焊剂在ZA合金TIG焊接过程中作用机理学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《山东冶金》2006年第28卷第1期，由山东大学材料科学与工程学院陈立博、刘秀忠完成。研究采用加入焊剂的方法对新型模用锌基合金（ZA合金）进行TIG焊接，通过金相显微镜、X射线衍射等分析方法对焊接接头组织及焊后残渣进行分析，初步研究了焊剂的作用机理。

ZA合金（Zinc-Aluminum alloy）是一类锌基铝合金，具有良好的铸造性能、流动性和尺寸稳定性，常用于制造精密铸件、模具、装饰件等。ZA合金的典型成分为锌基体中含有5%~12%的铝，以及少量的铜、镁等元素。然而，ZA合金的焊接性极差，主要原因包括：

1. 表面氧化膜致密：锌和铝的表面氧化膜（ZnO、Al₂O₃）熔点高、致密，阻碍熔池流动和熔合。
2. 锌的蒸发损失：锌的沸点较低（907℃），焊接高温下大量蒸发，导致焊缝成分变化、气孔增多。
3. 表面张力问题：锌基合金的熔池表面张力特性不利于焊接成形。
4. 热裂纹敏感性：锌基合金的凝固温度范围宽，容易产生凝固裂纹。

焊剂作用机理分析

焊剂的基本组成与功能

焊剂在ZA合金TIG焊接中发挥多重作用，根据文献研究，其主要功能包括：

冶金反应机理

焊剂与氧化膜的冶金反应是焊剂作用的核心。可能的反应包括：

1. 与ZnO的反应：焊剂中的碱性成分（如碳酸盐、氟化物）与ZnO反应，生成低熔点的锌盐，使氧化膜脱落。
2. 与Al₂O₃的反应：氟化物类焊剂（如NaF、KF）与Al₂O₃反应，生成低熔点的铝氟化物，降低氧化膜的熔点。
3. 与Zn的过渡反应：焊剂中的锌化合物在高温下分解，锌蒸气进入熔池，补充因蒸发损失的锌。

这些反应的净效果是：清除焊接材料表面的氧化膜，同时向焊缝中过渡Zn元素，从而改善焊接性能。

焊后残渣分析

焊后残渣的成分分析可以反推焊剂的作用机理。残渣中可能包含：

• 反应生成的锌盐（如ZnF₂、ZnCl₂等）。
• 反应生成的铝盐（如AlF₃、NaAlF₆等）。
• 未反应的焊剂残留物。
• 母材和焊丝中的杂质元素。

通过X射线衍射分析残渣的物相组成，可以判断哪些反应发生了，从而验证焊剂的作用机理。

焊接工艺与焊剂选择

焊剂类型选择

对于ZA合金TIG焊接，常用的焊剂类型包括：

焊接工艺参数

ZA合金TIG焊接的工艺参数需要特别注意：

焊剂使用方法

焊剂的使用方法对焊接质量有重要影响：

1. 撒布法：将焊剂均匀撒布在焊缝区域，焊接时焊剂随电弧移动而熔化。适用于连续焊缝。
2. 点涂法：在焊缝起焊点和关键位置点涂焊剂。适用于短焊缝或修复焊。
3. 涂抹法：将焊剂调成糊状，涂抹在焊缝区域。适用于大厚度件焊接。

焊接接头组织与性能

组织特征

ZA合金TIG焊接接头的组织特征包括：

• 焊缝区：主要由锌基固溶体组成，可能含有少量锌铝金属间化合物（如Zn₃Al、ZnAl₂等）。焊剂的加入可能改变金属间化合物的形态和分布。
• 热影响区：由于ZA合金的导热性较差，热影响区较窄。热循环可能导致锌的再分布和金属间化合物的析出。
• 熔合线：母材与焊缝的交界处，成分梯度大，可能形成脆性相。

性能评价

ZA合金焊接接头的性能评价包括：

工程应用思考

ZA合金虽然焊接性差，但在某些特定领域仍有应用需求，如精密模具修复、装饰件焊接、原型制造等。在实际工程应用中，需要注意以下几点：

1. 焊剂环保性：含氟焊剂可能对环境造成污染，需要选择环保型焊剂或采取适当的防护措施。
2. 焊剂储存：焊剂需要防潮保存，受潮后效果下降。
3. 焊接后清理：焊后残渣需要彻底清理，残留焊剂可能对后续处理（如电镀、喷涂）产生不利影响。
4. 工艺标准化：焊剂用量、焊接参数等需要标准化，确保焊接质量的一致性。

学习心得

本文的研究虽然针对ZA合金这一相对小众的材料，但其研究思路——通过焊剂改善焊接性——具有重要的普适性。在金属焊接领域，焊剂（或活性剂）的应用是一个古老但持续发展的技术方向。从传统的埋弧焊焊剂到现代的活性TIG焊活性剂，焊剂的作用机理在不断被深入理解和优化。

对于从事焊接技术工作的同行，我深刻体会到，焊接性差的材料往往需要"材料+工艺+辅助材料"的综合解决方案。焊剂作为辅助材料，在改善焊接性方面发挥着不可替代的作用。但焊剂的选用需要基于对材料特性、焊接机理和工程需求的深入理解，不能简单地套用经验。