三章TIG焊接哈工大ppt课件

1、电弧焊基础第三章 钨极氩弧焊Gas Tungsten Arc Welding一. TIG 焊接基本原理、硬件设备、特点钨极氩弧焊是以W或W合金材料做电极，在惰性气体保护下进行的焊接，又称为TIG(Tungsten Inert Gas) 或GTAW（Gas Tungsten Arc Welding）. 非熔化极钨是熔点最高的一种金属，可长时间高温工作。TIG焊正是利用了这一性质，在圆棒状的钨极和母材间产生电弧进行焊接。惰性气体也称作非活性气体，具有不与其他物质产生化学反应的性质，泛指氦、氩、氖等气体。TIG焊中以惰性气完全包围电弧和熔化金属，使电弧不受周围空气的影响及保护熔化金属不与空气中的O、

2、N、H等发生反应。1.1 TIG焊接基本原理1.2 TIG焊接设备-总成基本组成：焊接电源（俗称焊机）：交流、直流、交直流，陡降外特性或恒流外特性，一般有手控盒气路：气瓶（银灰）、气管、气体流量计（减压）、气压开关水路：循环水（自来水）、水管、水压开关焊枪：自动、手动；电路：焊枪电缆（水冷）、地线、起弧稳弧装置送丝机：外部送丝，并非必需工作台：固定、运动（工件）式操作机：机头（焊枪）动机器人： 1.2 TIG焊接设备-辅助设备1.2 TIG焊接设备-辅助设备焊接操作机及回转工作台工装夹具：控制薄板变形及背面成型、保护（钢加铜）焊缝跟踪弧长控制1.2 TIG焊接设备-辅助设备弧长自动调节装置：电

3、弧电压与电弧长度之间具有良好线性对应关系，弧压反馈PID闭环控制，精度0.3V焊枪摆动器1.2 TIG焊接设备-焊枪陶瓷喷嘴电极夹钨极冷却水道电极帽气腔1.2 TIG焊接设备-焊枪气流形态和冷却形式层流和紊流（风、气流过小、过大）气冷和水冷喷嘴陶瓷圆柱形喷嘴长度出口边缘成直角同心度内壁光滑影响保护效果的因素气体流量、喷嘴到工件距离、焊接速度、侧向风、接头型式、电弧功率对电极的要求：电弧引燃容易、可靠；工作中产生的熔化变形及耗损对电弧特性不构成大的影响；电弧的稳定性好，电弧产生在电极前端，焊接过程中不出现阴极斑点的上爬。主要材料：W及W合金 其他材料：特殊环境下有锆电极和钽电极，昂贵1.2 TI

4、G焊接设备-钨极W在很广泛的电流范围内充分具备发射电子的能力 引弧稳弧性好W具有很高的熔点，能够承受很高的温度 烧损少电极的烧损及形状的变化的不良影响：1、引起电弧形态的改变，影响电弧力及对母材的热输入；2、对重要构件的焊接会带来焊缝夹钨的问题；3、影响使用寿命，需要频繁换电极，生产率低。目前常用纯钨极、钍钨极、铈钨极。1.2 TIG焊接设备-钨极纯钨极：熔点最高，典型的热电极（热发射），耐烧蚀能力差，可用于交流焊接。在所有的钨电极中价格最便宜，适合在交流条件下镁、铝及其合金的焊接。钍钨极：钨材料中加入1%2%的ThO2，功函数（电子发射所需要的能量）降低，工作温度降低（或许用电流增加），电弧

5、易引燃，过载能力强，综合性能优良，通常用于碳钢、不锈钢、镍合金和钛金属的直流正接焊接。交流焊接会增加直流分量。美国等国家最常用。有弱放射性，国内应用越来越少。铈钨极：加入1%2%的CeO2 ，弧束较细长，光亮带较窄，温度更集中；最大许用电流密度大；烧损率更低寿命长；阴极压降降低10%，引弧，稳弧性更好。无放射性是目前主流。起弧维弧性能好，适于低电流直流下焊接，尤其用于管道和细小部件的焊接、断续焊接和特定数目的焊接时更具优越性。1.2 TIG焊接设备-钨极锆钨极：烧损很少，防止污染夹钨，在交流条件下表现良好，当焊接时其端部能保持圆球状而且电弧比纯钨电极更稳定，尤其是在高负载的条件下其优越的表现，

6、更是其它电极不可替代的。锆钨电极同时还具有良好的抗腐蚀性。锆钨电极适用于镁铝及其合金的交流焊接。镧钨极：W+1%LaO2，焊接性能优良，且导电性能最接近2钍钨电极，没有放射性，电焊工不需改变任何焊接操作程序就能方便快捷的用这种电极替代钍钨电极，因此镧钨电极在欧洲和日本成为最受欢迎的2钍钨电极的替代品。镧钨电极主要用于直流焊接，但用于交流焊接时也表现良好。钇钨极：W+2%Y2O3，在焊接时，弧束细长，压缩程度大，尤其在中、大电流熔深最大，目前主要用于军工和航空航天工业。1.2 TIG焊接设备-钨极1.2 TIG焊接设备-钨极引弧时间：10S1.2 TIG焊接设备-钨极直径1.6mm的钨电极，18

7、0A下经过1小时放电后的电极前端外观形貌。该直径下的电极熔断电流约为200ALa2O3(2%)-W、Y2O3(2%)-W、CeO2(1%)电极，形状几乎未发生变化，而ThO2(2%)-W、ZrO2(2%)-W、MgO(2%)-W电极，前端产生了熔化变形且内部出现气孔1.2 TIG焊接设备-钨极200A以下直流接焊接，电极前端角度为3050，电弧吹力最强，熔深最大；电流超过200A，电极温度更高，同时电弧吹力增加，保护状态恶化，电极前端形成伞形，但仍可以维持稳定的焊接，下一次焊接需要重新修磨、更换；电流超过250A后，电极前端会产生熔化损失，焊前把电极前端磨出一定尺寸的平台。直流反极性和交流焊接

8、时钨极热输入大，同时电流也不是集中在阳极的某一区域，这时把电极前端形状磨成圆形最为合适。大电流焊接，不论电极开始是何种形状，一旦电弧引燃，电极前端熔化，自然形成半球形。1.2 TIG焊接设备-钨极DC-TIG, 小电流DC-TIG, 大电流AC-TIGAr单原子气体，无色无味，比空气重25%，有利于保护空气中含量约1%，价格便宜焊接要求纯度：99.999.999%惰性，不溶解，不反应：避免焊缝中合金元素的烧损（蒸发除外）导热系数小，燃烧稳定性最好（电压可以在8-15V）He空气中的含量为0.0005%，比空气轻，保护差导热系数大，电弧温度高价格昂贵He+Ar 厚板、高热导、高熔点金属焊接（双层

9、保护气体）Ar+He1.2 TIG焊接设备-保护气1.2 TIG焊接设备-保护气Ar+O2：金属流动性好，电弧稳定，低氧焊接不锈钢，高氧焊接碳钢Ar+H2: 2-5%，焊缝光滑，防止表面氧化，电弧温度高，效率高，焊接不锈钢、镍基合金、镍铜合金Ar+N2: 可以用来焊接铜合金，2.5%N2可以用来焊接双相不锈钢，维持相平衡1.2 TIG焊接设备-保护气1.2 TIG焊接设备-保护气背面保护气：防止背面焊缝金属氧化1.3 TIG焊接特点优点：焊接品质高：保护可靠，排除氧、氮、氢等气体对焊接金属的侵害电弧稳定，焊缝美观、平滑电压低（8-15V），电流（热输入）调节范围大，适用于薄板焊接、空间焊接、精

10、密焊接适用母材范围广，适焊位置灵活缺点：焊接效率低（钨电极承流能力有限，电弧功率受到限制，熔深浅，速度低）使用惰性气体，成本略高对焊接工人有技术要求，特别是手工焊二. TIG 焊接过程焊接过程分解：焊前准备：惰性气体没有脱氧去氢作用，清理非常重要。机械的、化学的，去除油、水、锈提前通气【焊枪（电源联动）、拖罩、背板】引弧电流上升正常焊接（填丝）电流衰减熄弧滞后停气如没有提前通气？1. 电弧不能引燃；2.电弧暴乱，烧坏钨极、喷嘴、点击夹、母材，还可能导致漏水2.1 TIG焊接过程TIG焊接引弧：1. 接触引弧：直接接触、间接接触（容易形成电极斑 点），小电流，不可靠，易污染，但没 有高频干扰2.

11、 非接触引弧：高电压（几千伏）击穿气隙绝缘。将 引弧电路串联到主回路中，通过变压 器回路或旁路电容施加到电极和母材。 高压脉冲式、高频振荡式2.1 TIG焊接过程引弧 高压脉冲式引弧：电容储能，在需要引弧的时刻，接通电容放电回路，把电容上的高压通过主回路中的电磁线圈偶合施加到电极和工件上，但电容存储能量有限，可持续时间短，引弧电压很高，电路构造相对复杂，引弧效果一般，使用较少。 高频振荡式引弧：采用电容-电感-气隙回路高频放电，主流2.1 TIG焊接过程引弧2.1 TIG焊接过程 引弧B1是焊接变压器，B2是高频振荡回路升压变压器，K是引弧开关，C1是高压充电电容，P是放电火花气隙，L是电磁偶

12、合线圈，一般是升压设计，C2、R2、C3、R3构成高频旁路和保护环节。当开关K合上后（引弧开关安装在焊枪上或电源面板上），变压器B2输出对电容C1充电，一般C1数值在几千nF，充电很迅速，当C1上的充电电压达到很高数值时，气隙P被激穿（气隙尺寸12mm），C1通过偶合线圈L的初级和气隙P形成放电回路，放电中，C1两极上的电荷呈现放电 充电 放电的过程，形成振荡电流，并且在L的次级偶合出振荡电压（高压特点），通过电容交流旁路施加到电极和工件上，由此引燃电弧。2.1 TIG焊接过程稳弧 交流电弧焊由于电流过零，电弧空间温度急剧下降，电弧瞬时熄灭，再引燃困难，电弧不稳定。焊条电弧焊：稳弧剂、电源TI

13、G焊接：一是加快电流过零速度（动特性好）；二是调整电压波形，在电流过零瞬间施加高脉冲电压2.1 TIG焊接过程稳弧电感线圈使电弧电流的相位滞后于电源电压的变化，在回路电流过零时，电源空载电压已经达到较高数值，从而把空载电压的瞬时值作为极性转换时的再点弧电压，使电弧再次被引燃。焊接铝合金时，电子发射能力低（冷阴极），需要更高的再点弧电压，一般同时使用引弧回路进行稳弧，受电子开关控制，稳弧电压施加时刻需要准确选择在极性变换（电流过零）的瞬间。2.2 TIG焊接过程实例TIG焊接过程动画传感器TIG焊接过程录像2.2 TIG焊接过程实例手工焊Manual operation requires a h

14、igh level of operator skill along with good hand-to-eye co-ordination, good manual dexterity and good near-vision.2.2 TIG焊接过程实例TIG焊接录像TIG焊接飞溅（了解）：杂质、填丝不当、过热、保护不良等引起三. TIG 焊接方法直流与交流的概念；直流是恒定不变的电流吗？交流都是正弦波形的吗？TIG焊接是否跟灯泡一样，钨极无论接正、负极都一样？3.1 直流焊接与交流焊接3.1 直流焊接与交流焊接直流TIG焊接直流反接(DCRP/DCEP/DC+) :母材接负极DCEP：dir

15、ect current positive eletorde (ASME 美国机械工程师学会)DCRP：direct current reversed polarity (欧洲)DC+：不常见，多见于老企业内部、老教材母材接负极，发射电子能力差，发热量小，焊道浅而宽，效率低，只用于焊接薄板钨极受到大量电子轰击，发热量大，载流能力小，纯钨极比较好，且最好使用大直径钨极，以分散热量有阴极雾化作用，能够清理氧化膜，可以焊接薄的铝、镁合金阴极雾化作用3.1 直流焊接与交流焊接直流TIG焊接直流正接(DCSP/DCEN/DC-)：母材接正极DCEN：direct current negative elet

16、orde (ASME)DCSP：direct current straight polarity (欧洲)DC-：不常见，多见于老企业内部、老教材工件接阳极，发热量大（70%电弧能量），焊缝深而窄，效率高、变形小钨极发射电子，带走大部分热量，起到冷却作用，载流能力强，寿命长钨极发射电子强，小电流下电弧也很稳定最常用，焊接碳钢、不锈钢、钛合金、高温合金、稀有金属不能焊接铝、镁合金直流正极性焊接，如果电极发射热电子很充分，电极处于高温状态，则电弧在电极的前端稳定燃烧。如果电弧引燃后，电极温度较低，则电极热电子发射能力较差，电弧将在电极上寻找容易发射电子的氧化物，电弧沿着电极表面向上爬，电弧拉长，电

17、弧电压增加。当电弧电压增加到接近电源的空载电压时，电弧将熄灭。如果电弧上爬后能够持续一段时间，在电极温度上升后，电弧又会回到电极的前端稳定燃烧。3.1 直流焊接与交流焊接直流TIG焊接录像交流焊接：正弦、方波负半波，阴极清理去除氧化膜，钨极烧损正半波，熔化母材金属，钨极冷却焊接铝、镁合金等活性金属稳弧（施加稳弧高压脉冲）变极性焊接：方波正、负半波时间、幅值可独立调节效率更高，钨极烧损更少19：43.1 直流焊接与交流焊接交流TIG焊接3.1 直流焊接与交流焊接直流低频脉冲TIG焊接低频脉冲：频率通常在0.510Hz低频脉冲TIG焊现象 录像电弧闪烁：峰值时间内电弧燃烧强烈，弧柱扩展；基值时间内

18、电弧暗淡，产热量降低当脉冲峰值到来时，焊件上就形成一个近于圆形的熔池，在脉冲持续时间内迅速扩大；在基值电流期间时，熔池迅速收缩凝固，形成一个一个熔池凝固后相互搭接所构成的焊缝3.1 直流焊接与交流焊接直流低频脉冲TIG焊接低频脉冲TIG焊特点焊缝致密性好线能量（平均电流小）可以焊接薄板或超薄板构件。成型美观易控制：可精确控制电弧能量及其分布，降低热积累的影响，熔深均匀一致；能够控制熔池尺寸，使熔化金属在任何位置均不致于因重力而流淌，实现全位置焊和单面焊双面成形，例如管道焊接。宜于难焊金属的焊接： 脉冲峰值电弧温度和电弧力很高，使难熔金属迅速形成熔池。在基值时间，熔池金属迅速凝固，高温停留时间短

19、，且脉冲电流对熔池有强烈的搅拌作用，所以焊缝金属组织致密，树枝状结晶不明显，可减少热敏感材料焊接裂纹的产生。降低对装配、夹紧的要求应用非常广泛3.2 直流焊接与交流焊接直流低频脉冲TIG焊接3.2 直流焊接与交流焊接直流低频脉冲TIG焊接常用金属的脉冲TIG焊参数各项参数在焊接中起不同的作用。基值电流Ib以保证维持电弧稳定燃烧即可（“维弧电流”）。决定电弧能量和电弧力的参数是峰值电流Ip、峰值时间tp和脉冲频率f。根据被焊件厚度、材料、所设定的焊接速度、接头形式等，采取配合调整的办法选取上述参数。对于厚板，峰值电流过小，则失去了脉冲焊的优势；对于薄板，峰值电流过大，则电弧力大，熔透过度推荐的脉

20、冲焊参数(厚度：1-3mm之间)Ib=15A, 基值时间同峰值时间接近3.3 直流焊接与交流焊接直流高频脉冲TIG焊接高频：2030kHz，目前多为20kHz，低于20kHz有中频噪音高频电弧特点：电弧集中、挺直性好小电流下电弧燃烧稳定随电流频率的增加，电弧收缩程度增强，电弧压力增大3.3 直流焊接与交流焊接直流高频脉冲TIG焊接高频脉冲TIG焊接的特点及应用：在小电流区域（10A以下）仍然非常稳定，可以进行 0.5mm以下超 薄板的焊接，焊缝成形均匀美观。高速移动下仍然有良好的挺直度，焊接速度大幅提高。坡口内焊接熔合良好：直流焊接时，如果焊丝填充量很多，熔池与 坡口侧面的熔合状况恶化，焊道凸

21、起，并偏向一侧，后续焊接不良 。高频脉冲焊在焊丝填充量很多时仍然呈现凹形表面，对后续焊接 没有不良影响。焊缝组织性能好：对熔池金属有强烈的电磁搅拌作用，有利于细化 金属晶粒，提高焊缝机械性能。3.4 直流焊接与交流焊接高低频结合脉冲TIG焊接四. TIG 焊接条件及技术4.1 焊接规范参数基本规范：IUV扩充规范：气体类型气流量送丝速度坡口形式（少）4.1 焊接规范参数II缓升缓降（脉冲适用）缓升:给焊接行走（机械惯性）提供一个缓冲时间缓降:使电弧下方的熔池凹陷区有一个金属回填过程，防止大电流熄弧在焊缝上形成弧坑4.1 焊接规范参数UUTIG与弧长成正比，一般1-5mm，多2-3mm，填丝适当

22、加大U过大：电弧对母材的熔透能力降低，保护效果差，电极异常烧损，焊缝中易产生气孔U过小：容易造成电极与熔池的接触，钨极被污染或断弧，在焊缝中出现夹钨缺陷，电弧产热量低，电弧压力过大，成型不好4.1 焊接规范参数VV表征生产效率，保证质量前提下，V越大越好V过大：咬边或驼峰焊道，未熔透V过小：焊道过宽，合金成分烧损，力学性能下降一般5-50cm/min4.1 焊接规范参数保护气及保护气流量保护气：Ar、He、Ar+H2、Ar+O2 、 Ar+N2He、Ar+He弧焊：电压高，电弧产热量大，电弧力低，适用于大电流焊接。弧柱细，热量集中熔深大，熔宽窄，速度快，变形小，性能好。氦弧焊可以直流正极性焊铝

23、（电子撞击去膜联合高温去膜），美国多用成本高保护气流量：喷嘴尺寸、喷嘴与母材间的距离、保护气类型、侧向风等过大：紊流过小：效果差4.1 焊接规范参数焊丝及填丝TIG焊接过热度低，合金元素基本都能过渡到熔池中去，大部分焊丝与母材同材质；为防止热裂纹可采用低碳（钢）或高硅焊丝（铝）手工送丝：粗焊丝，2-4mm，填到电弧空间自动送丝：细焊丝，0-8-1.6mm，紧贴熔池前沿若焊丝端部离熔池有一定距离，焊丝端部熔化后会聚集成球滴，在重力和电弧吹力下过渡到熔池，这时有连续的“啪 啪”声，但焊缝成形不好4.2 焊接技术焊接效率：在相同焊接速度下，提高熔深在相同焊接熔深下，提高速度同时提高熔深和速度焊接热输

24、入（线能量）的概念H=I *U/V等比例提高I、V，效果是否一样？相同热输入条件下，大电流高速度焊接时的熔深大于低电流低速度焊接时的熔深。4.2 焊接技术提高生产效率：提高V提高焊接速度可以提高生产效率，但大电流高速度焊接容易产生咬边、驼峰焊道等缺陷。原因：未定，电弧力导致措施：电极前端磨出一定的平台，电弧力降低Ar+He向前方倾斜电极，降低电弧对熔池金属向后方的排斥作用4.2 焊接技术 提高生产效率：提高热输入增大I或者降低V都可以增加热输入。I增大，电弧力也增大，熔深会增加，然而电弧同时也扩展，熔宽增加更加明显。对于不锈钢或钛等热导性差的母材，增大I后，熔宽的增加非常明显，最好降低I，同时

25、降低V。对于铝、铜等热导性优良的母材，可以增大I，同时提高V。如果I很大，电弧力过于强烈，容易形成有缺陷的焊缝，这时可以把电极前端磨出一定尺寸的平台。钢材的热导性都较差。TIG焊时，与其提高I，不如降低V。五. TIG 焊接缺陷及接头设计5.1 焊接缺陷Even though sophisticated, reliable TIG welding equipment may be in use - and the materials to be welded have been correctly prepared and the shielding gas, tungsten electro

26、de and filler rod have been carefully selected - weld quality is still very much in the hands of the welder.最常见的是夹钨和气孔夹钨(a) 从钨极上偶然脱落的颗粒i. 钨极同工件接触：粒子嵌入到工件表面ii. 钨极尖部进入到熔池：内嵌在焊焊缝中iii. 钨极同填充焊丝接触：焊缝夹钨 (b) 电流过大，钨极端部过热，也会导致钨极端部的颗粒随着电弧过渡到熔池中。5.1 焊接缺陷(a) 接头和/或填充金属受到污染 (同油, 脂, 涂层, 潮湿, 等)(b) 保护气流量不够(c) 保护气流量过大

27、(d) 焊枪角度不对(e) 焊枪喷嘴直径不合适(f) 钨极伸出长度不正确(g) 保护气偏离电流的方向，或者保护气离除尘装置太近。(a) 焊接结束时，焊接电流减小的太快 (对于铝合金来说这个问题尤为严重). Crater pores are not always accompanied by crater cracks.气孔弧坑裂纹5.1 焊接缺陷(a) 焊枪距离工件太高(b) 焊枪角度不正确(a) 焊接电流太大.(b) 行走速度过慢.(c) 接头装配不正确.表面污染过度熔透和烧穿5.1 焊接缺陷(a) 焊接电流过小.(b) 行走速度过快.(c) 电弧长度太长.(d) 接头装配不正确.(a) 焊

28、枪角度不正确(b) 接头的可达性受到限制(c) 焊接电流过大.(d) 弧长过长.根部熔合不良咬边5.1 焊接缺陷(a) 焊接电流太低.(b) 焊接速度太快.(c) 弧长太长.(d) 接头装配不正确.(a) 弧长太短.(b) 送丝不稳定.(c) 焊枪角度不对.焊缝表面起皱根部未熔合(d) 焊接速度过快.5.1 焊接缺陷(a) 接头间隙太小.(b) 焊接速度太低.(c) 焊枪角度不对.(d) 弧长太短.(e) 填充焊丝太粗.(a) 接头间隙太大.(b) 接头准备不好 (坡口角度不正确).(c) 焊接速度太快.(d) 弧长太长.(e) 填充焊丝太细.(a) 接头装配不对.(b) 弧长太长.(c) 焊

29、接电流太大.5.2 TIG焊接接头设计Typical joint preparations for sheet and plate material:a) Square edge close butt 3mm plate thicknessb) Square edge open butt, 10mm plate thickness5.2 TIG焊接接头设计管材的接头设计Typical joint preparations used in the welding of tubes. The joint configurations are for guidance only as the dim

30、ensions may vary and other configurations are shown in succeedingfigures to illustrate specific applications:a) Simple butt 3mm wall thickness, manual or mechanised operationc) U type, 3mm wall thickness usually manuald) U type with extended land, usually mechanisede) U type, orbital welding, mechanised operationf) Narrow gap, mechanised operation5.2 TIG焊接接头设计Typical joint configurations for tube to tubeplate welding:a) Flush tubeb) Recessed tubec) Added ringd) Trepanned tubeplatee) Filletf) Extended tubeg) Tube to bossh) Recessed (backface) tube六. 先进/特种TIG 焊接技术6.1 先进特种焊接技术摆动电