第三章TIG焊接方法.docx

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第三章TIG焊接方法

3.1TIG焊接方法的原理

3.1.1前言

TIG是英文TungstenInertGas的缩写，TIG焊接方法是使用钨电极和惰性气体保护的一种弧焊技术，该技术于1930年研究成功，最初阶段保护气体使用氦气，所以曾经使用氦弧焊的名称（HeliArc），目前广泛使用氩气作为保护气体，所以又把TIG焊接技术称之为氩弧焊技术。

3.1.2TIG焊接方法的原理

图3.1表示TIG焊接方法的原理。

在TIG焊接技术中，在不熔化的钨电极与母材之间产生电弧，利用氩气等惰性气体把熔融金属与空气隔开以起保护作用，利用电弧产生的高热量把母材进行熔化从而连结在一起。

在TIG焊接方法中有使用填充材料的填丝TIG和不使用填充材料只熔化母材的TIG焊。

图3.1TIG焊接方法的原理

3.2TIG焊接方法的起弧方式

TIG焊接方法中的起弧方式可分为三类:

“高频振荡起弧方式”、“外加直流高压脉冲起弧方式”和“接触起弧方式”。

最近，由于环境保护的要求，限制高频噪音的发生，所以在TIG焊接方法中倾向于不使用“高频振荡起弧方式”。

1.高频振荡起弧方式

如图3.2所示，电极与母材不接触，利用高频振荡打破电极与母材之间的绝缘状态，产生电弧。

图3.2高频振荡起弧方式

2.外加直流高压脉冲起弧方式

如图3.3所示，电极与母材不接触，利用外加直流高压脉冲产生电弧。

图3.3外加直流高压脉冲起弧方式

3.接触起弧方式

如图3.4所示，电极与母材接触的瞬间，把焊枪提升一点距离,从而产生电弧。

图3.4接触起弧方式

3.3TIG焊接方法的主要特点

TIG焊接方法的主要特点如下:

1由于有惰性气体保护，对焊缝金属的保护效果好，所以在焊接金属中极少混入杂质，从而能取得高质量的焊接结果。

2能焊接工业中使用的几乎所有的金属（铅、锡等低熔点金属除外）。

3没有飞溅，操作方便。

4能实现任何形式的接头的焊接，而且焊接姿态不受限制。

5即使在小电流区域也能得到稳定的电弧，所以能焊接薄板。

另外TIG焊接容易得到单面焊双面成型。

6明弧，能观察电弧及熔池。

7填充金属的添加量不受焊接电流的限制。

8某些场合可不添加金属。

9能进行脉冲焊接，减少热输入。

TIG焊接方法的缺点是，惰性气体价格比较高，与MIG焊接方法比较，其焊接速度慢（从而降低了焊接作业效率），受气体保护的电弧容易受环境中风的影响，焊缝金属易于受钨的污染。

3.4TIG焊接方法的分类

3.4.1各种TIG焊接方法的比较

在TIG焊接方法中有交流TIG焊、直流TIG焊以及焊接电流有周期性变化的脉冲TIG焊接法。

按照使用的不同的电极极性和电流的控制方法可将TIG焊接方法进行分类，如表3.1所示。

此外，各种典型的被焊接材料（母材）适用的焊接电源种类如表3.2所示。

各种材料有其特有的特性，必须根据不同的使用目的加以选择。

表3.1各种TIG焊接方法的比较

直流TIG焊

交流TIG焊

脉冲TIG焊

电源外特性

恒电流

缓降特性或恒电流

脉冲电流

极性

直流正接（焊枪接负极）

交流

直流正接或交流

使用电流（A）

4～500

10～500

1～500

适用板厚（mm）

0.3以上

0.5以上

0.1以上

焊接姿势

全位置

特点

有去除表面氧化膜的作用

●适合焊接薄板

●焊接速度高

适用母材

除活泼金属外的所有合金

铝合金

镁合金

不锈钢（直流）

低碳合金钢（直流）

铝合金（交流）

（注）使用直流TIG焊时，如果是直流反接法（焊枪接正），会加快钨电极的损耗，所以一般不采用。

表3.2TIG焊接（含脉冲）电源的选择

被焊接材料

交流焊机

直流焊机（正接）

碳素钢

△

○

铸铁

△

○

不锈钢

△

○

铝

○

镁

○

硅铜.脱氧铜

○

黄铜

△

○

银

△

○

铬合金

△

○

交流电源主要适用于必须利用电弧除去母材表面的氧化膜的金属焊接，例如铝、镁合金。

在其它金属要采用直流电源正接进行焊接。

3.4.2直流TIG焊接方法

最常用的TIG焊接方法。

使用恒流特性的焊接电源，如图3.5所示，把钨极（焊枪一侧）与阴极相连从而产生电弧，直流TIG焊接方法可用于除铝和镁等合金（活泼金属）以外的几乎所有金属的焊接。

图3.5直流TIG焊接方法

图3.6表示钨电极与电源正极和负极分别连接的极性效果

图3.6直流TIG焊接方法的极性效果

3.4.3交流TIG焊接方法

在铝和镁合金等的焊接中，必须除去母材表面的氧化皮膜，母材一侧作为阴极时电弧有“阴极雾化作用”，这是因为电流密度高的阴极斑点在表面氧化皮膜上来回移动能破坏和除去氧化皮膜。

图3.7为通过阴极雾化作用洁净后铝合金的焊缝外观。

图3.7交流TIG焊接铝合金的洁净作用

如图3.8所示，铝金属表面有一层熔点很高的氧化皮膜，如果钨电极接正，母材接负时，从电极表面来的离子打在氧化膜上，从而将之打碎、去除。

这种破坏和清除铝表面的氧化皮膜的作用，把它称之为氧化膜清洁作用。

图3.8铝的氧化膜

但是，如果象图3.8那样连接，由于电极为阳极时，传入电极的电弧热很大，这就增大了钨电极的消耗（而且熔深变浅），因此这种电极连接方法不实用。

为了解决这个问题，采取“交流TIG焊接方法”，如图3.9所示，能发挥正接和反接两者的特长，既保证有清洁作用，又抑制了电极的消耗速度，熔深处于正极性和负极性的中间状态，此外，交流焊接电源使用恒流特性。

在铝的焊接中使用交流TIG焊接方法。

图3.9交流TIG焊接方法

3.4.4脉冲TIG焊接方法

脉冲TIG焊接方法是将焊接电流周期性变化，从而调整电弧特性最终达到控制焊缝形状的目的。

在这种方法中，有直流脉冲和交流脉冲两种形式，可根据不同的母材材质加以选用，表4-2列出了不同的母材和与之相配套的电源类型。

下面介绍各种脉冲TIG焊接方法。

3.4.4.1直流脉冲TIG焊接方法

如图3.10所示，直流脉冲TIG焊接方法使焊接电流呈脉冲方式按一定周期进行变化，在脉冲电流峰值（Ip）流过时间内（Tp）熔化母材，在基值电流（Ib）流过时间内（Tb）让熔池冷却凝固，这些熔化的部分周期重叠就形成焊缝。

图3.10脉冲波形与焊缝形状

图3.11表示利用脉冲TIG方法焊接不锈钢时的焊缝外观，呈鱼鳞形状。

通过调整焊接速度或脉冲频率能控制相邻鳞片重叠部分的尺寸。

图3.11脉冲TIG焊接不锈钢的焊缝外观

此外，直流脉冲TIG焊接方法所使用的频率大致有三种:

1低频脉冲（0.5～20Hz）

2中频脉冲（10～500Hz）

3高频脉冲（1～20kHz）

注:

频率的具体数值随不同工厂、不同产品多少有些差别，此外，在名称方面也与不同的工厂有关，例如把低、中、高频脉冲称之为低速、中速、高速脉冲等。

不同频率直流脉冲TIG焊接方法的应用范围如下:

低频脉冲……焊接异种金属和不同板厚的金属

中频脉冲……焊接薄板（0.3mm左右）

高频脉冲……极薄板（0.1mm）或热电偶等高质量超精密的焊接

直流脉冲TIG焊接方法的主要特征:

1．可以精确地控制工件的热输入和熔池尺寸，提高焊缝抗烧穿和熔池的保持能力，获得均匀的熔深，特别适用于薄板（薄至0．1mm）全位置焊接和单面焊双面成型。

2．每个焊点加热和冷却迅速，所以适用于导热性能和厚度差别大的工件。

3．脉冲电弧可以用较低的热输入而获得较大的熔深，故同样条件下能减小焊接热影响区和焊接变形，这对薄板和超薄板尤为重要。

4.焊接过程中熔池金属冷凝快，高温停留时间短，可减小热敏材料焊接时产生裂纹的倾向。

3.4.4.2交流脉冲TIG焊接方法

交流脉冲TIG焊接方法的原理与直流脉冲TIG焊接方法的原理相同，电流波形也是以一定的周期进行变化，只是交流脉冲的电流波形是按照商用频率50Hz或60Hz作周期性的正负变化，如图3.12所示。

图3.12交流脉冲TIG焊接的电流波形

此外，形成焊缝的机理与直流脉冲TIG焊接方法相同，图3.13表示利用交流脉冲TIG焊接方法焊接铝合金的焊缝外观。

图3.13交流脉冲TIG焊接铝合金的焊缝外观

交流脉冲TIG焊接方法是在利用可控硅等半导体器件的交流TIG焊接电源出现以后才研制成功的一种焊接方法，发展历史并不长，这种焊接方法广泛应用于铝焊接。

交流脉冲TIG焊接方法的特点：

1．容易进行薄板、内部焊缝、姿势难度高的焊缝的焊接。

2．能洁净的宽度足够地宽。

3．焊缝与母材的之间的过度好。

4．能得到漂亮的焊缝外观。

3.4.5其它的TIG焊接方法

3.4.5.1TIG热丝（hotwire）焊接方法

TIG焊接法虽然能得到高质量的焊缝，但有焊接熔敷量量少、效率低的缺点。

而热丝焊接法在焊丝送入熔池之前先对其进行加热，从而增加了熔敷量，既保持了TIG焊接的高质量的优点，又提高了焊接效率。

加热焊丝的方法有两种，一种是采用专用的焊丝加热电源，另一种是使用焊接电流的分流来加热焊丝。

图3.14表示采用外加电源的热丝加热方式，在离母材10mm左右的地方对焊丝供电，通过电阻发热加热焊丝，这时的焊丝处于半熔化状态送入熔池，这种方式比一般不加热焊丝（这时叫做冷焊丝）方式增加三倍左右的熔敷量，为此该方法能提高薄板的焊接效率，速度也提高了两倍。

此外，这种方式通过加热的焊丝能去掉母材表面的油脂，从而抑制了气孔的发生。

图3.14TIG热丝焊接方法

该方式的缺点是，由于焊丝的加热电流和电弧电流相互干涉容易引起磁吹（弧偏吹）现象，特别是在高电流区这种现象的影响最明显。

3.4.5.2TIG点焊

如图3.15所示，TIG点焊是用焊枪末端压在母材上使之紧密接触，然后通过TIG电弧对搭接板进行加热，形成点状焊接接头的焊接方法。

电弧的发生时间随母材的材质、板厚的不同而不同，一般在0.5～5秒之间，电弧长调整为2～3mm，不用附加焊丝，所以要求被焊工件要紧密接触。

图3.15TIG电弧点焊

TIG点焊与电阻点焊相比，它有如下优点：

1．可用一面进行点焊，方便灵活。

对于那些无法从两面操作的构件，更有特别的意义。

2．更容易点焊相差悬殊的工件，且可将多层板材点焊。

3．焊点尺寸容易控制，焊点强度可在很大范围内调节。

4．需施加的压力小，无需加压装置。

5．设备费用低廉，耗电量少。

缺点：

1．焊接速度不如电阻点焊高。

2．焊接费用（氩气消耗等）较高。

3.5TIG焊接设备

3.5.1TIG焊接设备的主要构成

TIG焊接设备的主要构成如下:

1.焊接电源

2.高频发生装置和控制装置

3.焊枪

4.附属设备（遥控器、焊丝供给装置、冷却水循环装置、氩气瓶、氩气表及流量计等）

其中，高频发生装置、控制装置都内藏在焊接电源中，焊接电源的基本构成如图3.16所示。

图3.16TIG焊接电源的基本构成

3.5.2焊接电源

3.5.2.1TIG电弧特性

图3.17表示TIG电弧电压与电流的关系，在30A左右的小电流区域内，随着电流的增加电弧电压则下降，呈“负电阻特性”，以后转移到“恒压特性”上，如果电流进一步增加，则电弧电压随之增加，呈“上升特性”。

图3.17TIG电弧静特性

此外，如果焊接电流不变，增加电弧长度时，电弧电压几乎成比例地增加，这是因为电弧的电压降与电弧长度成正比。

因此，对于不同的电弧长度的电流—电压特性曲线几乎是上下平行移动。

如图所示，为了稳定得到具有上述特性的TIG电弧需要具有缓降特性或垂直特性（恒流特性）的焊接电源。

3.5.2.2焊接电源的特性

图3.18表示焊接电源的外特性（实线）与电弧的静特性（虚线），虚线与实线的交点S为工作点（注），例如电弧长从L1变为L2，则工作点将由S1移到S2，但二者的电流相差很小，因此电弧能稳定工作。

（注）Q点也是工作点，在该点电弧不稳定，很快就移到S点上去。

图3.18焊接电源外特性与电弧静特性

当使用恒流特性的电源时，不管电弧长度如何变动，电流是不变的，所以焊接电弧稳定，并且焊缝熔深恒定。

逆变式焊接电源特性（外特性）就是采用恒流特性加以控制。

3.5.2.3逆变控制方式的TIG焊接电源

（1）逆变控制式直流TIG焊接电源

逆变控制式直流TIG焊接电源的电路构成如图3.19所示，下面介绍其基本原理。

图3.19逆变式直流TIG焊接电源的构成

首先对工频交流（a）进行整流和平滑滤波，变换成直流（b），然后通过以晶体管为开关元件的逆变器将其变换为8kHz～50kHz的高频交流（c）向变压器输入，利用变压器将电压降至适合于焊接的电压（d），之后再次对其进行整流（e），经过直流电抗器使电流平滑，最后将此直流电流供给电弧。

作为输出电流的控制大多使用脉冲宽度控制方式。

所谓脉冲宽度控制是把晶体管作为开关之元件，设定ON.OFF的周期为常数，通过改变脉冲宽度来控制输出电流平均值的方法,如图3.20。

图3.18脉冲宽度控制

（2）逆变控制式交流TIG焊接电源

在逆变式交流TIG焊接电源的结构中，从前面的输入、一次整流器、一次侧逆变器、二次整流器为止与前述的逆变式直流TIG焊接电源相同，只是在二次整流之后又增加了二次侧逆变器。

如图3.21所示，一次侧逆变器是将直流变成高频交流，二次侧逆变器则是将二次整流之后的直流变成适合于焊接所需的50～100Hz低频。

图3.21逆变式交流TIG焊接电源的基本电路

在图3.19中，二次侧逆变器中的Tr1和Tr2处于OFF时得到焊枪侧接正、母材侧接负的极性的电弧，当Tr3和Tr4处于ON（Tr3和Tr4处于OFF）时，得到焊枪侧接负、母材侧接正的极性的电弧。

通过重复这样的交互变化产生交流电弧。

逆变式交流TIG焊接电源焊枪接正的时间比率为

TIG焊接电源焊枪接正的时间比率=焊枪接正的时间/（焊枪接正的时间+焊枪接正的时间）

即使焊枪接正的时间比例大大超过50%，也不会象可控硅式电源那样由于流经变压器、电抗器等不平衡电流而产生过热现象。

因此钨极接正和接负的比例可以随便调整。

图3.22表示逆变式TIG焊接电源的交流输出波形的一个例子。

图3.22逆变式TIG焊接电源的交流输出波形例子

在TIG焊接过程中，若钨电极为阳极母材为阴极时，电弧能去除铝等母材表面上的氧化膜（阴极雾化作用），但由于钨极产生过热现象会加快钨极消耗,为了充分加大逆变式交流TIG焊接电源的洁净作用又使钨极的消耗变小，可把钨极为阳极（EP）的电流变为时间很短的脉冲状,如图3.22所示，这样的输出波形是一般的交流TIG焊接电源所得不到的。

逆变式TIG电源钨极的消耗少，如图3.23所示,通过改变钨极为阳极的时间,能很方便地调整洁净作用的宽度,因此逆变式交流TIG焊接电源的电弧集中性好,而且电极的消耗也少。

图3.23不同控制方式下钨极的消耗比较

3.5.2.2TIG焊枪

焊枪的作用是夹持电极，传导焊接电流，喷出保护气体以把焊接部分与大气隔开。

由于钨电极发热，电弧又有辐射热，所以焊枪应能耐高温。

焊枪由枪体、喷嘴、电极夹、焊枪帽、氩气软管、动力电缆和钨电极等构成，图3.24表示典型的焊枪结构。

图3.24TIG焊枪的结构（水冷式）

图3.25表示焊接机器人用TIG焊枪的一个例子,分空冷式和水冷式两种。

图3.25焊接机器人用TIG焊枪

3.5.2.5附属设备

机器人用TIG焊机的附属设备有焊丝供给装置、气体流量调节器、冷却水循环装置等。

手工焊接和半自动焊接的TIG焊机还附有调节电流的遥控器。

（1）焊丝供给装置

使用卷筒焊丝，由类似于图3.26那样的焊丝供给装置自动地供给，

图3.26焊丝供给装置

（3）气体流量调整器和压力调整器

气体流量计安装在压力调整器的下流一侧，但大多数是把两者做成一体，如图3.27所示，流量计安装在气体流量调整阀的下流一侧，图3.28表示流量计的工作原理，在园形剖面透明锥管内安放一个球，当气体从下往上流动时，球就上升，通过管外的刻度指示球的位置，该位置所在的刻度就代表气体的流量（L/分）。

图3.27安装有流量计的减压阀图3.28气体流量计

（4）冷却水循环装置

水冷式焊枪使用的冷却水循环装置主要用于没有自来水源的地方，该装置如图3.29所示。

图3.29冷却水循环装置

（5）压气瓶

氩气瓶是

3.6焊接材料

3.6.1钨电极

TIG所用的钨电极主要有纯钨极、钍钨极和铈钨极，日本JIS（日本工业标准Z3233）增加了镧钨电极（含La2O31-2%）,。

各种电极种类和成分列于表3.4、3.5、3.6。

当电极为阴极时，由于发射电子,对钨电极有冷却作用,所以其末端不易熔化,故能减小电极的消耗,如图所示。

而在电极为阳极时,即使在小电流时也易熔化,所以电流的允许值比电极为阴极时要小很多,（约1/10）,如表3.7所示。

纯钨极的缺点是要求空载电压较高，承载电流能力较小,加入了氧化钍，可降低空载电压,改善引弧、稳弧性能,增大许用电流范围，但有微量放射性。

铈钨电极与钍钨极相比有更好的小电流的电弧起动性,更小的钨极损耗,放射性剂量也低得多,在机器人焊接中推荐使用这种钨极。

各种电极材料可通过颜色来识别。

如表3.8所示。

表3.4国产电极的种类和成分

化学成分（%）

Th02

CeO

SiO2

Fe2O3+Al2O3

CaO

钨

钍

钨

Wth-7

Wth-10

Wth-15

Wth-30

0.7-0.99

1.0-1.49

1.5-2.0

3.0-3.5

0.06

0.02

0.01

余量

铈

钨

Wce-5

Wce-13

Wce-20

0.5

1.3

2.0

<0.1

余量

表3.5日本电极的种类和成分（JISZ3233）

化学成分（%）

ThO2

其它

纯钨电极

YWP

99.95以上

含钍1%的钨电极

YWTh-1

98.75以上

0.8～1.2

含钍2%的钨电极

YWTh-2

97.75以上

1.7～2.2

表3.6美国电极的种类和成分（AWSAS.12-69）

化学成分（%）

W（最小）

ThO

ZrO

其它（最大）

EWP

EWTh-1

EWTh-2

EWTh-3

EWZr

99.5

98.15

97.5

98.95

00.12

0.8～1.2

1.7～2.2

0.35～0.55

0.15～0.40

0.5

表3.7钨电极载流能力

电极直径

直流（A）

交流（A）

正接（电极-）

反接（电极+）

（mm）

Th-W

Ce-W

Th-W

Ce-W

ThV.CeW

0.5

1.0

1.6

2.0

2.5

3.2

4.0

5.0

6.3

8.0

2-20

20-60

40-100

60-150

130-230

160-310

275-450

400-625

550-675

2-20

15-80

70-150

100-200

170-250

225-330

350-480

500-675

650-950

2-20

20-80

50-160

100-200

10-20

15-25

17-30

20-35

35-50

50-70

65-100

10-20

15-25

17-30

20-35

35-50

50-70

2-15

15-55

45-90

65-125

80-140

150-190

240-350

300-450

2-15

15-70

60-125

85-160

120-210

150-250

240-350

330-460

430-575

650-830

表3.8钨电极种类与识别的颜色（日本）

种类

符号

识别颜色

纯钨电极棒

YWP

绿

1%钍钨电极棒

YWTh-1

黄

1%氧化镧钨电极棒

YWLa-1

黑

2%氧化镧钨电极棒

YWLa-2

黄、绿

1%氧化铈钨电极棒

YWCe-1

粉红

2%氧化铈钨电极棒

YWCe-2

黑灰

钨电极的表面加工方法有打磨和化学清洗两种，打磨电极的表面光滑同心度好，与焊枪夹和接触面大，接触电阻小，因而较化学清洗的钨电极的载流能力大。

钨极表面不该有疤痕、裂纹、缩孔、毛刺或非金属来杂物等缺陷。

准备就绪的钨电极应放在清洁的地方，当表面沾污油脂等后,务必清除干净，否则会污染焊缝金属和在焊枪夹头接触处打弧。

3.6.2保护气体

用于TIG焊的保护气体主要有氩、氦、氩-氦混合气体和氩氢混合气体。

各种保护气体的性能如表3.9所示，各种材料适用的气体特点如表3.10所示。

表3.9各种保护气体的特性

气体种类

特性

氩

1.电弧电压低—产生的热量较少,因此,氩适用于薄金属的TIG焊。

2.良好的清理作用—适合焊接形成难熔氧化皮的金属,如铝、铝合金及含铝量高的铁基合金。

3.容易引弧—焊接薄件金属时特别重要。

4.气体流量小—氩比空气重,保护效果好,比氦气受空氯流动的影响小。

5.适合立焊和仰焊—氩能较好地控制立焊和仰焊时的熔池,但保护效果比氦氯差。

6.焊接异种金属—一般氩氯优于氦气。

氦

1.电弧电压高—电弧产生的热量大,适合焊接厚金属和具有高热导率的金属。

2.热影响区小—焊接变形小,并得到较高的力学性能。

3.气体流量大—氦气比空气轻,气体流量比氩大0.2～2倍,氦对空气流动比较敏感,但氦对仰焊和立焊的保护效果好。

4.自动焊速度高—焊接速度大于66mm/s时,可获得气孔和咬边比较小的焊缝。

氩-氦

具有氩保护气和氦保护气二者的优点,一般混合气体比例是氦75-80%加氩25-20%。

氩+氢

1.电弧电压高—电弧热功率提高,增加了熔透,并防止咬边,可提高焊速。

2.抑制CO气孔—氢气具有还原作用,在一定条件下可使某些金属氧化物或氮化物还原,焊接不锈钢、镍基合金和镍铜合金时,可消除焊缝中的CO气孔,常用成分为Ar+15%Hz。

表3.10各种材料适用的保护气体特点

材质

适用的保护气体及特点

铝合金

氩气—采用交流焊接具有稳定电弧和良好的表面清理作用

氩、氦混合气体—具有良好的清理作用和较高的焊接速度和熔深,但电弧稳定性不如纯氩

氦气—（直流正接）对化学清洗的材料能产生稳定的电弧和具有较高的焊接速度

铝青铜

氩气—在表面堆焊中,可减少母材的熔深

黄铜

氩气—电弧稳定,蒸发较少

钴基合金

氩气—电弧稳定且容易控制

铜-镍合金

氩气—电弧稳定且容易控制,也适用于铜镍合金与钢的焊接

无氧铜

氦气—具有较大的热输入量。

氦75%、氩25%的混合气体,电弧稳

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