栗 慧，鄒家生，姚君山， 彭浩平

(1 江蘇科技大學(xué) 先進(jìn)焊接技術(shù)省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2 常州工學(xué)院 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇 常州 213002；3 常州大學(xué) 江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164)

智慧制造是未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢，優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、降耗是其基本要求[1]。鋁合金具有高強(qiáng)輕質(zhì)的特性，是節(jié)能降耗技術(shù)優(yōu)選的結(jié)構(gòu)材料[2]。焊接作為鋁合金關(guān)鍵制造技術(shù)之一，如何實(shí)現(xiàn)鋁合金的優(yōu)質(zhì)高效焊接一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[3-4]。直流正極性焊接方式能夠在相同焊接電流條件下明顯提高焊接速率，不但能實(shí)現(xiàn)高效焊接目標(biāo)，而且能有效降低單位熱輸入量，實(shí)現(xiàn)低損傷目標(biāo)，同時(shí)直流電弧穩(wěn)定，可以減少氣孔缺陷，提高焊縫成型的精度，是鋁合金高效優(yōu)質(zhì)制造技術(shù)的優(yōu)選[5]。而表面致密氧化膜的存在是當(dāng)前鋁合金TIG 焊無法實(shí)現(xiàn)直流正極性焊接的直接障礙，是影響鋁合金優(yōu)質(zhì)高效焊接的關(guān)鍵[6]。

目前去除鋁合金氧化膜方面的研究成果主要包括陰極霧化去膜、直流正極性鎢極氦弧焊、焊劑反應(yīng)去膜等3個(gè)方面。其中，基于陰極霧化去膜機(jī)制的先進(jìn)焊接技術(shù)[7-8]主要有變極性焊接技術(shù)和變極性等離子弧焊，在保證去除氧化膜條件下盡可能提高正極性比例，重點(diǎn)研究焊接電源、電弧形態(tài)、焊縫熔透和焊接工藝性能等方面，而焊縫氣孔缺陷仍是難題。直流正極性鎢極氦弧焊方法能夠?qū)崿F(xiàn)氧化膜高溫分解破碎效果而獲得滿意的焊接質(zhì)量，但氦氣成本太高，應(yīng)用范圍受到了極大的限制。焊劑反應(yīng)去膜主要應(yīng)用于氣焊、鋁焊條電弧焊、電弧釬焊以及激光電弧焊，而在TIG焊方面主要采用氯化物和氟化物活性劑進(jìn)行LF21 鋁合金直流正接活性TIG焊[9]，重點(diǎn)研究增加焊縫熔深機(jī)理。

2219鋁合金是航天領(lǐng)域中重要的結(jié)構(gòu)材料，是航天運(yùn)載貯箱等部件最有發(fā)展前途的鋁合金結(jié)構(gòu)材料，一直以來，2219鋁合金的焊接性阻礙了其大范圍應(yīng)用，尤其是存在焊接氣孔率高和接頭強(qiáng)度系數(shù)低等問題[10-11]。目前，采用常規(guī)TIG焊接工藝焊接2219鋁合金厚板時(shí)，需要很大的焊接電流以及采用多層焊接工藝，這些會(huì)降低2219鋁合金焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)，增大焊接變形，而且在焊縫中極易出現(xiàn)明顯的氣孔缺陷。因此，提出采用直流正極性活性焊技術(shù)(DCSP A-TIG)焊接2219鋁合金，即在直流正極性條件下，采用專門的活性劑進(jìn)行高強(qiáng)鋁合金的焊接，達(dá)到去除2219鋁合金表面氧化膜、內(nèi)部氣孔和提高焊接生產(chǎn)率的作用，并且可以簡化工藝設(shè)備，對于鋁合金電弧焊工藝創(chuàng)新和優(yōu)質(zhì)高效焊接具有重要的技術(shù)支撐和工程應(yīng)用價(jià)值。目前A-TIG焊中活性劑的使用主要為了增大焊縫熔深[12-15]，而本工作采用兩種單組分和兩種混合組分活性劑來開展2219鋁合金直流正極性TIG焊接的工藝實(shí)驗(yàn)，旨在去除鋁合金表面氧化膜，消除焊縫中氣孔缺陷，實(shí)現(xiàn)2219鋁合金直接正極性TIG焊。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

直流正極性活性TIG焊實(shí)驗(yàn)采用4mm厚的2219高強(qiáng)鋁合金板材，化學(xué)成分如表1所示；焊絲采用進(jìn)口ER2319，所使用的活性劑成分如表1所示：單組分活性劑(質(zhì)量比為AlF3和LiF)，3組分活性劑(質(zhì)量比為AlF3+30%LiF+10%KF-AlF3)，4組分活性劑(質(zhì)量比為AlF3+30%LiF+10%KF-AlF3+10%K2SiF6)。

表1 2219鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 2219 aluminum alloy (mass fraction/%)

焊前無需對焊接區(qū)域進(jìn)行刮削，使用丙酮試劑擦拭工件表面以除去油污，將稱好的活性劑用無水乙醇溶解，攪拌成懸濁液后用毛刷均勻涂敷在待焊表面，待酒精徹底揮發(fā)后，根據(jù)焊接工藝要求進(jìn)行空燒、堆焊和對焊。焊接方法采用手工鎢極惰性氣體(70%(體積分?jǐn)?shù)，下同)氬氣+30%氦氣)保護(hù)TIG焊，焊接設(shè)備為MiL351方波交、直流兩用氬弧焊機(jī)，本實(shí)驗(yàn)采用直流正極性接法。焊接過程記錄電壓值的變化，實(shí)驗(yàn)采用AcutEye高速圖像記錄處理系統(tǒng)和CoaxPress接口進(jìn)行高速圖像信號的實(shí)時(shí)傳輸，并搭配CP80-3-M-540高速工業(yè)相機(jī)拍攝不同組分活性劑的直流活性TIG焊電弧形態(tài)變化。

焊后觀察焊縫表面質(zhì)量并拍照；采用X射線對焊縫內(nèi)部氣孔進(jìn)行探傷檢查；沿焊縫橫截面截取試樣，經(jīng)磨制、拋光后，采用質(zhì)量比為1%HF+1.5%HCl+2.5% HNO3+ 95%H2O的混合酸溶液進(jìn)行腐蝕，使用金相顯微鏡和超景深顯微鏡觀察焊接接頭的微觀組織和熔深；采用掃描電鏡對焊縫組織進(jìn)行掃描和EDS成分分析；參考焊接接頭拉伸標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2651-2008設(shè)計(jì)試樣尺寸并進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 活性劑對焊縫表面成型的影響

研究出能夠在直流正極性TIG焊條件下有效去除2219鋁合金表面氧化膜和焊縫內(nèi)部氣孔的活性劑是關(guān)鍵所在。首先采用上述4種活性劑進(jìn)行2219鋁合金DCSP A-TIG表面堆焊實(shí)驗(yàn)，焊接電流為140A，焊后觀察焊縫表面成型效果。

圖1為DCSP A-TIG堆焊焊縫表面成型形貌。圖1(a)和圖1(b)是涂覆AlF3和LiF活性劑對2219鋁合金表面焊縫成型的情況，從圖1(a)和圖1(b)可見，焊縫表面光潔平滑，成形良好，兩種活性劑對鋁合金表面的氧化膜均具有良好的去除作用，采用AlF3監(jiān)測到的電弧電壓為13.5V，而采用LiF監(jiān)測到的電弧電壓為11.7V，焊縫兩側(cè)出現(xiàn)了黑邊。圖1(c)和圖1(d)為涂覆混合組分活性劑對2219鋁合金表面焊縫成型的影響情況，可見，焊縫表面光潔平滑，混合組分活性劑均具有良好的去除氧化膜作用，此外，焊縫兩側(cè)都出現(xiàn)了較多的黑邊。黑邊是活性劑與活性劑之間、活性劑與母材或與表面氧化膜在電弧作用下的產(chǎn)物。采用3組分活性劑監(jiān)測到的電弧電壓為13V，4組分活性劑監(jiān)測到的電弧電壓為12.3V?；钚詣缚p的影響除體現(xiàn)在表面成型質(zhì)量外，還體現(xiàn)在電壓的變化上面。

圖1 堆焊焊縫表面成型形貌(a)AlF3；(b)LiF；(c)3組分；(d)4組分Fig.1 Surface forming morphologies of overlay welding seam(a)AlF3;(b)LiF;(c)three-component;(d)four-component

表面堆焊實(shí)驗(yàn)研究活性劑去除2219鋁合金表面氧化膜的效果，最終是要進(jìn)行2219鋁合金的DCSP A-TIG焊對接實(shí)驗(yàn)。圖2所示為DCSP A-TIG對焊焊縫表面成型形貌。如圖2(a)所示，在保證背面熔合前提下，采用AlF3作為對焊表面成型活性劑，焊接電流為150A、電弧電壓為13.8V，實(shí)現(xiàn)了2219鋁合金的對焊，焊縫表面不太光亮，焊縫成型質(zhì)量一般。圖2(b)給出的是涂覆LiF活性劑的成型照片，焊縫表面不太光亮，焊縫寬度基本一致，成型較好，焊接電流為145A、電弧電壓為12.9V。圖2(c)是涂覆3組分活性劑的成型照片，焊縫表面較光亮，寬度均勻一致，魚鱗紋明顯，且兩側(cè)出現(xiàn)了較多的黑邊，焊接電流為145A、電弧電壓為13.5V。圖2(d)為涂覆4組分活性劑時(shí)表面質(zhì)量照片，焊縫表面光亮，較其他成分活性劑焊縫寬度均勻一致，魚鱗紋明顯整齊，成型良好，焊接電流為150A，電弧電壓為12.8V。與常規(guī)TIG焊相比，DCSP A-TIG焊縫表面均呈暗灰色，這主要是由于活性劑在電弧作用下形成的殘?jiān)采w在焊縫表面形成的，焊后清理表面，即可獲得光亮的表面，可見，氟化物活性劑可以有效去除鋁合金表面的氧化膜。

圖2 對焊焊縫表面成型形貌(a)AlF3；(b)LiF；(c)3組分；(c)4組分Fig.2 Surface forming morphologies of butt welding seam(a)AlF3;(b)LiF;(c)three-component;(d)four-component

2.2 活性劑對焊縫內(nèi)部質(zhì)量的影響

圖3所示為采用VPTIG焊和DCSP A-TIG焊對焊焊縫內(nèi)部質(zhì)量情況。2219鋁合金材料是一種在焊接中容易產(chǎn)生氣孔缺陷的材料，通常采用變極性TIG焊方法(VPTIG)進(jìn)行2219鋁合金的焊接，X探傷表明VPTIG焊焊縫內(nèi)部分布著鏈狀氣孔，如圖3(a)所示，而采用DCSP A-TIG焊技術(shù)，如圖3(b)～(e)，4種活性劑(AlF3，LiF，3組分和4組分)可以有效地避免焊縫氣孔的產(chǎn)生，就焊縫氣孔去除問題而言，直流活性TIG焊技術(shù)具有很大的優(yōu)越性。4組分活性劑中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的界面活性物質(zhì)K2SiF6，有利于提高焊接過程的穩(wěn)定性，因此涂覆4組分活性劑的焊縫表面魚鱗紋形狀均勻，焊縫寬度基本一致，如圖3(e)所示。

2.3 活性劑對電弧形態(tài)的影響

圖4是利用高速攝影設(shè)備拍攝的焊接過程中的電弧形態(tài)，采用表面空燒方法研究活性劑對電弧形態(tài)的影響。無活性劑的電弧形態(tài)如圖4(a)所示。與無活性劑的電弧形態(tài)相比，涂覆不同類型活性劑對電弧形態(tài)有著不同的影響。涂覆AlF3活性劑使得電弧向后偏轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了明顯的拖弧現(xiàn)象，如圖4(b)所示；圖4(c)是涂覆LiF的電弧形態(tài)，電弧形態(tài)基本不發(fā)生變化；涂覆3組分活性劑時(shí)電弧有輕微的拖弧和擴(kuò)展現(xiàn)象，如圖4(d)所示；圖4(e)為涂覆4組分活性劑時(shí)，電弧形態(tài)基本沒發(fā)生變化。通過對比4種活性劑對電弧形態(tài)的影響可發(fā)現(xiàn)，隨著活性劑組分中AlF3含量的減少，拖弧現(xiàn)象變得不明顯。

2.4 活性劑對焊縫熔深的影響

圖5是2219鋁合金DCSP A-TIG堆焊焊縫熔深示意圖。無活性劑的焊縫熔深平均值為2.21mm，如圖5(a)所示；涂覆LiF活性劑增加熔深效果不明顯，僅為2.24mm，如圖5(c)所示；其余3種活性劑對增大熔深有著顯著的作用，特別是涂覆AlF3活性劑平均熔深可達(dá)3.38mm，如圖5(b)所示；其次是3組分活性劑，平均熔深達(dá)3.27mm，如圖5(d)所示；涂覆4組分活性劑的焊縫熔深為2.84mm，如圖5(e)所示。隨著活性劑中AlF3含量減少，熔深也隨之減小，4組分活性劑熔深小于AlF3單組分和3組分活性劑的熔深。

圖4 電弧形態(tài)的示意圖 (a)無活性劑；(b)AlF3；(c)LiF；(d)3組分；(e)4組分Fig.4 Diagrams of arc shape (a)without activating flux;(b)AlF3;(c)LiF;(d)three-component;(e)four-component

圖5 堆焊焊縫熔深示意圖 (a)無活性劑；(b)AlF3；(c)LiF；(d)3組分；(e)4組分Fig.5 Weld penetration diagrams of overlay welding seam (a)without activating flux;(b)AlF3;(c)LiF;(d)three-component;(e)four-component

由2.1節(jié)可知，DCSP A-TIG堆焊過程使用AlF3活性劑監(jiān)測到的電弧電壓值為13.5V，在4種活性劑中最高；由2.3節(jié)表面空燒實(shí)驗(yàn)可知，涂覆AlF3活性劑使得電弧形態(tài)出現(xiàn)了明顯的拖弧現(xiàn)象；結(jié)合2.4節(jié)活性劑對焊縫熔深變化的影響可知，在140A相同的焊接電流條件下，涂覆AlF3活性劑的焊縫熔深最大，可達(dá)3.38mm?？梢婋娀‰妷?、電弧形態(tài)和熔深有著密切關(guān)系，AlF3活性劑在增加電弧電壓的同時(shí)增加了焊接熔深，說明其增加熔深的機(jī)理主要在于影響電弧形態(tài)。一方面，可能由于AlF3活性劑在熔池表面對電弧產(chǎn)生阻礙作用，在相同電流條件下，電弧導(dǎo)電通道電阻增大，使得焊接電壓升高[16]。另一方面，在焊接電流不變時(shí),電弧電壓的升高意味著電弧長度的增加。添加AlF3活性劑的電弧出現(xiàn)了明顯的拖弧現(xiàn)象，造成電弧長度的增加，電弧電壓也隨之增加[17]。

2.5 活性劑對接頭組織的影響

焊縫力學(xué)性能與焊后接頭的金相組織密切相關(guān)，焊縫組織對焊接接頭及整體焊接結(jié)構(gòu)的使用性能有著重要影響。圖6和圖7為涂覆4組分活性劑的2219高強(qiáng)鋁合金DCSP A-TIG焊接接頭組織。圖6(a)為超景深顯微鏡所拍攝的照片，可見，焊縫組織以α(Al)基體為主，在基體上和沿晶界區(qū)域均分布著大量的θ(CuAl2)強(qiáng)化相，CuAl2強(qiáng)化相的存在一定程度上有利于改善和提高焊接接頭的性能，在晶界和枝晶間分布著大量的呈網(wǎng)絡(luò)狀連續(xù)分布的α(Al)+θ(CuAl2)共晶相。焊縫SEM照片如圖6(b)所示，通過EDS分析可以確定焊縫組織組成物為α(Al)固溶體和θ(CuAl2)相，與2219高強(qiáng)鋁合金母材具有相同的組織組成物[18-19]。

圖7(a)，(b)為涂覆3組分和4組分活性劑的2219鋁合金堆焊接頭組織照片，焊縫組織均由細(xì)小的等軸晶和微小的強(qiáng)化相構(gòu)成；熔合區(qū)組織由大小不一的晶粒組織和分布在其中的許多強(qiáng)化相構(gòu)成；熱影響區(qū)組織由軋制晶粒組織和分布在其中的強(qiáng)化相構(gòu)成。其中3組分活性劑接頭的熔合區(qū)還發(fā)現(xiàn)較多的微氣孔，這會(huì)對接頭力學(xué)性能造成一定影響。氣孔的產(chǎn)生原因有很多，在焊接熔合區(qū)，固態(tài)母材與液態(tài)熔池瞬間共存，由于存在溶解度差異，固態(tài)母材所含的氫向熔池?cái)U(kuò)散和溶解，熔池快速結(jié)晶時(shí)，氫未及時(shí)析出，即形成熔合區(qū)氣孔，另一方面由于焊接過程中電弧不穩(wěn)定造成的，4組分活性劑中添加K2SiF6成分，有助于提高焊接過程的平穩(wěn)性，接頭組織中很少發(fā)現(xiàn)微氣孔存在。

圖7(c)和圖7(d)是涂覆3組分和4組分活性劑對焊接頭微觀組織照片，3組分活性劑的熔合區(qū)晶粒組織大于4組分活性劑熔合區(qū)晶粒組織。與堆焊接頭相比，對焊接頭微觀組織比堆焊組織粗大。為了保證對焊接頭充分熔合，需使用較大電流，在相同條件下，電流的增加會(huì)引起焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒粗大，因此，在焊接過程中，要合理選擇電流，以免晶粒過分粗大造成接頭力學(xué)性能的降低。此外，在拉伸實(shí)驗(yàn)中，還發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的斷口幾乎位于熔合區(qū)內(nèi)靠近焊縫的位置，這也在宏觀上驗(yàn)證了熔合區(qū)晶粒組織不均勻或者氣孔的存在[20]。

2.6 活性劑對接頭力學(xué)性能的影響

焊接電流是保證焊接質(zhì)量最重要的工藝參數(shù)，焊接電流過小易造成2219鋁合金背面出現(xiàn)未熔合缺陷；而電流過大，會(huì)造成焊縫熔寬大，余高較小，背面出現(xiàn)焊瘤，需要改變焊接速率，避免對接頭質(zhì)量不利的缺陷產(chǎn)生。合適的焊接電流有助于消除焊縫氣孔，提高焊縫表面成型質(zhì)量，增大焊縫熔深、接頭強(qiáng)度和伸長率。本工作研究了電流大小對涂覆四種活性劑的2219鋁合金DCSP A-TIG接頭強(qiáng)度和伸長率的影響。圖8和圖9是焊接電流對DCSP A-TIG對接接頭抗拉強(qiáng)度和伸長率的影響。為了驗(yàn)證DCSP A-TIG的有效性，對2219鋁合金VPTIG接頭性能進(jìn)行測試，平均強(qiáng)度為266.86MPa，平均伸長率為6.24%。從圖8可以看出，涂覆活性劑的接頭強(qiáng)度值只有在合適的電流條件下才能達(dá)到最高值，焊接電流為150A時(shí)，涂覆AlF3和4組分活性劑的接頭抗拉強(qiáng)度最高值分別為258.48MPa和267.73MPa，而焊接電流為145A時(shí)，涂覆LiF和3組分活性劑的接頭抗拉強(qiáng)度最高值分別為256.32MPa和263.44MPa，4組分活性劑的DCSP A-TIG接頭強(qiáng)度為267.73MPa明顯高于其他3種活性劑，略高于VPTIG接頭強(qiáng)度。從圖9可以看出涂覆AlF3,LiF活性劑的接頭平均伸長率在焊接電流為150A時(shí)，分別達(dá)到了5.34%和5.38%；涂覆3組分活性劑的接頭伸長率在145A時(shí)，達(dá)到了5.52%；涂覆4組分活性劑的接頭伸長率在155A時(shí)，達(dá)到6.19%，略低于VPTIG焊的接頭伸長率，由于VPTIG采用了打底焊和蓋面焊兩層焊接工藝，接頭的軟化區(qū)域擴(kuò)展，因此伸長率要略高于DCSP A-TIG焊接頭的伸長率。

圖8 焊接電流對DCSP A-TIG對焊接頭抗拉強(qiáng)度的影響 Fig.8 Effect of welding current on the tensile strength of DCSP A-TIG butt welding

圖9 焊接電流對DCSP A-TIG對焊接頭伸長率的影響Fig.9 Effect of welding current on the elongation of DCSP A-TIG butt welding

3 結(jié)論

(1)采用4種活性劑均可以去除2219鋁合金焊縫表面氧化膜，提高焊縫表面成型質(zhì)量，有效去除焊縫內(nèi)部氣孔。涂覆單組分AlF3活性劑的DCSP A-TIG對接接頭成型質(zhì)量差，魚鱗紋不明顯，而涂覆4組分接頭成型質(zhì)量最佳，魚鱗紋明顯。

(2)AlF3活性劑增加熔深的效果非常明顯，熔深達(dá)3.38mm，3組分活性劑熔深達(dá)3.27mm，4組分活性劑熔深為2.84mm。涂覆AlF3活性劑的電弧形態(tài)具有明顯的拖弧現(xiàn)象，涂覆3組分活性劑時(shí)，電弧有輕微的拖弧和擴(kuò)展現(xiàn)象，而LiF和4組分活性劑的電弧形態(tài)變化不明顯。

(3)2219鋁合金DCSP A-TIG焊縫組織具有和母材相同的組織組成物。電流大小對接頭組織影響較大，過大的電流會(huì)造成晶粒組織粗大。

(4)采用直流正極活性TIG焊的2219鋁合金接頭性能與變極性TIG焊具有相近的性能指標(biāo)?；钚詣┲械姆锟梢杂行コX合金表面的氧化膜和焊縫氣孔，對于2219高強(qiáng)鋁合金的焊接而言，采用直流活性正極性TIG焊具有很大的工程應(yīng)用價(jià)值。

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