马壮1，2，张焱鑫1，李智超1，赵越超3

(1．辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，阜新123000;2．辽宁科技学院，本溪117300;3．烟台南山学院工学院，龙口265713)

摘要:综述了铝合金A-TIG焊接技术的发展状况，介绍了氧化物型、卤化物型、氧化物卤化物复合型活性焊剂对铝合金A-TIG焊熔深的影响，并对氧化物、卤化物在铝合金A-TIG焊的应用前景进行了展望。

关键词:铝合金; A-TIG;氧化物;卤化物

中图分类号:TG456文献标识码:A文章编号:1001-1625(2015)11-3232-04

DOI:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2015.11.030

1引言

铝合金由于具有储量大、密度小、导电导热性能优越等一系列优点，成为目前应用最多的有色金属材料，已经广泛应用于船舶、建筑、电子电力、航空航天等领域［1，2］。目前，常用的铝合金焊接方法有氧乙炔气焊、焊条电弧焊、钨极惰性气体保护焊等，但由于焊接熔深浅、焊缝质量差、生产效率低等原因，严重阻碍了铝合金的进一步推广应用［3，4］。为了解决铝合金焊接技术中遇到的问题，一种新型的焊接技术-A-TIG (ActiveFlux-TungstenInertGas)焊接技术应运而生［5，6］。A-TIG焊是指焊件焊接之前，在其表面上涂覆一层活性焊剂，焊接时活性焊剂引起焊接电弧收缩或熔池内金属流态发生变化等，从而使焊接熔深增加显著增加的一种焊接技术［7］。氧化物在地球及宇宙中普遍存在，在金属热加工中广泛应用［8，9］。氧化物能明显增加焊缝的熔深熔宽，尤其是二氧化硅的效果佳［10］。卤化物是金属元素阳离子与卤素元素(F、Cl、Br、I、At)阴离子相互化合的化合物［11］。卤化物矿物种数约在120种左右，其中主要是氟化物和氯化物，而溴化物和碘化物则极为少见，氟化物和氯化物用于A-TIG最多，对电弧的影响较大［12］。

2 A-TIG焊接技术的发展

20世纪60年代中期，乌克兰巴顿焊接研究所发现卤化物的存在能产生电弧收缩，增加焊接熔深，将其用于钛合金焊接技术［13］。70年代，以氧化物和氟化物为主的活性焊剂得以发展，主要应用于不锈钢焊接。到了90年代，前苏联已经将活性焊剂应用于低碳钢、低合金钢的焊接中，并在航空航天、压力容器、核电设施

作者简介:马壮(1963-)，博士，教授．主要从事表面改性剂材料强韧化方面的研究．

第11期马壮等:铝合金氩弧焊氧化物/卤化物活性剂研究进展3233

等方面取得很大进展，进入到实用阶段［14］。20世纪末，美国、英国、日本等知名焊接机构也开始对氩弧焊用活性焊剂的开发与应用进行系统的研究，并对表面活性焊剂增加焊接熔深的机理进行了探究。近些年来，镍基合金、铝合金和镁合金用活性焊剂的研究与应用也取得了很大进展。Liu等［15］采用A-TIG焊焊接AZ31B变形镁合金，研究发现添加氧化物Cr₂O₅、TiO₂和氯化物CdCl₂、ZnCl₂都可增加镁合金焊接接头熔深，其中氯化物增加熔深效果更明显，热影响区的粗晶区是焊接接头最薄弱区域，A-TIG焊可通过减少热影响区中粗晶区宽度及晶粒尺寸来提高接头质量。

A-TIG焊接技术在国内起步较晚，兰州理工大学最早对低碳钢和不锈钢用活性焊剂进行了研制，焊接熔

深提高2～3倍［16，17］。洛阳船舶材料研究所、大连理工大学、山东大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、天津大学等不仅对不锈钢、碳钢、钛合金、镁合金活性焊剂的焊接参数、活性焊剂的涂敷量等进行了详细的研究，还对氧含量对熔池流动方式影响的数值模拟［18］、激光焊活性剂对等离子体的影响［19］、不锈钢A-TIG焊接头的抗腐蚀性能分析［20］、表面活性元素对熔池流场的影响［21］等进行了详细的分析。

3氧化物型活性剂

氧化物活性剂中的氧元素影响熔池中液体的流动方式，是促使熔深和深宽比增加的主要原因［22］。目前，已用于铝合金A-TIG焊活性剂的氧化物包括:SiO₂、TiO₂、V₂O₅、Al₂O₃、MnO₂、Cr₂O₅等。

张勇等［23］研究了SiO及TiO活性剂对LD10铝合金A-TIG焊焊接头性能的影响，发现采用两种活性

2

剂焊焊缝表面凹凸不平，焊缝局部有咬边现象;采用SiO₂活性剂的焊缝，其熔深为4．36mm，熔宽为7．26mm;与常规焊接件相比，焊缝晶粒组织粗大，焊缝及焊接热影响区硬度低;采用TiO₂活性剂的焊缝熔深为1．58mm，熔宽为6．29mm，与常规件相比，焊缝晶粒组织细小，焊缝硬度低，但焊缝热影响区的硬度高于常规焊件。张勇认为:电弧收缩不是整体电弧收缩，而只是等离子体收缩，与杨春利等［10］的等离子体收缩观点相

同。毛利贞等［24］通过采用FB-TIG焊研究了SiO活性剂对6061铝合金焊缝的影响，发现SiO并不是通过

2

改变焊接熔池表面张力温度梯度来增加焊缝熔深，而是通过影响焊接电弧行为。他们认为SiO₂增加铝合金交流A-TIG熔深的主要机理是电弧极性区收缩。黄勇等［25］针对直流反接时活性剂对TIG焊熔深的影响进行了研究，采用TiO₂和V₂O₅活性剂时电弧电压较无活性剂时(22V)都有所下降，这可能是由于当阴极存在氧化物时，氧化物的电子逸出功较低，在氧化物上容易形成阴极斑点。当铝合金作阴极时阴极是冷阴极，电子发射主要靠在阴极压降区的强电场，因此当阴极存在氧化物时，电子发射所需电压下降，阴极压降减小。

而采用SiO₂活性剂时电弧电压升高，可能是SiO₂具有高熔点高电阻率导致导电通道电阻增大。郑勤等［］

26

研究了SiO₂活性剂对铝合金TIG焊接接头性能影响，发现涂覆活性剂SiO₂焊件的冲击韧性为22．7J/cm，

2

高于无活性剂焊件。这是因为有活性剂的存在，焊接电弧会发生明显收缩现象，使导电面积缩小，电流密度增加，进而使电弧及熔池内的Lorentz力增加，结果导致焊缝熔深增加。同时SiO₂活性剂的加入使得焊缝晶粒细化，改善焊接接头的机械性能。

4卤化物活性剂

卤化物型活性剂是最早用于A-TIG的活性剂。活性剂对电弧形态的影响主要是以下两个方面:活性剂蒸汽物质解离温度;活性剂蒸发粒子与电子亲和力。电弧及阴极斑点的收缩作用随着活性剂蒸发离子与电子亲和力强度的增强和解离温度的升高而增强，卤化物的电子亲和力比金属氧化物高。

周泽杰等［27］研究了单一成分活性剂对3003铝合金焊接熔深的影响，结果表明，涂覆卤化物CaF、MnCl

和NaCl单组元活性剂的焊缝熔深分别为2．0216cm、1．9427cm、1．9597cm，比未涂覆活性剂的焊缝熔深提高0．2～0．3mm，且焊缝熔宽变化不大;其中涂覆CaF₂焊缝表面有较大焊缝余高，有气孔产生，多分布于靠

近焊缝熔合区。Shen等［12］发现随着CaF的加入量的增加，焊缝表面形貌恶化，但焊缝深宽比增加，抗拉强

度和伸长率先增加后减少。黄勇等［28］采用卤化物CaF₂和NaF作为铝合金的活性剂，采用直流反接进行

3234综合评述硅酸盐通报第34卷

TIG焊，发现CaF₂和NaF并没有引起电弧电压的变化，证明了热输入增大不能引起熔深增加。在进行焊接时电弧周围出现了浅红色的弧光，说明当卤化物对焊接电弧产生影响，但电弧电压并没有升高，所以他们认

为电弧收缩不是焊缝熔深增加的原因。杨铿等［29］采用活性剂CaF、BaCl对铝合金进行A-TIG焊，当焊接

电流为140 A时焊缝的熔深分别为0．2mm和0．44mm，低于无活性剂时的熔深。但随着焊接电流从150A增加到160A，BaCl₂活性剂熔深增比分别为2．07和2．04，而CaF₂熔深增加比变化不明显为1．15和1．02。他们也认为电弧收缩现象不是增加熔深的主要原因。何丽君等［30］研究单一成分活性剂NaF、MgF、CaF、

AlF₃对2A14-T6铝合金作用效果，熔深较基体的增加量分别为68．05%、173．4%、107．0%、139%。因为氟化物在电弧的高温作用下分解为金属原子和氟原子，氟原子和氢结合生成氟化氢，大大降低了氢的存在，使焊缝气孔减少，所以涂覆AlF₃活性剂的焊缝中气孔极少;但涂覆MgF₂活性剂的焊缝中发现大量气孔，这是由于MgF₂的加入，虽然氟化氢的生成有利于减少氢的含量，但因为焊接过程电弧极不稳定，致使气体保护效果变差，增加来自电弧气氛中的水分;加入MgF₂、CaF₂和AlF₃活性剂后焊缝微观组织晶粒变细，NaF活性

剂对焊缝微观组织影响不大。张兆栋等［31］以MnCl、KCl和ZnCl三种金属氯化物为活性剂，在铝合金表面

进行交流A-TIG焊，发现在A-TIG焊过程中，氯化物中的金属元素进入电弧的导电空间，并且影响电弧的状态，焊接熔深与活性剂中金属元素的电离能有关，随着活性剂中金属元素电离能的增加焊缝熔深呈现先增加后减小的趋势。

5复合型活性剂

单一活性剂虽然能增加焊缝熔深，但是还存在一些缺点如焊缝深宽比不理想、焊缝组织粗大、力学性能差等。复合型活性剂能较好的综合各种活性剂的优点，得到较为理想的焊缝。

周泽杰等［32］发现由NaCl、MnO、SiO、TiO、ZnF组成的复合型活性剂，涂覆于3003铝合金表面，得到

的焊缝熔深增加3．1倍，且焊缝熔宽增加0．4倍;焊缝成形良好，无裂纹、气孔、夹渣等缺陷，且对焊接热影响区的平均晶粒度影响不大。采用A-TIG焊焊接铝合金时，很难保证熔深显著增加的同时焊缝表面成型良好，所以法国学者Sire等研究了一种新的焊法FB-TIG(FluxBoundedTIG)，这种焊接方法虽然能保证焊缝表面成型良好，但熔深增加较少［33，34］。毛利贞等［24］采用在铝合金试样中心涂覆3mm宽的复合活性剂Al-5Ti-B，其余部分涂覆SiO₂活性剂，进行FB-TIG焊，结果发现所得到的焊缝中心区组织与无活性剂的相比明显细化，这是由于Al-5Ti-B中TiAl₃、TiB₂等金属间化合物的存在，在熔池中起到了异质形核的作用，使热影响区较窄，焊缝组织细小。黄勇等［35］采用分区活性TIG(FZ-TIG焊，FluxZonedTIGWelding)，该方法在传统TIG焊前，在待焊焊道表面中心区域涂覆4mm低熔沸点高电阻率的活性剂FZ108，其组元为Te、CdCl₂、MnCl₂、ZnF₂，在两侧区域分别涂覆高熔沸点高电阻率活性剂SiO₂，然后进行焊接。结果发现采用FZ108+SiO₂的铝合金FZ-TIG焊，发生了中间区域活性剂FZ108与熔池金属之间的吸热反应，起到收缩电弧增加熔深作用。张勇等［36］为提高铝合金交流TIG焊的效率，以LD10铝合金为基体，在试件表面涂覆0．1～0．2mm厚的粉煤灰，试验所用的粉煤灰的主要成分: 50．8%SiO₂，28．1%Al₂O₃，6．2%Fe₂O₃，3．7%CaO，1．2%MgO，0．8% SO₃。所得到的焊缝熔深为2．31mm，熔宽为7．07mm，但由于粉煤灰活性剂中的氧化物减小了交流电弧对焊接熔池的阴极破碎作用，所以焊件的表面不平整。采用粉煤灰作为活性剂时，多组元的氧化物与铝基体反应，可增加铝合金的沉淀作用，同时因为粉煤灰增加焊接电压，使得焊接热输入增加，所以导致焊缝晶粒粗大。涂覆粉煤灰活性剂的焊缝由于析出强化作用及电弧集中作用在焊缝区域，减少了热影响区的热输入，导致涂覆粉煤灰活性剂的热影响区和焊缝的硬度高于常规焊件。张勇等［37］又在粉煤灰活性焊剂的基础上，在粉煤灰中加入SiO₂进行TIG焊，二者比例为1∶1，所得到的焊缝熔深为4．26mm，熔宽为7．46mm，但焊缝析出物组织比常规焊接件粗大，焊缝硬度及焊缝热影响区的硬度高于常规焊件。

6结语

与常规TIG焊相比，A-TIG焊可有效地增加焊缝熔深，减少焊缝缺陷。对铝合金进行A-TIG焊，可增加

第11期马壮等:铝合金氩弧焊氧化物/卤化物活性剂研究进展3235

焊缝熔深、改善焊缝成形、提高焊接生产效率。铝合金A-TIG焊的活性剂主要有氧化物型、卤化物型、单质型活性剂型、复合型活性剂型，每种活性剂都不同程度的增加焊缝的熔深，其中复合活性剂型活性剂较其他几种类型活性剂有更多优势，具有巨大发展潜力。预计将会有更多地氧化物、卤化物活性剂用于A-TIG焊。

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