卓金管件有限公司活性剂对A-TIG接头熔深、电弧形貌及组织性能影响的学习体会
文献概况
本文发表于《材料导报》2025年第39卷第1期，由兰州理工大学材料科学与工程学院的刘元昊等人与西安航天发动机有限公司合作完成。研究以10 mm厚1Cr21Ni5Ti不锈钢为对象，通过优化活性剂配比及工艺参数，研究了活性剂对A-TIG（活性剂钨极惰性气体保护焊）电弧形貌及接头组织性能的影响。基金支持来自甘肃省科技重大专项（22ZD6GA008）。
A-TIG焊接技术原理
A-TIG（Active TIG）焊接是在传统TIG焊接基础上，向焊接区域引入少量活性剂（通常为氧化物），通过活性剂与熔池金属的化学反应改变电弧形态和熔池行为，从而提高焊接效率和熔深的一种焊接技术。
活性剂的作用机理包括：
- 电弧收缩效应：活性剂在电弧高温下分解或反应，改变电弧等离子体的组成和形态，使电弧收缩，能量密度提高。
- 熔池搅拌效应：活性剂与熔池金属反应产生的气体或液体产物，对熔池产生搅拌作用，促进熔池均匀化。
- 熔深增加效应：电弧能量密度提高和熔池搅拌共同作用，使熔深显著增加。
活性剂对熔深和电弧的影响
文献数据显示，与传统TIG焊接相比，A-TIG焊接的熔深增大了122%。这一显著改善源于活性剂引起的电弧收缩效应。电弧收缩后，能量密度提高，热输入集中，熔池深度增加。
| 对比项目 | 传统TIG | A-TIG |
|---|---|---|
| 熔深 | 基准值 | +122% |
| 电弧形态 | 较宽 | 明显收缩 |
| 焊缝组织 | 较粗 | 细化 |
| 奥氏体含量 | 较低 | 增多 |
| 热影响区宽度 | 较宽 | 明显变窄 |
| 抗拉强度（MPa） | 456.1 | 702 |
| 强度提升 | — | +53.9% |
| 强度/母材比 | — | 96.8% |
A-TIG焊接接头抗拉强度高达702 MPa，比TIG焊接头强度提高了53.9%，相当于母材强度的96.8%。这一强度水平表明A-TIG焊接接头具有良好的强度匹配性。
组织性能分析
A-TIG焊接接头的组织特征包括：
- 焊缝组织细化：活性剂的加入促进了熔池的搅拌和凝固过程的形核，使焊缝晶粒细化。
- 奥氏体含量增多：活性剂改变了熔池的化学成分和凝固路径，促进了奥氏体的形成。对于1Cr21Ni5Ti不锈钢，奥氏体相的增多有利于提高材料的韧性和耐腐蚀性。
- 热影响区变窄：电弧能量密度提高，热输入集中，热影响区宽度减小，有利于减少热影响区的组织粗化和性能劣化。
断裂分析
文献指出，A-TIG焊接头断裂发生在焊缝中心处，断裂模式表现为韧性断裂。断裂原因为氧化物活性剂的加入而形成夹渣所致。
这一发现具有重要的工程意义：虽然A-TIG焊接提高了强度和熔深，但活性剂的引入也带来了夹渣缺陷的风险。夹渣作为焊接缺陷，会降低接头的疲劳性能和承载能力。在实际应用中，必须通过工艺优化和无损检测来控制夹渣缺陷。
从缺陷控制角度分析，夹渣的形成与以下因素有关：
- 活性剂种类和配比：不同氧化物活性剂的反应产物不同，某些产物可能形成难熔夹渣。
- 活性剂加入量：过量活性剂增加夹渣概率。
- 焊接参数：焊接速度过快可能导致活性剂未完全反应或排出。
- 保护气体：保护气体流量不足可能导致氧化产物滞留。
工程实践建议
基于本研究结果，在1Cr21Ni5Ti不锈钢A-TIG焊接的实际应用中，建议：
- 活性剂优化：选择适当的氧化物活性剂种类和配比，平衡熔深提升和夹渣控制。
- 工艺参数优化：焊接电流、电压、焊接速度的精确匹配，确保熔深和焊缝质量。
- 夹渣控制：通过多层多道焊、控制层间温度、优化活性剂加入方式等措施减少夹渣。
- 无损检测：焊后进行RT或UT检测，确保焊缝内部无夹渣等缺陷。
- 力学性能验证：按标准进行拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验，确保接头满足设计要求。
与工程实践的结合思考
1Cr21Ni5Ti不锈钢是一种高铬奥氏体不锈钢，具有良好的高温强度和耐腐蚀性，广泛应用于航空发动机热端部件、化工设备等高温腐蚀环境。A-TIG焊接技术的引入，为解决该材料厚板焊接效率低、熔深浅的问题提供了新的技术途径。
从工程应用角度思考，A-TIG焊接在不锈钢厚板焊接中具有以下优势：
- 效率高：熔深增加122%，可减少焊道层数，提高焊接效率。
- 变形小：热输入集中，热影响区变窄，焊接变形减小。
- 性能优：焊缝组织细化，强度提高，满足工程要求。
但也需注意以下问题：
- 夹渣风险：活性剂引入的夹渣缺陷需要严格控制。
- 工艺窗口窄：活性剂配比和工艺参数的优化窗口可能较窄，需要精确控制。
- 设备要求：活性剂的加入需要特殊的设备或工艺，增加了设备成本。
学习心得与启示
本文的研究展示了A-TIG焊接技术在不锈钢厚板焊接中的巨大潜力。活性剂的引入显著提高了熔深和强度，但同时也带来了夹渣缺陷的风险。这一"性能提升与缺陷控制"的矛盾是A-TIG焊接技术工程化应用的核心挑战。
从焊接冶金学角度思考，活性剂的作用本质上是通过改变熔池的物理化学行为来改善焊接质量。活性剂与熔池金属的化学反应、电弧等离子体的组成变化、熔池流动模式的改变等，共同决定了A-TIG焊接的最终效果。深入理解这些机理，有助于进一步优化活性剂配方和工艺参数。
从质量控制角度思考，A-TIG焊接接头的夹渣缺陷必须通过严格的工艺控制和无损检测来管理。在实际生产中，建议建立A-TIG焊接工艺规程（WPS），明确活性剂种类、配比、加入方式、工艺参数等关键要素，并通过焊接工艺评定（PQR）验证工艺的有效性。
总体而言，本文为不锈钢厚板A-TIG焊接工艺的开发提供了系统的数据支持，对航空发动机、化工设备等高温腐蚀环境下的不锈钢焊接具有重要的参考价值。活性剂技术的进一步优化和夹渣缺陷的有效控制，将是A-TIG焊接技术工程化应用的关键方向。