第五章鎢極惰性氣體保護焊 TIG 本章重點 TIG焊的焊材 電極 焊絲 TIG焊工藝 脈沖TIG焊本章難點 交流TIG焊 TIG焊工藝 尤脈沖焊工藝 學習建議 應把TIG焊與其它焊接方法的特點進行對比 以促進理解 把握關鍵 課本的內容不夠完善 應注意所補充的有關電極 工藝措施 脈沖TIG焊等有關內容 通過練習制訂相應的焊接工藝等實踐環節來培養和提高工藝能力和經驗 第一節TIG焊的特點及應用 幾個概念 鎢極惰性氣體保護電弧焊 tungsteninert gasarcwelding 使用純鎢或活化鎢 釷鎢 鈰鎢等 作為電極的惰性氣體保護電弧焊 簡稱TIG焊 GB T5185 1985的標注代號是141 鎢極氣體保護電弧焊GTAW gastungstenarcwelding 鎢極氬弧焊argontungstenarcwelding 141 氬弧焊argonarcwelding背景 1930s 航空工業的大發展提出有色金屬的焊接要求 而MMA和SAW不能很好地解決這個問題 此前有原子氫焊 但氫危險且焊鋼時有焊縫增氫問題 為適應有色金屬的焊接 鎢極氬弧焊應運而生 一 TIG焊的原理 如圖 二 TIG焊的特點優點 1 幾乎可以焊接所有的金屬或合金 2 焊接質量好 焊縫純凈 成形好 熱影響區小 3 適于薄板及打底 全位置焊 4 無飛濺缺點焊接效率低 成本高 對焊前清理要求嚴格 需要特殊的引弧措施 紫外線強烈 臭氧濃度高 抗風能力差 焊接過程動畫 三 TIG焊的應用材料 多用于有色金屬及其合金厚度 多用于薄件 從生產效率考慮 以3mm以下為宜 位置 多用于打底 單面焊雙面成形 薄件及管 管 管 板也用于填充和蓋面 第二節TIG焊的電流種類和極性 TIG焊的電流種類和極性計有直流 正接反接交流 正弦交流變極性方波交流它們各有不同的特點和適用場合 應正確選擇 一 直流TIG焊 正接與反接焊接效果圖 鎢極電流承載能力及陰極清理作用 陰極霧化作用 的機理直流正 反接時帶電粒子的運動如圖 反接時如左圖 工件為陰極 正離子向工件運動 因陰極區有很高的電壓降 在電場作用下正離子高速撞擊工件 上的氧化膜 使氧化膜破碎 分解而被清理掉 又由于陰極斑點總是優先在氧化膜處形成 那里電子逸出功低 陰極斑點又在鄰近氧化膜上發射電子 繼而氧化膜又被清除 正接時如右圖 這時電子向工件運動 雖數量多 但體積 質量太小 不能擊碎氧化膜 沒有清理作用 但此時大量電子從鎢極上發射 帶走大量能量 對鎢極產生冷卻作用 所以鎢極燒損少 電流承載能力大 但這時大量電子從工件向鎢極運動 把大量能量交給鎢極 導致其溫度升高而燒損 要避免燒損 只有減小電流 電流承載能力通常只有正接的1 10 電流太小 無實用價值 二 交流TIG焊 變極性方波交流 i t 應用 用于焊接鋁 鎂 鋁青銅等合金 表面易氧化 氧化膜致密 正半周電極燒損降低 負半周獲得陰極清理作用 熔深和鎢極的電流承載能力介于DCEN與DCEP之間 左圖 DCEN AC 正弦波交流 交流的電流形式 變脈寬方波交流 t i 正弦波交流 設備簡單 但電弧穩定性差 要有特別穩弧措施 有直流分量 要有特別措施消除 變脈寬方波交流 設備復雜 但電流參數靈活 電弧穩定 鎢極燒損少 比正弦波交流有優勢 變極性方波交流 特點與變脈寬方波交流相同 但更好 因負半周電流大小對陰極清理作用影響更大 交流TIG焊由于電弧每秒100次過零點 加上電極 鎢 與焊件 鋼 鋁等 的物理性質 體積差別巨大 導致正 負半波電流波形嚴重不對稱 正半波大 負半波小 帶來以下問題需要解決 1 過零點復燃 穩弧 解決辦法 用高壓脈沖 1500V 穩弧2 回路直流分量的消除解決辦法 在回路中串接電容器 隔直傳交 除以上的電流形式外 TIG焊還可以用脈沖電流形式 包括直流脈沖和交流脈沖 將在第五節介紹 第三節TIG焊設備 編號方法如WSJ 400 WSM 400 WSE 400等 各項字母的意義參見GB T10249 1988 電焊機型號編制方法 一 分類及組成分類 略 組成 電源控制系統引 穩弧裝置焊槍供氣系統 水冷系統 自動焊設備還應包括焊接小車和送絲裝置 一 焊接電源直流電源 交流電源 交直流電源均采用陡降或垂直下降外特性 陡降外特性的電源與普通電弧焊的并無多大差別 原則上可以通用 多特性電源 我國清華大學1980s的專利 逆變電源 發展方向 二 焊槍及電極1 焊槍 編號規則見P140 水冷焊槍QS 大電流焊接用I 100A 如 QS 75 400氣冷焊槍QQ 小電流焊接用I 100A 如 QQ 85 100 C結構組成如右圖 外觀如下圖 噴嘴內徑DN 長度l0和鎢極直徑dw之間的關系大致為 單位mm DN 2 5 3 5 dwL0 1 4 1 6 DN 7 9 噴嘴有陶瓷 純銅 石英噴嘴 陶瓷噴嘴焊接電流不能超過350A 純銅噴嘴使用電流可達500A 常用的以陶瓷噴嘴比較多見 各種形狀的噴嘴見右圖 2 電極純鎢 應用最早 適用交流焊接 綜合性能欠佳釷鎢 傳統電極 綜合性能較好 國外多用 有放射性 鈰鎢 在低電流下有優良的起弧性能 維弧電流較小 常用于管道 不銹鋼制品和細小精致部件的焊接 放射性劑量極低 在直流小電流時 是釷鎢電極的首選替代品 鑭鎢 焊接性能優良 耐用電流高而燒損率低 導電性能接近于2 釷鎢 無論交直流 對習慣了釷鎢的焊工 無需改變任何焊接操作程序就能方便地使用這種鎢極 以免受放射性危害 鋯鎢 在交流條件下 焊接性能良好 尤其在高負載電流時 電極端部能保持圓球狀而減少滲鎢現象 并有良好的抗腐蝕性 抗氧化性強 可用于空氣等離子弧切割 釔鎢 焊接時弧束細長 壓縮程度大 在中 大電流時其熔深最大 目前主要用于軍事工業和航空航天工業 復合電極 在鎢基中添加兩種 以上 稀土氧化物 全面提高電極的綜合性能 目前未見定型產品 已列入國家新產品開發計劃 應密切關注 注意 不同的電極在端部有不同的顏色標記 可據此判斷電極的種類 點擊看附表 補充 1 鎢極的端部形狀為適應不同場合的焊接要求 鎢極端部要磨成不同的形狀 常見的有 如圖 1 尖錐狀適用于直流 正接 交流亦可銳角 通常為30 左右 尖錐狀 適用于小直徑鎢極 小電流焊接的場合鈍角尖錐狀 通常 90 適用于大直徑鎢極 大電流焊接的場合 不同的錐角時電弧的形態和焊縫熔深見上圖 尖錐狀的電極為防止尖端燒損 可把尖端磨成一個小平臺 2 半 球狀適用于交流焊接 打磨鎢極應注意使端部形狀均勻一致 磨痕方向正確 2 打磨鎢極的安全措施磨削鎢極應采用密封式或抽風式砂輪機 有專用的鎢極磨尖機 焊工應帶口罩 磨削完畢 應用肥皂洗凈手臉 最好下班后淋浴 釷鎢極和鈰鎢極應放在鋁盒內保存 修磨鎢極的方法可參見 威特仕 深圳 焊接有限公司代理的鎢極磨尖機 國外的鎢極磨尖機 2 氣體1 氬氣 應符合GB T4842 1995 純氬 的要求 純度 99 99 V V 焊接用的氬氣常以氣態形式裝于氣瓶中 氣瓶的最高工作壓力為15MPa 瓶身涂色為灰色并注有綠色 氬 字樣 2 氦氣 應符合GB4844 2 1995 純氦 的要求 純度 99 99 V V 合格品 以上均為惰性氣體 惰性在此的意義 既不與金屬發生反應 也不溶解于液態金屬中 TIG焊既可以用純氬氣 也可以用氦氣 電弧熱量大 但價格昂貴 同時也可以用混合氣體包括惰性混合氣 如Ar He混合氣 和活性混合氣 如Ar CO2等 3 焊材TIG焊的焊材主要為實芯焊絲 焊棒 1 鋼類焊絲可用的焊絲包括 實芯焊絲 GB T14957 1994 熔化焊用鋼絲 YB T5092 1996 焊接用不銹鋼絲 GB T8110 1995 氣體保護電弧焊用碳鋼 低合金鋼焊絲 都可選用 其中GB T8110 1995被推薦用于鎢極氣體保護電弧焊 藥芯焊絲 包括GB T10045 1988 碳鋼藥芯焊絲 和GB T17493 1998 低合金鋼藥芯焊絲 TIG焊有時也可以用藥芯焊絲 有專用的TIG焊打底用藥芯焊絲 打底時可以免去反面充氬保護 2 有色金屬焊絲1 GB T10858 1989 鋁及鋁合金焊絲 2 GB T9460 1988 銅及銅合金焊絲 3 GB T15620 1995 鎳及鎳合金焊絲 手工TIG焊時 可以用以上的焊絲截成段 也有商品焊棒 供氣及供水系統1 供氣系統氣瓶 灰色 減壓 流量計 電磁氣閥 焊槍 2 水冷系統 用于焊接電流 150A時 開放式 國產機多見 浪費水 循環式 進口機多見 節約水 三 控制系統控制的功能越來越復雜 不同品牌的設備其功能不盡相同 但有些功能是最基本的 如程序控制 引弧 提前送氣 滯后斷氣 電流衰減等 控制系統正向數字化方向發展 四 典型TIG焊設備 略 第四節TIG焊工藝 鎢極惰性氣體保護焊通用技術要求參見JB T9185 1999 鎢極惰性氣體保護焊工藝方法 規定了鎢極惰性氣體保護焊的接頭與坡口設計 材料 焊接工藝等 一 坡口形式及尺寸 可參考JB T9185 1999的相關內容和GB T985 1988 氣焊 焊條電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口的基本形式與尺寸 來選定 二 焊前清理氬弧焊時 對材料的表面質量要求很高 焊前必須經過嚴格清理 清除填充焊絲及工件坡口和坡口兩側表面至少20mm范圍內的油污 水分 灰塵 氧化膜等 清理的辦法 1 去處油污 灰塵 有機溶劑或專用清洗液清洗 2 除氧化膜 機械清理或化學清理 三 TIG焊接工藝 一 焊接工藝參數及選擇TIG焊的焊接工藝參數主要包括 焊絲直徑 鎢極直徑 焊接電流 焊接電壓 氣體流量 填絲速度 焊接速度 等 1 鎢極直徑 根據焊接電流來選擇 以下經驗數據可供參考 電極頂角對熔寬的影響 2 釷鎢電極 2 4mm 弧長1 3mm 氬氣流量19L min 焊速7 5cm min 母材厚12 7mm 電極頂角對熔深的影響 2 釷鎢電極 2 4mm 弧長1 3mm 氬氣流量19L min 焊速7 5cm min 母材厚12 7mm 電極尖端角度的選擇可參考下表數據 不同氣體 鎢極端部條件下的焊縫熔深 3 焊接電流 綜合考慮材質 板厚 焊接位置來選擇 以下是一些經驗數據可供參考 2 焊絲直徑 約等于鎢極直徑 手工操作 或參考以下經驗數據 4 焊接電壓 通常 20V 氬弧的電壓較低且TIG焊所用的電弧長度較短 5 氣體流量 為獲得最佳的保護效果 氣體流量與噴嘴孔徑的關系有一定的規律且交流焊接比直流焊接所需的流量大 焊接速度對熔深和焊道形狀的影響1 正常焊道2 不均勻焊道 WTh2 3 2mm 焊接電流320A 直流正接 電弧長度2mm 為鎢極頂角角度 焊接參數的選擇可參考下表數據 焊接電流 焊接速度和焊道形狀的關系1 正常焊道2 咬邊焊道3 不均勻焊道 母材為奧氏體不銹鋼 直流正接 氬氣流量與保護效果的關系1 噴嘴直徑19mm 2 噴嘴直徑13mm 氣體流量和橫風對保護效果的影響實線 層流虛線 紊流 保護氣體流量和風速的關系 氬氣噴嘴直徑16mm 噴嘴與母材距離15mm 二 焊接工藝措施1 選材 對結構鋼 按等強原則選擇焊接材料 對不銹鋼 鋁及鋁合金等則主要考慮化學成分 焊絲的化學成分應與母材的性能相匹配 嚴格控制其化學成分 純度和質量 主要化學成分應比母材稍高 以彌補高溫的燒損 TIG焊使用鋼焊絲時應盡量選專用焊絲 以減少主要化學成分的變化 保證焊縫一定的力學性能和熔池液態金屬的流動性 獲得良好的焊縫成型 避免產生裂紋等缺陷 TIG焊使用有色金屬焊絲焊接銅 鋁 鎂 鈦及其合金時應注意成分相符 有時可將與母材成分相同的薄板剪成小條當焊絲 2 不銹鋼 鋁及鋁合金等打底時必須進行反面保護 常用的辦法是通氬保護 對不銹鋼也可用藥芯焊絲打底 3 如焊機無高頻引弧裝置 不能直接在工件上引弧 要在墊板上引弧 對于碳鋼 低合金結構鋼的焊接 板厚 3mm時 建議用其它焊接方法焊接或用TIG焊打底 用其它焊接方法填充蓋面 對于不銹鋼的焊接 如板厚 3mm 建議用MMA MAG或SAW焊接 如需打底 建議用TIG打底 其它方法填充蓋面 對于鋁及鋁合金的焊接 薄板可用全TIG焊 中厚板建議以TIG打底 MIG填充蓋面 打底最好用脈沖TIG焊 第五節TIG焊的其它方法 一 脈沖TIG焊 argontungstenpulsedarcwelding 使用脈沖電流 通常多用方波 分直流脈沖TIG焊和交流脈沖TIG焊 一 脈沖鎢極氬弧焊的特點1 脈沖式加熱 高溫停留時間短 金屬冷凝快 易于焊接熱敏感材料 2 熱輸入小 電弧能量集中 HAZ小 利于薄板焊接 3 可精確控制熱輸入及熔池尺寸 適于單面焊雙面成形和全位置焊 4 高頻電弧震蕩利于細化晶粒 消除氣孔 提高接頭性能 5 適合高速焊 提高生產率 應用 一般用于打底或薄件的焊接 直流脈沖電流波形 i t t i 交流脈沖電流波形 i t 幾個概念 周期T tm tj頻率 1 T占空比 tm T幅比 Im Ij 脈沖氬弧焊參數 參數選擇原則及步驟如下 對于一定板厚 有一個合適的通電量 Imtm 而最佳值Im取決于材料的種類 可以近似認為與工件厚度無關 如鋼類約為150A 所以一般步驟通常是先根據材料種類選擇Im 然后以板厚決定tm 當焊薄板時 Im值應選得稍低 同時適當延長tm 焊接厚板時 Im應選得稍高 并適當縮短tm Ij一般為Im的10 20 tj為tm的1 3倍 即tj 1 3 tm Ij 10 20 Im 幅比 占空比的值較大時 脈沖特點較顯著有利于克服熱裂紋 但過大會增加咬邊傾向 二 直流脈沖參數及選擇參數 直流脈沖TIG焊的參數與普通直流TIG焊的基本相同 只是電流變為脈沖電流 有四個基本參數 可分別獨立調節 脈沖電流頻率超過5KHZ電弧具有強烈的電磁收縮效果 對焊接有利 焊接速度和脈沖頻率要相互匹配 尤自動焊 使焊點之間有一定的相互重疊量 常用頻率可參照下表 一般低于10HZ 脈沖TIG焊參數實例 下二表 上 直流正接 下 交流 各種材料脈沖TIG焊時脈沖電流參數的選擇 脈沖TIG焊工藝參數的確定還可以參考以下的數據 脈沖電流和基值電流的組合對焊縫成形的影響Ip 脈沖電流Ib 基值電流 脈沖幅比與脈沖頻率的合理關系 不同板厚的焊縫咬邊與脈沖幅比及脈沖寬比的關系 母材1Cr18Ni9Ti 二 熱絲TIG焊 hotwireTIGwelding 焊絲在送入