chaper6鎢極氬弧焊課件

1、第六章 鎢極惰性氣體保護(hù)焊定義：使用鎢極或者活化鎢極作為電極的非熔化極惰性氣體保護(hù)焊方法。英文簡(jiǎn)稱“TIG”焊（Tungsten Inert Gas Welding） 6.1 鎢極氬弧焊的特點(diǎn)和應(yīng)用6.2 TIG焊電流種類及極性6.3 TIG焊設(shè)備6.4 TIG焊中的電極6.5 TIG焊工藝6.6 活性助焊劑TIG焊6.7 脈沖TIG焊 6.1 鎢極氬弧焊的特點(diǎn)和應(yīng)用焊接方向焊絲噴嘴鎢極歷史提出于1911年 問題：惰性氣體造價(jià)太高。實(shí)際應(yīng)用于1930年用于鎂合金的焊接。比強(qiáng)度高鎂合金易氧化目前適用于焊接鋁合金、鎂合金。鎢熔點(diǎn)：3380熔點(diǎn)最高的金屬，耐熱性好氬無色無味，比空氣重25%，有利于保

2、護(hù)?？諝庵泻考s1%。沸點(diǎn)：-186，（氧：-183 ；氮：-196 ）。焊接要求純度：99.999.999%。惰性氣體不溶解，不反應(yīng)：避免焊縫中合金元素的燒損（蒸發(fā)除外）無脫氧去氫作用（焊前準(zhǔn)備）燃燒穩(wěn)定性最好（電壓可以在8-15V）單原子氣體導(dǎo)熱系數(shù)小氦惰性氣體導(dǎo)熱系數(shù)大，電弧溫度高太輕混合氣體He+Ar 厚板、高熱導(dǎo)、高熔點(diǎn)金屬焊接（雙層保護(hù)氣體）Ar+H2 不銹鋼、鎳基合金、鎳銅合金原理：產(chǎn)熱、保護(hù)薄件不開坡口不填絲可采用脈沖焊厚件填充焊絲開坡口熱絲焊一、TIG焊的特點(diǎn)（1）采用惰性氣體保護(hù)，焊接冶金過程簡(jiǎn)單，易于控制：Ar不溶于金屬，也不反應(yīng)；隔絕空氣?？珊附饘俣?。注意：抗銹能力差，

3、工件嚴(yán)格清理。 氬弧引弧困難，但一旦引燃后電弧燃燒十分穩(wěn)定。原因：Ar電離電壓高；導(dǎo)熱系數(shù)小，且為單原子氣體。（2）采用W或其合金作電極，鎢極不熔化，電弧穩(wěn)定，即使在很小的焊接電流下（小于A）也能穩(wěn)定燃燒； 不會(huì)產(chǎn)生飛濺，成形美觀；熱源和焊絲可分別控制，因而熱輸入量容易調(diào)節(jié)，特別適合于薄板、超薄板的焊接；可進(jìn)行各種位置的焊接，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化焊接。（3）焊接生產(chǎn)率低 鎢極承載電流能力限制，使用的電流小，焊縫熔深淺，熔敷速度小，生產(chǎn)率低。（4）生產(chǎn)成本較高 。二、TIG焊的應(yīng)用 TIG焊幾乎可用于所有鋼材、有色金屬及其合金的焊接。 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

4、屬（如鋯、鉭、鉬鈮等）和異種金屬的焊接。 TIG焊容易控制焊縫成形，容易實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，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(duì)接焊。 TIG焊一般只用于焊接厚度在6mm以下的工件。 可用于自動(dòng)、手工。6.2 TIG焊電流種類及極性TIG焊時(shí)，焊接電弧的正、負(fù)極的導(dǎo)電和產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)與電極材料的熱物理性能密切相關(guān)，對(duì)焊接工藝有顯著影響。分類直流正接DCSP(Direct current straight polarity)反接DCRP(Direct current reversed polarity)交流一、 直流正極性 鎢極作為陰極，熔點(diǎn)高，發(fā)射電子能力強(qiáng)

5、，逸出的電子有冷卻陰極的作用。 焊件為陽極，接受電子動(dòng)能和逸出功，獲得電弧熱量的70%。特點(diǎn)：熔深深而窄，生產(chǎn)效率高，應(yīng)力與變形小。鎢極許用電流大，壽命長(zhǎng)。電弧引燃容易，燃燒穩(wěn)定。不適合焊接鋁、鎂及其合金。二、直流反極性導(dǎo)電產(chǎn)熱與正極性相反陰極霧化（陰極清理、陰極破碎）陰極金屬熔點(diǎn)低發(fā)射電子困難氧化物發(fā)射電子形成陰極斑點(diǎn)正離子撞擊氧化物氣化尋找新的氧化物氧化鋁熔點(diǎn)2050，鋁：657缺點(diǎn)鎢極過熱、燒損（2/3熱量）。熔深淺而寬、生產(chǎn)效率低，應(yīng)力與變形大。應(yīng)用范圍窄。陰極清理三、交流TIG焊霧化作用鎢極冷卻問題電弧穩(wěn)定性直流分量交流過零電弧復(fù)燃困難工件作為陰極的半周問題更加突出措施提高空載電壓高

6、頻震蕩高壓脈沖1、 引弧和穩(wěn)弧提高空載電壓（150-200V）問題：變壓器容量大、成本高功率因素低不安全高頻振蕩（過零時(shí)在65V空載電壓的基礎(chǔ)上加一個(gè)3000V的高頻電壓）T1 升壓變壓器P火花隙放電器Ck振蕩電容0.00250.005uF; 耐壓值高于4KVLk振蕩電感 0.16uHT2高頻耦合變壓器T1T2T1、T2兩級(jí)升壓，高頻（150260KHz)高壓（25003000V）振蕩頻率:P220VT1CKLKT2LBC問題相位問題: 高頻用于穩(wěn)弧要保持一定的相位關(guān)系比較困難。b) 電磁輻射 高頻振蕩會(huì)產(chǎn)生電磁波，干擾無線電信號(hào)、數(shù)字集成電路以及微機(jī)控制系統(tǒng)，且有害于人身健康。 應(yīng)采取屏蔽高

7、頻、降低振蕩頻率或限制高頻振蕩強(qiáng)度等方法加以克服。脈沖電壓（負(fù)半周施加1500V的高壓脈沖）效果良好產(chǎn)生原因電極、工件的電、熱物理性能及尺寸的差異結(jié)果正負(fù)半周電壓、電流不對(duì)稱正負(fù)半周導(dǎo)電時(shí)間不相等2 直流分量及消除電流分量交流電流直流分量，方向：工件流向鎢極危害消弱了陰極霧化作用變壓器變熱 在焊接變壓器鐵芯中疊加直流磁通，使其單向磁飽和，勵(lì)磁電流增大，鐵損和銅損增加，效率降低。使焊接電流嚴(yán)重畸變，功率因數(shù)降低，影響電弧燃燒和焊接過程的穩(wěn)定性。限制直流分量的方法（1）串接一個(gè)直流電源 （2）電阻二極管法 （3）電容法（1）串接一個(gè)直流電源 將直流電源的負(fù)極接工件，使串接直流電源提供的電流與焊接時(shí)

8、的直流分量方向相反，從而抵消直流分量的影響。一般若焊接電流為500A，可選用6V、300400A/h的蓄電池。 優(yōu)點(diǎn)：易實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：電勢(shì)不能任意調(diào)，不能完全消除分量電池體積龐大笨重經(jīng)常充電現(xiàn)狀：淘汰（2）電阻二極管法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、體積小、元件少、效果好缺點(diǎn)：電阻耗電、二極管受高頻影響易燒損 R取0.02歐的電阻絲，二極管根據(jù)最大電流來選擇?，F(xiàn)狀：很少使用（3）串聯(lián)電容 電容量的大小可按最大焊接電流計(jì)算，一般每安培電流約需400左右的電容量。這種方法能有效的消除直流分量，使用和維護(hù)方便，所以得到廣泛的應(yīng)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。優(yōu)點(diǎn)：效果好、不耗能現(xiàn)狀：

9、廣泛應(yīng)用6.3 TIG焊設(shè)備分類操作方式分類手工自動(dòng)焊接電源分類法交流直流矩形波一、焊接電源外特性要求：陡降或者垂直下降特性fdsfh32xzy控制面板NSA-500-1交流TIG焊機(jī)名稱數(shù)據(jù)名稱數(shù)據(jù)電源電壓(V)工作電壓(V)鎢極直徑(mm)額定持續(xù)率220/380201760%額定焊接電流（A）焊接電流調(diào)節(jié)范圍（A）氬氣流量(L/min)冷卻水流量(L/min)50050500251主要技術(shù)數(shù)據(jù)氣體噴嘴氣流中心渦流環(huán)h層流層混合區(qū)1、保護(hù)特點(diǎn)噴嘴流出的氣體分為兩層:近壁層流、中心紊流。二、氬氣的保護(hù)效果及焊槍結(jié)構(gòu)（ 1 ） 近壁層流：氣體質(zhì)點(diǎn)間不相互干擾，該層起主要的保護(hù)作用，越厚則保持穩(wěn)

10、定氣層的長(zhǎng)度h越長(zhǎng)，保護(hù)效果越好。（ 2 ） 中心紊流：氣體質(zhì)點(diǎn)間相互干擾，內(nèi)部形成許多渦流。氣體噴嘴氣流中心渦流環(huán)h層流層混合區(qū)氣體的流動(dòng)狀態(tài)、流速、流體粘滯系數(shù)以及噴嘴直徑之間的關(guān)系可用雷諾公式表示：R:雷諾系數(shù)，d: 內(nèi)徑，Vp:流體平均速度，r:流體粘滯系數(shù)，R表示了氣體的流動(dòng)狀態(tài)： R 2300:紊流；R 2300：有近壁層流層。氣體噴嘴氣流中心渦流環(huán)h層流層混合區(qū)實(shí)際上： 氣體噴嘴氣流中心渦流環(huán)h層流層混合區(qū)即可獲得層流。 L2、焊槍結(jié)構(gòu)（1）作用 夾持電極、導(dǎo)電及輸送保護(hù)氣體。（2）基本要求能可靠地夾持電極，并具有良好的導(dǎo)電性能。從噴嘴噴出的保護(hù)氣具有良好的流態(tài)，保護(hù)效果可靠。具

11、有良好的冷卻性能?？蛇_(dá)性好，便于操作。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、耐用且維修方便。（3）分類： 目前國(guó)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100A)；另一種是水冷式焊槍，供焊接電流大于100A時(shí)使用。 TIG焊焊槍的標(biāo)志由形式符號(hào)及主要參數(shù)組成。焊槍的形式符號(hào)由兩位字母表示，主要表示其冷卻方式：“QQ”表示氣冷 （I100A）（4）結(jié)構(gòu)：氣體鎮(zhèn)流室：從進(jìn)氣口至噴嘴入口處部分，其作用是：降低氣體流速，使之沿內(nèi)腔橫截面均勻化，常在入口處加設(shè)銅絲網(wǎng)或多孔隔板（氣篩），限制氣體橫向運(yùn)動(dòng)，有利于形成層流。1 Torch body2Tungsten electrode3Electr

12、ode collet4Gas lens5Ceramic nozzle 6End-cap噴嘴(a)、(b):圓柱形帶錐形或球形結(jié)尾：保護(hù)最好，易于形成層流。(c)、圓錐形噴嘴：挺度好，可視性好，保護(hù)差。 l0DNDNl0(a)(c)(b)3、影響氣體保護(hù)效果的工藝因素測(cè)定方法：在Al板上點(diǎn)焊，測(cè)量去除氧化膜區(qū)域面積。影響因素如下：）氣體流量Q噴嘴直徑為12mm20mm時(shí)，Q取1625 L/min合適。）噴嘴到工件的距離原則：盡量短。手工TIGW：小于15mm。MIGW：515mm。）電弧功率）焊速及外層氣體注意：氣保焊不適合在室外或有穿堂風(fēng)的環(huán)境下焊接。）接頭形式平對(duì)接和內(nèi)角接保護(hù)效果好，而外角

13、接時(shí)不好，宜采用擋板改善。注意：對(duì)焊接質(zhì)量要求高的工件，要采用反面保護(hù)。 6.4 TIG焊中的電極 一、對(duì)電極的基本要求（從焊接電弧的條件分析）(1)耐高溫，焊接過程中不易損耗。純鎢熔點(diǎn)：33803600,沸點(diǎn)：3600。(2)電子發(fā)射能力強(qiáng)，利于引弧及穩(wěn)弧。(3)有較高的電流容量。當(dāng)焊接電流超過許用電流時(shí)，易使電極端部熔化形成熔珠，熔珠表面上的電弧斑點(diǎn)易受外界因素干擾而游動(dòng)，使電弧飄蕩而不穩(wěn)定；甚至熔珠落入熔池，影響焊縫質(zhì)量。因此電極的許用電流要大一些。電極的許用電流與電極材料、電流的種類和極性以及電極伸出長(zhǎng)度有關(guān)。分類：純鎢釷鎢鈰鎢鋯鎢純鎢電子發(fā)射能力差、易消耗便宜一般用于交流焊接中釷鎢在

14、鎢中加入1-2%的ThO2載流能力強(qiáng)，易引弧、壽命長(zhǎng)直流正接直流反接、交流時(shí)效果不明顯增加直流分量有放射性鈰鎢1-2%CeO2微量放射性優(yōu)點(diǎn)與釷鎢相同比釷鎢更容易引弧，電弧穩(wěn)定性好弧柱細(xì)，光亮帶較窄，溫度集中電極的燒損率下降，修磨次數(shù)減少，壽命長(zhǎng)鋯鎢更好，燒損極少各種鎢電極引弧性能比較測(cè)試條件空載電壓：22V，24V，36V高頻： 10秒各種鎢電極抗燒損性能二、鎢極直徑和形狀、直徑與工件厚度、焊接電流及種類、極性等有關(guān)。鎢極通常外伸長(zhǎng)5-10mm 。直流正接許用電流大于直流反接許用電流。、鎢極端部形狀dwlDp(a)(c)(b)(a)：交流TIGW(b)：直流正接TIGW(c)：小電流TIGW

15、；注意尖錐角對(duì)H、B的影響。DC-TIG小電流DC-TIG大電流AC-TIG鎢電極的許用電流值一、 焊前清理惰性氣體（優(yōu)缺點(diǎn)）清理方法油污、灰塵（有機(jī)溶劑，汽油、丙酮）氧化膜機(jī)械法硬材料（拋光、吹砂、砂輪、砂帶）軟材料（鋼絲輪、鋼絲刷、刮刀）化學(xué)法（對(duì)于Al，Mg焊絲及要求高的部件）機(jī)械+化學(xué) 6.5 TIG焊工藝純鋁鋁合金1、堿洗NaOH 15%室溫，1015minNaOH 15% 5060C5min2、沖洗冷凈水冷凈水3、光化HNO3 30%室溫,2minHNO3 30%室溫,2min4、沖洗冷凈水冷凈水5、干燥60110C60110C化學(xué)清洗方法 二、焊接參數(shù)的影響及選擇參數(shù)：電流、電壓

16、、焊接速度、填絲速度、保護(hù)氣流量、噴嘴孔徑、鎢極直徑形狀I(lǐng)、VvLvIP可焊板材厚度I凹陷I熔透深度I背面余高I焊縫寬度I正面余高I咬邊、焊漏I未焊透U熔寬U熔寬距離選擇原則：不短接條件下，越短越好。不填絲：1-3mm;填絲：3-6mm焊接速度v熱輸入（凹陷、熔深、熔寬）v氣孔、未焊透、裂紋、夾渣、保護(hù)效果v焊穿、咬邊原則：采用比較低的焊速填絲速度與直徑直徑填絲I填絲間隙填絲填絲速度不當(dāng)未焊透、焊縫余高過大、表面成型不好焊穿、凹陷板厚直徑間隙直徑電極直徑選擇原則：盡可能選用小的電極直徑，承載所需要的電流。三、操作技術(shù)引弧直接間接（高頻、脈沖、引弧板）提前送氣短弧焊左焊法收?。ㄑ訒r(shí)停氣）（多加焊

17、絲，填滿弧坑）電流衰減提高焊槍引出板夾具成形防止變形一、概述Active flux-TIG welding，簡(jiǎn)稱ATIG焊烏克蘭巴頓研究所提出 20世紀(jì)60年代ATIG焊大幅度地增加熔深（一次焊透6mm不銹鋼板），焊縫呈花生殼狀。 6.6 活性助焊劑TIG焊(A TIGW)（1）巴頓焊接研究所（PWI）1965古列維奇等人發(fā)明（AH-T9A）堿金屬堿土金屬為主要成分的熔劑，焊接7mm厚鈦合金。1970氧化物和氟化物型焊劑，810mm厚不銹鋼。1993尤申科等人用A-TIG焊，成功焊碳錳鋼，低合金鋼。12mm厚對(duì)接全位置一道焊成25mm厚對(duì)接雙面焊兩道焊成（2） 美國(guó)愛迪生焊接研究所（EWI）1

18、993年開始，與海軍連接中心聯(lián)合開發(fā)不銹鋼、碳鋼、鎳基合金及鈦合金的A-TIG焊劑，總投資80萬美元。1998年不銹鋼用焊劑SS系列已商品化；碳鋼用焊劑已投入工業(yè)應(yīng)用；基合金用焊劑已開發(fā)出來；鋁、鈦用焊劑正在開發(fā)。美國(guó)開發(fā)的不銹鋼，碳鋼用焊劑已用于一雙體船殼體及兩艘油輪的建造。海軍方面用于艦船及潛艇的管道系統(tǒng)等。日本大阪大學(xué)（Osaka University）正在研究開發(fā)。不同氣體TIG焊 a) Ar b) Ar+He c) Ar+H2A-TIG焊普通TIG焊ATIG焊英國(guó)TWI焊6mm厚不銹鋼85規(guī)范參數(shù)相同：177A，26.5V，210 mm/min ，1.34 kJ/mm，6mm 厚不銹

19、鋼 等離子弧焊ATIG焊直徑70mm，厚5mm不銹鋼，5G焊接位置二、ATIG焊熔深增加的機(jī)理 目前國(guó)際上對(duì)表面活性劑使熔深增加的機(jī)理還沒有統(tǒng)一的觀點(diǎn)。 一般認(rèn)為表面活性劑使焊接熔深增加的主要原因可以用電弧收縮理論和表面張力理論解釋。1、 電弧收縮 許多學(xué)者在試驗(yàn)中觀察到電弧收縮的現(xiàn)象，A-TIG 焊時(shí)電弧會(huì)有明顯收縮，致使電流密度集中，導(dǎo)電面積縮小，同時(shí)電弧熱輸入密度及電弧力也增加，最終使熔深增。 下圖為氦氣保護(hù)下的電弧照片，由圖可見有活性劑時(shí)電弧明顯收縮現(xiàn)象。電弧收縮的原因有3 種可能：（1）在電弧的中心區(qū)域電弧的溫度高于活性劑分子的分解溫度，氣體和活性劑原子被電離成電子和正離子。在弧柱較

20、冷的外圍區(qū)域被蒸發(fā)的物質(zhì)仍然以分子和被分解的原子的形式存在，被分解的原子大量地吸附電子，形成負(fù)離子，使外圍區(qū)域作為主要導(dǎo)電物質(zhì)的電子減少，導(dǎo)電能力下降使電弧收縮。（2）活性劑由多原子分子組成，在電弧氣氛下發(fā)生熱解離，熱解離是吸熱反應(yīng)，根據(jù)最小電壓原理電弧收縮。（3）因?yàn)橥繉游镔|(zhì)本身不導(dǎo)電，涂層物質(zhì)的熔沸點(diǎn)都比金屬的高，只有在電弧中心溫度較高的區(qū)域有金屬的蒸發(fā)，形成陽極斑點(diǎn)，即涂層的存在減小了陽極斑點(diǎn)區(qū)從而使電弧收縮。2、 表面張力梯度的影響a)表面張力隨溫度的升高而減小。 在純金屬和許多合金中表面張力隨溫度的增加而減小，即d /dT0 ，熔池金屬?gòu)耐鈬蛑行牧鲃?dòng)，這樣形成深而窄的熔深。 電弧收

21、縮和熔池表面張力梯度哪一方面的影響更大呢？用涂有活性劑的試板進(jìn)行散焦電子束焊接試驗(yàn)，因?yàn)殡娮邮笡]有電弧，不用考慮電弧收縮，因此對(duì)電子束來說只有表面張力的作用。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電子束焊時(shí)，活性劑對(duì)熔深的影響與TIG 焊相同，初步說明活性劑能使焊縫的熔深增加2 倍多，表面張力梯度的變化是主要作用。3、 進(jìn)一步討論電子束熔池形狀實(shí)例1： 不銹鋼A-TIG 焊接試件：304不銹鋼，200mm40mm12mm，I型坡口，無間隙?；钚詣河蒘iO2 TiO2 Cr2O3 鹵化物等組成成份范圍為：SiO2+Cr2O3+B2O3+Fe2O3+Al2O370%, NaF+TiO2 +MnO30%做法:用電子天平

22、按質(zhì)量百分比稱取各組元，將稱得的各組元置于研缽中經(jīng)充分研磨均勻后，放在密封的玻璃瓶中與適量的丙酮混合成糊狀物備用。刷涂： 焊道只刷涂一半，涂層寬度約為20mm，刷涂的厚度以能遮蓋工件表面金屬光澤為宜?；钚詣┯昧繛?-5g/m，丙酮揮發(fā)后將涂層區(qū)和無涂層區(qū)一次焊接完成。圖1a 所示為焊后焊縫正面的宏觀形貌。由圖可見焊道在涂層區(qū)明顯變窄，表面成型良好，有少量黑色的點(diǎn)狀熔渣，同時(shí)正面焊道略有凹陷。圖1b 為焊后焊縫背面的宏觀形貌。背面焊道成型良好，余高小于2mm。焊縫外觀形貌熔深 在相同的焊接規(guī)范下，無活性劑的熔深3-4 mm ，有活性劑的熔深為12 mm 。有活性劑的熔寬比無活性劑的熔寬減小。焊接接頭金相組織 焊縫金相組織為90%左右的奧氏體+10%左右的鐵素體+少量相，與常規(guī)的TIG 焊組織相同。過熱區(qū)也未出現(xiàn)異常的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。焊縫質(zhì)量分?jǐn)?shù) 母材、常規(guī)TIG 焊縫