第六章钨极惰性气体保护焊

中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊第6章钨极惰性气体保护焊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。钨极气体保护电弧焊GTAW（gastungstenarcwelding）钨极氩弧焊argontungstenarcwelding中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊6.1TIG焊原理、特点及应用6.1.1TIG焊工作原理图6-1TIG焊原理1—钨极2—惰性气体3—喷嘴4—电极夹5—电弧6—焊缝7—熔池8—母材9—填充焊丝10—焊接电源中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊6.1.2TIG焊的特点1.优点：（1）能够实现高品质焊接，得到优良的焊缝。这是由于电弧在惰性气氛中极为稳定，保护气对电弧及熔池的保护很可靠，能有效地排除氧、氮、氢等气体对焊接金属的侵害。（2）焊接过程中钨电极是不熔化的，故易于保持恒定的电弧长度，不变的焊接电流，稳定的焊接过程，使焊缝很美观、平滑、均匀。（3）焊接电流的使用范围通常为5～500A。即使电流小于10A，仍能正常焊接，因此特别适合于薄板焊接。如果采用脉冲电流焊接，可以更方便地对焊接热输入进行调节控制。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊（4）在薄板焊接时无需添加焊丝。在厚板焊接时，由于填充焊丝不通过焊接电流，所以不会产生因熔滴过渡引起电弧电压和电流变化而产生的飞溅现象，为获得光滑的焊缝表面提供了良好条件。（5）钨极氩弧焊时的电弧是各种电弧焊方法中稳定性最好的电弧之一。电弧呈典型的钟罩形形态（见图6-2），焊接熔池可见性好，焊接操作十分容易进行，因此应用比较普遍。（6）可以焊接各种金属材料，如：钢、铝、钛、镁等。（7）TIG焊可靠性高，所以可以焊接重要构件，可用于核电站及航空、航天工业。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊图6-2钨极氩弧焊时的电弧形态中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊2.缺点（1）焊接效率低于其它方法。由于钨极承载电流能力有限，且电弧较易扩展而不集中，TIG焊的功率密度受到制约，致使焊缝熔深浅，熔敷速度小，焊接速度不高和生产率低。（2）氩气没有脱氧或去氢作用，所以焊前对除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则易产生气孔，影响焊缝的质量。（3）焊接时钨极有少量的熔化蒸发，钨微粒如果进入熔池会造成夹钨，影响焊缝质量，电流过大时尤为明显。（4）由于生产效率较低和惰性气体的价格较高，生产成本比焊条电弧焊、埋弧焊和CO2气体保护焊都要高。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊6.1.3TIG焊的应用可以用于几乎所有金属和合金的焊接,特别是对铝、镁、钛、铜等有色金属及其合金、不锈钢、耐热钢、高温合金和钼、铌、锆等难熔金属等的焊接最具优势。TIG焊有手工焊和自动焊两种方式。它适用于各种长度焊缝的焊接；既可以焊接薄件，也可以用来焊接厚件；既可以在平焊位置焊接，也可以在各种空间位置焊接。通常被用于焊接厚度为6mm以下的焊件。如果采用脉冲钨极氩弧焊，焊接厚度可以降到0.8mm以下。对于大厚度的重要结构(如压力容器、管道等)，利用TIG焊进行打底焊。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊6.2.1TIG焊设备的组成手工T1G焊设备包括焊接电源、控制系统、引弧装置、稳弧装置（交流焊接设备用）、焊枪、供气系统和供水系统等部分。其中，控制系统包括两部分：一部分是为了保证焊接电源实现T1G焊所要求的垂降外特性、电流调节特性等而设置的；另一部分是为了协调气体与电源之间先后顺序而设置的程序控制系统。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊6.2.1TIG焊设备的组成手工T1G焊设备包括：焊接电源、控制系统、引弧装置、稳弧装置（交流焊接设备用）、焊枪、供气系统和供水系统等部分。6.2TIG焊设备中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊6.2.2焊接电源1.直流电源根据被焊材料选择电源种类和直流接法选择（1）直流反接（a)具有”阴极清理”作用:可以获得表面光亮美观、成形良好的焊缝。原因：反接时，母材作为阴极承担发射电子的任务。由于表面有氧化物的地方电子逸出功小，容易发射电子，因此电弧有自动寻找金属氧化物的性质，在氧化膜上形成阴极斑点；与此同时，阴极斑点受到质量的正离子的撞击，氧化膜被清理掉。（b）反接时钨极是电弧的阳极，不具有发射电子的作用，而是接受大量电子及其携带的大量能量。因而易产生过热，甚至熔化。因而钨极为阳极时的许用电流仅为阴极时的1/10左右.(c)焊件为阴极，阴极斑点寻找氧化膜，不断游动，使得电弧分散，加热不集中，因而得到浅而宽的焊缝（见图6-5a），生产率低。(d)TIG焊直流反接用得较少，只用于厚度约3mm以下的铝、镁及其合金焊接。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊图6-5TIG焊电流种类与极性对焊缝形状的影响示意图a)直流反接b)直流正接c)交流中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊（2）直流正接（a）对钨极具有冷却作用，钨极不易过热烧损，可以采用较细的钨极，通过较大的电流，电极形状保持良好，寿命较长。（b）焊件接受电子轰击时释放的能量，同时，电弧集中，能得到深而窄的焊缝（见图6-5b），生产率高，焊件的收缩和变形也较小。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊（c）钨棒的热发射能力很强，当采用小直径钨棒时，电流密度可以增大，即使在小电流下电弧也能稳定。(d)无“阴极清理”作用（e）应用：是所有电弧焊方法中电弧过程最稳定的焊接方法之一，广泛用于除铝、镁及其合金以外的其它金属的焊接。极性优点缺点应用正接(DCEN)电极载流能力强、熔深大、钨极烧损少、引弧容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)有阴极清理作用电极载流能力弱、熔深小、钨极烧损严重、引弧困难实际很少采用中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊2交流电源(1)交流TIG焊的特点交流TIG焊的焊接电弧的极性发生周期性变化,因此，工艺上兼有直流正接及直流反接的特点。a）负半波时，氩弧对工件产生阴极雾化作用；b）在交流正半波时，电弧的热量主要集中于工件上，不但使钨极得以冷却，还使焊缝得到足够的熔深。c)交流TIG焊广泛用于铝、镁及其合金的焊接，d)但交流TIG焊存在电弧不稳及直流分量等问题，因此在焊接设备上应采取专门的措施予以解决。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊(2)直流分量a）产生原因•钨极与工件的熔点不同；•逸出功不同；•几何尺寸相差很大。b）危害•直流分量既影响焊缝成形，降低阴极雾化作用•恶化设备的工作条件，变压器铁芯易饱和，降低功率因数，使电弧电流的形状偏离正弦，降低电弧的热效率系数。c)消除直流分量的方法:最常见的方法是在焊接回路中串联电容。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊(3)电弧不稳正弦波交流电弧的电流、电压过零时速度较慢，电源电压达到再引燃电压所需要的时间较长，因此存在较长的熄弧时间；特别是从正半波向负半波转变时，由于母材发射电子的能力很弱，电弧的重新引燃特别困难，所以正弦波交流TIG焊机必须采取稳弧措施。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊3方波（矩形波）交流电源为了提高交流TIG焊电弧稳定性，同时也为了保证在铝、镁合金焊接时既有满意的阴极清理作用，又可获得较为合理的两极热量分配，所以发展了方波交流弧焊电源。方波电源焊接电流波形图设KR表示负极性半波（焊件为阴极）通电时间的比例，则一般KR可在10%～50%范围内调节。KR＝TR/(TR+TS)×100%KR为正、负极性半波宽度可调值，或称反转比；TR为周期中负极性半波时间；Ts为周期中正极性半波时间。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊6.2.3引弧装置和稳弧装置为了避免钨极对焊缝的污染，TIG焊时宜采用非接触式引弧，因而需要使用辅助引弧装置。对于普通交流TIG焊，引弧后还须要采用稳弧措施，这是因为焊接电流在正、负半波交替时过零点，电弧空间发生消电离过程，而且，当电弧由焊件接正转向接负的瞬间，需要重新引燃电弧的电压很高，而焊接电源往往不能提供这样高的电压，因此，就需要有能使电弧重新引燃的稳弧装置。目前，应用最多的是高频高压式和高压脉冲式引弧和稳弧装置。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊稳弧时理想的波形图图6-10高频振荡波形与电流波形的相位关系中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊引弧脉冲与电源电压之间、稳弧脉冲与电弧电流之间的相位关系u-电源电压i－电弧电流中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊6.3TIG焊用焊接材料6.3.1保护气体1保护气体特性比较TIG焊用的保护气体主要是氩气、氦气或氩与氦混合的惰性气体。–氩气应用最多的气体，电离电压为15.7V(较低），电弧稳定，引弧特性好、焊缝成形好,但电弧容易扩展，呈典型的钟罩形，加热不够集中。–氦气电离电压为24.5V(较高），热传导性能比氩气好,能实现更快的焊接速度；熔深增加。•氩与氦混合：氩气电弧稳定而柔和，阴极清理作用好，氦气电弧发热量大而集中，具有较大的熔深。两者混合使用就可同时具有两者的优点。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊6.3.2钨极1对电极的要求及钨极性能应满足三个条件：（1）引弧及稳弧性能好；（2）耐高温、不易损耗；（3）电流容量大。中国矿业大学大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScience&Engineering第6章钨极惰性气体保护焊2钨极材料（1）纯钨电极应用最早，适用交流焊接，综合性能欠佳。当钨电极不需要保持一定的前端角度形状时可采用（2）钍钨极传统电极，综合性能较好，国外多用，有放射性。（3）铈钨极在低电流下有优良的起弧性能，维弧电流较小，放