钨极惰性气体保护电弧焊方法与设备使用

焊接方法与设备使用焊接教研室王立跃2009.2国家重点培育院校焊接技术及自动化专业精品课程任务5钨极惰性气体保护电弧焊方法与设备使用（TIG）重点：①TIG焊的焊材：电极、焊丝；②TIG焊工艺；③脉冲TIG焊难点：①交流TIG焊；②TIG焊工艺（尤脉冲焊工艺）学习建议：①应把TIG焊与其它焊接方法的特点进行对比，以促进理解、把握关键；②课本的内容不够完善，应注意所补充的有关电极、工艺措施、脉冲TIG焊等有关内容；③通过练习制订相应的焊接工艺等实践环节来培养和提高工艺能力和经验。第一节TIG焊的特点及应用•几个概念：钨极惰性气体保护电弧焊（tungsteninert-gasarcwelding）使用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨等）作为电极的惰性气体保护电弧焊，简称TIG焊,GB/T5185-1985的标注代号是141。钨极气体保护电弧焊GTAW（gastungstenarcwelding）钨极氩弧焊argontungstenarcwelding（141）氩弧焊argonarcwelding•背景：1930s，航空工业的大发展提出有色金属的焊接要求，而MMA和SAW不能很好地解决这个问题（此前有原子氢焊，但氢危险且焊钢时有焊缝增氢问题）。为适应有色金属的焊接，钨极氩弧焊应运而生。一、TIG焊的原理（如图）二、TIG焊的特点优点（1）几乎可以焊接所有的金属或合金（2）焊接质量好（焊缝纯净、成形好、热影响区小）（3）适于薄板及打底／全位置（4）无飞溅缺点焊接效率低、成本高；对焊前清理要求严格；需要特殊的引弧措施；紫外线强烈、臭氧浓度高；抗风能力差。焊接过程动画三、TIG焊的应用材料：多用于有色金属及其合金厚度：多用于薄件（从生产效率考虑，以3mm以下为宜）位置：多用于打底（单面焊双面成形），薄件及管-管、管-板也用于填充和盖面第二节TIG焊的电流种类和极性TIG焊电流种类和极性计有直流：正接反接交流：正弦交流变极性方波交流它们各有不同的特点和适用场合，应正确选择。一、直流TIG焊极性优点缺点应用正接(DCEN)载流能力强、熔深大、烧损少、引弧易没有阴极清理作用用于大多数的焊接场合（除Al、Mg外）反接(DCEP)有阴极清理作用载流能力弱、熔深小、烧损严重、引弧难实际很少采用正接与反接焊接效果图•钨极电流承载能力及阴极清理作用（阴极雾化作用）的机理直流正、反接时带电粒子的运动如图：反接时如左图，工件为阴极，正离子向工件运动。因阴极区有很高的电压降，在电场作用下正离子高速撞击工件（上的氧化膜），使氧化膜破碎、分解而被清理掉。又由于阴极斑点总是优先在氧化膜处形成（那里电子逸出功低），阴极斑点又在邻近氧化膜上发射电子，继而氧化膜又被清除……正接时如右图，这时电子向工件运动，虽数量多，但体积、质量太小，不能击碎氧化膜，没有清理作用。但此时大量电子从钨极上发射，带走大量能量（对钨极产生冷却作用），所以钨极烧损少、电流承载能力大。但这时大量电子从工件向钨极运动，把大量能量交给钨极，导致其温度升高而烧损。要避免烧损，只有减小电流！（电流承载能力通常只有正接的1/10，电流太小，无实用价值。）二、交流TIG焊⑶变极性方波交流itit应用：用于焊接铝、镁、铝青铜等合金（表面易氧化、氧化膜致密）。正半周电极烧损降低，负半周获得阴极清理作用／熔深和钨极的电流承载能力介于DCEN与DCEP之间（左图）。DCENAC⑴正弦波交流交流的电流形式⑵变脉宽方波交流ti正弦波交流：设备简单，但电弧稳定性差（要有特别稳弧措施）、有直流分量（要有特别措施消除）。变脉宽方波交流：设备复杂，但电流参数灵活、电弧稳定、钨极烧损少，比正弦波交流有优势。变极性方波交流：特点与变脉宽方波交流相同，但更好（因负半周电流大小对阴极清理作用影响更大）交流TIG焊由于电弧每秒100次过零点，加上电极（钨）与焊件（钢、铝等）的物理性质、体积差别巨大，导致正、负半波电流波形严重不对称（正半波大、负半波小），带来以下问题需要解决：1、过零点复燃（稳弧）解决办法：用高压脉冲（≥1500V）稳弧2、回路直流分量的消除解决办法：在回路中串接电容器（隔直传交）it除以上的电流形式外，TIG焊还可以用脉冲电流形式（包括直流脉冲和交流脉冲，将在第五节介绍）第三节TIG焊设备•编号方法如WSJ-400、WSM-400、WSE-400等（各项字母的意义参见GB/T10249-1988《电焊机型号编制方法》）一、分类及组成分类（略）组成：电源控制系统引／稳弧装置焊枪供气系统（水冷系统）(自动焊设备还应包括焊接小车和送丝装置)（一）焊接电源直流电源、交流电源、交直流电源均采用陡降或垂直下降外特性。陡降外特性的电源与普通电弧焊的并无多大差别，原则上可以通用。多特性电源（我国清华大学1980s的专利）逆变电源（发展方向）（二）焊枪及电极1、焊枪（编号规则见P140）水冷焊枪QS（大电流焊接用I＞100A）如：QS-75/400气冷焊枪QQ（小电流焊接用I≤100A）如：QQ-85/100-C结构组成如右图，外观如下图。喷嘴内径DN、长度l0和钨极直径dw之间的关系大致为（单位mm）：DN=(2.5~3.5)dwL0=(1.4~1.6)DN+(7~9)喷嘴有陶瓷、纯铜、石英喷嘴。陶瓷喷嘴焊接电流不能超过350A，纯铜喷嘴使用电流可达500A。常用的以陶瓷喷嘴比较多见。各种形状的喷嘴见右图。喷嘴孔径与钨极尺寸之间的相应数值关系大致为：喷嘴孔径/mm钨极直径/mm6.40.581.09.51.6或2.411.13.22、电极纯钨----应用最早，适用交流焊接，综合性能欠佳钍钨----传统电极，综合性能较好，国外多用，有放射性。铈钨----在低电流下有优良的起弧性能，维弧电流较小，常用于管道、不锈钢制品和细小精致部件的焊接。放射性剂量极低，在直流小电流时，是钍钨电极的首选替代品。镧钨----焊接性能优良，耐用电流高而烧损率低；导电性能接近于2％钍钨（无论交直流，对习惯了钍钨的焊工，无需改变任何焊接操作程序就能方便地使用这种钨极，以免受放射性危害）。锆钨----在交流条件下，焊接性能良好，尤其在高负载电流时，电极端部能保持圆球状而减少渗钨现象，并有良好的抗腐蚀性。（抗氧化性强，可用于空气等离子弧切割）钇钨----焊接时弧束细长，压缩程度大，在中、大电流时其熔深最大。目前主要用于军事工业和航空航天工业。复合电极----在钨基中添加两种（以上）稀土氧化物，全面提高电极的综合性能。（目前未见定型产品，已列入国家新产品开发计划，应密切关注）。注意：不同的电极在端部有不同的颜色标记，可据此判断电极的种类（点击看附表）补充：1、钨极的端部形状为适应不同场合的焊接要求，钨极端部要磨成不同的形状，常见的有（如图）：（1）尖锥状适用于直流（正接），交流亦可锐角（通常为30°左右）尖锥状----适用于小直径钨极、小电流焊接的场合钝角尖锥状（通常90°）----适用于大直径钨极、大电流焊接的场合不同的锥角时电弧的形态和焊缝熔深见上图。尖锥状的电极为防止尖端烧损，可把尖端磨成一个小平台。（2）(半)球状适用于交流焊接★打磨钨极应注意使端部形状均匀一致、磨痕方向正确。2、打磨钨极的安全措施磨削钨极应采用密封式或抽风式砂轮机（有专用的钨极磨尖机），焊工应带口罩，磨削完毕，应用肥皂洗净手脸，最好下班后淋浴。钍钨极和铈钨极应放在铝盒内保存。★修磨钨极的方法可参见:威特仕（深圳）焊接有限公司代理的钨极磨尖机国外的钨极磨尖机2、气体1、氩气----应符合GB∕T4842-1995《纯氩》的要求，纯度≥99.99％（V∕V）焊接用的氩气常以气态形式装于气瓶中。气瓶的最高工作压力为15MPa，瓶身涂色为灰色并注有绿色“氩”字样。2、氦气----应符合GB4844.2-1995《纯氦》的要求，纯度≥99.99％（V∕V）（合格品）以上均为惰性气体（惰性在此的意义：既不与金属发生反应，也不溶解于液态金属中）★TIG焊既可以用纯氩气，也可以用氦气（电弧热量大）但价格昂贵，同时也可以用混合气体包括惰性混合气（如Ar-He混合气）和活性混合气（如Ar-CO2等）。详细≫≫3、焊材TIG焊的焊材主要为实芯焊丝（焊棒rod）。（1）钢类焊丝可用的焊丝包括：①实芯焊丝⑴GB/T14957-1994《熔化焊用钢丝》⑵YB/T5092-1996《焊接用不锈钢丝》⑶GB/T8110-1995《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》都可选用，其中GB/T8110-1995被推荐用于钨极气体保护电弧焊。②药芯焊丝（包括GB/T10045-1988《碳钢药芯焊丝》和GB/T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》）TIG焊有时也可以用药芯焊丝（有专用的TIG焊打底用药芯焊丝），打底时可以免去反面充氩保护。（2）有色金属焊丝1、GB/T10858-1989《铝及铝合金焊丝》2、GB/T9460-1988《铜及铜合金焊丝》3、GB/T15620-1995《镍及镍合金焊丝》手工TIG焊时，可以用以上的焊丝截成段，也有商品焊棒。供气及供水系统1、供气系统气瓶（灰色）－减压／流量计－电磁气阀→焊枪2、水冷系统（用于焊接电流＞150A时）开放式（国产机多见，浪费水）循环式（进口机多见，节约水）（三）控制系统控制的功能越来越复杂，不同品牌的设备其功能不尽相同，但有些功能是最基本的，如程序控制、引弧、提前送气/滞后断气、电流衰减等。控制系统正向数字化方向发展。（四）典型TIG焊设备（略）第四节TIG焊工艺•钨极惰性气体保护焊通用技术要求参见JB/T9185-1999《钨极惰性气体保护焊工艺方法》（规定了钨极惰性气体保护焊的接头与坡口设计、材料、焊接工艺等）一、坡口形式及尺寸（可参考JB/T9185-1999的相关内容和GB/T985-1988《气焊、焊条电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》来选定）二、焊前清理氩弧焊时，对材料的表面质量要求很高，焊前必须经过严格清理，清除填充焊丝及工件坡口和坡口两侧表面至少20mm范围内的油污、水分、灰尘、氧化膜等。清理方法：（1）去油污、灰尘----有机溶剂或专用清洗液清洗（2）除氧化膜----机械清理或化学清理三、TIG焊接工艺（一）焊接工艺参数及选择TIG焊的焊接工艺参数主要包括：焊丝直径、钨极直径、焊接电流、焊接电压、气体流量、（填丝速度）、（焊接速度）等。1、钨极直径：根据焊接电流来选择。以下经验数据可供参考：钨极直径/mm尖端直径/mm尖端角度（o）电流/A恒定电流脉冲电流1.00.125122~152~251.00.25205~305~601.60.5258~508~1001.60.83010~7010~1402.40.83512~9012~1802.41.14515~15015~2503.21.16020~20020~3003.21.59025~25025~350电极顶角对熔宽的影响（2%钍钨电极Φ2.4mm，弧长1.3mm，氩气流量19L/min，焊速7.5cm/min，母材厚12.7mm）电极顶角对熔深的影响（2%钍钨电极Φ2.4mm，弧长1.3mm，氩气流量19L/min，焊速7.5cm/min，母材厚12.7mm）电极尖端角度的选择可参考下表数据•不同气体／钨极端部条件下的焊缝熔深焊接电流（A）直流正极性交流喷嘴孔径/mm流量/L.min-1喷嘴孔径/mm流量/L.min-110~1004~9.54~58~9.56~8101~1504~9.54~79.5~117~10151~2006~136~811~137~10201~3008~138~913~168~15201~50013~169~1216~198~153、焊接电流：综合考虑材质、板厚、焊接位置来选择。以下是一些经验数据可供参考。焊接电流(A)10～2020～5050～100100～200200～300焊丝直径(mm)～1.0～1.61.0～2.41.6～3.02.4～4.52、焊丝直径：约等于钨极直径（手工操作）或参考以下经验数据4、焊接