗粒较大，在焊接时由于焊件的温度较高，但电弧前面的活性剂有部分蹦掉了，影响了试验效果，但其电弧电压在焊接过程明显升高了3.2V。而其它三种活性剂是成粉末状，并没有出现象SiO2所出现有部分活性剂蹦掉的现象，所以试验结果与有关资料比较相近。 4.3 活性剂涂敷量对A-TIG焊焊缝熔深的影响4.3.1实验材料及方法所用试件为150mm50mm6mm的Q235碳钢平板堆焊。为了保证试验结果的准确性与TIG和A-TIG的可比性，在每条焊缝焊接前，均重新研磨电极呈标准形状，调整电弧到标准长度，保证每条焊缝均在同一规范条件下焊接。焊接规范参数见表4-2。 试验前先将SiO2活性剂称取不同重量数份，用丙酮调和成糊状，然后用扁平刷均匀的涂敷在五块试件上，但涂层的厚度各不相同。待丙酮挥发后进行焊接。焊接完毕后在试件中间位置，垂直焊缝将试件切断，经研磨、抛光和腐蚀后，在读数显微镜下测量焊缝的熔深（h），将单位面积活性剂涂敷量（p）和对应的焊缝熔深绘制成曲线，见图4.1。 4.3.2实验结果分析由图4.2的实验结果可以看出：（1）当活性剂从无到有，涂敷量较小时，焊缝熔深随活性剂的涂敷和涂敷量的增加而明显增大。当SiO2涂敷量较小时，电弧电压增加程度相应减小。（2）焊缝熔深随涂敷量的增加而增大的变化有个转折点，超过此点之后，焊缝熔深变化不太明显，活化效果趋于饱和。（3）但活性剂的涂敷量达到一定程度时，对焊缝的熔深增加不明显。这是由于母材的热传导及气体的热对流作用，使得焊接电弧前方的母材温度快速升高，较厚的涂敷层在热作用下膨胀，因没有足够的退让空间，使得涂敷层崩落。4.4 正交试验设计在活性剂配方研制中的应用在A-TIG焊多组分活性剂配方研制的初始阶段，由于单组分活性剂的种类繁多，要想逐一进行研究要付出大量的时间，为了以尽量少的试验次数获得相对较好的试验结果，本试验采用了正交试验设计方法。4.4.1试验材料及试验方法研究单一活性剂对焊接熔深的影响规律，这对于确定多组分活性剂的成分选择和配比以及进一步研究A-TIG焊熔深的增加规律都很有必要，在前面已经做过相关的试验，为该试验提供了一些实验数据。综合考虑各单一活性剂对增加焊缝熔深影响的大小，初步确定活性剂中合金的种类及重量。本试验选用了SiO2、TiO2、CaF2和Cr2O3四种常见的氧化物和氟化物作为基本组成成分。本试验选用材料为碳钢Q235，试件尺寸为150mm50mm6mm。所用的焊接规范参数见表4-2。这里有四个因素三个水平，把所以可能的搭配试验编号写出（为了方便将各组分活性剂用大写英文字母表示），列在表4-5中。表4-5 各组分的重量因素水平 SiO2 A/mg Cr2O3B/mg TiO2 C/mg CaF2D/mg1 40 40 10 102 25 30 30 153 15 10 5 5将活性剂各组分按表4-4所需的各物质的量用精度为0.1mg电光分析天平，按照正交设计表的要求依次称量出药品，并对药品进行编号，以方便下面工作的进行。将称量好的药品分别装入不同的容器中避免药品污染。到焊接实验现场时将称量好的活性剂用丙酮调和成溶液，然后用扁平刷均匀地涂敷在试件上，其中涂敷的长度为80mm，宽度为20mm，待丙酮挥发后，将涂层区和无涂层区一次焊接完成。极差越大，说明这个因素的水平改变时对试验指标的影响越大，极差最大的那一列，就是那个因素的水平的改变对试验指标的影响最大，那个因素就是我们要考虑的主要因素。所以从表4-6可以得出结论：各组分对试验影响按大小次序 表4-6 正交试验设计结果 列号试验号 1 2 3 4A B C D 熔深H/mm 熔深比H/H0 熔深比值减去11 1 1 1 1 6 2.4 1.42 1 2 2 2 4 1.6 0.63 1 3 3 3 3.5 1.4 0.44 2 1 2 3 3 1.2 0.25 2 2 3 1 3.5 1.4 0.46 2 3 1 2 2.5 1.0 07 3 1 3 2 3 1.2 0.28 3 2 1 3 4 1.6 0.69 3 3 2 1 2.5 1.0 0K1K2K3 2.41.8 2 1.8 0.6 1.6 0.8 0.80.8 0.4 1.0 1.2 c1=( K1/3)c2=( K2/3)c3=( K3/3) 0.8 0.6 0.67 0.60.2 0.530.270.270.270.470.4 0.33 极差 0.6 0.470.4 0.33 优化案 A1 B1 C1 D1 来说应当是A(SiO2)、B(Cr2O3)、C(TiO2)、D(CaF2)，最好的方案应当是A1B1C1D1。通过正交实验得出多组元配方中各组元质量分数变化对焊接熔深的影响，其规律如下：（1）SiO2变化对熔池形状的影响见图4.2所示，从表中可以看出，从无活性剂区到有活性剂区，电弧收缩，同时熔宽减小，随着w(SiO2)的增加，焊道成型变差。w(SiO2)对焊接熔深的影响如图4.3（a）所示，从图中可以看到随w(SiO2)的增加，熔深的增加倍数也增加，当其w(SiO2)增加大40%时，对焊接熔深的影响最大，可以使焊接熔深增加2.4倍，w(SiO2)继续增加，则对焊接熔深的影响反而减小。（2）当w（CaF2）较小时，对焊接