焊接方法与设备：钨极惰性气体保护焊课件

1、课题三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（tungsten inert-gas arc welding）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/T5185-19

2、85的标注代号是141。 钨极气体保护电弧焊GTAW（gas tungsten arc welding） 钨极氩弧焊argon tungsten arc welding（141） 氩弧焊 argon arc welding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。焊接过程动画一、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

3、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。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 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

4、：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

5、值。）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）it 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）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

6、系统）(自动焊设备还应包括焊接小车和送丝装置)第三节TIG焊设备（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

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。 喷嘴孔径与钨极尺寸之间的相应数值关系大致为： 喷嘴孔径/mm钨极直径/mm6.40.581.09.51.6或2.411.13.2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

8、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、气体1、氩气-应符合GBT4842-1995纯氩的要求，纯度99.99（VV） 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（VV）（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（

9、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-

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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。 附加保护的措施也可参见（P151-152） （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、HA

15、Z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itti交流脉冲电流波形焊接过程动画第五节TIG焊的其它方法一、脉冲TIG焊(argon tungsten pulsed arc welding)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。it峰值电流Im基值电流Ij峰值时间tm基值时间tj（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

16、，可分别独立调节）。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（Im tm）,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 =(13) tm、 Ij = （1020）% 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。几个概念：周期T= tm + tj 频率=1/T 占空比= t

17、m /T 幅比= Im / Ij 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。焊 接方 法手工TIG焊下列焊接速度（cm/min）的自动脉冲钨极氩弧焊20283738频率f123456脉冲TIG焊参数实例（下二表，上：直流正接；下：交流）材料板厚Im（A）Ij （A）Tm（S）tj （S）频率（Hz）焊接速度（cm/min）不锈钢0.320225 80.06 0.080.06850 60不锈钢0.885100.120.08580 100材料板厚mm焊丝直径mmIm（

18、A）Ij （A）脉宽比%频率Hz电弧电压v气体流量L/min5A031.52.58045331.71455A032.52.59550332155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I p脉冲电流 I b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(hot wire TIG welding)焊丝在送入熔池之前经过加热的TIG焊。可在提高熔敷效率的同时降低对焊缝的热输入。多用于窄间隙焊和TIG堆焊（多为自动焊）。熔敷速度可比通常所用的冷丝提高2倍。用交流电源加热填充焊丝，以减少磁偏吹。焊丝最大直径限为1.2mm。焊丝过粗，对防止磁偏吹不利