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1、第三章TIG焊接方法3.1TIG焊接方法的原理3.1.1前言 TIG是英文Tungsten Inert Gas 的缩写，TIG焊接方法是使用钨电极和惰性气体保护的一种弧焊技术，该技术于1930年研究成功，最初阶段保护气体使用氦气，所以曾经使用氦弧焊的名称(Heli Arc)，目前广泛使用氩气作为保护气体，所以又把TIG焊接技术称之为氩弧焊技术。3.1.2TIG焊接方法的原理 图3.1表示TIG焊接方法的原理。在TIG焊接技术中，在不熔化的钨电极与母材之间产生电弧，利用氩气等惰性气体把熔融金属与空气隔开以起保护作用，利用电弧产生的高热量把母材进行熔化从而连结在一起。在TIG焊接方法中有使用填充材
2、料的填丝TIG和不使用填充材料只熔化母材的TIG焊。图3.1 TIG焊接方法的原理3.2TIG焊接方法的起弧方式 TIG 焊接方法中的起弧方式可分为三类:“高频振荡起弧方式”、“外加直流高压脉冲起弧方式”和“接触起弧方式”。最近，由于环境保护的要求，限制高频噪音的发生，所以在TIG焊接方法中倾向于不使用“高频振荡起弧方式”。 1.高频振荡起弧方式 如图3.2所示，电极与母材不接触，利用高频振荡打破电极与母材之间的绝缘状态，产生电弧。图3.2 高频振荡起弧方式 2.外加直流高压脉冲起弧方式如图3.3所示，电极与母材不接触，利用外加直流高压脉冲产生电弧。图3.3 外加直流高压脉冲起弧方式 3.接触
3、起弧方式 如图3.4所示，电极与母材接触的瞬间，把焊枪提升一点距离, 从而产生电弧。图3.4 接触起弧方式3.3TIG焊接方法的主要特点 TIG焊接方法的主要特点如下: 由于有惰性气体保护，对焊缝金属的保护效果好，所以在焊接金属中极少混入杂质，从而能取得高质量的焊接结果。 能焊接工业中使用的几乎所有的金属（铅、锡等低熔点金属除外）。 没有飞溅，操作方便。 能实现任何形式的接头的焊接，而且焊接姿态不受限制。 即使在小电流区域也能得到稳定的电弧，所以能焊接薄板。另外TIG焊接容易得到单面焊双面成型。 明弧，能观察电弧及熔池。 填充金属的添加量不受焊接电流的限制。 某些场合可不添加金属。 能进行脉冲
4、焊接，减少热输入。 TIG焊接方法的缺点是，惰性气体价格比较高，与MIG焊接方法比较，其焊接速度慢(从而降低了焊接作业效率)，受气体保护的电弧容易受环境中风的影响，焊缝金属易于受钨的污染。3.4TIG焊接方法的分类3.4.1各种TIG焊接方法的比较在TIG焊接方法中有交流TIG焊、直流TIG焊以及焊接电流有周期性变化的脉冲TIG焊接法。按照使用的不同的电极极性和电流的控制方法可将TIG焊接方法进行分类，如表3.1所示。此外，各种典型的被焊接材料(母材)适用的焊接电源种类如表3.2所示。各种材料有其特有的特性，必须根据不同的使用目的加以选择。表3.1 各种TIG焊接方法的比较直流TIG焊交流TI
5、G焊脉冲TIG焊电源外特性恒电流缓降特性或恒电流脉冲电流极 性直流正接（焊枪接负极)交流直流正接或交流使用电流(A)4500105001500适用板厚(mm)0.3以上0.5以上0.1以上焊接姿势全位置全位置全位置特 点有去除表面氧化膜的作用l 适合焊接薄板l 焊接速度高适用母材除活泼金属外的所有合金铝合金镁合金不锈钢(直流)低碳合金钢(直流)铝合金(交流) (注) 使用直流TIG焊时，如果是直流反接法（焊枪接正），会加快钨电极的损耗，所以一般不采用。表3.2 TIG焊接(含脉冲)电源的选择被焊接材料交流焊机直流焊机(正接)碳素钢铸 铁备注:推荐电源能用但不推荐不能用不锈钢铝镁硅铜.脱氧铜黄铜
6、银铬合金交流电源主要适用于必须利用电弧除去母材表面的氧化膜的金属焊接，例如铝、镁合金。在其它金属要采用直流电源正接进行焊接。3.4.2直流TIG焊接方法最常用的TIG焊接方法。使用恒流特性的焊接电源，如图3.5所示，把钨极(焊枪一侧)与阴极相连从而产生电弧，直流TIG焊接方法可用于除铝和镁等合金(活泼金属)以外的几乎所有金属的焊接。图3.5 直流TIG焊接方法图3.6表示钨电极与电源正极和负极分别连接的极性效果图3.6 直流TIG焊接方法的极性效果3.4.3交流TIG焊接方法在铝和镁合金等的焊接中，必须除去母材表面的氧化皮膜，母材一侧作为阴极时电弧有“阴极雾化作用”，这是因为电流密度高的阴极斑
7、点在表面氧化皮膜上来回移动能破坏和除去氧化皮膜。图3.7为通过阴极雾化作用洁净后铝合金的焊缝外观。图3.7 交流TIG焊接铝合金的洁净作用如图3.8所示，铝金属表面有一层熔点很高的氧化皮膜，如果钨电极接正，母材接负时，从电极表面来的离子打在氧化膜上，从而将之打碎、去除。这种破坏和清除铝表面的氧化皮膜的作用，把它称之为氧化膜清洁作用。图3.8 铝的氧化膜 但是，如果象图3.8那样连接，由于电极为阳极时，传入电极的电弧热很大，这就增大了钨电极的消耗(而且熔深变浅)，因此这种电极连接方法不实用。为了解决这个问题，采取“交流TIG焊接方法”，如图3.9所示，能发挥正接和反接两者的特长，既保证有清洁作用
8、，又抑制了电极的消耗速度，熔深处于正极性和负极性的中间状态，此外，交流焊接电源使用恒流特性。在铝的焊接中使用交流TIG焊接方法。图3.9 交流TIG焊接方法3.4.4脉冲TIG焊接方法脉冲TIG焊接方法是将焊接电流周期性变化，从而调整电弧特性最终达到控制焊缝形状的目的。在这种方法中，有直流脉冲和交流脉冲两种形式，可根据不同的母材材质加以选用，表4-2列出了不同的母材和与之相配套的电源类型。下面介绍各种脉冲TIG焊接方法。3.4.4.1直流脉冲TIG焊接方法如图3.10所示，直流脉冲TIG焊接方法使焊接电流呈脉冲方式按一定周期进行变化，在脉冲电流峰值(Ip)流过时间内(Tp)熔化母材，在基值电流
9、(Ib)流过时间内(Tb)让熔池冷却凝固，这些熔化的部分周期重叠就形成焊缝。图3.10 脉冲波形与焊缝形状图3.11表示利用脉冲TIG方法焊接不锈钢时的焊缝外观，呈鱼鳞形状。通过调整焊接速度或脉冲频率能控制相邻鳞片重叠部分的尺寸。图3.11 脉冲TIG焊接不锈钢的焊缝外观 此外，直流脉冲TIG焊接方法所使用的频率大致有三种: 低频脉冲(0.520Hz) 中频脉冲(10500Hz) 高频脉冲(120kHz) 注: 频率的具体数值随不同工厂、不同产品多少有些差别，此外，在名称方面也与不同的工厂有关，例如把低、中、高频脉冲称之为低速、中速、高速脉冲等。 不同频率直流脉冲TIG焊接方法的应用范围如下:
10、低频脉冲焊接异种金属和不同板厚的金属中频脉冲焊接薄板(0.3mm左右)高频脉冲极薄板( 0.1mm)或热电偶等高质量超精密的焊接 直流脉冲TIG焊接方法的主要特征:1 可以精确地控制工件的热输入和熔池尺寸，提高焊缝抗烧穿和熔池的保持能力，获得均匀的熔深，特别适用于薄板（薄至01mm）全位置焊接和单面焊双面成型。2 每个焊点加热和冷却迅速，所以适用于导热性能和厚度差别大的工件。3脉冲电弧可以用较低的热输入而获得较大的熔深，故同样条件下能减小焊接热影响区和焊接变形，这对薄板和超薄板尤为重要。4.焊接过程中熔池金属冷凝快，高温停留时间短，可减小热敏材料焊接时产生裂纹的倾向。3.4.4.2交流脉冲TI
11、G焊接方法交流脉冲TIG焊接方法的原理与直流脉冲TIG焊接方法的原理相同，电流波形也是以一定的周期进行变化，只是交流脉冲的电流波形是按照商用频率50Hz或60Hz作周期性的正负变化，如图3.12所示。图3.12 交流脉冲TIG焊接的电流波形此外，形成焊缝的机理与直流脉冲TIG焊接方法相同，图3.13表示利用交流脉冲TIG焊接方法焊接铝合金的焊缝外观。图3.13 交流脉冲TIG焊接铝合金的焊缝外观交流脉冲TIG焊接方法是在利用可控硅等半导体器件的交流TIG焊接电源出现以后才研制成功的一种焊接方法，发展历史并不长，这种焊接方法广泛应用于铝焊接。交流脉冲TIG焊接方法的特点：1 容易进行薄板、内部焊
12、缝、姿势难度高的焊缝的焊接。2 能洁净的宽度足够地宽。3 焊缝与母材的之间的过度好。4 能得到漂亮的焊缝外观。3.4.5其它的TIG焊接方法3.4.5.1TIG热丝(hot wire)焊接方法 TIG焊接法虽然能得到高质量的焊缝，但有焊接熔敷量量少、效率低的缺点。而热丝焊接法在焊丝送入熔池之前先对其进行加热，从而增加了熔敷量，既保持了TIG焊接的高质量的优点，又提高了焊接效率。加热焊丝的方法有两种，一种是采用专用的焊丝加热电源，另一种是使用焊接电流的分流来加热焊丝。图3.14表示采用外加电源的热丝加热方式，在离母材10mm左右的地方对焊丝供电，通过电阻发热加热焊丝，这时的焊丝处于半熔化状态送入
13、熔池，这种方式比一般不加热焊丝(这时叫做冷焊丝)方式增加三倍左右的熔敷量，为此该方法能提高薄板的焊接效率，速度也提高了两倍。此外，这种方式通过加热的焊丝能去掉母材表面的油脂，从而抑制了气孔的发生。图3.14 TIG热丝焊接方法该方式的缺点是，由于焊丝的加热电流和电弧电流相互干涉容易引起磁吹(弧偏吹)现象，特别是在高电流区这种现象的影响最明显。3.4.5.2TIG点焊如图3.15所示，TIG点焊是用焊枪末端压在母材上使之紧密接触，然后通过TIG电弧对搭接板进行加热，形成点状焊接接头的焊接方法。电弧的发生时间随母材的材质、板厚的不同而不同，一般在0.55秒之间，电弧长调整为23mm，不用附加焊丝，
14、所以要求被焊工件要紧密接触。图3.15 TIG电弧点焊TIG点焊与电阻点焊相比，它有如下优点：1 可用一面进行点焊，方便灵活。对于那些无法从两面操作的构件，更有特别的意义。2 更容易点焊相差悬殊的工件，且可将多层板材点焊。3 焊点尺寸容易控制，焊点强度可在很大范围内调节。4 需施加的压力小，无需加压装置。5 设备费用低廉，耗电量少。缺点：1 焊接速度不如电阻点焊高。2 焊接费用（氩气消耗等）较高。3.5TIG焊接设备3.5.1TIG焊接设备的主要构成 TIG焊接设备的主要构成如下:. 焊接电源. 高频发生装置和控制装置. 焊枪. 附属设备(遥控器、焊丝供给装置、冷却水循环装置、氩气瓶、氩气表及流量计等)其中，高频发生装置、控制装置都内藏在焊接电源中，焊接电源的基本构成如图3.16所示。图3.16 TIG焊接电源的基本构成3.5.2焊接电源3.5.2.1TIG电弧特性图3.17表示TIG电弧电压与电流的关系，在30A左右的小电流区域内，随着电流的增加电弧电压则下降，呈“负电阻特性”，以后转移到“恒压特性”上，如果电流进一步增加，则电弧电压随之增加，呈“上升特性”。图3.17 TIG电弧静特性 此外，如果焊接电流不变
