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1、非熔化极气体保护焊（TIG焊）综述传统TIG焊由于其电极的载流能力有限，电弧功率受到一定限制，使得焊缝熔深浅、焊接速度小，尤其是用于中等厚度的焊接结构时需要开坡口并要进行多层焊，因此其使用受到一定限制。热丝TIG焊是于 1956年在传统TIG焊基础上发展起来的一种优质、高效、节能的焊接工艺，其基本原理就是在焊丝送进熔池之前，对焊丝进行加热使其达到一定的预热温度，最终实现高速高效焊接的目的。而对焊丝的加热不仅可以提高焊接速度，而且可以明显改善熔敷率，并且调整了焊接熔池的热输入量，加快了填充丝的熔化速度，降低了母材的稀释率，扩大了传统TIG焊焊接工艺方法的适应性和应用范围，具有较高的经济价值。目前
2、，在国内外热丝TIG焊已经在压力容器、锅炉、高温阀门、高压管道、石化装置、海洋采油设备、军械制造和航空航天工程等高端工业部门用于碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢和镍基合金等重要焊接部件的焊接。也适用于钛合金、铝及其合金等材料的焊接。 过去，围绕着焊丝的加热方法及进一步提高其 熔敷效率和扩大其适用范围，已开发出许多具体的热丝TIG焊方法，主要分类如图1所示。热丝TIG焊按照焊丝的数量可分为单丝和双丝两种；单丝时按照加热方法的不同分为电阻加热、电弧加热、高频感应加热三种；而且还开发出主要用于大厚板焊接的窄间隙热丝TIG焊、用于薄板堆焊和表面熔敷的超高速热丝TIG焊及新型热丝TIG焊。1单丝热丝TI
3、G焊1.1电阻加热单丝热丝TIG焊日本Hori等提出的热丝TIG焊装置中热丝的加热方式就是电阻加热，将热丝电源的两极分别接在焊丝和工件上，利用电流流过焊丝所产生的电阻热来加热焊丝。设焊丝的伸出长度为e，焊丝的横截面积为S,焊丝材料的电阻率为，焊丝的加热电流为Iw，则在焊丝上产生的电阻热功率PR为PR=(I2-e)/S可看出，当焊丝的直径很大、焊丝材料的电阻率很低时，电阻加热的功率将达不到焊丝加热的预热温度，故此方法只适用于大电阻率、较细焊丝加热的情形。焊接电流与热丝电流波形匹配主要分为如表1所示的四种类型。相应的电阻加热热丝TIG焊可以分为DC式、AC式、PH式、HST式等四种。而DC式电阻加
4、热热丝TIG焊存在五大工艺问题，分别是磁偏吹、焊丝电弧现象、最优热丝电源参数调节困难、热丝送进位置波动以及熔化母材金属的能力受限制。而其中磁偏吹是DC式电阻加热热丝TIG焊工艺中最典型的问题。这个磁偏吹现象的发生主要是由于热丝电流所产生的自感应磁场而造成的。PH和HST式电阻加热热丝TIG焊均能有效地抑制磁偏吹现象的发生，其中当用PH式时，热丝电流处于峰值时才会出现磁偏吹，调小脉冲的占空比，磁偏吹发生的时间减少，对焊接工艺的影响相应减小。而当采用HST式时，磁偏吹现象几乎是完全消失。因此，目前有关电阻加热热丝TIG焊的研究几乎都集中于HST式电阻加热热丝TIG焊方法。HST式对焊接电流与热丝电
5、流波形之间的匹配关系要求非常严格。因此，HST式电阻加热热丝TIG焊焊接电源与热丝电源的设计显得尤为重要。之前电阻加热热丝TIG焊是采用双电源形式，即焊接电源和热丝加热电源二者是分开的、相互独立、分别控制的。双电源式电阻加热热丝TIG焊焊接过程中焊接参数与热丝参数是分别调节，焊接过程的不稳定性会使焊接参数实时变化，而热丝参数并未发生相应的变化，必将对焊缝成型产生不利影响。之后，国内外学者均提出了单电源式电阻加热热丝TIG焊，即焊接电源与热丝电源共用一个电源，是将TIG焊焊接电流的一部分分流作为焊丝加热电源。采用单电源式能很好地适应HST式的发展。1.2高频感应加热单丝热丝TIG焊 范成磊等提出
6、高频感应加热热丝TIG焊新方法，其原理如图3所示。采用高频感应加热设备，借助高频交变的磁场，在焊丝上形成高密度的涡流，从而达到加热焊丝的目的。与传统热丝TIG焊接相比,其特点是：加热速度快，热丝效率高，低耗环保； 通过对高频输出电流的控制可以精确地控制焊丝温度；没有焊丝电流磁场的干扰,消除了磁偏吹现象，可以确保焊接质量；通过改变输出振荡频率, 利用高频感应集肤效应,可以控制感应加热的深度；高频感应加热更好地消除焊丝表面所吸附水分对焊缝的不利影响；适用于各种金属材质的焊丝,特别是低电阻率焊丝的加热。但其缺点是长时间接触高频对人身体健康不利，还有就是高频感应加热的设备比较昂贵。高频感应加热热丝TI
7、G焊在铝、镁及其合金等低电阻率材料的热丝TIG焊焊接中发挥着巨大优势。1.3电弧加热单丝热丝TIG焊 吕世雄等提出电弧加热热丝TIG焊方法，其原理如图4所示。此方法的优点是：热丝效率很高；设备简单、成本低；不存在磁偏吹和高频；适用于所有材质的焊丝，特别是有色金属。不足之处就在于施焊过程中电弧加热焊丝部分有微弱的弧光。2新型热丝TIG焊（TOP-TIG）TOP-TIG焊接工艺是由法国SAF公司率先开发的，实属TIG焊焊接领域的一项重要的创新，其原理如图8所示。SAF公司开发此工艺的主要目标是：提高机器人焊接速度；研制出适合焊接机器人的紧凑焊枪；不抑制机器人焊接性能发挥；自动更换电极，方便操作。与
8、传统热丝TIG焊的设计理念不同，TOP-TIG焊方法是直接利用电弧柱辐射热和等离子区的高温熔化填充焊丝。与传统的冷丝TIG焊相比，可成倍地提高熔敷率，加快焊接速度。与常规的MIG/MAG焊相比，焊接速度提高了，并且焊缝质量更优，焊接过程也不产生飞溅，经济性能良好。TOP-TIG焊接方法除了上述优点之外,还大大简化了焊接附属设备，无需添加单独的热丝电源，而需对焊枪进行重新设计，使焊丝在送进熔池之前通过焊接电弧区。所以TOP-TIG焊工艺的关键部件就是与送丝系统一体化的焊枪的设计。而这种焊枪的构造使得TOP-TIG焊接过程中出现了类似MAG焊短路过渡和颗粒过渡的过渡模式。TOP-TIG焊主要用于厚
9、度为3mm以下薄板件的装配。3超高速热丝TIG焊ShiUeguri等对电源系统进行了重新设计，整个系统只有一个电源，并利用电弧电流的一部分作为焊丝加热电流。采用此电源系统，焊速可以提高到普通冷丝TIG焊的两倍以上。Shinozaki等基于脉冲加热的热丝TIG焊系统开发出超高速热丝TIG焊。首先，他们利用超高速热丝TIG焊装置在板厚为2mm的S304不锈钢板上进行堆焊，研究焊丝的熔化现象及焊丝温度分布情况。焊丝的熔化现象是用高速摄影拍摄得到的，而焊丝的温度分布则是通过辐射测温装置测得的。研究结果表明，主要受热丝电流影响的焊丝温度分布和焊丝熔化位置是影响该焊接工艺获得优良焊接质量的重要因素，并得到
10、了保证焊缝成形与焊接质量的适宜的焊接工艺参数范围。日本巴布日立工业公司与Shinozaki教授进行共同研究,利用超高速热丝TIG焊，已实现平板堆焊的最大速度为7m/min，角焊缝的焊接速度最大可达到5m/min。这与传统的焊接方法相比，焊接速度可提高10倍左右。随后，Shi-nozaki等人利用相同的研究方法与手段对普通碳钢和钛合金的超高速热丝TIG焊焊接工艺进行了研究，并提出热丝温度分布简化估算方法。并证明了热丝TIG焊可用于具有不同电阻率材料的焊接。4结论不同的热丝TIG焊方法具有不同的特点，也具有不同的适用范围。这些从热丝TIG焊基本原理而发展起来的方法扩大了热丝TIG焊在工业领域中的应
11、用范围，尤其是在大厚板结构与薄板结构焊接中发挥了其优质、高效、节能等优点。而对于HST式电阻加热热丝TIG焊、窄间隙热丝TIG焊、超高速热丝TIG焊来说，它们仍存在些技术与工艺难点，也存在许多理论研究热点。这三种热丝TIG焊的研究具有很大的理论与现实应用意义，从而得到了广泛的重视。并且随着微型机、数字化控制理论、质量控制等技术的发展，热丝TIG焊方法将向着多元化、数字化、自动化和智能化方向发展，其在高端工业领域的应用也将进一步扩大。等离子焊综述1概述等离子弧焊发明于1953年，英文学名为“PlasmaArcWelding”，缩写为PAW，由钨极氩弧焊发展而成，是该领域内的一项重大技术创新。等离
12、子弧焊与原始的TIG焊相比，具有优质、高效、经济等优点，早在上世纪60年代初已成功用于金属制品生产。近20年来，等离子弧焊技术获得了进一步的发展，并成为现代焊接结构制造业中不可缺少的精密焊接工艺方法,在压力容器、管道、航天航空、石化装置、核能装备和食品及制药机械生产中得到普遍的推广应用，可以焊接普通优质碳钢、低合金钢、不锈钢、镍基合金、铜镍合金、钛、钽、锆及其合金和铝及其合金等金属材料。为充分发挥等离子弧焊方法的潜在优势,增强其工艺适应性，进一步扩大应用范围，已开发出各种等离子弧焊工艺方法，如微束等离子弧焊、熔透型（弱等离子）等离子弧焊、锁孔型等离子弧焊、脉冲等离子弧焊、交流变极性等离子弧焊、
13、等离子弧钎焊和等离子弧堆焊等。可以预料，等离子弧焊必将在现代工业生产中发挥出愈来愈重要的作用。2等离子弧焊的基本工作原理等离子弧焊是早期对焊接电弧物理深入研究的最重要的成果之一。通过试验研究发现，在任何一种焊接电弧中，都存在温度超过3000的等离子区，但在自由状态的电弧中，这一区域的尺寸显得过小，且紧靠阴极，未能充分发挥其作用。TIG焊自由状态电弧的形貌成锥形，大部分能量被散失，电弧的热效率很低,从而大大降低了焊接效率。为充分利用电弧的能量，自然萌发出将电弧柱进行压缩，使其能量集中的想法，并逐步形成了等离子弧焊的设计思想。等离子弧是一种被压缩的钨极氢弧，或者说是一种受约束的非自由电弧。一般情况
14、下，借助于水冷喷嘴的约束作用，等离子体电弧弧柱在压缩作用下形成压缩电弧，即等离子弧。等离子弧由特殊结构的等离子体发生器产生，具有热压缩效应、机械压缩效应以及电磁压缩效应的特点。根据电极接电方式，等离子弧可以分为非转移型等离子弧和转移型等离子弧。非转移型等离子弧的电极接负极，喷嘴接正极，电极与喷嘴之间产生等离子弧，工件不接电；转移型等离子弧电极接负极，工件接正极，等离子弧在电机与工件之间产生。国内的等离子弧焊接有混合型等离子弧，即非转移型等离子弧和转移型等离子弧同时存在，电极接负极，喷嘴与工件接正极。等离子弧焊接多使用惰性气体氢气作为工作气和保护气，利用产生的高温等离子弧做焊接热源，通过加热并熔
15、化焊材以及母材金属，使熔化的焊材熔敷在母材上，同时熔化的焊材与母材之间发生复杂的冶金作用而形成焊接接头。一般情况下，等离子弧焊接有以下几种分类方法。根据操作方式的不同，等离子弧焊接分为手工等离子弧焊接和自动等离子弧焊接;根据焊接工艺.等离子弧焊接可分为脉冲等离子弧焊接、小孔型等离子弧焊接、微束等离子弧焊接、熔化极等离子弧焊接、热兹等离子弧焊接等;根据焊透母材的方式，等离子弧焊接可分为穿透型等离子弧焊接和熔透型等离子弧焊接。3等离子弧焊接特点等离子弧作为一种钨极氢弧，由于受到水冷喷嘴的压缩，在机械压缩效应、热压缩效应以及电弧自身的电磁压缩效应下，使等离子弧具有能量密度更加集中、温度更加高、焰流速
16、度更加大，而且刚直性更好的特点。鉴于等离子弧的以上特点，等离子弧焊接相对于钨极氢弧焊而言，具有以下优点。(1)电弧能量密度大，熔透能力强，因此焊缝深宽比大，截而积小; (2)焊接速度快，薄板焊接变形小，厚板焊接时热影响区窄; (3)电弧方向性强，挺度好，稳定性好，电弧容易控制;(4)钨极内缩在喷嘴内部，不能与工件接触，可以杜绝焊缝夹钨，焊缝质量高;(5)可以产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，可以正而焊接获得良好的单而焊双而成形。等离子弧焊接的缺点:(1)焊接时需要保护气和等离子气两股气流，使焊接过程控制和焊枪结构复杂化; (2)焊接过程中，需控制的工艺参数较多，对焊接操作人员的技术要求较高，尤其是程序化控制的自动等离子弧焊接。4等离子弧焊工艺方法的新发展近年来，为适应不同焊件的工艺要求，等离子弧焊
