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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
2、空气中的O、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
3、,1.2 TIG焊接设备 -辅助设备,弧长自动调节装置：电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
4、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 TIG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
5、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 -
6、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，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
7、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：10S,1.2 TIG焊接设备-钨极,直径1.6mm的钨电极，180A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200A,La2O3(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
8、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-TIG,Ar 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
9、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（双层保护气体） Ar+He,1.2 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
10、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
11、（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. 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
12、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，C
13、1两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 TIG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
14、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 high 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,T
15、IG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：direct 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，
16、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 eletorde (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
