T91钢TIG焊活性剂的研制.docx
《T91钢TIG焊活性剂的研制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《T91钢TIG焊活性剂的研制.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
T91钢TIG焊活性剂的研制
T91钢TIG焊活性剂的研制
摘要
活性化TIG焊在当今受到国内外的高度重视，同传统的TIG焊想比，在相同的规范下能大幅度地提高生产率，降低生产成本。
本文主要针对不锈钢及T91钢，以电弧收缩理论和熔池表面张力变化理论为依据，对A-TIG焊中不同单一成分的活性剂对焊缝成形、电弧形态、电弧电压及焊缝熔深与熔宽比（D/W）的影响进行对比实验，以期能得到较为适合的活性剂。
实验结果显示，各种单一成分的活性剂均可达到增加熔深的效果，其中CaO、MnO2、SiO2、Cr2O3对焊缝的深宽比影响最明显，成形较理想。
在此基础上将不同的活性剂（主要针对氧化物）按不同比例混合并用相同方法进行对比实验，以焊缝的深宽比变化为主要依据选择较理想的混合焊剂，最终得到CaO、MnO2、SiO2、Cr2O3、与MgO、Al2O3混合的焊剂较为适合。
关键词：
T91A-TIG
Abstract
ActivatingTIGweldingisattachingimportanceinsideandoutsidetoday,itcangreatlyimproveproductivity,reducingtheproductioncost.ThistextisdeadagainststainlesssteelandT91steel,accordingasthetheoryofelectricityarcshrinkandthechangeofthesurfacetensionofmelt,doingexperimentintheeffectofvarysingleactivatefluxtoweldingmolding、arcform、arcvoltageandtheratioofthedepthtothewidthofthewelding,tofindasuitedactivateflux.TheresultshowedthatalloftheactivatefluecanincreasethedepthofthemeltandCaO、MnO2、SiO2、Cr2O3cangivethemostdistinctimprovement.Thenmakethemintoamixtureindifferentproportionandcompletethecontrastexperiment.Accordingastheimprovementoftheratioofthedepthtothewidthofthemelt,wecangainasuitedfluxmakeupofCaO、MnO2、SiO2、Cr2O3、MgOandAl2O3.
Keywords:
T91steelActivateflux
目录
目录：
摘要-----1
英文摘要-----2
目录------3
第一章绪论-4
1.1课题的提出及背景-4
1.2A-TIG焊的应用特点及优点-5
1.3活性焊剂增加熔深的机理-5
1.4A-TIG焊的研究现状-7
1.5A-TIG焊的应用前景-10
1.6研究内容-10
第二章实验部分-11
2.1实验设备-11
2.2实验方法-13
2.3实验数据及结果-13
2.4结论-19
参考文献-21
T91钢TIG焊助焊剂的研制
第一章绪论
1.1课题的提出及背景
T91/P91钢是一种改进型马氏体耐热钢，它是在9Cr-1Mo钢的基础上添加微量V，Nb调整Si，Ni和Al的含量后形成的一种新型的超9Cr钢。
该材料的高温持久强度，抗蠕变性能及持久塑性均优于9Cr-1Mo钢，抗氧化性和抗腐蚀性与9Cr-1Mo钢相当。
其在同样的温度、压力条件下，钢管壁厚可大大降低，材料可大大节省。
其设计许用应力在550℃以上为9Cr-1Mo钢和21/4Cr1Mo钢的两倍，在625℃时，持久强度与1Cr19Ni9等同。
因此，目前在亚临界机组，超临界锅炉管子壁温在650℃以下的过热器管和再热管中得到广泛应用。
目前钨极氩弧焊（TIG焊）广泛应用于飞机制造、原子能、化工、纺织等工业中。
由于氩气的保护，隔离了空气对熔化金属的有害作用，可焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以及难熔的活性金属等。
但是，由于钨电极的载流能力有限，电弧功率受到限制，致使焊缝熔深浅，焊接效率低，所以，钨极氩弧焊一般只适于焊接厚度小于6mm的工件。
对于不锈钢，板厚小于3mm时可以一次焊透，超过此厚度的工件不但需要开坡口，进行多层填丝焊，甚至还需要预热才能施焊。
为解决TIG焊熔透量较低的问题，人们曾做过许多研究工作，例如：
单方面增加焊接电流，或者在保护气体中加入氦气、氢气等成分，用以增加焊缝熔深。
这些措施虽取得了一些成绩，但因随之而来的负面效应仍有不尽人意之处。
在上世纪60年代，乌克兰巴顿焊接研究所（PWI）的专家根据焊缝中微量元素影响焊缝熔深的这一现象，于焊接前将含有某些微量元素的活性焊剂涂在待焊工件表面上进行焊接，用以影响焊缝的形状，从而达到有选择的控制焊缝形状的目的，随后的研究成果逐步形成最初的活性焊剂氩弧焊（A-TIG焊），并应用于能源、化工和航空航天工业领域。
20世纪末期，英国TWI和美国EWI对A-TIG进行了研究，并转入实际应用，其中EWI的活性剂FSS-7已经用于海军舰艇的制造中，TWI正开发以熔焊工艺中使用活性焊剂为核心的研究项目。
21世纪初，巴顿焊接研究所已将A-TIG技术应用于焊接核反应堆管子部件、汽车胎环、氧气钢瓶、汽车压缩空气钢瓶、高压罐等工业领域。
试验证明，在相同的焊接规范下，同常规的TIG焊相比，A-TIG焊可以大幅度提高焊接熔深（最大可达300%），而不增加正面宽度。
目前A-TIG焊可以用于焊接不锈钢、碳钢、镍基合金和钛合金等材料。
同传统的TIG焊相比，A-TIG焊可以提高生产率2-6倍，降低生产成本，同时还可以减小焊接变形，具有非常广泛的应用前景。
1.2A-TIG焊的应用特点及优点
A－TIG焊的工艺方法的改进之处是在原有TIG焊的条件下,焊接前在焊接区材料表面涂上一薄层活性焊剂（厚度不足0.13mm）,此焊剂为无机物粉末和挥发性液体介质（如丙酮等）的混合物,挥发性液体介质挥发后,留下活性焊剂。
焊接时在电弧热作用下,焊剂蒸发,其中的活性组分直接转移至等离子区,与电弧发生相互作用。
而焊剂的蒸发对电极的性能或寿命没有任何负面影响。
焊剂可用喷涂、粘帖或刷子刷等方法涂覆。
焊接过程中在活性焊剂的作用下引起焊接电弧收缩，电弧能量密度增加，电弧力增大，最终导致焊缝熔深增加的一种焊接新工艺。
在相同焊接工艺参数下试验时，从TIG堆焊与A-TIG焊的电弧形态照片及焊缝断面的宏观照片中对两者进行对比，A-TIG焊的焊接电弧明显收缩，并且焊缝熔深有较大幅度增加。
从焊缝宏观断面的照片中可以看出，TIG焊的熔深不到3mm，而A-TIG焊的熔深接近7mm，是TIG焊的2～3倍。
与传统的焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊等焊接方法相比，A-TIG焊具有质量可靠，生产效率高的优点；与先进的激光焊、电子束焊以及等离子弧焊相比，由于A-TIG焊所用的活性焊剂材料具有成分组成范围宽，来源丰富，价格便宜，而且无需昂贵的焊接设备，使得A-TIG焊又具有成本低，经济性好的优点，因此具有良好的经济效益和广泛的应用前景。
A-TIG焊典型的应用是较厚工件（3～12mm）的精密焊接，这种情况下采用气体保护自动焊可以充分发挥其优点。
与同等厚度的常规TIG焊相比，A-TIG焊可以进行高速低热输入焊接，所以非常适合于薄壁小直径管&管、管&板焊接。
分别对采用TIG焊及A-TIG焊工艺焊接的试板进行各项性能测试，测试结果表明，A-TIG焊中的活性焊剂对焊缝中主要成分的含量影响极小，并且采用A-TIG焊工艺焊接的焊缝接头在强度、韧塑性、抗晶间腐蚀性能等各方面均等同于或优于TIG焊焊接的接头。
这说明A-TIG焊在大幅度增加焊缝熔深提高焊接生产率的同时，仍可以保证良好的焊缝质量。
1.3活性焊剂增加熔深的机理
到目前为止，关于活性剂对电弧作用的机理主要有以下三种学术观点：
电弧收缩机理，表面张力原理和阳极斑点原理
（1）.电弧收缩理论
电弧收缩理论认为：
活性剂在电弧高温下蒸发后以原子态包围在电弧周边区域，由于电弧周边区域温度较低，活性剂蒸发原子捕捉该区域中的电子形成负离子并散失到周围空间。
负离子虽然带的电量和电子相同，但因为它的质量比电子大得多，不能有效担负传递电荷的任务，导致电场迁都减小，根据最小电压原理，电弧有自动时电场强度增加到最小限度的倾向，结果造成电弧自动收缩，电弧电压增加，热量几种，用于熔化母材的热量也增多，从而是焊接熔深增加。
在相同的亲合能条件下，解离温度越高越有利于电弧收缩。
比如，氟比氯更有利于电弧收缩。
氯化物也有类似的效果，虽然它们的电子亲合能比卤化物小，但其解离温度比卤化物高，故其电弧收缩效果不一定比卤化物小。
图1－1负离子引起的电弧收缩
随着焊接电流的增加，电弧传递电荷的能力提高。
负离子的形成对电弧传递电荷能力减弱的作用不再起到主导作用。
同时，当焊接电流超过一定值后，活性剂会完全扩散，不会再起作用。
因此，随焊接电流的增大，加活性剂合不加活性剂的效果差别逐渐减小。
另外，焊接速度增加会降低热输入，负离子形成几率也有一定增加。
目前很多学者都认为电弧收缩是由于电弧外层区域形成了负离子的原因，认为对于类似于SiO2的氧化物，电弧温度的升高足以使SiO2分子发生分解，但是SiO2并不是完全被分解，SiO2分子仍然会存在于电弧中，而SiO2分子会捕捉电弧外层的电子形成SiO2－负离子，由此会引起电弧电子密度的下降，导致电弧的收缩。
而在此过程中，电流始终不变，因此造成了电弧电压的上升。
（2）.表面张力原理
表面张力理论认为：
熔池金属流动状态对焊缝的成形会有相当大的作用，一般的焊缝金属，其熔化状态下的表面张力具有负的温度系数，即
使表面张力的液体区域向表面张力大的液体区域流动。
而当熔池金属中存在某种微量元素或接触到活性气氛时（如S，O）,熔池液态金属的表面张力数值降低并转变为正的温度系数，即
，从而使熔池金属形成从熔池周边向着熔池中心的表面张力流，促使焊接过程中的有效热输入量增加，从而使焊缝熔深增加，图1.2使表面张力系数分别为正和负时对熔池和熔深的影响示意图，从图中可以看出，正的表面张力系数有利于熔池的增加，而负的则相反。
图1－2熔池表面张力对熔池和熔深的影响
（3）阳极斑点理论
阳极斑点理论认为：
在熔池添加硫化物、氯化物、氧化物后，熔池上的电弧阳极斑点出现明显的收缩，同时产生较大的熔深。
经分析认为，添加活性剂后，熔池产生的金属蒸汽受到抑制，由于金属粒子更容易被电离，在金属蒸汽减少的情况下，只能形成较小范围的阳极斑点，电弧导电通道紧缩，加强了等离子体的挖掘作用，在激活了熔池内部电磁对流的同时，减弱了等离子体的对流作用，从而形成较大的熔深。
V.S.MECHEV还认为，在阳极区，一个类似中空的负离子空间分布由于受到前向收缩力而压缩阳极区的电子流朝阳极运动，从而引起了阳极势能的大大削减，最终大幅度提高了阳极区的电流密度。
其压缩程度取决于某个长度范围内的电场能，而这个长度又取决于空间电荷中负离子的浓度和它的几何形状。
“阳极斑点理论”基本上属于电弧收缩理论的一种，其根源仍是基于焊接电弧在活性剂作用下发生了收缩。
因此本研究中将重点主要放在“电弧收缩机理”以及“熔池表面张力机理”作用的方面。
试图通过实验寻找活性化焊接过程中这两种机理所起的作用。
1.4A-TIG焊的研究现状
1.4.1国内A-TIG研究现状
国内对A-TIG焊技术的研究在2000年左右开始，目前研究工作只是集中在高校和研究所，还没有推广到实际生产中，在某些部门用从国外购买的活性剂焊接钦合金和不锈钢。
国内航空工业总公司625研究所从乌克兰巴顿焊接研究所引入了活性剂焊接工艺和配方。
哈尔滨工业大学进行了A-TIG焊机理和配方的研究，开发了相关的助焊剂。
樊丁教授也对碳钢的助焊剂进行了研究。
杨春利等针对TIG焊集中的电弧现象作了一定的研究，他采用在变动的焊接电流下检测电弧电压的方式来考察A-TIG焊接电弧收缩及活性剂的影响。
他认为判断电弧收缩与否的最为明确和最有说服力的办法是考察电弧电压的变化。
如果在同一气氛下电流电压发生了变化则就可认定必有某种因素影响了电弧并使之收缩。
经过对Si02和TiO2两种活性剂成分的比较，他认为Si02覆盖在母材表面、正电极下方形成熔池后，电弧阳极区即电弧弧根扩展需要克服较大的阻尼，而阳极斑点容易在纯金属处形成，能量平衡的结果造成电弧的自动收缩。
而Ti0:
属于金属氧化物，电阻率较低，对电弧导电通道的阻碍作用较小，因此电弧收缩困难。
对此他认为以上实验现象采用负离子形成理论是很难解释的。
因为在负离子理论下，两种活性剂成分均会产生蒸发、分解、电离现象，都会产生负离子，同时对电弧产生冷却作用，使得电弧收缩。
由此得到一种观点：
即活性剂对电弧作用只是电弧阳极区行为的表现。
樊丁等对铝合金交流A-TIG焊熔深增加机理进行了研究，在试验中进行了常见氧化物和卤化物的铝合金交流A-TIG焊，研究了单一组分活性剂对焊缝熔深的影响。
并对这些活性剂进行了交流TIG焊电弧便宜试验。
将电弧偏移率与A-TIG焊焊缝熔深进行了对比，结果发现铝合金交流A-TIG焊电弧中导电通道电阻对焊缝熔深的影响很大。
他认为电弧作为一种气体导体，电流也要通过电阻最小的通道构成回路。
活性剂在电弧高温和电场作用下，并改变由电弧、活性剂涂层和焊接存在改变了导电通道的电阻。
而TIG焊焊接电源的外特性为恒流外特性，从而改变了电源的输入功率或电弧的热效率，最终影响到焊缝熔深的大小。
1.4.2国外A-TIG研究现状
以卤素化合物组成的氩弧焊用焊剂早在60年代就在前苏联得到应用与发展，主要用来焊接钛合金，最早称为焊剂层上氩弧焊；在70年代，以氧化物和氯化物组成的氩弧焊用焊剂在工业上得到应用，主要用于焊接不锈钢，在采用直边坡口不加丝的情况下，可获得单道熔深8－10mm的焊缝，尽管当时人们并不了解其机理；90年代，氩弧焊用焊剂在焊接碳锰钢、低合金钢方面获得最大成功，并发展成A-TIG——一种新的焊接工艺方法。
该工艺相对传统的氩弧焊而言，使用焊剂涂层仍是最主要的特点，还可能包括其他微小的工艺改进，例如，使用空心钨极。
A-TIG在焊接12mm厚对接钢板时所使用的焊剂量约为0.1－0.5g/m，其形成的单面焊双面成形焊缝独具特点：
焊缝上下表面较宽，而焊缝中部较窄，其树枝晶方向几乎与双面焊效果相同。
该焊接工艺已通过相关试验。
目前国外在活性剂焊接方面研究工作做的比较集中的是设立在EWI的海军连接中心（NavyJoiningCenter-NJC）。
NJC针对以下几种材料进行了研究：
（1）不锈钢（如Types304.316，347，409，410）；
（2）镍基合金（如Alloys600，625，690，718，800）；
（3）碳钢和低合金钢（如A36，SA-178C，21/4Cr-1Mo，X80）;
（4）铜-镍合金（70-30Cu-Ni,90-10Cu-Ni）；
（5）钛合金（纯钛和Ti-6Al-4V）。
其中NJC研制的用于不锈钢的活性剂已经商业化并注册（名称为FASTIGSS7），其针对不锈钢和镍基合金的活性剂已经应用到海军飞行器（NewportNewsShipbuilding）和驱逐舰箱体（BathLronWorks）等造船厂或给海军提供零部件的工业用户中（TIG焊）。
通过使用TIG焊活性剂，能够大幅度地降低生产周期（达到50％），熔深最大可达普通TIG焊的300％，同时能够降低散热条件变化的敏感性（可能导致不均匀的熔透或形成非对称的对接焊缝），降低热输入和减小焊接变形。
一般的活性剂由于量非常小，不会改变焊缝的化学成分和机械性能，但用于不锈钢304的活性剂，在某些应用场合可能产生凝固裂纹和降低韧性。
NJC的产品是以粉末的形式提供的，同丙酮或其他挥发性物质混合，形成糊状涂到接头的表面，厚度大约为0.005英寸，也就是以覆盖母材为准，如图1-6所示。
涂层的宽度比焊缝稍宽。
日本今年来也开发了氩弧焊用涂层状焊剂，该焊剂涂敷在工件表面后，使用TIG焊，具有增加熔深的效果，但该焊剂产品主要用于修复电场热力管道焊接接头处常产生的裂纹，可不开坡口直接重熔予以修复。
英国焊接研究所（TWI）正在对此类焊剂的作用机理进行深入研究，其与巴顿焊接研究所合作的致力于氩弧焊焊用焊剂用于工业生产的项目已取得进展，该项目总投资超过10亿英镑。
很多研究者相信电弧收缩增加了阳极根部的电流密度，导致熔深增加。
在相同电流强度下，添加活性剂的TIG与常规的TIG相比可以看到明显的电弧收缩。
电弧收缩被认为是分子蒸发所致。
即氟、氯等卤素或者氧等电负性较高的元素在电弧外测温度相对较低的区域吸引电子。
1.5A-TIG焊接技术的应用前景
虽然A-TIG焊接技术在国内外的发展应用处于起步阶段，许多方面仍有待于进一步完善，但因其焊接质量好、焊接生产率高、生产成本低廉的显著优点而存在在着巨大的发展潜力。
目前，世界上3个最著名的焊接研究所（PWI、EWI、TWI）正
积极致力于这一新型焊接工艺的研究、发展和应用。
随着国内外专家对A-TIG焊接机理的进一步研究以及工艺应用方面的日渐成熟，适用于更多钢种、工艺性更好的活性焊剂将被研究出来。
此外基于A-TIG焊技术的新工艺，例如利用A-TIG焊开发研究薄板材料的高速焊接技术及表面改性和修复也是有待开发的一个很重要的应用领域
1.6研究内容
到目前为止，人们认为“电弧收缩”和“熔池表面张力变化”是A-TIG焊接中导致熔深增加的两个主要原因。
以这两种理论为参考，我们着重研究在焊接T91钢时，SiO2、TiO2等几种单一活性剂的作用机理，其主要内容包括以下2个方面：
1、用高速摄像系统研究A-TIG焊中不同成分活性剂对电弧形态的影响
2、用示波器研究A-TIG焊中不同成分活性剂对电弧电压的影响
3、分析对比不同成分活性剂对焊缝成形及焊缝熔深的影响
通过对各种单一活性剂的对比实验，最终寻求一种适合T91钢的混合焊剂。
第二章实验部分
2.1实验设备
实验中采用福尼斯TPS-4000电源；焊接过程中使用FASTCAMSuper-10000C高速摄像系统拍摄电弧形态；使用Agilent54624A型示波器采集电流及电弧电压数据；
2.1.1焊接电源
2-1-1实验所用电源
2.1.2高速摄象系统
2-1-2高速摄影系统
本试验需要观测活性剂加入后，焊接电弧的变化，因此需要对焊接电弧进行连续观测，因此有必要连续记录焊接电弧形态的变化。
实验中考虑采用高速摄像设备。
高速摄像的纪录速度范围很广，可以由300帧/秒到10000帧/秒。
而且胶卷由于其感光媒体颗粒微粒因此能够取得高清晰度和高分辨率的画面，但是使用高速摄像也有很多不便，首先机器调节困难，因为高速摄影采用完全的光学成像原理，因此对试验的光路等都有比较严格的要求，其次在实际操作时高速摄像的驱动电机由启动到稳定速度至少需要1秒的时间，在这段时间内会浪费较多的胶片，而且拍完后胶片需要冲洗后才能重放做观察和分析，这样使得研究更复杂。
在这种情况下，考虑采用高速摄像装备来分析活性剂在焊接过程中对电弧形态的影响。
高速摄像的发展是和信息时代紧密相连的，大量运用数字技术，图像的纪录和存储已从有形（如胶卷）转变为无形（如磁盘或存储模块）。
通过CCD摄像头直接转化为数字化图像，然后就可以随时存储，同时由监视器显示，工作结束后即可及时重放，这样可以及时发现拍摄中存在的问题，然后即使处理，减少无畏的浪费，节约试验所需要的时间。
对于纪录下的图像可以立刻转存至与之相连的计算机中或者消去原有纪录重新记录数据，对于记录下的数据可以立刻通过软件完成数据分心和计算得到结论。
所有这些都是使用高速摄影所无法实现的。
本实验对电弧图像采用连续图片形式存取，这样所摄得图片就与高速摄影胶片一样。
采用同时启动摄像和信号波形纪录方式实现了图像和数据的同步采集。
摄像中所使用的高速摄像机为FASTCAMSUPER10KC彩色高速摄像机。
高速摄像机摄取成像屏的电弧图像，这样不但实现了摄取电弧图像的目的，也避免了强烈的电弧光直接射入高速摄像机，损坏机器。
由于高速摄像能够拍摄的时间间隔有限，因此在实验中必须严格控制高速摄像拍摄进行的时间，应当保证拍摄到焊接电弧由无活性剂区域进入活性剂区域这个阶段的过渡过程，以保证继续研究的可能性和准确性。
2.1.3示波器
实验过程中采用示波器对焊接过程中电弧电压的变化进行数据和波形采集。
本试验所采用的示波器是Agilent54624A型示波器。
此示波器利高清晰显示与2MBMegaZoom深存储器相结合，能发现有关信号的大量信息，能够采集数据和图像等。
技术参数：
示波器通道数：
4带宽：
100MHz采样率：
200MSa/s最大输入：
400V分辨率：
8bit（平均时为12bit）量程：
1mV/div至5V/div逻辑通道数：
-最大采样率：
-输入电平：
-时基：
5ns/div至50s/div触发：
边沿,脉冲宽度,码型,12C,TV,序列,持续时间峰检测：
5ns显示：
具有32级亮度的高清晰显示;1,000点的水平分辨率显示更新率：
达25,000,000矢量/秒/通道显示方式：
常规,峰检测,延迟,滚动,带Z消隐的XY,平均测量峰峰值,最大值,最小值,平均值,幅度,波顶,波底,过冲,前冲,有效值,频率,周期,+脉冲宽度,-脉冲宽度,占空比,最大值时间,相位,延迟波形运算：
相减,相乘,FFT,积分,微分存储：
内装软盘连接性：
标准配置的RS-232和并行接口,可选GPIB接口模块（N2757A）内装帮助：
9种语言,在按任何键时电源：
100Vac-240Vac±10%,47Hz-440Hz,100W
仪器照片如图2－3所示
图2-1-3Agilent54624A型示波器
2.2实验方法
实验主要以电弧收缩理论和熔池表面张力变化为依据，实验过程中主要采用对比实验方法，对每次的焊接过程中的几个工艺参数（如氩气流量、焊接电流、焊接时车速、电弧长度等）固定，在此基础上使用各种不同活性剂，对比由此形成的不同的焊缝形态、电弧电压、电弧形态及熔深，并最终以焊缝的深宽比（D/W）为依据来选择合适的活性剂。
试验材料均采用1Cr18Ni9Ti不锈钢（100×50×5mm）及T91钢，由于T91钢成本较贵，而且和不锈钢的焊接性能相近，故在实验的前期基本都是以不锈钢为母材进行焊接。
活性剂的选择：
目前国内外开发并使用的活性剂主要有三种类型:
氧化物、氟化物和氯化物。
早期由PWI研制的
升级会员 