《焊接方法與設(shè)備》

第五單元

鎢極惰性氣體保護焊學習目標

通過本單元的學習，要使學生明確鎢極惰性氣體保護焊的特點及應用；掌握鎢極惰性氣體保護焊的電流種類與極性的選擇；熟悉鎢極惰性氣體保護焊焊接工藝等內(nèi)容；了解鎢極惰性氣體保護焊設(shè)備的特點、電氣原理和應用。

鎢極惰性氣體保護焊是指使用純鎢或鎢合金作電極的非熔化極惰性氣體保護焊方法，簡稱為TIG焊。

TIG焊可用于幾乎所有金屬及其合金的焊接，可獲得高質(zhì)量的焊縫。但由于其成本較高，生產(chǎn)率低，多用于焊接鋁、鎂、鈦、銅等非鐵金屬及合金，以及不銹鋼、耐熱鋼等材料。模塊一

TIG焊的特點及應用一、TIG焊的基本原理TIG焊是在惰性氣體保護下，利用鎢極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（也可以不加填充焊絲），形成焊縫的焊接方法。焊接時保護氣體從焊槍的噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧周圍形成保護層隔絕空氣，保護電極和焊接熔池以及臨近熱影響區(qū)，以形成優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。圖5-1TIG焊示意圖TIG焊分為手工和自動兩種。焊接時，用難熔金屬鎢或鎢合金制成的電極基本上不熔化，故容易維持電弧長度的恒定。填充焊絲在電弧前方添加，當焊接薄工件時，一般不需開坡口和填充焊絲；還可采用脈沖電流以防止燒穿工件。TIG焊一般采用氬氣作保護氣體，稱為鎢極氬弧焊。在焊接厚板、高導熱率或高熔點金屬等情況下，也可采用氦氣或氦氬混合氣作保護氣體。二、IG焊的特點TIG焊與其他焊接方法相比有如下主要特點：

（1）焊接質(zhì)量好

（2）可焊金屬多

（3）適應能力強

（4）焊接生產(chǎn)率低

（5）生產(chǎn)成本較高三、TIG焊的應用TIG焊幾乎可用于所有鋼材、非鐵金屬及其合金的焊接，特別適合于化學性質(zhì)活潑的金屬及其合金。常用于不銹鋼、高溫合金、鋁、鎂、鈦及其合金以及難熔的活潑金屬和異種金屬的焊接。

TIG焊容易控制焊縫成形，容易實現(xiàn)單面焊雙面成形，主要用于薄件焊接或厚件的打底焊。脈沖TIG焊特別適宜于焊接薄板和全位置管道對接焊。但是，由于鎢極的載流能力有限，電弧功率受到限制，致使焊縫熔深淺，焊接速度低，TIG焊一般只用于焊接厚度在6mm以下的工件。模塊二TIG焊的電流種類和極性一、直流TIG焊

直流TIG焊時，電流極性沒有變化，電弧連續(xù)而穩(wěn)定，按電源極性的不同接法，又可將直流TIG焊分為直流正極性法和直流反極性法兩種方法。

1．直流正極性法

直流正極性法焊接時，工件接電源正極，鎢極接電源負極。有如下特點：（1）熔池深而窄，焊接生產(chǎn)率高，工件變形小。（2）鎢極許用電流大，壽命長。（3）電弧引燃容易，燃燒穩(wěn)定。

應用：直流正極性優(yōu)點較多，除鋁、鎂及其合金的焊接以外，TIG焊一般都采用直流正極性焊接。正接2．直流反極性法

直流反極性時工件接電源負極，鎢極接正極。這時工件和鎢極的導電和產(chǎn)熱情況與直流正極性時相反。直流反極性法有如下特點：（1）有強烈的陰極破碎作用。能清除鋁、鎂及其合金工件表面的氧化膜。（2）容易使鎢極過熱而燒損，鎢極的許用電流小，壽命短。（3）由于在工件上放出的熱量不多，使焊縫熔深淺，生產(chǎn)率低。應用：直流反極性法主要用于鋁、鎂及其合金薄件的焊接，其他場合很少采用。反接表5-1電流種類和極性不同時純鎢極的許用電流鎢極直徑/mm電流種類和極性許用電流/A1~23456交流直流正接直流反接20~10065~15010~30100~160140~18020~40140~220250~34030~50220~280300~40040~80250~360350~45060~100圖5-2TIG焊電流種類與極性對焊縫形狀的影響a）直流正極性b）直流反極性c）交流交流TIG焊兼?zhèn)淞酥绷髡龢O性法和直流反極性法兩者的優(yōu)點：a.在交流負極性半周里，具有“陰極破碎”作用；b.在交流正極性半周里，可減輕鎢極燒損，且有利于電弧的穩(wěn)定燃燒。c.焊縫形狀也介于直流正極性與直流反極性之間。二、交流TIG焊交流TIG焊存在的問題：a、電弧過零點后復燃困難b、焊接回路中產(chǎn)生直流分量TIG焊中廣泛采用的穩(wěn)弧措施是利用脈沖穩(wěn)弧器，在交流電流過零點進入負極性半周瞬時施加高壓脈沖（其值通常在1500V以上），幫助電弧重新引燃。這種方法易保證穩(wěn)弧相位要求，穩(wěn)弧效果良好。1．過零點復燃及穩(wěn)弧措施2．焊接回路中的直流分量及消除

在使用交流TIG焊焊接時，由于電極和工件的電、熱物理性能以及幾何尺寸等方面存在差異，造成電弧電流在正、負半周不對稱。這種電流不對稱的現(xiàn)象相當于電弧電流由兩部分組成，一部分是交流電流；另一部分是疊加在交流部分上的直流電流，后者稱為直流分量。

交流TIG焊時直流分量示意圖

直流分量的出現(xiàn)首先會使負極性（工件為負極）半周的電流幅值減小且作用時間縮短，因而減弱了“陰極破碎”作用；同時直流分量使焊接變壓器的工作條件惡化，造成焊接變壓器發(fā)熱，甚至燒毀。因此必須限制或消除直流分量，才能保證焊接過程的順利進行。在TIG焊中，常用在焊接回路中串聯(lián)電容的方法限制或消除直流分量。這種方法是利用電容器隔直流、通交流的作用來消除直流分量的。這種方法能有效消除直流分量，使用和維護方便，所以得到了廣泛的應用。但是，如果要通過較大的焊接電流，則需要很大的電容量，加大了設(shè)備成本。直流分量的影響及消除三、脈沖TIG焊

薄件、超薄件焊接采用脈沖TIG焊，在脈沖焊接電流期間，電弧穩(wěn)定、電弧壓力大，易使母材熔化。在較低的基值電流期間可維持電弧不滅，使熔池凝固結(jié)晶。這樣，大、小電流不斷交替，既可避免大電流燒穿的現(xiàn)象，又能克服小電流電弧不穩(wěn)的問題，可保證焊接過程的順利進行。

脈沖TIG焊的特點：（1）電弧壓力大、挺度好，可明顯地改善電弧的穩(wěn)定性（2）可控制對母材的熱輸入及焊縫成形（3）脈沖電流對熔池的攪拌作用可改善焊縫組織及外觀成形（4）電弧線能量低、裂紋傾向小

脈沖TIG焊的應用：使脈沖TIG焊特別適于焊接熱敏感性強的金屬材料或薄件，超薄件、全位置、窄間隙以及中厚板開坡口多層焊的第一層封底焊。模塊三TIG焊設(shè)備一、TIG焊機的分類及組成TIG焊設(shè)備按焊接電源不同又可分為交流TIG焊機（包括矩形波TIG焊機）、直流TIG焊機以及脈沖TIG焊機；按操作方式可分為手工TIG焊機和自動TIG焊機兩類。手工TIG焊機主要由焊接電源、焊槍、供氣和供水系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等部分組成。自動TIG焊機則在手工TIG焊機的基礎(chǔ)上，再增加焊接小車(或轉(zhuǎn)動設(shè)備)和焊絲送給機構(gòu)等組成。1．焊接電源

TIG焊機可以采用直流、交流或交、直流兩用電源。無論是直流電源還是交流電源都應具有陡降外特性或垂直下降外特性，以保證在弧長發(fā)生變化時，減小焊接電流的波動。交流焊機電源常用矩形波弧焊電源；直流電源可用晶閘管式整流電源或逆變式弧焊電源。矩形波弧焊電源在交流TIG焊機中的應用（1）電弧穩(wěn)定，電流過零點時重新引弧容易，不必加穩(wěn)弧器；（2）通過調(diào)節(jié)正、負半波通電時間比，使其既能滿足清除氧化膜的需要，又能獲得最小的鎢極損耗和可能的最大熔深。

特點：電流過零點時上升與下降的速率高，電弧穩(wěn)定；正、負半波通電時間比和電流幅值比均可以自由調(diào)節(jié)。在弧焊工藝上具有優(yōu)點：TIG焊焊槍的作用是夾持電極、導電及輸送保護氣體。目前國內(nèi)使用的焊槍大體上有兩種：一種是氣冷式焊槍，用于小電流(最大電流不超過150A)焊接，另一種是水冷式焊槍，供焊接電流大于150A時使用，其結(jié)構(gòu)見圖。2．焊槍電極、導電嘴和噴嘴（1）對控制系統(tǒng)的要求

1）提前送氣和滯后停氣，以保護鎢極和引弧、熄弧處的焊縫；2）自動控制引弧器、穩(wěn)弧器的起動和停止；3）手工或自動接通和切斷焊接電源；4）焊接電流能自動衰減。

控制系統(tǒng)由引弧器、穩(wěn)弧器、行車(或轉(zhuǎn)動)速度控制器、程序控制器、電磁氣閥和水壓開關(guān)等構(gòu)成。3.控制系統(tǒng)

高頻振蕩引弧器下圖是一個高頻高壓發(fā)生器的電路圖，其輸出電壓為2000～3000V，頻率為150～260kHz。產(chǎn)生的高頻高壓交流電流，通過T2輸出至焊接回路用于引弧。（2）引弧器和穩(wěn)弧器1）引弧器TIG焊要求采用引弧器實現(xiàn)非接觸引弧。

引弧器有高頻振蕩式和高壓脈沖式兩種。

高頻振蕩器是非接觸式引弧的一種常用裝置，引弧效果亦很好。高頻振蕩器缺點：產(chǎn)生的高頻電磁波對周圍工作的電子儀器有干擾作用；當高頻高壓竄入焊接電源中或控制電路中后，還可能造成電器元件的損壞或電路失控；另外高頻電磁場對工作人員的身體健康有某種不利影響。因此，必須對高頻振蕩器采取隔離屏蔽等措施。

高壓脈沖引弧器可消除高頻振蕩器的上述缺點

為了使高壓脈沖引弧可靠，應當在工件處于負極性半周的峰值時，疊加高壓引弧脈沖，效果最佳。引弧脈沖電壓與電源電壓瞬時值間的相位關(guān)系如圖5-7所示。圖5-7引弧脈沖電壓與電源電壓瞬時值間的相位關(guān)系u1-電源電壓u2-引弧脈沖電壓2）穩(wěn)弧器圖5-8脈沖引弧、穩(wěn)弧主電路

交流TIG焊時，電流由正極性到負極性的過零瞬間，向弧隙提供一高壓脈沖來幫助電弧重新復燃。高壓脈沖穩(wěn)弧器的主電路與引弧器共用，如圖5-8所示。

變壓器T1的一個二次繞組輸出800V的交流電壓，此電壓經(jīng)整流橋UR2整流后，經(jīng)過電阻R1向電容C13充電達最大值。C13儲存的這部分能量作為高壓脈沖的能源。在工件為負極性的半周內(nèi)，當空載電壓瞬時值達極大值時，晶閘管VH20被觸發(fā)導通，于是C13向T2的一次繞組放電。因此在T2的二次繞組感應出一高壓脈沖，疊加在鎢極與工件之間，以供引弧之用。

電弧引燃后，電容C13放電很快結(jié)束，晶閘管VH20即自行關(guān)斷，于是C13又再次開始充電至電壓最大值。當工件由正極性向負極性轉(zhuǎn)變的時刻，控制電路將使晶閘管VH20再次觸發(fā)導通，向弧隙提供一高壓脈沖來幫助電弧重燃。

穩(wěn)弧脈沖與電源電壓和電弧電流間的相位關(guān)系如圖5-9所示。這一方法簡單易行，成本不高而且效果好。將電弧的引燃和過零點復燃都讓高壓脈沖來完成，可以簡化焊接設(shè)備，完全消除高頻振蕩器的缺點。圖5-9穩(wěn)弧脈沖與電源電壓和電弧電流間的相位關(guān)系u1-電源電壓u2-穩(wěn)弧脈沖電壓I-電弧電流TIG焊機的供氣系統(tǒng)主要包括氬氣瓶、減壓器、流量計及電磁氣閥，其組成如圖5-10所示。

（1）氬氣瓶

氬氣瓶的構(gòu)造和氧氣瓶相似，外表涂為銀灰色，并標以深綠色“氬”字樣。氬氣瓶最大壓力通常為15MPa，容積一般為40L。氬氣在鋼瓶中呈氣態(tài)，從鋼瓶中引出后，不需要預熱和干燥。4．供氣和供水系統(tǒng)圖5-10TIG焊機氣路系統(tǒng)

（2）減壓器和氣體流量計

減壓器用以將高壓氣瓶中氣體壓力降至焊接所要求的壓力，通常采用氧氣減壓器即可。氣體流量計是調(diào)節(jié)和標示通過氣體流量大小的裝置。目前采用的301-1型浮標式流量計將減壓器和流量計制成一體，使用方便可靠。

（3）電磁氣閥

電磁氣閥的開啟和關(guān)閉受控于控制系統(tǒng)，從而達到提前送氣和滯后斷氣的目的。它為一般的通用元件，與CO2氣路上的一樣。

供水系統(tǒng)主要用來冷卻焊接電纜、焊槍和鎢棒。如果焊接電流小于150A，就不需要水冷。為保證冷卻水可靠接通并有一定的壓力起動焊接設(shè)備，通常在弧焊機中設(shè)有保護裝置--水壓開關(guān)。二、典型TIG焊機

WSE-300型手工交直流兩用鎢極氬弧機的結(jié)構(gòu)主要由焊接電源、控制系統(tǒng)（與焊接電源合為一體）、焊槍和供氣系統(tǒng)等部分組成，如圖5-11所示。圖5-11WSE-300型鎢極氬弧焊機結(jié)構(gòu)示意圖焊接電源及控制系統(tǒng)焊槍開關(guān)焊槍三、TIG焊設(shè)備的保養(yǎng)和常見故障的排除TIG焊機除與埋弧焊機、CO2焊機的使用保養(yǎng)要求外，還必須注意幾點：焊機在使用前，必須檢查水管、氣管的連接，保近焊接時能正常供水、供氣（特別是大電流TIG焊機應更加重視），定期檢查焊槍的彈性鎢極夾頭的夾緊狀況和噴嘴的絕緣性能是否良好。NSA-500-1型TIG焊機控制線路較復雜，發(fā)生故障檢修前，應使清除直流分量的電容器先行放電，以防止觸電。故障現(xiàn)象可能原因排除方法合上電源開關(guān)，電源指示燈不亮，撥動焊把開關(guān)，無任何動作①電源開關(guān)接觸不良或損壞②保險絲燒斷③指示燈損壞①更換開關(guān)②更換保險絲③更換指示燈電源指示燈亮，水流開關(guān)指示燈不亮，撥動焊把開關(guān)，無任何動作①水流開關(guān)失靈或損壞②水流量?、俑鼡Q或修復水流開關(guān)SW②增大水流量電源及水流指示燈均亮，撥動焊把開關(guān)，無任何動作①焊把開關(guān)損壞②繼電器KA2損壞①更換焊把開關(guān)②更換KA2焊機啟動正常，但無保護氣輸出①氣路堵塞②電磁氣閥損壞或氣閥線圈接入端接觸不良①清理氣路②檢修電磁氣閥或更換氣閥③檢修接線處撥動焊把開關(guān)，無引弧脈沖引弧觸發(fā)回咱或脈沖發(fā)生主回路發(fā)生故障①檢修T2輸出側(cè)與焊接主回路聯(lián)接處②檢修引弧觸發(fā)回路及輸入、輸出端③檢修脈沖主回路和脈沖旁路回路有引弧脈沖，但不能引弧引弧脈沖相位不對或焊接電源不工作①對調(diào)焊接電源輸入端或輸出端②調(diào)節(jié)RP16使引弧脈沖加在電源空載電壓90°處③檢修接觸器KM或焊接電源輸入端接線引弧后無穩(wěn)弧脈沖穩(wěn)弧脈沖觸發(fā)電路發(fā)生故障先切斷引弧觸發(fā)脈沖，然后檢修穩(wěn)弧脈沖觸發(fā)回路接通焊機電源，即有脈沖產(chǎn)生晶閘管VSCR1、VSCR2中的一個或兩個正向阻斷電壓過低更換VSCR1和VSCR2引弧脈沖和穩(wěn)弧脈沖互相干擾引弧脈沖相位偏差過大調(diào)節(jié)RP16使引弧脈沖加在電源空載電壓90°處穩(wěn)弧脈沖時有時無晶閘管VSCR1

、VSCR2一只擊穿，另一只正向阻斷電壓低更換擊穿或特性差的可控硅引弧及穩(wěn)弧脈沖弱，工作不可靠高壓整流電壓過低或R2阻值偏大①檢修VC1是否有一橋臂損壞而成為半波整流②減少R2的阻值表5-4NSA-500-1型TIG焊機常見故障產(chǎn)生原因及排除方法模塊四TIG焊工藝一、焊前清理TIG焊采用惰性氣體保護，它沒有脫氧去氫的能力。為了確保焊接質(zhì)量，焊前對工件及焊絲必須清理干凈，不應殘留油污、氧化皮、水分和灰塵等。如果采用工藝墊板，同樣也要進行清理，否則它們就會從內(nèi)部破壞氬氣的保護作用，這往往是造成焊接缺陷（氣孔）的重要原因。

TIG焊常用的清理方法有機械清理和化學清理兩種，或兩者聯(lián)合進行?；瘜W法對于鋁、鎂、鈦及其合金等非鐵金屬的工件與焊絲表面氧化膜的清理效果好，且生產(chǎn)率高。鋁及其合金的化學清理工序見表5-6。表5-6鋁及其合金的化學清理工序材料堿洗沖洗光化沖洗干燥/℃（NaOH）（%）溫度/℃時間/minω（HNO3）（%）溫度/℃時間/min純鋁15室溫10~15冷凈水30室溫2冷凈水60~1104~56~701~2鋁合金85~605冷凈水30室溫2冷凈水60~110

清理后的工件與焊絲必需妥善放置與保管，一般應在24h內(nèi)焊接完。如果存放中弄臟或放置時間太長，其表面氧化膜仍會增厚并吸附水分，因而為保證焊縫質(zhì)量，必須在焊前重新清理。二、焊接參數(shù)的影響及選擇TIG焊的焊接參數(shù)有：焊接電流、電弧電壓（電弧長度）、焊接速度、填絲速度與焊絲直徑、保護氣體流量與噴嘴孔徑、鎢極直徑與端部形狀等。合理的焊接參數(shù)是獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的重要保證。1．焊接參數(shù)對焊縫成形和焊接過程的影響TIG焊時，可采用填充焊絲或不填充的方法形成焊縫。不填充焊絲法，主要用于薄板焊接。如厚度在3mm以下的不銹鋼板，可采用不留間隙的卷邊對接，焊接時不加填充焊絲，而且可實現(xiàn)單面焊雙面成形。填充或不填充焊絲焊接時，焊縫成形的差異如圖所示。圖5-13TIG焊焊縫截面

焊接電流是TIG焊的主要工藝參數(shù)。在其它條件不變的情況下，電弧能量與焊接電流成正比；焊接電流越大，可焊接的材料厚度越大。因此，焊接電流是根據(jù)工件的材料性質(zhì)與厚度來確定的。當焊接電流太大時，易引起焊縫咬邊、焊漏等缺陷，反之，焊接電流太小時，易形成未焊透焊縫。

（1）焊接電流

當弧長增加時，電弧電壓即增加，焊縫熔寬c和加熱面積都略有增大。

但弧長超過一定范圍后，會因電弧熱量的分散使熱效率下降，電弧力對熔池的作用減小，熔寬c和母材熔化面積均減小。同時電弧長度還影響到氣體保護效果的好壞。

一般在保證不短接的情況下，應盡量采用較短的電弧進行焊接。不加填充焊絲焊接時，弧長以控制在l～3mm之間為宜，加填充焊絲焊接時，弧長約3～6mm。（2）電弧電壓（或電弧長度）

當焊接速度過快時，焊縫易產(chǎn)生未焊透、氣孔、夾渣和裂紋等缺陷。反之，焊接速度過低時，焊縫又易產(chǎn)生焊穿和咬邊現(xiàn)象。從影響氣體保護效果這方面來看，當焊接速度過快時，就可能使電極末端、部分電弧和熔池暴露在空氣中，從而惡化了保護作用。鑒于以上原因，在TIG焊時，采用較低的焊接速度比較有利。

（3）焊接速度圖5-15焊接速度對氣體保護效果的影響

焊絲的填送速度與焊絲的直徑、焊接電流、焊接速度、接頭間隙等因素有關(guān)。一般焊絲直徑大時送絲速度慢；焊接電流、焊接速度、接頭間隙大時，送絲速度快。送絲速度選擇不當，可能造成焊縫出現(xiàn)未焊透、燒穿、焊縫凹陷、焊縫堆高太高、成形不光滑等缺陷。焊絲直徑與焊接板厚及接頭間隙有關(guān)。當板厚及接頭間隙大時，焊絲直徑可選大一些。焊絲直徑選擇不當可能造成焊縫成形不好，焊縫堆高過高或未焊透等缺陷。（4）填絲速度與焊絲直徑

為了獲得良好的保護效果，必須使保護氣流量與噴嘴直徑匹配，也就是說，對于一定直徑的噴嘴，有一個獲得最佳保護效果的氣流量，此時保護區(qū)范圍最大，保護效果最好。

在確定保護氣流量和噴嘴孔徑時，還要考慮焊接電流和電弧長度的影響。當焊接電流或電弧長度增大時，電弧功率增大，溫度劇增，對氣流的熱擾動加強。因此，為了保持良好的保護效果，則需要相應增大噴嘴直徑和氣體流量。（5）保護氣體流量與噴嘴直徑圖5-16氣體流量q和噴嘴孔徑D對氣體保護效果的影響

（6）電極直徑和端部形狀原則上應盡可能選擇小的電極直徑來承擔所需要的焊接電流。鎢極的許用電流還與鎢極的伸出長度及冷卻程度有關(guān)。鎢極直徑大小和端部形狀影響電弧的穩(wěn)定性和焊縫成形，應根據(jù)焊接電流大小來確定鎢極的形狀。鎢極