工艺技术_钨极惰性气体保护焊培训课程

第五章钨极惰性气体保护焊 TIG 本章重点 TIG焊的焊材 电极 焊丝 TIG焊工艺 脉冲TIG焊本章难点 交流TIG焊 TIG焊工艺 尤脉冲焊工艺 学习建议 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 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 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 全位置焊 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焊的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 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 变极性方波交流 i t 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 DCEN AC 正弦波交流 交流的电流形式 变脉宽方波交流 t i 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 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 2 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 3 焊材TIG焊的焊材主要为实芯焊丝 焊棒 1 钢类焊丝可用的焊丝包括 实芯焊丝 GB T14957 1994 熔化焊用钢丝 YB T5092 1996 焊接用不锈钢丝 GB 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 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 清理的办法 1 去处油污 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 电极顶角对熔宽的影响 2 钍钨电极 2 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 2 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 3 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 2 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 焊接电压 通常 20V 氩弧的电压较低且TIG焊所用的电弧长度较短 5 气体流量 为获得最佳的保护效果 气体流量与喷嘴孔径的关系有一定的规律且交流焊接比直流焊接所需的流量大 焊接速度对熔深和焊道形状的影响1 正常焊道2 不均匀焊道 WTh2 3 2mm 焊接电流320A 直流正接 电弧长度2mm 为钨极顶角角度 焊接参数的选择可参考下表数据 焊接电流 焊接速度和焊道形状的关系1 正常焊道2 咬边焊道3 不均匀焊道 母材为奥氏体不锈钢 直流正接 氩气流量与保护效果的关系1 喷嘴直径19mm 2 喷嘴直径13mm 气体流量和横风对保护效果的影响实线 层流虚线 紊流 保护气体流量和风速的关系 氩气喷嘴直径16mm 喷嘴与母材距离15mm 二 焊接工艺措施1 选材 对结构钢 按等强原则选择焊接材料 对不锈钢 铝及铝合金等则主要考虑化学成分 焊丝的化学成分应与母材的性能相匹配 严格控制其化学成分 纯度和质量 主要化学成分应比母材稍高 以弥补高温的烧损 TIG焊使用钢焊丝时应尽量选专用焊丝 以减少主要化学成分的变化 保证焊缝一定的力学性能和熔池液态金属的流动性 获得良好的焊缝成型 避免产生裂纹等缺陷 TIG焊使用有色金属焊丝焊接铜 铝 镁 钛及其合金时应注意成分相符 有时可将与母材成分相同的薄板剪成小条当焊丝 2 不锈钢 铝及铝合金等打底时必须进行反面保护 常用的办法是通氩保护 对不锈钢也可用药芯焊丝打底 3 如焊机无高频引弧装置 不能直接在工件上引弧 要在垫板上引弧 对于碳钢 低合金结构钢的焊接 板厚 3mm时 建议用其它焊接方法焊接或用TIG焊打底 用其它焊接方法填充盖面 对于不锈钢的焊接 如板厚 3mm 建议用MMA MAG或SAW焊接 如需打底 建议用TIG打底 其它方法填充盖面 对于铝及铝合金的焊接 薄板可用全TIG焊 中厚板建议以TIG打底 MIG填充盖面 打底最好用脉冲TIG焊 第五节TIG焊的其它方法 一 脉冲TIG焊 argontungstenpulsedarcwelding 使用脉冲电流 通常多用方波 分直流脉冲TIG焊和交流脉冲TIG焊 一 脉冲钨极氩弧焊的特点1 脉冲式加热 高温停留时间短 金属冷凝快 易于焊接热敏感材料 2 热输入小 电弧能量集中 HAZ小 利于薄板焊接 3 可精确控制热输入及熔池尺寸 适于单面焊双面成形和全位置焊 4 高频电弧震荡利于细化晶粒 消除气孔 提高接头性能 5 适合高速焊 提高生产率 应用 一般用于打底或薄件的焊接 直流脉冲电流波形 i t t i 交流脉冲电流波形 i t 几个概念 周期T tm tj频率 1 T占空比 tm T幅比 Im Ij 脉冲氩弧焊参数 参数选择原则及步骤如下 对于一定板厚 有一个合适的通电量 Imtm 而最佳值Im取决于材料的种类 可以近似认为与工件厚度无关 如钢类约为150A 所以一般步骤通常是先根据材料种类选择Im 然后以板厚决定tm 当焊薄板时 Im值应选得稍低 同时适当延长tm 焊接厚板时 Im应选得稍高 并适当缩短tm Ij一般为Im的10 20 tj为tm的1 3倍 即tj 1 3 tm Ij 10 20 Im 幅比 占空比的值较大时 脉冲特点较显著有利于克服热裂纹 但过大会增加咬边倾向 二 直流脉冲参数及选择参数 直流脉冲TIG焊的参数与普通直流TIG焊的基本相同 只是电流变为脉冲电流 有四个基本参数 可分别独立调节 脉冲电流频率超过5KHZ电弧具有强烈的电磁收缩效果 对焊接有利 焊接速度和脉冲频率要相互匹配 尤自动焊 使焊点之间有一定的相互重叠量 常用频率可参照下表 一般低于10HZ 脉冲TIG焊参数实例 下二表 上 直流正接 下 交流 各种材料脉冲TIG焊时脉冲电流参数的选择 脉冲TIG焊工艺参数的确定还可以参考以下的数据 脉冲电流和基值电流的组合对焊缝成形的影响Ip 脉冲电流Ib 基值电流 脉冲幅比与脉冲频率的合理关系 不同板厚的焊缝咬边与脉冲幅比及脉冲宽比的关系 母材1Cr18Ni9Ti 二 热丝TIG焊 hotwireTIGwelding 焊丝在送入