钨极氩弧焊焊接工艺.docx
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钨极氩弧焊焊接工艺
钨极氩弧焊焊接工艺
钨极氩弧焊焊接工艺
第三章钨极氩弧焊（5）
第五节钨极氩弧焊设备结构简介
图3-30表示一台水冷钨极氩弧焊焊机的结构示意图。
焊工可通过焊炬上的开关或脚踏开关，经控制线路和控制设备开启或关闭焊接电流和保护气体。
这种水冷钨极氩弧焊机的循环冷却水有的来自生产车间的冷却水管路，焊机与其连接时必须注意允许压力是否吻合。
许多焊机均采用焊机自备的循环冷却设备供应焊接时要求的冷却水。
一台这样的烛福寿绵长的控制系统如图3-31所示，下面将逐项说明设备的最主要的部分。
一钨极氩弧焊焊炬及其附件
焊炬的功用是使保护气体输送到焊接部位、夹持钨极和让电流通过钨极。
焊炬带有绝缘零件，以避免握持焊炬时产生触电危险。
焊炬是实现焊接的工具，焊炬结构设计是否合理直接关系到使用性能、保护效果和焊接质量。
故希望焊炬能满足以下要求：
夹持钨极可靠；冷却良好；可以接近焊接部位；结构简单，重量轻，使用可靠，维修方便。
可以按冷却方式分为空冷式和水冷式焊炬，其结构如图3-32和图3-33所示。
主要零件有焊炬本体、把手和与焊接电源和操纵设备连接的软管组件。
把手把的控制开关可以开关保护气体和焊接电流。
有些钨极氩弧焊焊机还可以通过这个开关或其它的开关变化焊接电流和电流程序。
现在市场上有各种各样的钨极氩弧焊焊炬出售。
焊炬的外形主要和冷却方式、最大可能的电流负荷率以及对于焊缝的可接近性等有关（图3-34到图3-38）。
所谓空冷式焊炬是指利用周围空气为冷却介质的一种焊炬。
由于在负荷较大时，这种空冷焊炬的外形尺寸和重量过大，故只适合较小电流强度（小于100安）时选用。
水冷式焊炬采用水冷却。
在焊炬内的冷却水的冷却系统未采用密封。
使用时必须注意制造厂提供的每分钟的冷却水流量和开始焊时允许的冷却水温度，以确保在规定应用范围用时免受过热损坏。
仅仅根据冷却水压力还是不够的，因为这种软管组件在受到外压后，其管子截面会大幅度减少。
对于那些热辐射较大的焊接工作，可在把手上固定一弓形的护手，减少辐射热对焊工的危害。
夹持钨极的夹具也是焊炬上的一个重要零件。
一般为弹簧夹头。
可根据选用电极直径不同任意更换。
每种电极直径配有一种专用的夹头。
某些焊炬在电极截面变化时也需如图3-33更换弹簧夹头的外壳。
焊炬的内部零件常用紫铜或黄铜制造，因为这些材料的导电和散热好。
至于绝缘的外壳与帽罩，一般可用夹布胶木制造或电木压制而成。
钨极可以进行多次刃磨，一般钨极长度不超过175毫米，夹持后长出的部分由帽罩盖住，以免操作进不小心碰到工件。
在难接近部位焊接时可以用短电极和短帽罩。
焊炬下部构成保护仁心仁术喷咀。
喷咀可以用金属或陶瓷制成。
但喷咀必须和导电零件绝缘。
金属喷咀可以用不锈钢、黄铜等金属制成，使用电流可达到500安，在使用时必须注意避免和工件接触产生打弧现象。
陶瓷喷咀系采用高温陶瓷制成，其耐热和绝缘性能均良好。
钨极从保护气体喷咀内伸长度一般只为2-4毫米。
当焊接电流强度大于100安后必须采用水冷钨极氩弧焊焊炬。
装有缺水保护装置，一旦水循环系统出现故障，可自动立即停机，从而可避免冷却不良造成焊炬和电缆的损坏。
气冷焊炬的软管组件包括焊接电缆和保护气体输送软管，两者往往结合在一起，构成控制电缆。
水冷焊炬除此之外还有冷却水的引入和引出管。
其焊接电缆经过冷却水引出软和，从而可限制小截面电缆的电阻发热。
当然，尽管这种小截面的电缆会增加一些能源消耗，但却可以减轻软管组件的重量，增加柔性。
电缆和软管组件既可单独，又可一起和焊机连接。
采用快速接头来连接，更换非常快捷方便。
软管组件和焊炬连接的部分经常出现剧烈弯曲，容易造成电缆疲劳断裂。
将焊接电缆和软管组件分开，固然可增加焊炬的柔性，但也会增加电缆损坏的危险。
二钨极氩弧焊的控制设备
和控制设备以控制焊接时必须的各项功能，控制设备既可单独和电源连接（图3-39），又可和电源装成一整体。
简单焊机使用控制设备后，可由焊炬开关，经过控制线路完成以下的控制动作：
1.开动电流继电器
2.接通引弧装置
3.开关保护气体阀门
4.开动变化电流强度的机构，确保填满弧坑。
可以通过双脉冲电路或四脉冲电路实现这些功能。
因为电源在整个焊接过程中一直打开，由一只继电器动作。
按需要控制电极是否通电。
在开启焊接电流的同时断掉引弧时要求的高频电压或高压脉冲。
保护气体的流出量应恰如其分，过多则造成浪费，过少易产生焊接缺陷。
此外在引弧时便应确保对钨极的充分的保护。
办法是在焊接开始前借助保护气体用的电磁阀喷出保护气体。
除了这种在焊前不久先喷保护气体外，另一方面在熄弧后还要短时对正凝固的熔池和处于高温下的电极加以保护。
即让保护气体滞后几秒钟再关闭。
老式焊机是靠扼流圈和滞后容器来实现这种滞后保护的。
现代化的钨极氩弧焊机多用通过一只时间继电器控制电磁阀。
可随意调节到所需要的滞后时间（图3-40）。
当用双脉冲电路控制时主末是控制保护气体和电流的开关，往往一起操作。
现代的钨极氩弧焊机多采用四脉冲控制电路。
第1脉冲：
锨压并保持住按键，先按调节好的超前时间喷出保护气体，引弧，用较低的电流强度（可按需要调节）。
如果没引好弧，控制保护气体再次引弧。
第2脉冲：
放松按键，调节好的电流强度起作用。
第3脉冲：
重新锨压按键并固窂。
第4脉冲：
松开按键。
断开电流，按调节的时间喷出滞后保护气体。
1钨极氩弧焊的辅助引弧设备应用这种辅助引弧装置的目的是实现钨极不接触工件的引弧，以避免在引弧部位出现夹钨现象。
交流钨极氩弧焊这种辅助引弧装置必须在电流半波间过零时起作用。
在高频叠加时，由一只高频发生器产生的具有若干兆赫频率的和具有足够强度的电压可以使钨极和工件间实现这种无接触的引弧，此电压使气隙超前电离。
在应用这种高频引弧设备时必须在电路中装一只高频扼流圈，旨在让产生的高频夸口作用在钨极和工件之间，而不通往电源，以免高频火花放电损坏电源。
因为不用这种扼流圈时会引起在各绕组间电压火花放电，导致设备的破坏。
这种高频引弧设备因其频率高，有可能造成附近的无线电收间机和电视机出现故障。
要消除这种高频的干扰是件相当麻烦的事情。
故在德国投运这样的设备必须先单独得到联邦邮电部的批准。
高压脉冲引弧设备便没有这个缺点。
它系用正常频率产生脉冲，只有几千伏电压。
故这种引弧设备用得很广。
还有一种引弧设备是针对钨极氩弧焊用的，先用直流电引弧，引好电弧后再直接自动转换成交流电。
这是一种特殊的引弧设备。
2填满弧坑的焊接电流控制设备
为了保证钨极氩弧焊能得到优良的焊缝成形质量，一般希望焊缝在收弧处无明显的下凹弧坑、气孔和裂纹等缺陷。
故要求现代化程度高的钨极氩弧焊机在收弧时应由设备措施减少对熔池的热输入和电弧力。
即焊机的控制装置中带有填满弧坑的焊接电流控制电路。
收弧时，只要把此电路接通，焊接电流就会按一定规律衰减，以避免收弧弧坑和其它缺陷。
在收弧部位电弧下的液体熔池不能偈其它焊缝一样用填充材料完全填满。
由于电弧对熔池的静压力而形成收弧弧坑。
液体金属被排向一侧，冷却时体积减少，通过收缩而成弧坑。
还经常可观察到弧坑凝固裂纹。
如果这种弧坑缺陷很深，引弧时不能熔化掉，在继续焊之前必须用砂轮将弧坑打磨光。
一般钨极氩弧焊焊机在焊完时突然关掉电流往往会出现这种令人不愉快的弧坑。
现代焊机便具有填满弧坑的焊接电流控制设备。
其工作原理如图3-41所示。
收弧时（或焊接结束时）锨动焊炬上的开关，首先让焊接电路上增加一电阻，以降低焊接电流。
经过一定的时间后，时间继电器控制最后再关掉焊接电流。
焊接电流可以是两次或多次地突变降低，现代化设备也有的采用连续地降低。
焊接过程结束时电流降低可起到减少熔池深度的作用。
这意味着可由下到上分段凝固，同时电弧在熔池上的压力减少，故有添加填充材料的可能性。
用此法后弧坑大大减小，就是有缺陷也多在表面附近，重新引弧前不需砂轮打磨，也可完全熔化掉。
3稳弧装置
如前面在介绍交流钨极氩弧焊时所述，在采用交流电进行焊接时，极性在不断地变化。
当电流过零时，电弧会有瞬间的熄灭，因而在极性变换时存在着重新引弧的问题。
也就是说
存在电弧能否稳定燃烧的问题。
当用交流钨极氩弧焊焊接铝合金时，由于钨和铝的热物理性能（熔点和导热性等）差别很大，致使工件为负极性的半波内，从负极反射电子困难，影响到电弧的稳定。
稳弧的办法很多，如提高焊接电源的空载电压、改善电流的波形和采用高频振荡器，也可以在过零点后约160-240微秒时加入一高压脉冲，帮助再次引弧（图3-13）等。
4其它控制设备
钨极自动氩弧焊时存在着弧长自动调节问题。
特别是当焊缝有起伏或爬坡时应对弧长作自动调节，保持恒定值。
手工钨极氩弧焊在引弧前要预通保护气体再引弧。
收弧时一般又要求电流衰减。
焊接完后，需继续通一段时间的保护气体，故应装备延时电路。
TIG氩弧焊气孔缺陷及其预防措施
TIG氩弧焊焊接品质稳定，焊缝成形好，焊接密封性能佳等特点，在许多行业都得到较广泛的应用，尤其是在锅炉压力容器行业中更是得到大力推广和应用，但是在TIG焊操作过程中由于采用焊接工艺不当，加之焊工操作水平所限导致焊缝中出现气孔缺陷的几率较大，使探伤拍片合格率明显下降，严重影响了焊缝的质量，甚至有些操作者遇到气孔进行返修时束手无策，这些直接导致了生产成本的提高和生产效率的降低，以下主要根据在实际工作中总结的经验针对气孔缺陷，分析气孔的特点及产生的原因，阐述了防止出现气孔的工艺措施，对提高TIG焊接质量具有重要和实际意义。
1气孔的特点及危害
1.1气孔的特点
气孔是焊接是熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留在焊缝金属中所形成的空穴，是TIG氩弧焊中常见的也是主要的一种焊接缺陷。
其形状有球形、椭圆形、旋风形、条虫形等。
在焊缝内部的称内部气孔，露在焊缝表面的称外部气孔。
气孔的大小不等有时是单个的，有时是密集在一起或是沿焊缝连续分布。
1.2气孔的危害
气孔是体积性缺陷，对焊缝的性能影响很大其危害性主要是会降低焊缝的承载能力。
这是因为气孔占据了焊缝金属一定的体积，使焊缝的有效工作截面面积减小，因而也就降低了焊缝的力学性能，使焊缝的塑性特别是弯曲和冲击强度降低得更多。
如果气孔穿透焊缝表面，特别是穿透接触介质的焊缝表面，介质存在于孔穴内，当介质有腐蚀性时，将形成集中腐蚀，孔穴逐渐变深、变大，以致腐蚀穿孔而泄漏。
从而破坏了焊缝的致密性，严重时会由此而引起整个金属结构的破坏。
所以防止焊缝中产生气孔，保证焊缝的焊接质量，应引起高度的重视。
2气孔缺陷产生的因素
2.1气孔的形成
焊接过程中熔池的周围充满着成分复杂的各种气体，这些气体主要来自周围的空气，焊件上的杂质如铁锈、油漆、油脂受热后所产生的气体等。
所有这些都不断地与金属熔池发生作用。
一些气体通过化学反应或溶解等形式进入熔池，使熔池的液体金属吸收了相当多的气体。
如果这些气体排出较快，即使熔池结晶较快就不会形成气孔。
但是如果气体的产生在熔池的结晶过程中，而结晶过程进行较快时，气体来不及排出熔池，就会残留在焊缝中形成气孔。
2.2形成气孔的影响因素
TIG焊缝中气孔的生成往往是几种气体共同作用的结果，而起主要作用的气体是H2和N2，以下进行详细的分析：
焊接区的H2来自于各个方面，某些组成物的结晶水和工件表面杂质等都含有氢气的成分，同时由于冶炼钢总也含有，它们在电弧高温作用下形成气泡猛烈地向外排出，在焊缝冷却过程中来不及浮出的H2便会形成气孔。
N2主要来自空气，N2在基本金属和焊丝中的质量百分数不是很大，在钢中和其他铁合金中是以氧化物固溶体及其它形式存在。
N2在钢中的溶解度随温度下降而剧烈变化，析出的N2形成气泡从熔池中排出，来不及排出的气泡残留在焊缝中形成气孔。
形成气孔是在没有足够充分的保护条件下使电弧和焊接熔池中的金属受到空气的作用而造成的。
3预防气孔产生的措施
尽管产生气孔的原因是多方面的，但选用正确的焊接工艺，提高焊工的操作技能是防止气孔产生的基本途径。
3.1工件和焊丝的焊前处理
TIG焊对油、锈、水特别敏感，极易产生气孔，因此对母材的表面质量要求较高。
焊前必须经过严格的清理，对待焊工件坡口内外10~15mm范围内进行清理打磨，去除表面的氧化膜。
油脂和水分等杂质，露出金属光泽，同时对焊丝表面的油脂。
铁锈也要用砂纸进行打磨直到露出金属光泽。
3.2氩气的纯度
氩气是惰性气体具有高温下不分解和不与焊缝金属发生氧化反应的特性，氩弧焊时氩气纯度应大于99.95%，另外当氩气瓶内压力小于2.0MPa时含水量增加应停止使用。
氩气的流量必须合适，可由下面的经验公式确定：
Q=K·D式中Q代表氩气流量，D为喷嘴直径，K为系数（0.8~1.2），所以氩气流量一般为6~9L/min，还要保证气路通畅，不得有堵漏现象发生。
3.3喷嘴直径
喷嘴直径可由下面的经验公式确定：
D=（2.5~3.2）d
式中D为喷嘴直径，d为钨极直径由上面公式可得喷嘴直径一般为6~12mm为宜。
3.4钨极伸出长度
钨极伸出长度过大增大了喷嘴与工件之间的距离保护效果变差；伸出长度过小虽然保护效果好但会阻挡焊工视线，钨极与焊丝易碰撞发生短路使焊接无法进行。
3.5焊接速度
焊接速度是主要的焊接参数之一，速度过快会使保护气体偏离钨极和熔池是保护效果变差产生气孔，并且也影响焊缝的成形，所以施焊时必须选择合适的焊接速度。
3.6提前送丝滞后关气
引弧前3~4S送氩气可驱赶管内空气使引弧处在气体保护中，防止钨极与熔池发生氧化产生气孔；滞后关气可达到保护熔池缓冷的目的，还可避免收弧处出现弧坑、裂纹、气孔等缺陷，因此必须掌握正确的息弧方法。
3.7操作技能
操作技能的熟练程度是防止气孔的重要环节，每个焊工要有过硬的基本功。
焊枪、焊丝、工件之间要保持正确的位置和相对角度动作要协调。
施焊时电弧要平稳，电弧的高度要均匀一致，严禁忽高忽低，防止气体瞬间进入熔池产生气孔，同时也要注意观察熔池的变化，提高对气孔的排出能力。
全位置焊管子时，焊枪、焊丝和工件相互间须保持一定的距离，方向一般为由下向上焊接，即仰--立--平的顺序，收弧时要避免出现弧坑和缩孔并保证焊缝不低于母材，可以采用焊缝增加法，即收弧时焊接速度减慢，焊炬向后倾角增大，焊丝送进量增加当熔池温度过高时，可以熄弧再引弧直至填满弧坑。
焊接工艺要点
1）采用垂直外特性的电源，直流时采用正极性（焊丝接负极）。
2）一般适合于6mm以下薄板的焊接，具有焊缝成型美观，焊接变形量小的特点。
3）保护气体为氩气，纯度为99.99%。
当焊接电流为50~150A时，氩气流量为8~10L/min；当电流为150~250A时，氩气流量为12~15L/min。
4）钨极从气体喷嘴突出的长度，以4~5mm为佳，在角焊等遮蔽性差的地方是2~3mm，在开槽深的地方是5~6mm，喷嘴至工作的距离一般不超过15mm。
5）为防止焊接气孔的出现，焊接部位如有铁锈、油污等务必清理干净。
6）焊接电弧长度：
焊接普通钢时，以2~4mm为佳；而焊接不锈钢时，以1~3mm为佳，过长则保护效果不好。
7）对接打底时，为防止底层焊道的背面被氧化，背面也需要实施气体保护。
8）为使氩气很好地保护焊接熔池，并便于施焊操作，钨极中心线与焊接处工件一般应保持80~85°角，填充焊丝与工件表面夹角应尽可能地小，一般为10°左右。
9）防风与换气。
有风的地方，务请采取挡网的措施，而在室内则应采取适当的换气措施。
氩弧焊工操作规程
1、氩弧焊工首先要遵守“焊工一般安全规程”。
工作前检查设备、工具是否良好。
2、检查氩弧焊机焊接电源、控制系统是否有接地线，传动部分加润滑油。
转动要正常，氩气、水源必须畅通。
如有漏水现象，应立即通知修理。
3、自动氩弧焊和全位置氩弧焊必须由专人操作开关。
4、自动氩弧焊和全位置氩弧焊操纵按钮不得远离电弧，以便在发生故障时随时关闭。
5、氩弧焊采用高频引弧时必须经常检查有否漏电。
6、氩弧焊设备发生故障应停电检修，氩弧焊工不得自行修理。
7、在氩弧焊电弧附近不准赤膊或裸露其他部位，不准在氩弧焊电弧附近吸烟、进食，以免臭氧、烟尘吸入体内。
8、磨钍钨极时必须戴口罩、手套，并遵守砂轮机操作规程。
最好选用铈钨极（放射量小些）。
砂轮机必须装抽风装置。
9、手工氩弧焊工人，应随时佩戴静电防尘口罩。
氩弧焊操作时尽量减少高频电作用时间。
氩弧焊工连续工作不得超过6小时。
10、氩弧焊工作场地必须空气流通。
氩弧焊工作中应开动通风排毒设备。
氩弧焊通风装置失效时，应停止工作。
11、氩气瓶不许撞砸，立放必须有支架，并远离明火3米以上。
12、在容器内部进行氩弧焊时，应戴专用面罩，以减少吸入有害烟气。
容器外应设人监护和配合。
13、钍钨棒应存放于铅盒内，避免由于大量钍钨棒集中在一起时，其放射性剂量超出安全规定而致人体伤害。
氩弧焊工注意事项
第一，氩弧焊钨针要常磨保持尖锐，钝了电流不集中容易开花。
第二，氩弧焊钨针与焊缝的距离应控制好：
一般为3~5mm。
远了则弧光开花，钨针被烧黑而秃头，对焊工的辐射也强；太近则会粘在一起。
第三，开关的控制是门艺术，特别是对于薄板焊接，只能一下一下点焊，连续施焊容易烧穿。
第四，氩弧焊作业时，尽量配备皮革手套、服装、自动变光面罩。
第五，适当利用焊枪的陶瓷头遮挡弧光。
第六，氩弧焊尽量用黄色或白色标记的钨针，这样对手艺的要求高。
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