Q235钢由于热导率小、线膨胀系数大而在焊接过程中易产生热变形^[1]，这极大地限制了其在工程结构部件中的应用.钨极氩弧焊是目前常见的Q235钢焊接方法，但该种方法单道焊熔深浅、生产率低，而双面焊的焊接成本很高^[2-3].而活性钨极氩弧焊(简称A-TIG焊)可以有效解决上述问题，其实质是在传统钨极氩弧焊前将一层很薄的表面活性剂涂敷在焊接板材表面，使得焊缝熔深显著增加的焊接工艺^[4].由于活性剂可以使电弧收缩和改变熔池流动方式，电弧能量更为集中^[5]，A-TIG焊可实现中厚板的快速、小热输入焊接和单道焊双面成形效果，从而解决钢板在焊接过程中存在的热变形问题^[6].然而，A-TIG焊活性剂的关键在于的选择.目前，大部分活性剂的成分和配方都受到专利保护的限制，同时活性剂原料多采用分析纯市售化学试剂，在很大程度上提高了活性剂的成本^[7-8].因此，寻找一种绿色、高效和环保型活性焊剂原料成为今后活性焊接领域的重要研究方向.

粉煤灰是发电厂的煤粉高温燃烧产生的主要工业固体废弃物，粉煤灰的大量堆积不仅侵占了很多土地资源，而且也造成了严重的大气和水体污染^[9-10].但是，与其他煤炭伴生资源一样，粉煤灰亦具有十分重要的回收利用价值.粉煤灰的化学成分主要以SiO₂、Al₂O₃和碱性金属氧化物为主，而SiO₂和金属氧化物可作为活性剂在A-TIG焊过程中起到增加焊缝熔深的作用^[11-13]，这为粉煤灰作原料制备A-TIG焊活性剂提供了可能.研究采用阜新发电厂提供的粉煤灰，并辅以一定量的SiO₂作为活性剂在Q235钢表面进行A-TIG焊接试验，旨在探究粉煤灰应用于A-TIG焊活性剂的可行性.这对于拓宽A-TIG焊活性剂材料的新来源、推动A-TIG焊成本低廉化和实现煤炭固体废弃物高附加值利用具有重要意义.

试验用母材是Q235热轧钢，试样尺寸为100 mm×30 mm×6 mm.首先用角磨机对钢板进行打磨去除表面氧化膜，其次砂纸磨平除锈，最后用丙酮擦拭清洗以保证钢板被焊表面露出金属光泽且具有一定的粗糙度.试验用复合活性剂由阜新发电厂提供的粉煤灰和一定量SiO₂组成，粉煤灰的化学成分如表 1所示.粉煤灰中多含有未燃尽的C、S等，应对其进行中温煅烧热活化和脱碳、脱硫处理：在SX2-8-10中温箱式电阻炉中800 ℃保温2 h后随炉冷却.由于P元素等含量较少，暂不考虑其对焊缝质量带来的恶化问题，而去除粉煤灰中其他杂质的相关研究是技术成果向工业化转化过程中的重点内容.

表1(Table 1)

表 1 阜新发电厂粉煤灰的化学成分 Table 1 Chemical composition of fly ash from Fux in Thermal Power Plant (wt.%) Al2O3 SiO2 MgO Na2O CaO TFe2O3 K2O P2O5 TiO2 MnO Others 17.32 59.82 2.61 1.37 3.64 8.23 2.75 0.26 0.79 0.11 3.10

表 1 阜新发电厂粉煤灰的化学成分 Table 1 Chemical composition of fly ash from Fux in Thermal Power Plant

将按比例称量后的活性剂粉末与丙酮溶剂按1 g:4 mL溶解，并调制成粘度适中的悬浊液，采用长柄毛刷把活性剂涂敷在试件待焊区域，活性剂的涂敷方式如图 1所示，涂敷厚度以完全覆盖基体表面金属光泽为宜.然后将试样置于DHG-9076A型电热恒温鼓风干燥箱中烘干2小时后备用.

图 Figure1(Figure Figure1)

图 1 活性剂的涂覆方式 Figure 1 Coating process of activating flux

试验采用WS-500型直流钨极氩弧焊机与CG₁-30型焊接小车配合完成半自动A-TIG焊，以期实现对焊接速度和电弧长度的精确控制.为了保证试验数据的一致性和可比性，必须保证所有焊接工艺参数的精确设定，同时同一试样无活性剂区和有活性剂区焊接要一次完成.焊接工艺参数为焊接电流160 A，焊接速度115 mm/min，氩气流量7.5 L/min，电弧长度3.5 mm，钨极直径2.0 mm，喷嘴直径12 mm.采用DSM200型数码显微镜对焊缝截面尺寸及形貌进行观测.采用LEICA DM4000M型激光金相显微镜对焊缝显微组织进行观察.利用FEI QUANTA 200F型场发射扫描电镜对焊缝剖面进行线扫描元素分析，扫描方向由焊缝顶端中部垂直向下至熔合线最底端(由图 2所示)，其参数为电压30 kV、采点数300、加载时间1 500 ms.

图 Figure2(Figure Figure2)

图 2 线扫描示意图 Figure 2 Schematic diagram of elements analysis scanning

表 2为SiO₂含量对粉煤灰活性焊接接头焊缝尺寸影响.由表可以看出，在相同焊接工艺参数条件下，不同SiO₂含量的活性剂对焊缝熔深、熔宽的影响不同.随着SiO₂含量的增加，焊缝熔深在总体上呈先增加后降低趋势，并且在SiO₂含量为40%时达到峰值，可将6 mm厚Q235钢板一次性焊透.焊缝熔宽随SiO₂含量增加则呈不断“升高-降低-升高-降低”的波动性变化，在SiO₂含量为40%、70%和80%时熔宽值相对较小.通过计算可知，采用粉煤灰-40%SiO₂活性剂进行焊接时，焊缝深宽比最大，可达到0.85以上.

表2(Table 2)

表 2 不同SiO2含量对焊缝截面尺寸的影响 Table 2 Effect of SiO2 proportion on dimensions of welded joint SiO2含量/wt% 熔深/mm 熔宽/mm 深宽比 0 3.66 7.39 0.495 10 3.07 8.41 0.365 20 3.60 7.99 0.451 30 5.31 7.19 0.739 40 >6 7.02 >0.855 50 4.98 7.44 0.669 60 3.59 8.77 0.409 70 5.05 6.75 0.748 80 4.56 6.61 0.690 100 4.38 10.00 0.438

表 2 不同SiO2含量对焊缝截面尺寸的影响 Table 2 Effect of SiO2 proportion on dimensions of welded joint

结合Q235钢A-TIG焊的焊缝截面形貌(图 3)可知，当采用粉煤灰-40%SiO₂活性剂进行A-TIG焊时，焊缝出现明显的中间收缩倾向，呈“深口杯”状，类似于双面焊的焊缝熔池形状，焊缝无裂纹、气孔和夹杂等缺陷，说明A-TIG焊可实现“单道焊双面成型”的效果.这是由于表面活性剂中除SiO₂之外还存在较多的Al₂O₃、MgO和CaO等金属氧化物，氧化物共同作用导致电弧电离电压增大，进而使电弧电压增大，焊缝熔深、熔宽有所增加^[14].而其他SiO₂含量活性剂焊接时，焊接效果相对较差，焊缝熔深较浅、熔宽较大，呈“宽口碗”状.对比分析可知，粉煤灰-40% SiO₂复合活性剂焊接焊接效果最好.

图 Figure3(Figure Figure3)

图 3 Q235钢A-TIG焊的焊缝截面形貌 Figure 3 Weld cross-section of Q235 steel by A-TIG: (a) fly ash and 20% SiO2; (b) fly ash and 40% SiO2; (c) fly ash and 60% SiO2; (d) fly ash and 80% SiO2

图 4为不同活性剂的焊缝显微组织，由左至右依次为焊缝柱状晶、熔合区和热影响区.采用100%SiO₂活性剂进行焊接时，焊缝的柱状晶组织尺寸大小不一且排列不规则，柱状晶内部组织是以细小的针状铁素体为主，其沿晶界向内均匀生长; 而采用粉煤灰-40%SiO₂活性剂焊接时，焊缝内柱状晶数目较多、排列规则且方向性较强，柱状晶内部的针状铁素体数目略多、形态规则.在A-TIG焊过程中，采用粉煤灰-40%SiO₂作为活性剂进行焊接时电弧收缩作用和热输入增强作用更加显著，焊缝熔深有所增加，熔合区边界更长，散热速度更快，因而界面处晶粒反向择优生长的能力更强强，形成的柱状晶也排列规则且有方向性.

图 Figure4(Figure Figure4)

图 4 不同活性剂的焊缝显微组织 Figure 4 Microstructure of welded joint with different active flux:(a) active flux with 100% SiO2; (b) active flux with fly ash and 40% SiO2

对比热影响区组织可以发现，采用粉煤灰-40%SiO₂作为活性剂时热影响区组织更为均匀细小，这是由于焊缝熔深较深、界面更大，导致界面处散热面积大、散热速度快，奥氏体在快速冷却条件下形核较多且晶粒长大的时间短，因而形成的晶粒更为均匀细小、减小了母材的过热倾向^[15].而在柱状晶和热影响区之间存在明显的等轴晶和网状共晶组织的熔合区，该区域是发生裂纹和脆性破坏的根源^[16].相比之下，粉煤灰-40%SiO₂活性剂焊接时等轴晶和网状共晶组织更加细小均匀，焊接接头具有更好的强度和韧性^[17].

图 5为Q235钢焊接接头的焊缝元素分布测试结果.可以看出，采用100%SiO₂作为活性剂时，与无活性剂时Si元素的分布(图 5(a))对比可知，焊缝中Si元素在深度2 000 μm以下的溶入量略有增加，但增幅并不明显.而当采用粉煤灰-40%SiO₂作为活性剂时，Si元素的溶入量明显增加，溶入深度可达到距焊缝表面2 000 μm以上，这说明粉煤灰中其他成分的存在可能有助于Si元素溶入焊缝、进而增加焊缝熔深.Al元素的溶入效果十分明显，当溶入深度处于2 000 μm以内时，Al元素的溶入量较多，而超出这一范围时溶入量减少.相对Si元素的分布状态，Al元素在熔池表面及中部的富集相对更为显著.

图 Figure5(Figure Figure5)

图 5 Q235钢焊接接头的焊缝元素分布 Figure 5 Elemental distribution of welding joint of Q235 steel:(a) Distribution of element Si in the weld seam without active flux; (b) Distribution of element Si in the weld seam with 100% SiO2 active flux; (c) Distribution of element Si in the weld; (d) Distribution of element Al in the weld seam with 40% SiO2 active flux seam with 40% SiO2 active flux

根据电弧收缩理论^[18]，活性剂可以通过强迫冷却使电弧收缩，进而提高电弧的能量密度、温度和电弧力，从而使焊缝熔深增加、熔宽收缩.由于试验中粉煤灰-40%SiO₂作为活性剂时焊缝熔宽值较小，因此电弧收缩也是影响焊缝熔深、熔宽的主要原因之一.但考虑到Al元素溶入较深且溶入量较多，试验结果并非是单纯的电弧收缩引起的.粉煤灰中物相十分复杂，在高温电弧作用下各物相之间相互反应放热使电弧热输入增加、其他组分在熔池中改变了熔池表面张力温度梯度等均可能使焊缝熔深增加^[19-20]，而粉煤灰中各组分在焊缝熔深增加中的具体作用机理还有待进一步研究.

结合焊缝截面形貌考虑，采用粉煤灰-40%SiO₂作为活性剂进行焊接时可将6 mm厚的Q235钢板一次性焊透，这表明粉煤灰-40%SiO₂作为活性剂对焊缝熔深增加、熔宽收缩起到积极的作用.因此，粉煤灰-40%SiO₂活性剂增加焊缝熔深、熔宽的作用机理极可能是以电弧收缩理论为主，热输入增加理论和表面张力温度梯度改变理论共同作用产生的.

1) 采用粉煤灰-40%SiO₂作为活性剂进行Q235钢直流A-TIG焊时，可将6 mm厚钢板一次性焊透.焊缝截面出现了明显的中间收缩倾向，呈“深口杯”状，实现了“单道焊双面成型”的效果.

2) 采用粉煤灰-40%SiO₂作为活性剂时，焊缝柱状晶组织排列规则且具有方向性，熔合区和热影响区组织均匀细小.

3) 添加表面活性剂后，Si元素的溶入量和溶入深度显著增加，说明粉煤灰中其他成分对Si元素溶入焊缝、进而增加焊缝熔深起到促进作用.粉煤灰增加焊缝熔深的作用机理可能是由电弧收缩理论、热输入增加理论和表面张力温度梯度改变理论等共同作用产生的.