第1章 前言Q345钢是一种低合金钢（W（C）0.2%），具有较高屈服强度、韧性高、良好的焊接性与冷加工性能，在船舶、压力容器、建筑钢结构、石油天然气管道、航天航空等领域生产制造中得到了广泛应用。如下焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、钨极氩弧焊等在生产制造中都可以焊接Q345钢。其中TIG焊焊缝比较干净、没有飞溅，但熔深较浅、效率比较低、工艺复杂。为了改善TIG焊的不足，焊接学者就研究出了A-TIG，研究A-TIG焊的活性剂及工艺对其影响具有重要意义。1.1 研究背景Q345是一种低合金高强度钢，具有良好的焊接性，在热轧制状态下使用，其组织主要由铁素体加珠光体构成，其强度方式主要由Mn、Si等合金元素通过固溶强化作用而提高的。虽然Si的固溶强化效果比较好，但是当Si的质量分数超过1.6%时，冲击韧性会下降。Mn对是一种非常有利的元素，可以铁素体可以实现固溶强化，效果明显，同时还能提高钢的塑性和韧性，从而大大提高了钢机械加工性能。Q345在生产制造中，消耗和使用量是最大的，在各各生产制造行业都得到了广泛的应用，比如：矿山机械、轨道车辆、压力容器、起重机械、核电站等承受载荷的工程构件中。这些结构构件的工作特点是承受疲劳载荷，正因为它具有高的屈服强度；在使用温度中也有一定的要求，有的最高使用温度可达200以上，有的最低温度可在-40以下；通常在大气中或有水的地方使用，承受大气和环境各种的腐蚀。这就要求构件的耐腐蚀能了和屈服强度有较高的要求，则需要较高的刚度；不允许产生塑性变形和脆性断裂，我们需要一个更高的屈服强度和拉伸强度，塑性和韧性也要高;如果在低的温度和环境介质下承载，该材料应具有良好的耐腐蚀性和不易冷碎倾向。如果要将材料制成各种结构件和零部件，那么就要求钢材必须具有良好的冷冷加工性和较好焊接性。Q345钢的化学成分和力学性能，由于Q345中元素含量的多少不同，可分为A、B、C、D、E等，如表1-1和表1-2所示。表1-1 Q345钢的化学成分（GB/T 1591-2008）牌号质量等级化学成分（质量分数）（%）(不大于)CSiMnPSQ345A0.200.501.700.0350.035B0.200.0350.035C0.200.0300.030D0.180.0300.025E0.180.0250.020表1-2 Q345钢的力学性能（GB/T 1591-2008）牌号等级屈服强度Re /MPa （不小于）抗拉强度Rm/MPa伸长率A（%）（不小于）最低冲击吸收功Akv/J（不小于）Q345A3454706302034B20C21D21E21Q345钢中含Mn元素较高，Mn可以和S结合生成MnS，S是产生热裂纹的主要元素，所以Mn可以防止热裂纹倾向；因为不含有强碳性化合物形成元素，因而对再热裂倾向性不大；但由于含碳量，所以它淬硬倾向比低碳钢稍大，冷裂倾向也比低碳钢稍大。对于Q345钢来说，常用的焊接方法有：焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊、TIG焊等焊接方法。在相同的条件下，使用A-TIG焊可以使焊缝的熔深增加12倍，在常用的焊接方法中，A-TIG焊接效率的提高，焊接质量的稳定，会使其在与焊条电弧焊，埋弧焊，手工电弧焊的竞争中更有优势，与电子束焊，电阻焊和等离子焊相比，A-TIG焊接设备简单和便宜，焊接质量有保证，在一定的厚度范围内，用有限的资金设备前提下，采用A-TIG焊接方法将是一个非常不错的选择1。因为其含碳量有点偏高，所以焊接热输入可以适当增大，以防止冷裂纹的产生。焊接材料的选择 ，应综合考虑焊缝金属的力学性能和抗裂纹能力，保证焊缝金属的具有良好的强度和塑韧性等，由于Q345钢焊缝金属的热裂纹倾向比较小，而有一定的冷裂纹倾向，一般可按等强匹配原则进行选择，也就是根据母材强度等级和工作条件来选择焊接材料2。内容包括：问题的提出；研究对象的基本情况：化学成分、使用性能、工艺性能、典型用途及应用领域；常用的焊接方法及其优劣。1.2 A-TIG焊技术1.2.1 A-TIG焊的提出背景钨极氩弧焊是一种惰性气体保护的焊方法接，又称TIG焊，利用氩气作为保护气体，采用熔点比较高的钨极作电极，利用钨极和焊接母材产生的电弧热熔化母材和填充金属。TIG焊由于钨电极本身的载热能力有限，限制了电弧所传递的热量，从而导致焊缝熔池深度较浅，一般单层焊接中最多焊缝熔深可达5mm的熔深;在焊接大而且比较厚的板材、管材时需预先开坡口进行多层多道焊接，工艺很复杂，极大地限制了在生活中的使用3。TIG焊在现代焊接技术中应用非常广泛，焊接接头质量高，无飞溅，焊缝干净整洁，可以实现全位置，是焊接各种合金、有色金属和不锈钢等材料的理想方法。但是，TIG焊进行钢、铜、铝等热膨胀系数比较大材料的焊接时，钨电极的载热能力有限，电弧热量分散、线能量密度低、电弧力小，导致在正常的焊接参数下单层焊接只能获得较小的熔深。为了降低生产成本，提高焊接效率，扩大TIG焊的应用范围，国内外的焊接学者进行了大量实验，A-TIG焊技术正是为了解决TIG焊的不足而研究出来的。在20世纪60年代中期，乌克兰巴顿焊接研究所最早由提出这个概念的，这种工艺是在传统TIG焊焊接样件的母材表面而涂覆少量的活性剂，进行TIG焊接4。A-TIG焊就是在施焊前工件表面均匀地涂敷活性剂，然后进行TIG焊焊接的一种焊接工艺，如图1-1所示，为A-TIG焊接过程。活性剂材料来源逛，成分可控，焊缝质量高，价格便宜，而且不需要昂贵的焊接设备，使其焊接方法具有良好的经济效益和广泛的应用前景。图1-1 A-TIG焊接过程示意图在通过对A-TIG焊的研究发现有以下优点： （1）适用范围广泛：A-TIG 焊接最初是开发用来消除钛合金焊缝气孔，后来应用在各种黑色和有色金属的同种或异种焊接上。（2）焊接质量高：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，A-TIG焊对减少焊道层数和缩短焊接时间有明显的效果。A-TIG 焊通过在同等速度下采用小规范可以有效地减少焊接变形，通过调整活性剂的成分可以改善焊缝的组织和性能，（3）操作简单方便成低：A-TIG焊使用特殊研制的活性剂，在焊前涂敷到被焊工件的表面，使用普通的TIG焊焊接设备和参数规范就可以进行焊接，焊后附在焊缝表面上的熔渣清理简单，并且不会对焊缝产生污染。在和TIG焊等相同条件下，使用A-TIG焊可以使焊缝的熔深增加到12倍，在这几种焊接方法中，A-TIG焊接效率比较高，焊接质量相对稳定，在与手工电弧焊，埋弧自动焊，钨极氩弧焊的竞争中取得较好的优势。相比于电子束焊，激光焊以及等离子弧焊，A-TIG焊接设备要简单便宜，焊接质量也有保证，在一定板厚范围内，设备经费有限的前提下，使用A-TIG焊接方法将是一个很好的选择5。1.2 A-TIG焊研究现状1.2.1 活性剂增加熔深机理的研究目前,国际焊接组织和各大高校对活性剂增加焊接熔深机理有电弧收缩理论，表面张力温度系数改变理论，热输入增加理论以及绝缘层效应理论等。其中用来解释电弧收缩机理包括了以下几种理论，如负离子理论，热解离理论和阳极斑点收缩理论6。其中在活性剂增加焊接熔深机理这些理论中比较被认同的主流观点是AGSimonik提出的电弧收缩理论7和CRHeiple提出的表面张力温度梯度改变理论8。图1-2 电弧表面张力梯度示意图表面张力对温度梯度改变理论。这理论认为：用一般的方法焊接金属时，金属在熔化状态下温度系数的表面张力都是负的，但当活性气氛包围住液态金属或液态金属中含有氧、硫元素或其它某种微量元素时，此时液态金属表面张力呈下降趋势但表面张力系数却随温度的升高而转变为正的温度系数。在焊接情况下，由于熔池中心区温度最高，因此液态金属形成的表面张力流方向是从熔池周边指向熔池中心，所以在这种情况下导致熔池中心区的电弧热量直接通过熔池底部传递出去,从而增加了熔深。如图1-2所示。电弧收缩理论认为：活性剂在电弧的高温作用下发生分解或者通过影响电弧尺寸使电弧弧柱收缩，导致电流密度增大，电弧力增加，电弧下方熔池金属熔化体积增加，从而使焊接熔深增加。该理论又包括负离子论、阳极斑点论、电磁力论和热解离吸热论。如图1-3所示。图1-2 电弧收缩示意图（1）负离子论。该理论由Simonik在采用CaF2和AlF3对钛合金进行活性焊接时率先提出的。负离子论认为，在电弧热源的高温作用下活性剂蒸发，并以原子形态包围在电弧周边区域，由于电弧周边区域温度和电子能量较低，蒸发的活性剂原子捕捉该区域的电子形成负离子并散失到周围空间，使电弧中电子数目减少，导致电弧导电性能减弱，产热能力降低。根据最小电压原理，电弧有使其直径自动收缩的趋势，电弧的收缩提高了电流密度和电弧力，所以在相同的焊接参数下电弧热源使母材熔化的深度增加，从而增加焊缝熔深。石文玲等采用高速摄像系统分析了铝合金活性激光焊活性剂的作用机理，试验结果显示在高速摄像系统下，电弧等离子体收缩量大于20%，故认为活性剂组元导致电弧收缩9。黄勇等在对铝合金进行活性焊接时发现SiO2可以大幅度增加阳极区压降并减小弧柱区压降，因此认为SiO2对于电弧弧根收缩起到主要作用。但目前，关于负离子论还存在争议：在现有实验条件下，还没有人真正捕捉到负离子或证实负离子的存在，因此关于负离子论仍然有待进行深入地研究。（2）阳极斑点论。该理论由Lowke8等提出，认为当活性剂中含有金属氧化物时，由于活性剂本身的电阻率很高，所以电弧稳定燃烧时，电弧下方中心部位就有很高的电流密度和温度，使活性剂在该处率先蒸发。因此在电弧下方中心部位就会出现直径较小、亮度较大的斑点，称为阳极斑点。焊接参数一定时，由于阳极斑点面积较小，阳极斑点下方金属吸收的热量远高于被活性剂覆盖的母材吸收的热量，因此母材熔化体积远大于未涂敷活性剂时，从而增加熔深。Lucas9等证实，电弧的阳极区由于受到活性剂中蒸气原子与带电粒子的包围和压缩,阳极斑点电流密度可增大1.52倍，使得焊缝熔深增大1.52.5倍。Sire10等提出一种不同于A-TIG焊的焊接方法，称为FB-TIG焊接，区别在于后者将活性剂涂敷在母材的焊道两侧，中间为待焊金属，这样就消除了阳极斑点收缩。但研究结果发现，尽管其表面成形较好，电弧稳定，但焊接熔深增加不大。而仅以SiO2作为活性剂时焊接熔深就有所增加，这也从侧面验证了阳极斑点收缩对熔深增加的贡献。在实验条件下可以清楚观测到阳极斑点，其尺寸和形状也可以实时记录，但有关阳极斑点论的研究仅限于实验现象的分析，其对熔深增加的贡献量则需要相关理论计算来支持。（3）电磁力论。该理论由Ostrovskii11于1977年提出。他认为阳极斑点并不总是在电弧下方中心部位，它的出现具有一定的随机性，因为活性剂本身电阻率大，所以电弧必然寻找活性剂涂敷不均匀处或者裸露母材的部位以保证电弧稳定燃烧，而母材上裸露的金属面积较小，因此阳极斑点的直径较小，直径的减小直接使得电磁力轴向分力增加，从而导致焊接熔深增加。在实际焊接过程中，阳极斑点一般出现在沿焊接方向电弧的后方，这是因为电弧后方的活性剂已经蒸发，裸露出母材金属，这就使得电弧后方的导电能力远高于电弧前端，所以在活性焊接过程中，电弧一般会出现“拖尾”现象。刘凤尧12等认为电弧的“拖尾”会导致电弧实际导电通道变长，使电弧电压增加，Lorentz力的轴向分力增加，对焊缝熔深的增加起到一定贡献作用。目前，电磁力论已被广大学者接受，但也有人质疑关于电磁力论的理论计算较少，因此验证该理论还需要确定电弧力增加的具体数值。（4）热解离吸