钨极氩弧焊 (简称氩弧焊 )用焊剂又称氩弧焊用活性焊剂，是乌克兰的巴顿焊接研究所 (PWI)在 60年代首创的一种目的在于增加氩弧焊焊缝熔深的焊剂产品，目前习惯将使用此类焊剂的氩弧焊工艺称为 A- TIG。 A- TIG通过大幅度增加焊接熔深而提高焊接生产率，可将 12 mm厚碳锰钢一道焊成单面焊双面成形焊缝而引人注目 <1>，该工艺在 90年代已进入实用阶段。 90年代美国、英国、日本也致力于氩弧焊用焊剂的研究、发展与应用，显示了氩弧焊用焊剂具有独 特的优势。本文结合我所氩弧焊用焊剂的研究结果，介绍这一新的焊接用焊剂产品的发展及应用状况。1氩弧焊用焊剂的产生背景 氩弧焊是高质焊接的代表，可获得高纯净度超低氢的优质焊缝，常用来焊接有色金属、不锈钢、 超高强度钢，特别是在进行单面焊双面成形的焊接时，可形成高质量的具有良好反面成形的焊道，这是其它焊接方法所难以比拟的。但是常规的氩弧焊单道焊熔深有限(约 3 mm)，厚板焊接时需开坡口进行多层多道焊，焊接过程繁琐、成本高、效率低下，明显限制了该工艺方法的应用范围，同时，氩弧焊在焊接 AOD法冶炼的材料如不锈钢时，焊缝熔深随微量 S的波动而明显地发生变化，也是一个急待解决的问题。氩弧焊用焊剂的出现，可在确保氩弧焊原有 优势的同时，极大地增加焊缝熔深，可使焊接效率大幅度提高、接头制造成本显著降低，拓宽了氩弧焊的使用范围(可焊板厚达 25 mm)，使用焊剂涂层后的焊缝熔深的增加效果见图 1、图 2。 2使用特点 氩弧焊用焊剂以涂层状态使用，焊前首先将焊剂粉末与丙酮或甲乙酮混合成糊状物或悬浊液，对接试板通常使用直边坡口，点焊固定后，采用人工刷涂或机械刷涂的方法 (也可采用喷涂 )将焊剂粉末涂覆在待焊焊道表面，涂层宽约 1～ 2 cm,溶剂挥发后细微焊剂粉末吸附在待焊焊道表面形成涂层，涂层的厚度一般以充分遮盖打磨后的焊道表面的金属光泽为度，不宜过厚或过薄，采用手工焊或自动焊 (焊道背面氩气保护 )，背面成形良好，自动焊 (具有 AVC功能或用机械装置控制弧长 )弧长稳定、焊速均匀，可获得最佳效果，例如 6～ 8 mm的不锈钢直边坡口对接焊可不填丝一道焊成，使得对接焊过程简洁，降低了焊接成本。 3焊剂的基本类型与效能 3 1卤素化合物型 图 1相同焊接工艺参数下，使用与不使用焊剂涂层的堆焊效果 (板厚 6 mm的不锈钢， E=1． 2 kJ/mm。右边二焊缝使用焊剂涂层，左边焊缝不使用涂层 )图 2使用焊剂涂层后板厚 12 mm的不锈钢堆焊 (E=4.0 kJ/mm,熔深 12 mm) 早期的氩弧焊用焊剂主要由前苏联开发并用于焊接钛合金，形成了以氟化物和氯化物为主的焊剂涂层系列，该类型焊剂可使 7 mm厚钛合金直边坡口对接焊一道焊成，其最大的缺点是焊剂组分的毒性大，不便于应用和推广。 3． 2氧化物和氟化物型 氩弧焊用焊剂用于焊接不锈钢、碳钢时，其成分转化为以氧化物和氟化物为主或纯粹由氧化物组成，例如一种氧化物和氟化物焊剂由 (8％～ 9％） TiO2-（ 7％～ 8％） K2O-（ 18％ ～ 22％） BaO-（ 14％～ 16％） SiO2-（ 45％～ 53％） Li3AlF6组成；日本使用的一种焊剂成分为 25％ SiO2- 7％ TiO2- 35％ CaO- 20％ CaF2- 2％ Al2O3- 4％ FeO- 7％ MnO；美国最近开发的焊剂 LFX- SS7则由氧化物组成。据相关资料估计 <1～ 3>，使用焊剂涂层不填丝单道焊接不锈钢的板厚极限应在 8 mm左右，最大不会超过 10 mm。目前，使用最成功的是巴顿焊接研究所开发的用于碳钢焊剂涂层，该焊剂可使 12 mm厚钢板的对接焊一道焊成 (全位置焊接 )，焊接过程中出现小孔效应， 25 mm厚钢板的对接焊双面焊两道焊成，其焊接效率仅次于埋弧焊和熔化极气保焊，可成为其替代工艺，其焊接效率见图 3。 4作用机理与特点 4 1作用机理 由于氩弧焊用焊剂种类不同，所焊接的金属种类也不同，氩弧焊用焊剂使焊接电弧收缩增加熔深的机理显然是多方面的。一种较为普遍认可的机理是：焊接时，涂敷于阳极 (工件 )的焊剂中的卤素化合物在电弧热的作用下挥发出来，所产生的电负性元素吸附了位于阳极的电弧中 外围区域用于电弧导电的电子致使阳极电弧收缩，并导致阳极压降及电场强度的增加，从而增加了 电弧在阳极区的产热量及熔透能力。目前对于氧化物致使电弧收缩的原因初步归结为挥发态的氧化物也具有吸附电子的能力<4>。考虑到电弧的收缩会导致电弧中等离子流运动状态的改变以及熔池中熔融金属流运动状态的 改变，氩弧焊用焊剂使焊接电弧收缩增加熔深的机制有一定的复杂性。文献认为，熔池中熔融金属流的运动会冷却电弧，导致电弧的二次收缩，进而使电弧穿出12 mm厚钢板以小孔效应进行焊接，这明显与被焊金属熔池的流动性、导热能力强有关，这也决定了钛 合金、不锈钢使用氩弧焊用焊剂后电弧穿透能力应次于碳钢、低合金钢，由于被焊金属熔池中自上而下的环流在阳极斑点中心交汇，所形成的焊缝形状见图4。 4 2作用特点 氩弧焊用焊剂对焊接熔池的作用特点是：能显著增加电弧的能量密度 ,增加焊缝熔深，获得深宽比为 2～ 3的焊缝，由于每米焊道焊剂消耗量在 0 3 g左右，对焊缝主要合金成分的质量分数产生影响的可能性极小，同时，依然可以保证焊缝金属保持很低的 S， P， O， N的质量分数 (N合金化除外 )。 5氩弧焊用焊剂在国外的发展与应用状况 5 1氩弧焊用焊剂在原苏联的发展与应用 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，以氧化物和氟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～ 10 mm的焊缝，尽管当时人们并不了解其机理 <3>； 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自动焊而言，使用焊剂涂层仍是其最主要的特点，还可能包括其它微小的工艺改进，例如，使用空心钨极。 A- TIG在焊接 12 mm厚对接钢板时所使用的焊剂量约为 0.1～ 0． 5 g/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等同。该焊接工艺已通过相关试验，可用于航空航天、化学工业、压力容器、电力设备、核电设施等领域。A- TIG焊接的有关材料所获得的焊缝性能见表 1。 5． 2氩弧焊用焊剂在美国的发展与应用 美国在氩弧焊用焊剂的研究方面远远落后前苏联， 1993年美国的爱迪生焊接研究所 (EWI)与海军连接中心 (NJC)开始进行氩弧焊用焊剂的研究，该项目总投资 80万美元，用以开发不锈钢、碳钢、镍基合金及钛合金的氩弧焊用焊剂，其中不锈钢与碳钢氩弧焊用焊剂分项目的研究费用为 25万美元，该分项目于 1998年基本完成，其开发的不锈钢氩弧焊用焊剂 SS系列已商品化，不锈钢与碳钢氩弧焊用焊剂已投入工业应用 <5,6>，目前其镍基合金用焊剂也已开发出来，正在开发铝、钛用活性焊剂产品。 SS系列焊剂可用于 300多种奥氏体不锈钢的焊接，使焊缝熔深增加到 9 mm以上， SS7焊剂用于焊接直径 13 cm、壁厚 7 mm左右的不锈钢钢管的优越性已得到认可，采用直边坡口，两个焊道即可完成钢管的对接 (第二道需加丝以填满第一道留下的微弱的凹陷 )。 SS7焊剂可采用人工方法刷涂，焊剂涂层的厚度以涂层充分遮盖钢的本色为宜 (相应的厚度约为 0． 013 mm，焊剂消耗量约为 0． 3 g/m),也可采用机械刷涂焊剂涂层的新方法，以利于大规模应用，提高涂层厚度均匀性，这两种刷涂方法都可使 SS7焊剂获得工业应用。其所出售的焊剂 LFX- SS7配有混合焊剂及溶剂用瓶、涂敷用刷、介绍如何使用的光盘等，该焊剂不含硫、碳氢化合物及氟化物。 图 3不同焊接方法焊接 1 m长碳锰钢钢板的焊接时间对比 (完成焊接所需的焊道数量 )表 1 A- TIG焊接的材料及所获得焊缝的力学性能 图 4被焊金属熔池的独特的流动状态所形成的焊缝形状 (不锈钢，熔深 10 mm)表 3试验用焊接工艺参数及所获得的焊缝尺寸 表 2 SS7焊剂所焊接材料成分及所获得焊缝的力学性能 在不锈钢焊接方面， SS系列焊剂和常规的自动氩弧焊设备配合可有以下优点：减少或清除各炉次钢板由微量元素差异而造成熔深差异，减少坡口加工量，在焊接 6～ 7 mm厚的钢材时，一道即基本完成对接，减少焊接变形，同时，焊缝质量不受影响，其根部焊缝成分及性能见表 2。目前，尚无公开的文献发表以了解美国开发的用于碳钢的氩弧焊焊剂的情况。 美国开发的不锈钢与碳钢氩弧焊用焊剂已用于一艘双体船壳体及两艘油轮的建造，和常规焊接工艺相比，可节省工时 75％，海军方面正使用该焊剂焊接舰船及潜艇用管道系统 <6>和某些零部件。该类焊剂可应用于航空航天、化学工业、压力容器、海洋工程等领域，估计 5年后将有 29∶ 1的投资回报率。 5 3氩弧焊用焊剂在其它国家发展与应用 日本近年来也开发了氩弧焊用涂层状焊剂 <7>，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厂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用焊剂用于工业生产的项目已取得进展，该项目总投资
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