第4章 钨极氩弧焊

钨极氩弧焊的应用
TIG焊可用于几乎所有金属和合金的焊接，但由于其成 本较高，主要用于不锈钢、高合金钢、高强钢以及铝、 镁、铜、钛等有色金属及其合金的焊接。 TIG焊生产率虽然不如其他的电弧焊高，但是容易得到 高质量的焊缝，它特别适宜于薄件、精密零件的焊接。 通常采用I形坡口，可不添加填充金属，在焊接较厚的 工件时，开Y形坡口或双Y形坡口并添加填充金属。
（2）直流反极性TIG焊
直流反极性TIG焊时，焊件接电源负极，钨极 接电源正极。在实际生产中，这种方法很少被采 用。 原因：钨极易氧化烧损，焊缝宽而浅，电弧 不稳定。 直流反极性TIG焊具有“阴极破碎”作用，有 利于焊接铝、镁等金属及其合金。
特点： 1、产热分配不利于焊接过程的进行 ； 2、易形成宽而浅的焊缝； 3、阴极清理作用。
1.优点
(1)保护作用好， 含氢量小。 (2)焊接过程稳定 在氩气中，电弧一旦引燃，电弧燃 烧非常稳定。 (3)焊缝成形好 由于焊接过程没有氧的侵入，在液体 金属表面上不发生化学活性的反应，因此表面张力较大， 熔池金属不易下淌和流失。 (4)具有清除氧化膜的能力 交流钨极氩弧焊在负极性 半周时，具有强烈的清除氧化膜的作用，为铝、镁及其 合金的焊接提供了非常有利的条件。 (5)焊接过程便于自动化 由于TIG焊是明弧焊，无熔滴 过渡，很容易实现机械化和自动化。
TIG焊已广泛应用于航空航天、原子能、化工、纺织、 锅炉、压力容器、医疗器械及炊具等工业部门。
2Байду номын сангаас 钨极氩弧焊焊机
焊机的组成及引弧装置 焊枪 供气系统和水冷系统 焊接程序控制装置 WS系列交、直流钨极氩弧焊机
引弧方法及接线方式
图4-3 高频振荡器与焊接回路串联
1—焊接主回路 2—旁路电容器 3—高频振荡器 4—焊枪 5—焊件
常见的引弧和稳弧方法有： （1）提高焊接电源的空载电压； （2）采用高频震荡器； （3）用脉冲稳弧器施加高压脉冲。
矩形波交流TIG焊
矩形波交流TIG焊是用矩形波交流电源代替常 用的正弦波交流电源，提高了交流电弧的 稳定性，并保证既有满意的阴极清理作用 ，又可获得较合理的两极热量分配。
通常是选择最小而必要 的反极性时间以去除氧 化膜，余下的正极性时 间可以加速母材的熔化 ，便于进行深熔透的高 速焊。
电流极性对焊缝的影响
图4-18 不同类型电流对焊缝成形影响的示意图
a)直流正极性 b)直流负极性 c)交流 1—焊件(铝、镁及其合金) 2—钨极 3—喷嘴 4—氩气流 5—电弧 6—氧化膜
三、焊接材料
1.氩气：是一种无色无味的惰性气体。它比空气重25％，而比热 容和传热系数却比空气小。这些性质使氩气在焊接时不易漂浮失 散，能够起到良好的保护作用和良好的稳定电弧的作用。它的沸 点为-186℃，介于氧和氮的沸点之间(氧的沸点为-183℃，氮的沸 点为-196℃)，所以它是分馏液态空气制取氧气的副产品，由于 氩在空气中的含量仅为0.935％，因此制取成本比氧高。氩气可 以与其他气体作任意比例的混合，这对发展混合气体保护焊提供 了有利条件。
高频脉冲TIG焊设备费用较高，目前主要应用于精密器件的焊接， 以及薄板结构的流水焊接作业线上。 如不锈钢波导管的高频脉冲TIG焊，可以获得比较理想的焊缝成 形，减小了焊缝的下塌量，大大提高了波导管的微波耦合效率。
工艺特点
图4-24 高频脉冲TIG焊与一般TIG焊 熔深的比较 1—高频脉冲TIG焊(10kHz) 2—一般TIG焊
焊枪
1—电极 2—陶瓷喷嘴 3—导气套筒 4—电极夹头 5—枪体(有冷却水腔) 6—电极帽 7—导气管 8—导水管 9—控制开关 10—焊枪手柄
图4-7 TIG焊焊枪的结构
保护效果
图4-8 常用的喷嘴形状示意图
a)圆柱形喷嘴 b)圆锥形喷嘴
供气系统和水冷系统
图4-9 TIG焊供气系统组成示意图
（1）直流正极性TIG焊
直流正极性TIG焊时焊件接电源正极，钨极 接电源负极。 特点 （1）电弧稳定； （2）钨极寿命长； （3）焊缝成形好 。
存在的问题 焊接铝、镁等易氧化的金属及其合金时，由 于在熔池表面和坡口边缘存在一层致密的高熔 点氧化膜（如：Al2O3的熔点为2050℃，铝的熔 点为667℃），这层氧化膜如不被清理，就会妨 碍焊接正常进行。 钨极正极性氩弧焊不具有清理作用，所以只 能焊接除铝、镁等易氧化的金属以外的金属。
图4-19 交流钨极氩弧焊焊铝时电压及电流的 波形
消除直流分量的措施
问题2. 引弧、稳弧
TIG焊时，必须采取特殊的引弧措施： （1）氩气和氦气的电离电压高； （2）钨极的逸出功大； （3）开始引弧时钨极温度低； （4）不允许采用接触引弧。
此外，交流焊接时，电流每秒钟100次过零 点。过零时电弧熄灭，弧柱温度降低，使得电弧 空间电离度降低，带电离子复合加剧。特别在每 次由正半波向负半波转变时，由于焊件发射电子 能力差而使得电弧复燃困难，造成电弧不稳。 为了解决过零复燃的问题，必须采取稳弧措 施。
1—气瓶 2—减压器 3—气体流量计 4—气阀
二、电流种类和极性
TIG焊使用电流种类
： 直流 交流 脉冲 1、直流TIG焊 根据电源极性的接法不同，直流TIG焊可分为两 种：正极性、反极性 一般金属（除铝、镁及其合金外）选用正极性 TIG焊为好，交流次之。铝、镁及其合金的薄件可选 用直流反极性焊接。
2. 多电极钨极氩弧焊
图4-25 多电极TIG焊示意图
3. A-TIG焊
图4-26 一般TIG焊与A-TIG焊熔深的比较
a)一般TIG焊熔深 b)A-TIG焊熔深
A-TIG焊的特点
(1)显著增加熔深 在焊接不锈钢时，可由一般TIG焊的 熔深3mm，增加到12mm。 (2)高效节能 A-TIG焊的效率高是指它的综合效率高， 由于A-TIG焊熔深大，对一定厚度的焊件不开坡口可一 次熔透；在焊接厚板时，可加大坡口的钝边，减少坡口 加工量，从而减少填充材料、焊层及辅助时间，其综合 效率高。 (3)减少对不同炉次钢的敏感性 当0.002%仍能形成稳 定的熔深。 (4)焊接变形和残余应力小
六、钨极氩弧焊其他方法
1.高频脉冲钨极氩弧焊 2.多电极钨极氩弧焊 3.A-TIG焊 4.热丝钨极氩弧焊
高频脉冲钨极氩弧焊
(1)熔深大 高频脉冲TIG焊与一般直流TIG焊在同样的 焊接平均电流下相比，高频脉冲TIG焊的熔深较大。 (2)焊接速度大 一般直流TIG焊，当焊接速度增大时， 电弧就会向焊接熔池后方倾斜，这种后拖的电弧形态， 将使熔池的前方形成表面切割区，继而造成焊缝边缘的 咬边。
3.电极的形状与尺寸
图4-17 常用的电极端部形状
a)直流小电流 b)直流大电流 c)交流
四、焊接结构
图4-22 钨极氩弧焊对接接头坡口形式
a)I形坡口 b)镦边坡口 c)卷边坡口 d)Y形坡口 e)双Y形坡口
图4-23 薄板焊接时垫板示意图
a)留有槽隙 b)无槽隙
五、焊接参数选择
1.焊接电流： 2.钨极直径及端部形状 3.喷嘴直径及氩气流量 4.喷嘴与焊件的距离
2.电极材料
(1)纯钨 钨的熔点很高，约为3380℃，沸点约为5900 ℃，因此不易熔化和蒸发。 (2)钍钨 在纯钨中加入质量分数为1％～2％的氧化钍 (ThO2)，使电极的逸出功大大降低，电子发射能力显著 增强，并改善电极的引弧性和稳弧性，而且还能提高电 极的载流能力，延长电极的使用寿命。 (3)铈钨 为降低电极的放射性，改用放射性较低的铈 (Ce)来代替钍。
钨极惰性气体保护焊
一、TIG焊的基本原理
钨极惰性气体保护焊 TIG (Tungsten Inert Gas Welding)： 在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件之 间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的焊接方法 。 薄板焊接一般不需填充金属。
图4-1 钨极氩弧焊示意图
1—焊件 2—填充金属棒 3—钨极 4—焊枪 5—焊接电源 6—控制箱 7—电磁气阀 8—流量计 9—减压器 10—氩气瓶
3.交流TIG焊
（1）交流TIG焊的优点
交流TIG焊焊接时电流的极性周期性变化。 在交流正极性（焊件为正）半周，因钨极承载能力 较大，电弧稳定、集中，使焊缝得到足够的熔深。 在交流反极性（焊件为负）半周，则利用“阴极清 理作用”，可以彻底清除熔池及附近区域的氧化膜，并 使钨极得到冷却，因此它兼有直流正、反极性TIG焊的优 点。 交流TIG焊设备简单，成本低，维修方便。 交流TIG焊广泛用于铝、镁及其合金的焊接生产中。
图4-2 不同焊接方法的焊缝金属含氢量
SMAW—焊条电弧焊 SAW—埋弧焊 MIG—熔化极氩弧焊 TIG—钨极氩弧焊 EBW—真空电子束焊
2.缺点
(1)需要高压引弧措施 由于氩气的电离电压较高(见表1 -1)，所以TIG焊的引弧较困难。 (2)对焊件清理要求严格 TIG焊无冶金的脱氧或去氢措 施，因此焊前对焊件的除油、去锈及清除尘垢等准备工 作要求严格，否则就会影响焊接质量。 (3)生产效率较低 由于钨极载流能力较低，TIG焊熔深 浅，熔敷速度小。
(1)静特性 由于氩气是单原子气体，高温时不分解、吸热，并且比热容和传 热系数小，所以在氩气中燃烧的电弧热量损失较少。 (2)阴极清理特性 氩气的相对原子质量大，为39.948。
2.电极材料
(1)耐高温 要求电极在焊接过程中不熔化烧损。 (2)发射电子能力强 要求电极材料的逸出功小。 (3)载流能力大 要求电极具有良好的导电性能及导热 性能，能承载较大电流而不过热。 (4)磨削加工性好 电极的表面常需经过磨削，具有一 定的尺寸精度和端部角度，从而保障电极的夹持精度及 可靠的导电性，保持电弧的稳定，提高电弧热量的集中 性。 (5)放射性小 某些用于提高电极发射电子能力的物质 具有放射性，因此应选用放射性小的电极材料。
（2） 存在的问题与解决措施 交流TIG焊必须解决好两个问题： 问题1. 直流分量的问题； 问题2. 引弧和稳弧的方法。