第章钨极氩弧焊

第章钨极氩弧焊钨极氩弧焊是一种以钨棒作电极，以氩气作保护气体的电弧焊方法。若以氦气作保护气体，则称之为钨极氦弧焊。这两种方法统称为钨极惰性气体保护焊，也称“TIG”焊。本章主要讨论钨极氩弧焊，其主要内容有钨极氩弧焊的特点及应用、焊枪及电极的选择、电流的种类和极性。钨极氩弧焊工艺和钨极脉冲氩弧焊等。第一节钨极氩弧焊的特点及应用一、钨极氩弧焊的特点钨极氩弧焊是用钨极与焊件问产生的电弧作热源。电弧和熔池金属都处于氩气保护之中，使其不受周围空气的有害作用，焊接时填充焊丝在钨极前方添加，焊薄件(厚度小于3mm)时一般不需要开坡口和填充焊丝。焊接过程可用手工操作，也可实现自动化。电弧燃烧过程中，电极不熔化，故易维持恒定的电弧长度，焊接过程稳定，容易得到高质量的焊缝。氩气的导热系数很小，而且是单原子气体，高温时不分解吸热，所以在氩气中燃烧的电弧热量损失少。因此电弧一旦引燃就很稳定。氩气中电弧电场强度低，因此电弧电压的数值也比其它弧焊方法低，一般仅8～15V。氩气是一种惰性气体，既不与金属起化学反应，也不溶于液态金属。因而被焊金属中的合金元素不会烧损，焊缝不易产生因保护气造成的气孔。但是由于氩气没有还原性气体或氧化性气体的脱氧或去氢作用，所以氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等工作要求严格，否则易产生氢气孔，影响焊缝质量。氩气的电弧电压较高，钨的电子逸出功也较高，开始引弧时钨极又处于冷态，而且又不允许钨极与焊件接触(以免烧损钨极污染焊件)，这些都使钨极氩弧焊的引弧困难，必须采取特殊的引弧措施。二、钨极氩弧焊的应用钨极氩弧焊可焊的材料范围广，几乎所有的金属材料都可进行焊接，特别适于化学性质活泼的金属及其合金。常用于不锈钢、高温合金、铝、镁、钛及其合金以及难熔的活性金属(如锆、钽、钼、铌等)和异种金属的焊接。目前钨极氩弧焊广泛用于飞机制造、原子能、化工、纺织等工业。钨极氩弧焊容易控制焊缝成形，容易实现单面焊双面成形，主要用于焊薄件或厚件的打底焊。钨极脉冲氩弧焊特别适于薄件及全位置焊接。但是由于电极的载流能力有限，焊缝熔深浅，焊接速度低，所以一般适于焊接厚度小于6mm的焊件。三、电极和焊枪（一）钨棒材质及其电极特性钨的熔点（3690K）、沸点（5900K）高、导热系数和高温挥发性小、强度高，是不熔化极电弧焊的理想电极材料。早期采用的是的99.9％以上纯钨棒，目前广泛采用的是含有1％～2％氧化钍的钍钨摔和含有1％～2％氧化铈的铈钨棒。其中铈钨棒是我国研究者王菊珍等最早发明的，巳取得国际标准化组织焊接材料分委员会承认，并在国际上推广应用。此外，日本的研究者还提出了含有1％～2％氧化镧、氧化钇的镧钨棒、钇钨棒。研究证明，含有稀土类金属氧化物的铈钨棒、镧钨棒、钇钨棒是比钍钨棒更为理想的电极材料。其优越性主要表现在；（1）耐用即钨极端部在电弧焊过程中不易损耗。原因是电极的电子逸出功明显低于W-ThO2及纯W电极，在相同使用条例,下它们的电极温度都低于低于W-ThO2及纯W电极。钨棒在焊接过程中因受热蒸发、缓慢氧化等原因造成正常损耗总是难免的。此外，大电流短路引弧或焊接过程中不正常短路、填充焊丝触及钨极及使用电流过大都会导致钨棒的异常损耗，这是应该尽量避免的。（2）许用电流大由于上述原因，铈钨极的许用电流可比同直径、同电流种类的钍钨极高5％～8％。（3）引弧及稳弧性能好这也是电子逸出功低造成的。因此，使用铈钨极不仅引弧可靠，交流电弧焊接时稳弧性好，且电源空载电压可降低到50V以下，而采用纯钨极时空载电压必须在95V以上。由于阴极压降减小，电弧电压下降10％左右，而电弧压力及挺度则明显提高，如图所示。（4）铈钨棒的放射性剂量远低于钍钨棒。（二）钨极直径和端部形状钨极直径和端部形状确定了的电流使用范围及电弧形态，因而对焊缝成形及过程稳定性有很大影响。下表列出了常用钨极直径及使用电流范围、末端形状尺寸及许用电流。实际应用中可根据板厚等条件选用。铈钨棒使用电流可比表列数值提高5％～8％。推荐的钨极末端的形状尺寸与许用电流钨极直径mm顶锥角平顶直径mm恒定电流脉冲电流1.0120.122～152～25200.255～305～601.6250.508～508～100300.7510～7010～1402.4350.7512～9012～180451.1015～15015～2503.6601.1020～20020～300901.5025～25025～350薄板小电流焊接时，应尽可能选用小直径、小锥角和小的平顶直径，以利于电弧引燃和稳定工作。电流增大时，锥角应随钨极直径增大而增加，平顶直径也要有所增加，以控制端部电流密度避免异常烧损。（三）焊枪其设计要点为：1)能可靠地夹持钨棒并便于调节其位置高低，能保证其良好导电性和便于更换。2)从喷嘴流出的保护气体气流状态良好，以确保气体保护效果。3)冷却效果好，一般100A以上的焊枪需采用水冷。4)结构简单、轻巧，喷嘴等易损件标准化，通用性好。三、电流种类与极性可采用直流、直流脉冲、交流、交流脉冲等多种电源型式以适应不同材质的要求。下表列出了电流种类和极性的选择原则。可见，除铝、镁合金外，其它金属一般应优先选用直流正极性(钨棒接阴极)；铝、镁合金应优先选用交流电源，而铝、镁合金薄件则可采用直流反极性(钨棒接阳极)。这完全是由钨棒处于不同电源极性位置时钨以钨极所具有特征决定的。（一）直流正极性钨极氩弧焊工件为阳极，钨棒为阴极，因此：1)工件将接受电子轰击放出的全部动能和位能(逸出功)，产生热量高于阴极熔深大、熔宽小，热影响区小、变形小，有利提高焊接生产率和焊接质量。使钨极端部发热量减小，不易过热。2)钨极接受正离子轰击放出的能量比较小，钨棒作为阴极发射电子时又带走了逸出功，这样在电流相同时就可以采用直径较小的钨棒和型号小的焊抢，也可提高钨棒耐用性。3)钨棒为阴极，电子发射能力强，电弧非常稳定。4)不能对铝、镁及其合金表面的氧化膜产生破碎作用，难以获得光洁美观、成形良好的焊缝。以上特点，决定了除铝、镁及其合金外，直流正极性总是优先得以采用的。（二）直流反极性钨极氩弧焊其特点正好跟直流正极性相反，一般不推荐使用。但是，因正离子轰击处于阴极的焊件表面，可使其表面氧化膜破碎且除去(称为阴极雾化作用)，因此焊接铝、镁及其合金可获得表面光洁美观、成形良好的焊缝；另外，处于阴极的焊接熔池发热量低，熔池浅而宽，故只适用于薄板焊接。（三）交流钨极氩弧焊采用交流电源时，既可在工件为阴极的负半周内产生阴极破碎作用，清除熔池区表面坚硬的氧化膜，又可在钨棒为阴极的正半周内使焊缝获得较大熔深，而钨棒温度有所降低，电弧稳定性得以改善，因此成为铝、镁及其合金钨极氩弧焊的最佳选择。但是，由于这时两电极的电、热等物理性能差异很大，有两个特殊问题需加以解决，一是消除直流分量；二是工件为阴极半周时要采取稳弧措施。1．直流分量的产生和消除当钨棒为阴极时，弧柱电导率高，电场强度小，电弧电压低而电流大；而当焊件为阴极时，则相反，结果形成电压、电流波形的不对称状况。这种不对称的交流电流可以看作是一个直流和一个对称交流的合成，前者即称为直流分量，其方向是与钨极为阴极时半周电流方向相同，即由焊件向钨极。直流分量存在，一方面将减弱阴极破碎作用；另一方面将在变压器铁心中产少一个磁通分量，导致变压器铁心单向饱和，励磁电流增加，铁损和铜损增大，效率降低。另外，还会使焊接电流被形产生附加的畸变，造成功率因数降低，也不利于电弧燃烧的稳定性。常用解决方法有以下三种：（1）在焊接回路中串联一个蓄电池组（2）在焊接回路中接入并联的电阻和二极管（3）在焊接回路中串联电容2．引弧和稳弧措施为了防止钨沾污焊缝和保持钨棒端部形状，不采用短路接触来引燃电弧，高频引弧是常用的方法。交流钨极氨弧焊时，电流特有100次／秒过零，当过零点后钨棒为阴极时，其重复引燃电压较低，无需另外附加电压就能重复引燃；而当过零点后铝、镁及其合金焊件为阴极肘，其重复引燃电压相当高，不附加电压就难以再引獭。因此，在普通正弦波交流钨极氩弧焊时，采用高频振荡或者脉冲叠加等附加的稳弧措施。第二节钨极氩弧焊工艺及参数选择一、焊前准备（一）坡口加工通常4mm以下的对接焊，可采用不开坡口的I形接头单面一次焊透，装配间隙为零时可不必填充焊丝，否则需填充焊丝或改用卷边接头，后者尤适用于0.5mm以下薄板。4～6mm对接焊缝可采用不开坡口I形接头双面焊。6mm以上一般需开V或U、X形坡口。钝边高度以不超边3mm为宜，装配间隙也应以零为最佳，最大不宜超过3mm，以节省填充金属，并可提高焊接生产率。（二）焊前除油及去氧化膜对焊件、焊接区及填充焊丝的除油和去氧化膜是保证焊接质量的重要步骤，必须给予充分重视。除油的主要方法是溶剂清洗，有条件时宜采用工业清洗剂加热水清洗，也可采用丙酮、汽油等有机溶剂。去氧化膜可用机械法或碱洗。不锈钢可用砂布打磨，铝合金可用刮削或钢丝刷，铝、镁焊丝及重要焊件应用碱洗法。（三）装夹可用夹具或定位焊方法来保证接头装配精度。3mm以下薄板零间隙自动焊时，可不用垫板实现单面焊双面成形，否则应加垫扳以防焊漏及背面焊缝不均匀。钢焊件常用铜垫板，铝及其合金则可用不锈钢垫板。采用夹具夹紧时，应充分保证焊缝全长夹紧力均匀，以避免引起散热条件差异及焊缝成形不均匀，这在不锈钢薄板焊接时尤为重要，采用气压式琴键夹具是理想的办法。二、钨极氩弧焊工艺参撤（一）焊接电流和钨棒直径焊接电流是决定成形的关键参数，通常根据焊件材质、板厚及坡口形状来选择，并通过试验来确定。钨棒直径则应按焊接电流大小决定。其它条件不变时，焊接电流增加，焊缝熔深、熔宽也将增加。TIG焊时获得lmm熔深一般所需电流为60～80A。（二）弧长和电弧电压TIG焊弧长范围约为0.5～3mm，对应电压为8～20V。在自动焊，不加填充丝，小电流，工件变形量小时，弧长可取下限；手工焊、加填充丝、大电流，工件变形量大时，则取弧长之上限，以防止短路而影响焊接过程及焊缝质量稳定性。弧长提高，熔深减小。（三）焊速焊速是另一个常用来调节热输入和焊缝形状的重要参数。其选择应考虑以下因素：1)焊接电流确定以后焊速有—上限。超过这一上限时焊缝中心结晶速度过快，易出现裂纹、咬边，熔深也明显减小。2)母材的热敏感性，有些材料对热输入有限制时只能采用快速多道焊。3)焊接位置及操作方式，立、横、仰焊位置只能采用较低焊速；手工操作也只能用低速，自动焊应尽量采用高速。（四）保护气体流量、喷嘴孔径与高度焊接电流增大时，保护气体流量和喷嘴孔径都相应增大。交流TIG焊时，由于电弧稳定性差，气流量要大一些。喷嘴孔径及保护气体流量为保证保护效果，喷嘴高度则应尽可能低一些，自动保时控制在5mm左右，手工焊的为便于观察电弧位置，只能稍高一些，以10mm为宜。喷嘴倾角也对保护效果有一定影响，手工采用后倾角，焊速不能太快。自动焊时一般喷嘴垂直安置，高速焊时则取前倾角，以利焊缝成形和保护。保护效果可依焊缝表面颜色加以区别。不锈钢保护最好时为银白或金黄色，其次为蓝、红灰、灰，最差为黑色，钛合金焊缝表面保护最好时为亮银白色，其次为橙、蓝紫、青灰，最差的呈氧化钛白色粉状。（五）填充焊丝倾角焊丝应从焊接方向前端送入，与焊件表面夹角以10～20°为宜。焊丝应在熔池形成后以恰当速度送入，以避免与钨极相碰。手工焊时常以左手断续送丝，自动焊时可连续送进。第三节其它钨极氮弧焊方法一、脉冲钨极氩弧焊（一）直流脉冲钨极氩弧焊是60年代初出现的，目的已成为应用范围十分广泛的方法。按照脉冲频率分为低频(0.1～15Hz)、中频(10～500Hz)、高频(1020kHz)，其中以低频脉冲钨极氩弧焊应用最为普遍。（二）交流脉冲钨极氩弧焊二、热丝钨极氩弧焊TIG焊的焊接电流实际上很少超过200～250A，一次焊透能力难以超过1～3mm，板厚超过6mm时，必须采用V、X或U形坡口，而这时由于填充焊丝熔敷速度很低。焊接通度往往很慢，采用热丝TIG焊是克服这一缺点的有效途径。这里填充焊丝用另一个交流或直流电源进行电阻加热，因此可使焊丝熔敷速度提高l～4倍，是窄坡口焊接一种有前途的方法。