ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG) получила широкое распространение благодаря таким преимуществам, как хороший защитный эффект, стабильная дуга, лёгкая регулировка тепловложения, уменьшение разбрызгивания металла и привлекательный внешний вид сварного шва. Однако относительно неглубокое проплавление и низкая эффективность ограничивают её применение. Для повышения эффективности сварки и расширения сферы её применения отечественные и зарубежные учёные провели значительные исследования, направленные на повышение плотности энергии традиционной дуги TIG. К ним относятся активирующая дуговая сварка TIG (A-TIG) с использованием флюса, наносимого на поверхность сварочного стыка. Дальнейшее обсуждение механизма повышения плотности энергии дуги при сварке А-TIG позволит нам предложить новые идеи и методы для высокоэффективной технологии производства сварочных процессов TIG. Цель настоящей работы: оценка технологического потенциала метода применения оксидных активирующих флюсов TiO₂ и SiO₂ для повышения эффективности проплавления и качества сварочного процесса углеродистых и низколегированных сталей. Методы и материалы исследований. В работе проводили сравнительные испытания сварки A-TIG пластин толщиной 3,5 и 8 мм (300×300 мм), изготовленных из нелегированной (углеродистой) стали Ст3, а также низколегированной стали 09Г2С. Сварочные испытания включали в себя применение однокомпонентных флюсов в виде оксидов (TiO₂, SiO₂). Все экспериментальные сварные швы выполнялись в одинаковых условиях, без использования присадочного металла (сварка TIG), током в диапазоне 10…200 А со скоростью сварки 150 мм/мин. Напряжение дуги ограничивалось в диапазоне от 10,4 до 12,8 В; погонная энергия – в диапазоне от 0,499 до 0,614 кДж/мм. Все сварные швы подвергались визуальному контролю состояния поверхности и макроструктурным исследованиям для определения их размеров. Результаты и обсуждения. В большинстве испытаний наблюдалось существенное различие в форме дуги по сравнению с традиционными процессами TIG и A-TIG. Результаты испытаний сварки A-TIG нелегированных и низколегированных сталей показали, что глубина проплавления незначительно увеличивалась в сталях, характеризующихся более высокой степенью раскисления и металлургической чистотой. Очевидно, что не каждый активатор отвечал за увеличение глубины проплавления, однако использование оксидов TiO₂ и SiO₂ оказалось, несомненно, благоприятным. Предложен механизм сжатия дуги для сварки A-TIG стали с различными типами исследованных флюсов. Сужение дуги происходит из-за образования отрицательных ионов во внешней области дуги или из-за флюса на поверхности. Таким образом, сужение дуги повышает плотность тока и интенсивность тепла в корне анода. Это увеличивает силу и давление магнитного сжатия, и таким образом возникает сильный конвекционный поток вниз. Использование оксидов кремния и титана (TiO₂ и SiO₂) приводит к увеличению глубины проплавления при сварке A-TIG, независимо от типа и марки стали. Степень увеличения глубины проплавления ограничивалась диапазоном от 40 до 200 %.

1. Контракция дуги флюсом при сварке вольфрамовым электродом в аргоне / Б.Е. Патон, В.Н. Замков, В.П. Прилуцкий, П.В. Порицкий // Автоматическая сварка. – 2000. – № 1. – С. 3–9.

2. Савицкий М.М., Кушниренко Б.Н., Олейник О.Н. Особенности сварки сталей вольфрамовым электродом с активирующими флюсами // Автоматическая сварка. – 1999. – № 12. – С. 18–22.

3. Acharya S., Patra S., Das S. Predicting A-TIG weld bead geometry of 304 stainless steel using artificial neural networks // Discover Mechanical Engineering. – 2025. – Vol. 4 (1). – P. 12. – DOI: 10.1007/s44245-025-00096-5.

4. Modenesi P.J. The chemistry of TIG weld bead formation // Welding International. – 2015. – Vol. 29 (10). – P. 771–782. – DOI: 10.1080/09507116.2014.932990.

5. Mohsein Z.H., Abdulwahhab A.B., Abbas A.M. Study effect of active flux on mechanical properties of TIG welding process // Results in Engineering. – 2025. – Vol. 26. – P. 104681. – DOI: 10.1016/j.rineng.2025.104681.

6. Görgün E. Advancing welding quality through intelligent TIG welding: A hybrid deep learning approach for defect detection and quality monitoring // Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi. – 2025. – Vol. 16 (3). – P. 677–685. – DOI: 10.24012/dumf.1642978.

7. Morisada Y., Fujii H., Xukun N. Development of simplified active flux tungsten inert gas welding for deep penetration // Materials & Design. – 2014. – Vol. 54. – P. 526–530. – DOI: 10.1016/j.matdes.2013.08.081.

8. Dhandha K.H., Badheka V.J. Effect of activating fluxes on weld bead morphology of P91 steel bead-on-plate welds by flux assisted tungsten inert gas welding process // Journal of Manufacturing Processes. – 2015. – Vol. 17. – P. 48–57. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2014.10.004.

9. Nayee S.G., Badheka V.J. Effect of oxide-based fluxes on mechanical and metallurgical properties of dissimilar activating flux assisted-tungsten inert gas welds // Journal of Manufacturing Processes. – 2014. – Vol. 16 (1). – P. 137–143. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2013.11.001.

10. A review on welding techniques: properties, characterisations and engineering applications / C. Shravan, N. Radhika, N.H. Deepak Kumar, B. Sivasailam // Advances in Materials and Processing Technologies. – 2023. – Vol. 10. – P. 1126–1181. – DOI: 10.1080/2374068X.2023.2186638.

11. A critical review on advanced welding technologies to fabricate test blanket modules and irradiation damage behaviour of the welded joints in nuclear fusion applications / H. Mi, J. Ma, L. Feng, W. Guo, B. He // Journal of Manufacturing Processes. – 2025. – Vol. 141. – P. 829–864. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2025.03.025.

12. Fande A.W., Taiwade R.V., Raut L. Development of activated tungsten inert gas welding and its current status: A review // Materials and Manufacturing Processes. – 2022. – Vol. 37 (8). – P. 841–876. – DOI: 10.1080/10426914.2022.2039695.

13. Effects of activating flux on arc phenomena in gas tungsten arc welding / M. Tanaka, T. Shimizu, T. Terasaki, M. Ushio, F. Koshiishi, C.-L. Yang // Science and Technology of Welding and Joining. – 2000. – Vol. 5 (6). – P. 397–402. – DOI: 10.1179/136217100101538461.

14. Бабкин А.С., Котов Н.С., Терехов В.В. Влияние активирующих флюсов на характеристики электрической дуги и качество швов при сварке аустенитных сталей // Известия ТулГУ. Технические науки. – 2022. – № 10. – C. 507–514. – DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-507-514.

15. Исследования продуктов переработки отходов кремния в качестве ультрадисперсных активирующих флюсов для дуговой сварки / Н.Н. Иванчик, А.Е. Балановский, В.В. Кондратьев, А.А. Тютрин // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. – 2018. – № 11 (2). – C. 155–167. – DOI: 10.17516/1999-494X-0019.

16. Паршин С.Г. Наноструктурированные и активирующие материалы для дуговой сварки. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2020. – DOI: 10.18720/SPBPU/2/si20-888.

17. Jayakrishnan S., Chakravarthy P. Flux bounded tungsten inert gas welding for enhanced weld performance – A review // Journal of Manufacturing Processes. – 2017. – Vol. 28. – P. 116–130. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2017.05.023.

18. Bhanu V., Gupta A., Pandey C. Role of A-TIG process in joining of martensitic and austenitic steels for ultra-supercritical power plants – a state of the art review // Nuclear Engineering and Technology. – 2022. – Vol. 54 (8). – P. 2755–2770. – DOI: 10.1016/j.net.2022.03.003.

19. Pandya D., Badgujar A., Ghetiya N. A novel perception toward welding of stainless steel by activated TIG welding: a review // Materials and Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 36 (8). – P. 877–903. – DOI: 10.1080/10426914.2020.1854467.

20. Kumar N., Pandey C., Kumar P. Dissimilar welding of Inconel alloys with austenitic stainless-steel: a review // Journal of Pressure Vessel Technology. – 2023. – Vol. 145 (1). – P. 011506. – DOI: 10.1115/1.4055329.

21. Martyushev N.V., Skeeba V.Yu. The method of quantitative automatic metallographic analysis // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 803 (1). – P. 012094. – DOI: 10.1088/1742-6596/803/1/012094.

22. Comprehensive studies on conventional and novel weld cladding techniques and their variants for enhanced structural integrity: an overview / S. Kavishwar, V. Bhaiswar, S. Kochhar, A. Fande // Welding International. – 2024. – Vol. 38 (9). – P. 618–638. – DOI: 10.1080/09507116.2024.2402285.

23. Sharma P., Dwivedi D.K. A-TIG welding of dissimilar P92 steel and 304H austenitic stainless steel: Mechanisms, microstructure and mechanical properties // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 44. – P. 166–178. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.06.003.

24. Research on the possibility of lowering the manufacturing accuracy of cycloid transmission wheels with intermediate rolling elements and a free cage / E.A. Efremenkov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, M.V. Grechneva, A.V. Olisov, A.D. Ens // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 5. – DOI: 10.3390/app12010005.

25. Vidyarthy R.S., Dwivedi D.K., Vasudevan M. Influence of M-TIG and A-TIG welding process on microstructure and mechanical behavior of 409 ferritic stainless steel // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2017. – Vol. 26 (3). – P. 1391–1403. – DOI: 10.1007/s11665-017-2538-5.

26. Zhang R.H., Pan J.L., Katayama S. The mechanism of penetration increase in A-TIG welding // Frontiers of Materials Science. – 2011. – Vol. 5. – P. 109–118. – DOI: 10.1007/s11706-011-0125-5.

27. Singh S.R., Khanna P. A-TIG (activated flux tungsten inert gas) welding: – A review // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 44. – P. 808–820. – DOI: 10.1016/j.matpr.2020.10.712.

28. Research advances in high-energy TIG arc welding / H. Wu, Y. Chang, Q. Mei, D. Liu // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 104 (1). – P. 391–410. – DOI: 10.1007/s00170-019-03918-5.

29. Tseng K.H., Lin P.Y. UNS S31603 stainless steel tungsten inert gas welds made with microparticle and nanoparticle oxides // Materials. – 2014. – Vol. 7 (6). – P. 4755–4772. – DOI: 10.3390/ma7064755.

30. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – DOI: 10.1007/s11015-022-01271-9.

31. Study of mechanical properties of C-Mn-Si composition metal after wire-arc additive manufacturing (WAAM) / A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, V.V. Kondratyev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2021. – Vol. 22. – P. 66–71. – DOI: 10.17580/cisisr.2021.02.12.

32. Study of wear of an alloyed layer with chromium carbide particles after plasma melting / A.I. Karlina, Y.I. Karlina, V.V. Kondratiev, R.V. Kononenko, A.D. Breki // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (12). – P. 1696. – DOI: 10.3390/cryst13121696.

33. Comparative evaluation of austenite grain in high-strength rail steel during welding, thermal processing and plasma surface hardening / A.D. Kolosov, V.E. Gozbenko, M.G. Shtayger, S.K. Kargapoltsev, A.E. Balanovskiy, A.I. Karlina, A.V. Sivtsov, S.A. Nebogin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560. – P. 012185. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012185.

34. Strengthening of metallurgical equipment parts by plasma surfacing in nitrogen atmosphere / N.N. Malushin, R.A. Gizatulin, N.V. Martyushev, D.V. Valuev, A.I. Karlina, A.P. Kovalev // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1468–1475. – DOI: 10.1007/s11015-022-01292-4.

35. Alloying and modification of iron-carbon melts with natural and man-made materials / O.I. Nokhrina, R.A. Gizatulin, M.A. Golodova, I.E. Proshunin, D.V. Valuev, N.V. Martyushev, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1429–1448. – DOI: 10.1007/s11015-022-01289-z.

36. Change in the properties of rail steels during operation and reutilization of rails / K. Yelemessov, D. Baskanbayeva, N.V. Martyushev, V.Y. Skeeba, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 1043. – DOI: 10.3390/met13061043.

37. Hybrid processing: the impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126 (1). – P. 012016. – DOI: 10.1088/1757-899x/126/1/012016.