第5单元钨极惰性气体保护焊

null第五单元 钨极惰性气体保护焊第五单元 钨极惰性气体保护焊学习目标学习目标 通过本单元的学习，要使学生明确钨极惰性气体保护焊的特点及应用；掌握钨极惰性气体保护焊的电流种类与极性的选择；熟悉钨极惰性气体保护焊焊接工艺等内容；并对钨极惰性气体保护焊的其他方法有一定的了解。 综合知识模块一 TIG焊的原理及特点综合知识模块一 TIG焊的原理及特点 钨极惰性气体保护电弧焊是指使用纯钨或钨合金作电极的非熔化极惰性气体保护焊方法，简称为TIG焊。 TIG焊可用于几乎所有金属及其合金的焊接，可获得高质量的焊缝。但由于其成本较高，生产率低，多用于焊接铝、镁、钛、铜等非铁金属及合金，以及不锈钢、耐热钢等材料。能力知识点一 TIG焊的基本原理能力知识点一 TIG焊的基本原理 TIG焊是在惰性气体保护下，利用钨极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（也可以不加填充焊丝），形成焊缝的焊接方法。焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成保护层隔绝空气，保护电极和焊接熔池以及临近热影响区，以形成优质的焊接接头。null TIG焊分为手工和自动两种。焊接时，用难熔金属钨或钨合金制成的电极基本上不熔化，故容易维持电弧长度的恒定。填充焊丝在电弧前方添加，当焊接薄工件时，一般不需开坡口和填充焊丝；还可采用脉冲电流以防止烧穿工件。 TIG焊一般采用氩气作保护气体，称为钨极氩弧焊。在焊接厚板、高导热率或高熔点金属等情况下，也可采用氦气或氦氩混合气作保护气体。能力知识点二 TIG焊的特点能力知识点二 TIG焊的特点 TIG焊与其他焊接方法 相比有如下主要特点： 1. 焊接质量好 2．可焊金属多 3．适应能力强 4．焊接生产率低 5．生产成本较高能力知识点三 TIG焊的应用能力知识点三 TIG焊的应用 TIG焊几乎可用于所有钢材、非铁金属及其合金的焊接，特别适合于化学性质活泼的金属及其合金。常用于不锈钢、高温合金、铝、镁、钛及其合金以及难熔的活泼金属和异种金属的焊接。 TIG焊容易控制焊缝成形， 容易实现单面焊双面成形，主要用于薄件焊接或厚件的打底焊。脉冲TIG焊特别适宜于焊接薄板和全位置管道对接焊。但是，由于钨极的载流能力有限，电弧功率受到限制，致使焊缝熔深浅，焊接速度低，TIG焊一般只用于焊接厚度在6mm以下的工件。综合知识模块二 TIG焊的电流种类和极性综合知识模块二 TIG焊的电流种类和极性 TIG焊时，焊接电弧正、负极的导电和产热机构与电极材料的热物理性能有密切关系、从而对焊接工艺有显著影响。下面分别讨论采用不同电流种类和极性进行TIG焊的情况。 能力知识点一 直流TIG焊 能力知识点一 直流TIG焊 直流TIG焊时，电流极性没有变化，电弧连续而稳定，按电源极性的不同接法，又可将直流TIG焊分为直流正极性法和直流反极性法两种方法。 1．直流正极性法 直流正极性法焊接时，工件接电源正极，钨极接电源负极。有如下特点： （1）熔池深而窄，焊接生产率高，工件变形小。 （2）钨极许用电流大，寿命长。 （3）电弧引燃容易，燃烧稳定。 总之，直流正极性优点较多，所以除铝、镁及其合金的焊接以外，TIG焊一般都采用直流正极性焊接。 null 直流反极性法有如下特点： （1）钨极许用电流小，寿命短。直流反极性时钨极处于正极，很容易使钨极过热熔化而烧损。 （2）由于在工件上放出的热量不多，使焊缝熔深浅，生产率低，工件的变形大。 （3）有强烈的阴极破碎作用。能清除铝、镁及其合金工件面的氧化膜。 所以TIG焊中，除了铝、镁及其合金的薄件焊接外，很少采用直流反极性法。2．直流反极性法 直流反极性时工件接电源负极，钨极接正极。这时工件和钨极的导电和产热情况与直流正极性时相反。正接与反接null电流种类和极性不同时纯钨极的许用电流图5-2 TIG焊电流种类与极性对焊缝形状的影响示意图 a）直流正极性 b）直流反极性 c）交流能力知识点二 交流TIG焊能力知识点二 交流TIG焊 但是，由于交流电弧每秒钟要100次过零点，加上交流电弧在正负半周里导电情况的差别，又出现了交流电弧过零点后复燃困难和焊接回路中产生直流分量的问题。必须采取适当的才能保证焊接过程的稳定进行。 交流TIG焊时，焊缝形状也介于直流正极性与直流反极性之间。实践证明，用交流TIG焊焊接铝、镁及其合金能获得满意的焊接质量。DCACnull TIG焊中广泛采用的稳弧措施是利用脉冲稳弧器，在交流电流过零点进入负极性半周瞬时施加高压脉冲（其值通常在1500V以上），帮助电弧重新引燃。这种方法易保证稳弧相位要求，稳弧效果良好。 1．过零点复燃及稳弧措施2．焊接回路中的直流分量及消除2．焊接回路中的直流分量及消除 在使用交流TIG焊焊接时，由于电极和工件的电、热物理性能以及几何尺寸等方面存在差异，造成电弧电流在正、负半周不对称。这种电流不对称的现象相当于电弧电流由两部分组成，一部分是交流电流；另一部分是叠加在交流部分上的直流电流，后者称为直流分量。 交流TIG焊时直流分量示意图null 直流分量的出现首先会使负极性（工件为负极）半周的电流幅值减小且作用时间缩短，因而减弱了“阴极破碎”作用；同时直流分量使焊接变压器的工作条件恶化，造成焊接变压器发热，甚至烧毁。因此必须限制或消除直流分量，才能保证焊接过程的顺利进行。 在TIG焊中，常用在焊接回路中串联电容的方法限制或消除直流分量。这种方法是利用电容器隔直流、通交流的作用来消除直流分量的。这种方法能有效消除直流分量，使用和维护方便，所以得到了广泛的应用。但是，如果要通过较大的焊接电流，则需要很大的电容量，加大了设备成本。 直流分量的影响及消除能力知识点三 脉冲TIG焊能力知识点三 脉冲TIG焊 1.脉冲TIG焊的原理 薄件、超薄件焊接采用脉冲TIG焊，在脉冲焊接电流期间，电弧稳定、电弧压力大，易使母材熔化。在较低的基值电流期间可维持电弧不灭，使熔池凝固结晶。这样，大、小电流不断交替，既可避免大电流烧穿的现象，又能克服小电流电弧不稳的问题，可保证焊接过程的顺利进行。null 2.脉冲TIG焊的特点 （1）电弧压力大、挺度好，可明显地改善电弧的稳定性 （2）可控制对母材的热输入及焊缝成形 （3）脉冲电流对熔池的搅拌作用可改善焊缝组织及外观成形 （4）电弧线能量低、裂纹倾向小 3.脉冲TIG焊的应用 使脉冲TIG焊特别适于焊接热敏感性强的金属材料或薄件，超薄件、全位置、窄间隙以及中厚板开坡口多层焊的第一层封底焊。综合知识模块三 TIG焊设备综合知识模块三 TIG焊设备能力知识点一 TIG焊机的分类及组成 TIG焊设备按焊接电源不同又可分为交流TIG焊机（包括矩形波TIG焊机）、直流TIG焊机以及脉冲TIG焊机；按操作方式可分为手工TIG焊机和自动TIG焊机两类。手工TIG焊机主要由焊接电源、焊枪、供气和供水系统以及控制系统等部分组成。自动TIG焊机则在手工TIG焊机的基础上，再增加焊接小车(或转动设备)和焊丝送给机构等组成。能力知识点一 TIG焊机的分类及组成 null TIG焊机可以采用直流、交流或交、直流两用电源。 无论是直流电源还是交流电源都应具有陡降外特性或垂直下降外特性，以保证在弧长发生变化时，减小焊接电流的波动。 交流焊机电源常用动圈漏磁式变压器；直流电源可用硅整流电源、晶闸管式整流电源或逆变式整流电源。1．焊接电源矩形波弧焊电源在交流TIG焊机中的应用矩形波弧焊电源在交流TIG焊机中的应用 由于它正、负半波通电时间比和电流比值均可以自由调节。因此，把它用于铝及其合金的TIG焊接时，在弧焊工艺上具有电弧稳定，电流过零点时重新引弧容易，不必加稳弧器；通过调节正、负半波通电时间比，在保证阴极雾化作用的条件下增大正极性电流，从而可获得最佳的熔深，提高生产率和延长钨极的寿命；可不用消除直流分量装置等优点。 近年来，在交流TIG焊机中逐渐应用了矩形波弧焊电源。null TIG焊焊枪的作用是夹持电极、导电及输送保护气体。目前国内使用的焊枪大体上有两种：一种是气冷式焊枪，用于小电流(最大电流不超过100A)焊接，另一种是水冷式焊枪，供焊接电流大于100A时使用，其结构见图 。2．焊枪null电极、导电嘴和喷嘴null150 mm钨极标志颜色不同的电极在端部有不同的颜色标记null典型的TIG焊接程序流程图 (1)提前送气和滞后停气，以保护钨极和引弧、熄弧处的焊缝； (2)自动控制引弧器、稳弧器的起动和停止； (3)手工或自动接通和切断焊接电源； (4)焊接电流能自动衰减。控制系统由引弧器、稳弧器、行车(或转动)速度控制器、程序控制器、电磁气阀和水压开关等构成。3.控制系统null TIG焊机的供气系统主要包括氩气瓶、减压器、流量计及电磁气阀，其组成如图5-10所示。 供水系统主要用来冷却焊接电缆、焊枪和钨棒。如果焊接电流小于100 A时，就不需要水冷。为保证冷却水可靠接通并有一定的压力才能启动焊接设备，通常在氩弧焊机中设有保护装置——水压开关。4．供气供水系统能力知识点二 典型TIG焊机能力知识点二 典型TIG焊机NSA-500-1型焊机主要用来焊接铝、镁及其合金的焊接构件。该机主要由弧焊电源、焊枪和控制箱等部分组成，焊机结构如图5-11所示。图5-11 NSA-500-1型手工钨极氩弧焊示意图null NSA-500-1型焊机电气原理如图5-12所示，它由焊接主电路、高压脉冲发生器电路、引弧触发电路、稳弧触发电路、操作程序控制电路及延时电路组成。 图5—12 NSA-500-1型手工钨极氩弧焊机电气原理图null 1)引弧器。TIG焊要求采用引弧器实现非接触引弧。引弧器有高频振荡式和高压脉冲式两种。高频振荡器是非接触式引弧的一种常用装置。 2) 稳弧器 从前面分析可知，当用TIG焊焊接铝合金时，电流由正极性到负极性的过零瞬间，电弧重新引燃比较困难。为解决这个问题，可以采用高压脉冲稳弧器。引弧器和稳弧器null NSA-500-1型焊机的操作程序由继电接触控制电路控制。该焊机的主要技术数据见表5-3。表5-3 NSA-500-1型焊机主要技术数据能力知识点三 TIG焊机的保养和常见故障的排除能力知识点三 TIG焊机的保养和常见故障的排除 TIG焊机除与埋弧焊机、CO2焊机的使用保养要求一样外，还必须注意几点：焊机在使用前，必须检查水管、气管的连接，保近焊接时能正常供水、供气，特别是大电流TIG焊机应更加重视，定期检查焊枪的弹性钨极夹头的夹紧状况和喷嘴的绝缘性能是否良好。NSA-500-1型TIG焊机控制线路较复杂，发生故障检修前，应使电容器C18先行放电，以防止触电。null表5-4 NSA—500—1型焊机常见故障及检修null表5-5 部分国产TIG焊设备主要技术数据及适用范围综合知识模块四 TIG焊工艺综合知识模块四 TIG焊工艺能力知识点一 焊前清理 TIG焊采用惰性气体保护，它没有脱氧去氢的能力。为了确保焊接质量，焊前对工件及焊丝必须清理干净，不应残留油污、氧化皮、水分和灰尘等。如果采用工艺垫板，同样也要进行清理，否则它们就会从内部破坏氩气的保护作用，这往往是造成焊接缺陷（气孔）的重要原因。 TIG焊常用的清理方法有机械清理和化学清理两种，或两者联合进行。化学法对于铝、镁、钛及其合金等非铁金属的工件与焊丝表面氧化膜的清理效果好，且生产率高。铝及其合金的化学清理工序见表5-6。 null表5-6 铝及其合金的化学清理 清理后的工件与焊丝必需妥善放置与保管，一般应在24h内焊接完。如果存放中弄脏或放置时间太长，其表面氧化膜仍会增厚并吸附水分，因而为保证焊缝质量，必须在焊前重新清理。能力知识点二 焊接工艺参数的影响及选择 能力知识点二 焊接工艺参数的影响及选择 TIG焊的焊接工艺参数有：焊接电流、电弧电压（电弧长度）、焊接速度、填丝速度、保护气体流量与喷嘴孔径、钨极直径与形状等。合理的焊接工艺参数是获得优质焊接接头的重要保证。 1．工艺参数的影响 1．工艺参数的影响 TIG焊时，可采用填充焊丝或不填充的方法形成焊缝。不填充焊丝法，主要用于薄板焊接。如厚度在3mm以下的不锈钢板，可采用不留间隙的卷边对接，焊接时不加填充焊丝，而且可实现单面焊双面成形。填充或不填充焊丝焊接时，焊缝成形的差异如图所示。 图5—13 TIG焊焊缝截面 a）不填充焊丝 b）填充焊丝null 焊接电流是TIG焊的主要工艺参数。在其它条件不变的情况下，电弧能量与焊接电流成正比；焊接电流越大，可焊接的材料厚度越大。 因此，焊接电流是根据工件的材料性质与厚度来确定的。当焊接电流太大时，易引起焊缝咬边、焊漏等缺陷，反之，焊接电流太小时，易形成未焊透焊缝。 (1)焊接电流null当弧长增加时，电弧电压即增加，焊缝熔宽c和加热面积都略有增大。 但弧长超过一定范围后，会因电弧热量的分散使热效率下降，电弧力对熔池的作用减小，熔宽c和母材熔化面积均减小。同时电弧长度还影响到气体保护效果的好坏。 一般在保证不短接的情况下，应尽量采用较短的电弧进行焊接。不加填充焊丝焊接时，弧长以控制在l～3mm之间为宜，加填充焊丝焊接时，弧长约3～6mm。 (2)电弧电压（或电弧长度）null当焊接速度过快时，焊缝易产生未焊透、气孔、夹渣和裂纹等缺陷。反之，焊接速度过低时，焊缝又易产生焊穿和咬边现象。从影响气体保护效果这方面来看，当焊接速度过快时，就可能使电极末端、部分电弧和熔池暴露在空气中，从而恶化了保护作用。鉴于以上原因，在TIG焊时，采用较低的焊接速度比较有利。 (3)焊接速度null为了获得良好的保护效果，必须使保护气流量与喷嘴直径匹配，也就是说，对于一定直径的喷嘴，有一个获得最佳保护效果的气流量，此时保护区范围最大，保护效果最好。 在确定保护气流量和喷嘴孔径时，还要考虑焊接电流和电弧长度的影响。当焊接电流或电弧长度增大时，电弧功率增大，温度剧增，对气流的热扰动加强。因此，为了保持良好的保护效果，则需要相应增大喷嘴直径和气体流量。(4)保护气流量和喷嘴直径null钨极直径的选择取决于工件厚度、焊接电流的大小、电流种类和极性。 原则上应尽可能选择小的电极直径来承担所需要的焊接电流。 钨极的许用电流还与钨极的伸出长度及冷却程度有关，如果伸出长度较大或冷却条件不良，则许用电流将下降。一般钨极的伸出长度为5～10mm。 (5)电极直径和端部形状 2．焊接工艺参数的选择 2．焊接工艺参数的选择 在焊接过程中，每一项参数都直接影响焊接质量，而且各参数之间又相互影响，相互制约。为了获得优质的焊缝，除注意各焊接参数对焊缝成形和焊接过程的影响外，还必须考虑各参数的综合影响，即应使各项参数合理匹配。 TIG焊时，首先应根据工件材料的性质与厚度参考现有资料确定适当的焊接电流和焊接速度进行试焊。再根据试焊结果调整有关参数，直至符合要求。null表5-7 不锈钢对接接头手工钨极氩弧焊焊接工艺参数null表5-8 铝合金对接接头手工TIC焊焊接工艺参数能力知识点三 TIG焊操作技术 能力知识点三 TIG焊操作技术 1．引弧 引弧前应提前5~10s送气。引弧有两种方法：高频振荡引弧（或脉冲引弧）和接触引弧，最好是采用非接触引弧。 采用非接触引弧时，应先使钨极端头与工件之间保持较短距离，然后接通引弧器电路，在高频电流或高压脉冲电流的作用下引燃电弧。这种引弧方法可靠性高，且由于钨极不与工件接触，因而钨极不致因短路而烧损，同时还防止焊缝因电极材料落入熔池而形成夹钨等缺陷。 在用接触引弧法时，为了防止焊缝夹钨，可先在引弧版上引燃电弧，然后再将电弧移到焊缝起点处。 null 焊枪与工件角度的选择也应以获得好的保护效果，便于填充焊丝为准。平焊、横焊或仰焊时，多采用左焊法。焊枪和填充焊丝之间的相对位置如图5-17所示。填充焊丝在熔池前均匀地向熔池送入，切不可扰乱氩气气流。焊丝的端部应始终置于氩气保护区内，以免氧化。图5-17 平焊时焊枪及填充焊丝 与工件的相对位置示意图2．焊接 焊接时，为了得到良好的气保护效果，在不妨碍视线的情况下，应尽量缩短喷嘴到工件的距离，采用短弧焊接。 null 焊缝在收弧处要求不存在明显的下凹以及产生气孔与裂纹等缺陷。为此，在收弧处应添加填充焊丝多使弧坑填满，这对于焊接热裂纹倾向较大的材料时，尤为重要。此外，还可采用电流衰减方法和逐步提高焊枪的移动速度或工件的转动速度，以减少对熔池的热输入来防止裂纹。 熄弧后，不要立即抬起焊枪，要使焊枪在焊缝上停留3~5s，待钨极和熔池冷却后，再抬起焊枪，停止供气，以防止焊缝和钨极受到氧化。至此焊接过程结束，关断焊机，切断水、电、气路。3．收弧nullI形对焊要点 I形对焊要点: 焊炬倾角过大易造成蛇行焊缝。 焊接电流值应比其它形状时略低。 为防止手晃，应尽量使用空冷焊炬。焊接方向填充焊丝15～20 070～80 0null角焊要点角焊要点:焊前要进行固定焊，焊点距两端为10 mm 钨极伸出过长易引起气体保护不良。 电弧指向两工件中心，偏斜时易产生咬边及焊瘤。焊接方向填充焊丝20～30 045～50 060～70 0null搭接角焊要点焊接薄板时可不填丝，但搭接面不能有间隙。 应保证弧长约等于所用电极直径。焊缝宽约为电极直径的2倍。填充焊时，从熔池上方填丝可防止咬边。 焊缝宽度约为电极直径的2.5---3倍。 45 020 0焊接方向填充焊丝40 010 0填充焊丝焊 接 方 向搭接角焊 要点:null水平角焊要点焊前要进行固定焊，焊点距两端为10 mm 焊接时角部应充分熔化。钨极和工件间距离2～3mm，过长 形不成焊缝；钨极伸出喷嘴距离7～8 mm。 焊炬倾角不能过大，以免气体保护不良。 池形成后再填丝。在熔池上方填丝。焊接方向垂直侧水平侧45～50 060～70 020～30 0填充焊丝水平角焊 要点：null立焊要点立焊要点：焊前要进行固定焊，因重力作用，易出现凸状焊缝， 注意掌握熔池的大小。 立焊时熔敷金属的流动与平焊不同，应注意焊缝不要出现咬边。 熔池形成后再填丝，在熔池上方填丝。70～80 090 020～30 060～70 030～40 0450焊 接 方 向null横焊要点横焊要点：焊前要进行固定焊。 因重力作用等，焊缝上边易出现咬边，下边易出现焊瘤。 为防止熔敷金属的下垂，焊矩角度应保持在1000。 熔池形成后再填丝，在熔池前上方填丝。70～80 0100 015～20 0焊接方向填充焊丝null仰焊要点仰焊要点:仰焊是所有焊接姿势中最难操作的一种，焊接时重力对熔池的影 响比立焊和横焊更显著。熔池观察难，保持焊炬的稳定和均匀的 填充焊丝更困难，因此仰焊焊接时必须要保持焊接姿势的稳定。80～90 090 020～30 0填充焊丝焊接方向焊缝ENDEND