第五章钨极氩弧焊

第五章钨极氩弧焊气体保护焊是利用外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法，其优点是电弧和熔池可见性好，操作方便；没有熔渣或很少熔渣，勿需焊后清除，适应于各种位置的焊接。但在室外作业时需要采取专门的防风措施。根据保护气体的活性程度，气体保护焊可以分为惰性气体保护焊和活性气体保护焊。钨极氩气保护焊(TIG)是典型的惰性气体保护焊，它是在氩气（Ar）的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（如果使用填充焊丝）的一种焊接方法。5.1适用范围钨极氩弧焊可进行手工操作或机械自动操作，其适用范围见下表：被焊材质碳钢、合金钢、不锈钢、耐热钢、耐热合金钢、难熔金属、铝合金、铜合金及钛合金等。被焊板厚适宜于焊接薄板，可以焊接的最小板厚为0.15mm。焊接位置全位置焊件形状手工焊适宜于焊接形状复杂的焊件，难以接近的部位或间断短焊缝。自动焊肆适宜于焊接有规则的长焊缝；例如纵缝、环缝或曲线焊缝。钨极氩弧焊能够焊接的最大板厚小于4mm，在要求高质量接头的场合，也采用填充金属的多层钨极氩弧焊。这样，虽然焊接速度慢、生产效率低，但焊缝质量高。对于某些厚壁重要构件（如压力容器及管道），在底层熔透焊道焊接、全位置焊接和窄间隙焊接时，为了保证底层焊接质量，往往采用氩弧焊打底。5.2氩弧焊原理及特点5.2.1原理：钨极氩弧焊是用钨棒作为电极加上氩气进行保护的焊接方法。焊接时氩气从焊枪的喷咀中连续喷出，在电弧周围形成气体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及邻近热影响区的有害影响，从而获得优质的焊缝。焊接过程根据工件的具体要求可以或者不加填充焊丝。5.2.2TIG焊的优缺点：1)氩气具有极好的保护作用，能有效地隔绝周围空气；它本身既不与金属起化学反应，也不溶于金属，使得焊接过程中熔池的冶金反应简单易控制，因此为获得高质量的焊缝提供了良好条件。2)钨极电弧焊非常稳定，即使在很小的电流情况下（10A）仍可稳定燃烧，特别适合于薄板材料焊接。3)热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调整，所以这种焊接方法可进行全位置焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法。4)由于填充焊丝不通过电流，故不会产生飞溅，焊接成形美观。5)交流氩弧焊在焊接过程中能够自动清除工件表面的氧化膜作用，因此，可成功地焊接一些化学活泼性强的有色金属，如铝、镁及其合金。6)钨极承载电流能力较差，过大的电流会引起钨极的熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池而引起夹钨。因此，熔敷速度小，熔深浅、生产率低。7)采用的氩气较贵，熔敷率低，且氩弧焊机又较复杂，和其它焊接方法（如焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊）比较，生产成本较高。8)氩弧受周围气流影响较大，不适宜室外工作。综上所述，钨极氩弧焊可用于几乎所有金属和合金的焊接，但由于其成本较高，通常多用于焊接铝、镁、钛、铜等有色金属，以及不锈钢、耐热钢等。对于低熔点和易蒸发的金属（如铅、锡、锌），焊接较困难。5.3氩弧焊电流种类及极性选择不同的金属材料，在进行钨极氩弧焊时要求不同的电流种类及极性。铝、镁及其合金一般选用交流，而其它金属焊接均采用直流正接。5.3.1直流钨极氩弧焊直流钨极氩弧焊时采用直流电流，没有极性变化，因此电弧燃烧非常稳定。然而它有正、负极性之分。工件接电源正极，钨极接电源负极称为正接法，反之，则称为反接法。1)直流正接：电弧燃烧时，弧柱中的电子流从钨极跑向工件，正离子流跑向钨极。由于此时钨极为阴极，具有很强的热电子发射能力，大量高能量的电子流从阴极表面发射出来，跑向弧柱。在发射电子流的同时，这些具有高能的电子要从阴极带走一部分能量，即阴极以气化潜热形成失掉一部分能量，这些能量的损失将造成阴极表面的冷却，此时钨极烧损极少。同时由于阴极斑点集中，电弧比较稳定。工件受到质量很小的电子流撞击，故不能除去金属表面的氧化膜。除铝、镁合金外，其它金属表面不存在高熔点的氧化膜问题，故一般金属焊接均采用此种连接方法。采用直流正接有如下优点：a．工件为阳极，接受电子轰击放出的全部动能和逸出功，电弧比较集中，阳极加热面积比较小，因此获得窄而深的焊缝。b．钨极的热电子发射能力强，所以正接时电弧非常稳定。c．钨极发射电子的同时，具有很强的冷却作用，所以钨极不易过热，采用正接法钨极允许通过的电流要比焊接时大很多。2)直流反接法：反接时弧柱内的电子流跑向钨极而离子流跑向工件。当离子流撞向工件时，工件表面的氧化膜会自动地破碎被清除，即出现所谓的阴极清理作用。而钨极受到电子流的撞击，把电子流所携带的能量以凝固热形式吸收进来，使得钨极具有很高的温度而过热，导致熔化，所以反接时钨极允许承受的焊接电流很小。焊接的工件材料如钢、铝、铜等一般都属冷阴极材料，其电子发射主要为场致发射，场致发射时对阴极材料没有冷却作用，所以工件所处的温度较高，但由于氧化膜存在，阴极斑点在氧化膜上来回游动，电弧不集中，加热区域大，因此电弧不稳，且熔深浅而宽，此法生产率低，电弧稳定性不好，一般不推荐使用。5.3.2交流钨极氩弧焊：交流电流的极性是在周期性地变换，相当于在每个周期里半波为直流正接，半波为直流反接。正接的半波期间钨极可以发射足够的电子而又不致于过热，有利于电弧的稳定。反接的半波期间工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而获得表面光亮美观、成形良好的焊缝。这样，同时兼顾了阴极清理作用和钨极烧损少、电弧稳定性好的效果，对于活泼性强的铝、镁、铝青铜等金属及其合金一般都选用交流氩弧焊。交流氩弧焊较直流氩弧焊复杂，主要表现在以下几方面：1)阴极清理作用当工件为负极时，表面生成的氧化膜逸出功小，易发射电子，所以阴极斑点总是优先在氧化膜处形成。工件为冷阴极材料时，阴极区有很高的电压降，因此阴极斑点能量密度相当高，远远高于阳极。正离子在阴极电场作用下高速撞击氧化膜，使得氧化膜破碎，分解而被清理掉，接着阴极斑点又在邻近氧化膜上发射电子，继而又被清理，阴极斑点始终在金属表面的氧化膜上游动，被清理的氧化膜面积也不断地扩大，直到在氩气所能保护的范围内。清理作用的强弱与阴极区的能量密度和正离子质量有关，能量密度越高，离子质量越大清理效果越好。正接时，工件转为阳极，不存在清除氧化膜的功能。2)直流分量交流钨极氩弧焊时电压和电流的波形如图。正半波时，钨极为负极，因具有熔点和沸点高，且导热差，直径小，则钨极具有很高温度使得热电子发射容易，所以电弧电压低，焊接电流大，导电时间长；负半波时，工件为负极，其熔点和沸点低，且尺寸大，散热快，电子发射困难，所以电弧电压高，焊接电流小，导电时间短。由于正负半波电流不对称，在交流焊接回路中存在一个由工件流向钨极的直流分量，这种现象称为电弧的“整流作用”。电极和工件的熔点、沸点、导热性相差越大（如钨和铝、镁），上述不对称情况就越严重，直流分量就越大。直流分量的存在消弱了阴极清理作用，使焊接过程困难，另外，直流分量磁通将使得焊接变压器铁芯饱和而发热，降低功率输出甚至烧毁变压器。为此要降低或消除直流分量。可在焊接回路中串接无极性的电容器组，容量按300～400μF/A计量。3)引弧和稳弧性能差由于交流氩弧焊的电压和电流随着时间其幅值和极性在不断地变化，每秒有100次过零，因此电弧的能量也是不断地在变化，电弧空间温度随之而改变。电流过零时，电弧熄灭，下半周必须重新引燃，重新引燃所需的电压值与电弧空间气体残余电离度、电极发射电子能力及反向电源电压上升速度有关，因此焊接参数、电弧空间气体介质、电极材料、电源的动态特性等对交流氩弧的引弧和稳弧性，必须要采取相应的措施。5.3.3交流矩形波氩弧焊这是一种新型的交流氩弧焊，它能很好地改善交流电弧的稳定性，又能合理地分配钨极和工件之间的热量，在满足阴极清理的条件下，最大限度地减少钨极烧损和大的熔透深度。矩形波交流氩弧焊的优点是：1)由于矩形波过零后电流增长快，再引燃容易，和一般正弦波相比，大大提高了稳定性能。2)可根据焊接条件选择最小而必要的占空比，使其既能满足清理氧化膜的需要，又能获得最大的熔深和最小的钨极损耗。5.3.4脉冲氩弧焊脉冲氩弧焊是采用可控的脉冲电流来加热工件。当每一次脉冲电流通过时，工件被加热熔化形成一个点状熔池，基值电流通过时使熔池冷凝结晶，同时维持电弧燃烧。因此焊接过程是一个断续的加热过程，焊缝是由一个一个点状熔池叠加而成。电弧是脉动的，有明亮和暗淡的闪烁现象。由于采用了脉冲电流，故可以减少焊接电流平均值（交流是有效值），降低焊件的热输入。通过脉冲电流、脉冲时间和基值电流、基值时间的调节能够方便地调整热输入量大小。实践证明，脉冲电流频率超过5kHz后，电弧具有强烈的电磁收缩效果，使得高频电弧的挺度大为增加，即使在小电流情况下，电弧亦有很强的稳定性和指向性，因此对薄板焊接非常有效；电弧压力随着焊接电流频率的增高而增大。所以高频电弧具有很强的穿透力，增加焊缝熔深；高频电弧的振荡作用有利于晶粒细化、消除气孔，得到优良的焊缝接头。交流脉冲氩弧焊可以得到稳定的交流氩弧，同时通过调节正负半波的占空比既满足去除氧化膜，又能得到大的熔深，钨棒烧损又最少。脉冲氩弧焊具有以下几个特点：1)焊接过程是脉冲式加热，熔池金属高温停留时间短，金属冷凝快，可减少热敏感材料生产裂纹的倾向性；2)焊件热输入少，电弧能量集中且挺度高，有利于薄板、超薄板焊接；接头热影响区和变形小，可以焊接0.1mm厚不锈钢薄片；3)可以精确地控制热输入和熔池尺寸，得到均匀的熔深，适合单面焊双面成型和全位置管道焊接；4)高频电弧振荡作用有利于获得细晶粒的金相组织，消除气孔，提高接头的力学性能；5)高频电弧挺度大、指向性强，适合高速焊，焊接速度最高可达到3m/min，大大提高生产率。5.4氩弧焊设备钨极氩弧焊设备通常由焊接电源、引弧及稳弧装置、焊枪、供气系统、水冷系统和焊接程序控制装置等部分组成。对于自动氩弧焊还应包括焊接小车行走机构及送丝装置。电源控制箱焊枪水路系统流量计电磁气阀减压阀氩气瓶5.5氩弧焊的安全防护措施通风措施氩弧焊工作现场要有良好的通风装置，以排出有害气体及烟尘。防护射线措施尽可能采用放射剂量极低的铈钨极，钍钨极和铈钨极应放在铝盒内保存。防护高频的措施为了防备和消弱高频电磁场的影响，采取的措施有：a.工件良好接地；焊枪电缆和地线要用金属编织线屏蔽；b.适当降低频率；c.昼存根使用高频振荡器做为稳弧装置，减小高频电作用时间。其它个人防护措施氩弧焊时，由于臭氧和紫外线作用强烈，穿戴非棉布工作服。在容器内焊接又不能采用局部通风的情况下，可以采用送风式头盔，送风口罩或防毒口罩等个人防护措施。