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TIG焊是在惰性气体保护下，利用钨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。

其优点是：

焊接电弧可见，能观察电弧及熔池，电弧燃烧稳定，无飞溅，焊缝成形美观，焊接质量易于控制，焊接线能量小，热量集中，HZA窄，熔池较小，焊接应力和变形小，易于实现机械化和自动化；

适用于薄板焊接，生产效率高，焊接范围广，特别是用于对对接头要求较高的场合[21]。

通过上述对比发现，TIG在所有焊接方法中电弧最稳定，且保护效果好，可单面焊双面成形，易于控制和实现机械化、自动化，特别适用于全位置焊。

因此选用高质量高精度的自动钨极氩弧焊，采用管子相对固定，焊接机头绕管子做360°

旋转，从而实现全位置自动焊。

枪头在旋转过程中经历平焊、俯焊、仰焊立焊等各种位置焊接，对工艺要求很高[23]。

全位置自动焊具有：

焊接质量高并且稳定，人为影响小；

工艺参数由储存器输入，保证工艺参数的准确性；

电弧燃烧稳定，焊道成型好，不需要打磨，焊接缺陷少，焊丝熔敷率高；

经济性好，效率高的特点。

因此，全位置自动钨极氩弧焊接作为现场连续管对接焊的方法是比较理想的。

3.3TIG焊

适用于薄板焊接，生产效率高，焊接范围广，特别是用于对对接头要求较高的场合。

3.3.1TIG工艺参数对成型的影响

焊接电流I、电弧电压U和焊速V是决定焊缝成形主要能量参数，生产中常把这三个参数定为自动电弧焊的规范参数。

除此之外，电极直径和焊丝干伸长、电极（焊丝）倾角、工件倾角、坡口形状和焊件板厚、电极种类和极性、保护条件、母材和焊丝成分及微量元素等都对焊缝成形有一定影响。

（1）焊接电流:

　　其他条件不变时，增加焊接电流，焊缝熔深和增高都增加，而熔宽则几乎保持不变（或略有增加）。

这是因为：

　　1）焊接电流增加时，电弧的热功率和电弧力都增加了，因此熔池体积和弧坑深度都不得随电流而增加了，实验证明，在焊丝直径，保护条件，熔滴过渡形式确定后，正常的电弧焊条件下，熔深总是几乎跟焊接电流成正比的。

　　2）熔化极电弧焊中焊接电流增加时，焊丝熔化量也增加，因此焊缝增高也随之增加。

钨极氩弧焊时，则无此影响。

3）电流增加时，一方面是电弧截面略有增加，成为导致熔宽增加的因素；

另一方面是电弧电压不变时，弧长略有缩短，电弧挺度增加和潜入熔池，使电弧斑点扫动范围缩小，成为导致熔宽减小的因素。

因此，实际熔宽几乎保持不变。

（2）电弧电压：

　　在其他条件不变时，电弧电压增大，焊缝熔宽显著增加而熔深和增高将略有减小。

这是因为电弧电压增加就意味着电弧长度的增加，使电弧斑点飘动范围扩大而导致熔宽增加。

从能量角度来看，电弧电压增加所带来的电弧功率提高主要用于熔宽增加和弧柱的热量散失，电弧对熔池作用力因熔宽增加而分散了，故熔深和增高略有减小。

由此可见，电弧焊接时，电流是决定熔深的主要因素，而电压则是影响熔宽的主要因素。

必须要注意的是，为了保证电弧过程的稳定性，这两个参数都有一定的范围，并且是相互制约的。

电流的范围将由焊丝或钨棒直径确定，而一定的电流要有足够的弧长，即要有一定的电弧电压，才能稳定电弧和有稳定的熔滴过渡过程。

电压过高会造成气孔，这是不允许的。

电流一定时，电压允许范围一般是不大的。

另一方面，由于测量上的困难，通常所指电弧电压包括焊丝伸出长度电阻压降。

即使是电弧工作在电弧静特性的平直部分，电流增加时，电弧电压也是要取大一些的。

因此，实际电弧电压总是随焊接电流而确定的。

（3）焊接速度：

　　焊速对熔深和熔宽均有明显影响，焊速较小时（例如单丝埋弧焊焊速小于）熔深随焊速增加略有增加，熔宽减小。

但焊速达到一定数值以后，熔深和熔宽都随焊速增大而明显减小，焊速的这种影响也可以从电弧的热和力作用两方面来加以解释。

　　1）焊速较小时，电弧力的作用方向几乎是垂直向下的，随着焊速增大，弧柱后倾有利熔池液体金属在电弧力作用下向尾部流动，使熔池底部暴露，因而有利于熔深的增加。

　2）焊速增加时，从焊缝的热输入和热传导角度来看，焊缝的熔深和熔宽都要减小。

　　以上两方面因素综合的结果，低焊速时前者起主导作用，熔深随焊速增加而略有增加。

当焊速超过一定值时，后者起主导作用，熔深就随焊速增加而减小。

熔宽及增高则总是随焊速增加而减小的。

从焊接生产率角度来考虑，焊速是愈快愈好，因此焊速减慢熔深降低的这一段区间是没有实际意义的。

当焊件熔深要求确定时，为提高焊速，就得进一步提高焊接电流和电弧电压，即意味着电弧功率提高，因此，焊接电流和焊速的选取就要考虑综合经济效果。

此外，下面还会看到，简单的提高功率来提高焊速是有限制的。

（4）电极直径和焊丝干伸长:

其他条件不变时，减小电极（焊丝）直径不仅使电弧截面减小，电流和功率密度提高，而且减小了电弧斑点飘动范围，因此熔深增加而熔宽减小。

在选定电极材料后，要根据焊接电流的大小选择合适直径的电极，不同直径的电极有不同电流使用范围。

另外钨极的形状对焊接有一定的影响。

电极端部的锥角α和端部平台直径对电弧的稳定和焊缝成形有重要的影响。

端部角度如果太小，电流密度将提高，焊缝容易产生弧坑，所以不同直径的钨极α角和平台要求是不一样的。

焊丝伸长对焊缝成形，特别是焊缝增高有很大影响。

焊丝干伸长增加时，电阻热增加使焊丝熔化加快，增高增加，熔合比减小，而熔深略有下降，焊丝直径愈小或材料电阻率愈大时，这种影响愈明显。

对于结构钢焊丝来讲，直径为5mm以上的粗焊丝，焊丝的干伸长在60mm～150mm范围内变动时，实际上可忽略其影响。

但焊丝直径小于3mm时，焊丝干伸长波动范围超过±

（5～10）mm时，就可能对焊缝成形产生明显影响。

不锈钢焊丝的电阻率很大，这种影响就更大。

因此，对细焊丝，特别是不锈钢熔化极电弧焊时，必须注意控制焊丝干伸长度和稳定。

（5）电极（焊丝）倾角:

　　焊丝前倾时，电弧力对熔池液体金属后排作用减弱，熔池底部液体金属层增厚，阻碍了电弧对熔池底部母材的加热，故熔深减小。

同时，电弧对熔池前部未熔化母材预热作用加强，因此熔宽增加，增高减小，前倾角度愈小，这一影响愈明显。

焊丝后倾时，情况与上述相反。

（6）工件倾角:

　　工件倾斜对焊缝成形可因焊接方向不同而有明显不同。

当进行上坡焊时，熔池液体金属在重力和电弧力作用下流向熔池尾部，电弧能深入的加热熔池底部的金属，因而使熔深和增高都增加。

同时，熔池前部加热作用减弱，电弧斑点飘动范围减小，熔宽减小。

上坡角度愈大，影响也愈明显。

上坡角度时，焊缝就会因增高过大，两侧出现咬边而明显恶化，因此在自动电弧焊中，实际上总是尽量避免采用上坡焊方法的。

下坡焊时情况与上述相反，即熔深和余高略有减少，而熔宽将略有增加。

因此倾角的下坡焊可使焊缝表面成形得到改善，如果倾角过大，会导致未焊透和焊缝流溢等缺陷。

（7）工件坡口:

　　在其他条件相同时，坡口形状不同也会影响焊缝成形。

增加坡深度和宽度时，熔深略有增加，熔宽略有减少，增高和焊缝熔合比显著减小。

因此，开坡口通常是控制增高和高速焊缝的熔合比最好的方法。

（8）保护气体:

TIG焊所采用的保护气体一般为氩气。

氩气是一种单原子惰性气体，它即不与金属反应，也不熔于金属中，本身的导热系数小，高温时不分解。

但用氩气作为保护气时焊接速度慢，生产效率低。

用Ar+H2混合气体可以提高电弧能量，增加焊接速度。

在氩气中加入氢气，可以提高电弧电压，从而提高电弧热功率，增加熔深，提高焊接速度。

可见，采用Ar+H2混合气体可明显提高焊接速度。

用Ar+H2混合气体焊接1.6mm以下的不锈钢板对接接头，焊接速度比纯氩快50%，此外还有防止咬边和抑制CO气孔产生作用。

因此，采用Ar+H2混合气体不仅可以获得优质焊缝而且还可以保证焊接生产效率，克服了氩弧焊速度慢的缺点，是逐渐被接受的保护气体。

3.3.2TIG焊接工艺缺陷

TIG焊接时，由于选择的工艺参数不当和焊前准备做得不完善造成在焊接时产生缺陷，影响成型和焊接结构的性能，因此焊前准备应尽量做到位，参数选择应合理，这样就可以尽可能避免在焊接过程中产生缺陷。

表3-1是TIG焊焊接中经常会遇到的缺陷、产生原因及其防止措施。

表3-1TIG中常见焊接缺陷、产生原因及其防止措施[12]

缺陷

产生原因

防止措施

夹钨

（1）接触引弧

（2）钨电极熔化

（1）采用高频振荡器或高压脉冲发射器引弧

（2）减小焊接电流或加大钨电极直径，旋紧钨电极夹头和减小电极伸出长度

（3）调换裂纹或撕裂的钨电极

气体保护效果差

氢氮空气水汽等气体污染

（1）采用纯度99.99%的氩气

（2）有足够的提前送气和滞后准备

（3）正确连接气管和水管等，不可混淆

（4）做好焊前准备

（5）正确选择保护气流量、喷嘴尺寸、电极伸出长度等

电弧不稳定

（1）焊件上有油污

（2）接头坡口太窄

（3）钨电极污染

（4）钨电极直径过大

（5）弧长过长

（1）做好焊前准备

（2）加宽坡口，缩短弧长

（3）去除污染部分

（4）使用正确尺寸的钨电极及夹头

（5）压低喷嘴距离

钨极耗损过剧

（1）气体保护不好，钨电极氧化

（2）反极性连接

（3）夹头过热

（4）钨电极直径过小

（5）停焊时钨电极被氧化

（1）清理喷嘴，缩短喷嘴距离，适当增加氩气流量

（2）增加钨电极直径或改为正接法

（3）磨光钨电极，调换夹头

（4）调大直径

（5）增加滞后停气时间

3.3.3钨极氩弧焊焊接时加强保护效果的措施

（1）档板接头形式不同，氩气气流的保护效果也不相同。

平对接缝和内角接缝焊接时，气保护效果较好。

当进行端接缝和外角接缝焊接时，空气易沿工件表面向上侵入熔池，破坏气保护层而引起焊缝氧化。

为了改善气保护效果，可采取预先加档板的方法。

也可以用加大气流量和灵活控制焊枪相对于工件的位置等方法来提高气保护效果。

（2）正面保护区焊接容易氧化的金属及其合金（如钛合金）时不仅要求保护焊接区，而且对处于高温的焊缝段及近缝区表面也需要进行保护。

这时单靠焊枪喷嘴中喷出的气层保护是不够的。

为了扩大保护区范围，常在焊枪喷嘴后面安装附加喷嘴。

附加喷嘴里可另供气也可不另供气。

用于焊接较厚的不锈钢和耐热合金材料时，可不另供气，而利用延长喷嘴喷出的气体在焊缝上停留的时间，达到扩大保护范围的目的。

（3）面保护对某些工件，既要求焊缝均匀焊透，同时又不允许焊缝反面氧化。

这时就要求在焊接过程中对焊缝反面也进行保护，为焊接不锈钢或钛合金的小直径圆管或密闭的工件时，可直接在密闭的空腔中送进氩气以保护焊缝反面。

对于大直径筒形件或平板构件等，可用移动式充气罩；

或在焊接夹具的铜垫板上开充气槽，以便送进氩气对焊缝反面保护。

通常反面氩气流量是正面氩气流量的30％～50％。

3.4全位置自动钨极氩弧焊

全位置自动钨极氩弧焊焊接就是指在管子相对固定的情况下，焊枪沿管子运动，从而实现焊接。

一般而言，全位置自动焊接装置有焊接小车、行走轨道、自动控制系统等组成。

全位置焊是指包括平焊、立焊、仰焊在内的全位置单面熔透焊接。

技术的关键是保证环焊缝根部全部熔透且反面成型良好均匀。

TIG焊具有热输入调节方便，熔深容易控制和熔池容易保持，是全位置单面焊反面成型最理想的焊接方法。

实验选用全位置自动焊钨极氩弧焊，全位置自动焊的焊接过程包括平焊、上坡焊、下坡焊、仰焊等过程，熔池受力情况各点不一。

重力在各点对焊缝成型影响不一样：

平焊位置，重力易造成熔池往管口内流淌；

仰焊位置，重力易使熔池偏离焊缝，造成焊缝成型不均匀,熔池受力如下图3-1。

为了减小熔池受重力因素的影响，全位置管管焊易采用脉冲焊方式即峰值形成

熔池，基值维持电弧不熄灭，同时对熔池进行冷却。

焊缝由很致密的焊点叠加而成，从而形成熔合良好，外观成型均匀的焊缝[22]。

图3-1熔池受力图

3.4.1焊接设备及其相关技术

本课题采用全自动焊接设备，采用非熔化极惰性气体保护焊方式，将焊枪对准管－管对接焊缝进行定位，焊接中，一方面焊枪电极以脉冲形式进行放电，当放电脉冲为峰值电流时使金属熔化并融合，当放电脉冲为基值电流时使融合的金属凝固；

另一方面焊枪由旋转机构带动环绕焊缝转动，其创新在于：

在全位置自动焊接过程中，当焊枪环绕焊缝转动时，利用管内与管外气压差变化，提供一个足以克服重力的气压差分力，托起或吸起熔化并融合的金属，使其在管内成形要求的位置上凝固，以此对管内成形进行控制[22]。

华恒全自动焊接设备枪头符合以下要求：

1）应有可靠的定位装置，且定位快捷。

2）应有可靠的气体保护装置。

3）结构紧凑，精度高。

4）焊枪要有外部循环水冷，满足长时间工作要求。

5）重量轻，减轻劳动强度。

全自动焊接设备枪头是管/管全自动TIG焊接机头，其图片如下

图3-2管-管全自动TIG焊接机头

管-管全自动TIG焊接机头的技术参数如图3-2，表3-2

图3-3管-管全自动TIG焊接机头结构图

表3-2管-管全自动TIG焊接机头的技术参数

A

220

B

180

C

112~132

D

92

E

82

自动横摆宽度

20

适用管径

Φ20~Φ77

焊接速度

0.25~5.02

额定焊接电流

直流200A负载持续率60％

机头冷却方式

水冷

主配电源

EWA406型EWA408型全位置程控电源

主要可焊材质

碳钢不锈钢

电源

程序控制焊接电源

焊接电源采用华恒程序控逆变电源（如右图），焊接

程序控制电源主要是控制焊接功能如：

提前送气和滞后停

气；

直流/脉冲电流；

横梁小车运动；

送丝运动；

横摆功能；

弧长控制等。

3.4.2焊接时应注意的问题

（1）焊前通气：

图3-4程序控制逆变电源

对接焊时，管内通入氩气，以对焊缝进行反面保护，待管内空气排净，充满氩气后才开始施焊。

采用全位置脉冲自动TIG焊时，为了保证环焊缝首焊处的根部完全熔透和环缝尾部能平滑地与首焊处接合，焊接时，打底一圈走362。

，填丝和盖面焊一圈走365。

。

（2）自动焊打底:

自动焊打底是整个过程中难度最大的，对管口组对要求很严格，组对间隙要非常小，必须控制在1mm内，钝边留1mm。

焊接过程中存在的主要问题是不易点焊，平焊位置易出现焊瘤，焊穿，外凸，4点位置易出现夹钨，仰焊位置易出现内凹等现象，

这些均可以通过调节焊接参数和钨极和焊丝角度来解决。

（3）自动焊填丝:

自动填丝相对于打底稍微简单，焊缝外观成型较易控制。

焊时要保证焊丝处于焊缝中间，使熔池不要偏离焊道中心。

如果偏离太多，焊接过程予以人为稍作调整，否则会造成与坡口边缘熔合不好，出现未熔合缺陷。

金相拍照时宏观图片会出现热影响区偏离中心，影响组织和性能。

（4）自动焊盖面:

自动焊盖面的主要问题是仰焊焊缝的外观成型控制，控制焊接参数、加大摆幅和送丝速度，这样才能更好的控制仰焊焊缝的成形，保证焊接质量。

（5）停焊:

停止焊接时，主要是为了防止出现弧坑和过早失去保护。

因此，终焊处应多添加填充金属，填满后再停止送丝，断电后焊枪须在终焊处停止3~5s，待钨极和熔池金属冷却后再停止送气和移开焊枪。

408-E程控焊接电源

可储存程序

70个

电源类型

逆变

可分区间

10个

焊接电流

5~400A

水泵扬程

40m

电源电压

3x380V（+10%~-10%）

最大容量

12L

焊枪冷却

外置循环水冷

外形尺寸

1100x454x951mm

显示

4x20LCD

绝缘等级/保护等级

H/IP23

控制功能

直流/脉冲电流，旋转运动，送丝运动，保护气控制，弧长控制（可选），横摆控制（可选）

重量（不含冷却剂）

111.5kg

制造标准

GB15579-1995,IEC60974

4.4.3焊接成型的控制

a.起焊位置：

为确保焊缝内表面成型，控制余高，保证焊透，应从9点位置起焊，沿顺时钟方向焊接。

b.焊接层数：

壁厚大于2.75mm，钢管焊接层数大于等于2，分为打底、填充和盖面焊。

c.热积累控制：

全位置焊接热积累位于270-360度，在此区间应通过调整线能量来保证焊缝成型。

d.焊接行程：

焊接行程一般大于360度，起弧点和熄弧点应错开。

e.弧长跟踪：

为避免钢管椭圆度对焊接影响，弧长跟踪应长开，弧长为1-2mm，跟踪灵敏度为4-6。

4.5焊接过程

（1）焊前通气

（2）自动焊打底

自动焊打底是整个过程中难度最大的，对管口组对要求很严格，组对间隙要非常小，必须控制在1mm内，钝边留1mm。

焊接时采用直流自熔法打底，焊接过程中存在的主要问题是不易点焊，平焊位置易出现焊瘤，焊穿，外凸，4点位置易出现夹钨，仰焊位置易出现内凹等现象，这些均可以通过调节焊接参数和钨极和焊丝角度来解决。

（3）自动填丝

打底后大约停留7min,是温度降至100℃以下，然后用钢丝刷清理焊缝，用丙酮擦洗焊缝。

表面自动填丝相对于打底稍微简单，焊缝外观成型较易控制。

金相拍照时出现热影响区偏离中心，影响组织和性能。

（4）自动盖面

添丝后大约停留7min,是温度降至100℃以下，然后用钢丝刷清理焊缝，用丙酮擦洗焊缝。

自动焊盖面的主要问题是仰焊焊缝的外观成型控制，控制焊接参数加大摆幅和送丝速度，这样才能更好的控制仰焊焊缝的成形，保证焊接质量。

（5）停焊

焊接过程中，虽然是采用自动焊但仍要求操作者对控制面板和焊接过程要足够熟悉，避免在焊接过程中出现不必要的问题。