051非熔化极气体保护焊.docx
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051非熔化极气体保护焊
第五章气体保护焊等离子弧焊与切割
第一节气体保护电弧焊的工作原理适用范围和安全特点
一．气体保护焊的特点：
气体保护焊大致可分为熔化极气体保护焊和钨极氩弧焊两大类。
熔化极气体保护焊当中又以二氧化碳气体保护焊以及混合气体保护焊用途最为广泛。
1．无渣，明弧，熔池可见。
操作比焊条电弧焊简单方便；
2．电弧电流密度大，熔敷系数大，焊接速度快，生产效率高，生产成本低；
3．电弧热量集中，熔深大，热影响区小，焊缝脱氧彻底，焊接质量好；
4．可以焊接铝，镁，钛等化学性质活泼的金属；
5．电流调节范围宽，可以焊接0.5毫米甚至更薄的薄板，也能焊接100毫米以上的厚板；
6．保护气流的挺度不如焊条电弧焊药皮爆炸生成的气体，电弧抗风力很差，野外作业需要严密的挡风板；
7．喷射过渡时的光辐射极其强烈，需要有效的保护；
二．气体保护焊分类及应用范围
1．非熔化极气体保护焊GTAW：
保护气体为Ar，He，或者Ar＋He，电极用钨极，所以非熔化极气体保护焊又有一个非正式的名称TIG，是比较老的表示方法。
在正规的美国ASME标准中用GTAW表示。
2．熔化极气体保护焊GMAW：
保护气体种类非常丰富，为了焊接各种不同材料，达到不同的工艺要求，保护气体可以是Ar，He，CO2等一元气体，可以是Ar＋O2，Ar＋He，Ar＋CO2，CO2＋O2等二元气体，甚至Ar＋He＋CO2＋O2四元气体。
对于熔化极气体保护焊的英文缩写，以往把熔化极惰性气体保护焊表示为MIG，把熔化极活性气体保护焊表示为MAG，不过在最新的美国ASME标准中已经不区分这两者，而是对于熔化极气体保护焊的熔滴过渡方式予以明确的表示，因为熔滴过渡方式不同，检测的方法也不相同。
GMAW一律使用实芯焊丝。
3．药芯焊丝气体保护焊FCAW：
焊丝不再是一根圆形截面的钢丝，而是用薄钢片和焊剂一同卷绕成的细钢筒，保护效果非常好，焊缝质量好，但是药芯焊丝的价格是实芯焊丝的一倍以上，焊接成本较高。
三．气体保护焊的安全特点：
略
第二节钨极惰性气体保护焊及安全操作
一．钨极惰性气体保护焊的特点：
如果你能够熟练地操作气焊，那么你已经掌握了钨极氩弧焊的基本技术。
只要熟悉一下钨极氩弧焊的设备，了解一下钨极氩弧焊的特点，就能操作钨极氩弧焊。
钨极氩弧焊是用氩气作为保护气体，用金属钨作为电极并且焊接过程中电极不熔化的一种焊接方法。
有手工焊，半自动焊，机器焊和自动焊四种操作方式。
其中手工焊是最广泛应用的操作方式，半自动焊近年来应用也很广，它的最大优点就是不再需要熟练的操作工人，会操作焊条电弧焊，稍微熟悉一下，就能操作钨极氩弧焊。
虽然在设备投资上要多花6000元钱买一台送丝机用于填丝，但是焊接质量和效率得到提高。
机器焊就是教材中所说的“自动焊”，按照国际通用的标准，焊接过程中自动送丝，人工操纵焊机并控制焊接方向的焊接方法只能叫做机器焊。
使用焊接机器人才能叫做自动焊。
钨极氩弧焊有以下几个特点：
●利用惰性气体隔绝空气，通常不能利用焊丝的成分对熔池金属进行脱氧，脱氢以及合金化处理。
需要更正的是钨极氩弧焊并不一定就能“自动清除工件表面氧化膜”，正确的说法是惰性气体保护焊在反极性的情况下具有“自动清除工件表面氧化膜”的阴极清理作用。
所以，如果惰性气体不够纯，或者没有直流反接（交流有一半时间是直流反接，另一半时间是直流正接），都不能看到阴极清理作用。
●熔深浅，熔敷效率低，焊接速度慢，适合焊接薄板。
●钨极氩弧焊机高频放电产生的电磁波以及臭氧都对人体健康有影响。
二．钨极氩弧焊的设备：
钨极氩弧焊电源无一例外地都是垂降的外特性，垂降外特性电源是恒流源，焊接过程中，即使弧长发生变化，电流仍然保持不变。
所以，钨极氩弧焊电源通常只有一个电流调节旋钮。
设备操作相对简单。
●钨弧的特点：
用钨作电极惰性气体作为保护气形成的电弧称为钨弧。
钨作为电极是不允许熔化的，所以钨弧保护气中也就不允许添加任何氧化性气体，通常就使用纯氩，或者Ar＋He。
由于氦气价格昂贵很少使用，在此我们只讨论纯氩作保护气的情况。
由于氩原子最外层有8个电子，属于最稳定的结构，所以氩原子电离十分困难，电弧空间氩离子Ar＋数量不多，Ar＋＋e－＝Ar这样的复合反应当然也就不多，所以纯氩作保护气电弧热量不高。
这也是钨极氩弧焊适合焊接薄板的主要原因。
另外，氩气散热能力很低，这是因为氩是单原子气体，不存在双原子气体H2，特别是CO2的高温分解过程。
还有就是氩原子体积非常大，运动和扩散都很困难，在电弧中由于氩离子的扩散带走的热量很少。
这一点跟O，特别是H原子相比特别突出，CO2首先要分解成CO和O，然后CO再分解成C和O，最后O还要被电离成O＋离子，H2首先分解成H，然后被电离成H＋，这些过程都要消耗相当多的热量。
而且氧离子和氢离子都很活泼，特别是氢离子体积小，质量轻，运动和扩散都非常猛烈，这就带走了大量的热。
所以，氩气作保护气体时，由于不易电离和不易散热，钨弧有以下四个特点；
●引弧困难：
尤其是在交流钨弧引弧更加困难电弧每秒钟100次过零点，50次变换方向，引弧的时候空间充满了不容易电离的氩气，这时候容易电离的金属蒸气还没有产生，或者刚刚产生但是又在电流过零点时已经凝固了，所以，交流钨弧的引燃必须依靠很高的电压来击穿氩气空间。
这个电压通常是钨弧正常燃烧电压的20倍甚至更高。
这也是为什么脉冲引弧不可靠的原因。
●电弧稳定：
纯氩钨弧虽然引弧困难，但是电弧一旦引燃，燃烧却十分稳定。
这是因为电弧引燃后，被焊金属产生大量金属蒸气挥发到电弧空间，任何一种金属蒸气的电离电位都比氩气的电离电位要低，因此氩气电离的很少。
但金属蒸气的电离使得电弧空间充满了足够的带电粒子。
氩离子散热能力差，正好可维持电弧空间的导电粒子不容易散失掉，所以纯氩钨弧一旦引燃，维持燃烧并不困难。
不需要向电源索取很多能量。
因此直流正接的纯氩钨弧只要10V电压就能稳定燃烧。
●热量不足：
纯氩作保护气体的电弧又称为冷弧。
氩气很类似焊条电弧焊中的稳弧剂，电弧稳定了，但是热作用却削弱了。
不同的是稳弧剂容易电离，所以复合反应放热很少，氩气是不容易电离，Ar＋很少，单个氩离子复合放热很多，但是氩离子总数很少，所以复合放热也很少。
●弧根面积大：
纯氩不易散热，不存在二氧化碳气体那种强烈的冷却效应。
因此电极（钨极）导电面积也就是弧根面积很大，弧根面积不仅在钨极端部，而且可以沿着钨极尖端向上爬升几个毫米，这对于钨极的散热是有好处的。
1．各种电流和极性的钨弧特性如下表：
极性
直流正接DCSP，DCEN
直流反接DCRP，DCEP
交流AC
熔深
窄，深
宽，浅
介于两者之间
阴极清理
无
有
介于两者之间
适用金属
碳钢，不锈钢
厚板铝合金
铝合金，镁合金
●直流正接：
钨极作为阴极发射电子，Ar＋向钨极移动，与等离子流力方向相反。
没有显示其效应。
钨是良导体，发射电子能力很强，在发射电子的同时，电子带走大量相当于逸出功的热量，钨极被冷却。
这也是为什么熔点为3550℃的钨在6000℃的电弧中不熔化的原因。
工件熔池作为阳极，接受来自阴极的电子。
熔池表面的FeO，TiO2都是具有一定导电能力的物质，不会被清理。
电弧稳定燃烧。
熔深窄而深（相对于直流反接而言）。
●直流反接：
工件作为阴极发射电子，钨极接受电子，没有了电子的散热效应，钨极尖端始终为圆形。
由于氧化物的逸出功比纯金属要小（不包括铝，Al2O3不导电），因此熔池上氧化物是发射电子的部位。
Ar＋向工件移动，与等离子流力方向相同。
这时Ar＋会获得很大的加速度猛烈撞击工件上的氧化物，将其打碎，而氧化物又会在其他部位产生，Ar＋再将其打碎，等效地相当于氩离子在寻找熔池上的氧化物进行清理。
这就是惰性气体电弧直流反接时的阴极清理作用。
电流越大，阴极清理作用越强。
不仅能清除熔池表面的氧化物，甚至熔池前方和焊道两侧靠近电弧的母材金属表面氧化物都被清理。
通过面罩观察，似乎焊道上有白色的流体向周围流淌。
其实是氧化物从熔池中间到焊道两侧被清理母材露出金属光泽的过程。
正离子撞击后的金属表面还被钝化，十分光亮，可以保持很长一段时间。
由于钨极是不允许被熔化的，因此钨弧电流受到限制，等离子流力有限，氩离子总是在不停的寻找氧化物，于是电弧出现飘荡现象。
熔深变浅，变宽。
●交流钨弧：
电流波形的正半周，钨极作为阴极得到冷却，电流波形的负半周，熔池受到阴极清理，在焊接铝合金时候采用交流钨弧。
交流钨弧的主要问题是直流分量和电弧稳定性问题。
2．引弧及稳弧装置：
a．高频引弧：
利用高频振荡器产生的高频高压（频率为150－260KHz，电压为2000－3000V，功率大约100－200W）击穿钨极和工件之间的氩气气隙，造成气体放电现象引燃电弧。
图示为一种高频放电装置的电路图。
电路设计可以有所不同，但是高频引弧装置都是LC电路充放电升压产生高压，然后放电间隙被高压产生火花放电形成高频高压电流，引燃电弧。
高频放电装置串连在焊接回路中效果更好，附带说明图中的电容器C用于隔断直流分量。
这是钨极氩弧焊引弧的主流方法。
b．高压脉冲引弧：
30年前曾经实行过一阵子，由于成本高，技术复杂，目前只有高档逆变焊机才使用。
3．直流分量的消除：
交流钨弧焊接铝合金的时候，由于铝与钨的热物理性质和几何尺寸相差太大，产生了所谓的整流作用。
●正半周：
钨极为阴极，钨的熔点高，导热性差，钨极端部上的阴极斑点能够加热到很高温度。
热发射电子的能力很强，电弧再引燃电压低，导通时间长；
●负半周：
铝合金为阴极，熔点低，散热快，阴极斑点温度低，熔池作为阴极热电子发射能力差，电弧导电困难，电弧再引燃电压高，导通时间短；
于是，在交流电弧的两个半周中电弧电流不相等，产生了方向指向钨极的直流分量。
●直流分量的危害：
只有当电流指向工件的时候才存在阴极清理作用，直流分量部分抵消了电流，减弱了阴极清理作用。
直流分量在变压器铁芯中形成直流磁通，叠加在交变磁通上，变压器功耗增大发热量增大。
●直流分量的消除：
在焊接回路中串连电池，电阻，电容都可以消除直流分量，但是以串连电容最简单效果最好。
按照每安培焊接电流300微法串接即可。
4．焊枪：
夹持钨极，传导电流，输送保护气和冷却水。
一枝性能良好的焊枪售价在2500元以上。
a．喷嘴的保护效果：
根据流体力学研究证明，当气流流入圆柱型导管中，虽然开始是紊流，但是由于管壁对气流的摩擦作用以及气流本身的粘度，靠近管壁的气流流速减小，形成近壁层流层。
该层厚度随着距离进口处的距离而增加，如果管子够长，最后近壁层流层就会在管子轴线会合，形成近似的层流。
气流喷出管子时，首先靠近边缘的部位变成紊流，随着喷出距离的增加，最后在轴线部位也变成紊流。
我们当然希望层流的距离尽量长。
因为紊流状态产生的漩涡把周围空气卷入，对焊接保护不利。
试验证明这种近似的层流与气流流量大小，喷嘴直径大小以及电流大小都有关系。
一般地，喷嘴直径10毫米时使气体流量不得小于10升每分钟；喷嘴直径增大时要提高气体流量；尽量让焊枪喷嘴靠近工件，因为喷嘴喷出的氩气气流的近似层流是一个倒圆锥形。
如果焊接钛合金，要求高质量的气体保护，那么就必须给喷嘴安装气体透镜才能有效保护焊缝。
b．焊枪的水冷：
电流在100安培左右，必须使用水冷。
75安培左右虽然可以不使用水冷，但是考虑到焊枪寿命仍然推荐使用水冷。
水冷的目的是带走钨极的热量，防止钨极氧化。
5．供气系统和水冷系统：
供气系统有高压气瓶，减压流量计，电磁气阀（安装在焊接电源内部），气管组成。
水冷系统包括水箱，水泵，送水软管组成。
6．焊接程序控制装置：
如图示，这是国产WSE－315交直流脉冲钨极氩弧焊机的面板
需要说明的是，钨极氩弧焊引弧时，往往要把陶瓷喷嘴接触工件，才能顺利引弧。
三．焊接用钨极：
现在用得比较多的是纯钨极和铈钨极，钍钨极是在钨极中掺入少量ThO2，它含有微量的放射性。
因此钍钨极不再使用。
钨极的直径与许用电流教材第一百八十页已经说清楚了。
在此仅仅讲述一下钨极的磨削。
a．用于直流正接或者逆变交流电源的钨极端部磨削成圆锥状。
端部磨成不大的平头；圆锥部分的高度尺寸为2－2.5倍钨极直径。
磨削时，钨极应平放，顺着圆锥母线方向磨削。
不能把钨极横着磨削，亦即钨极的磨痕应当是直线而不是一圈圈的圆环。
b．用于正弦波交流电源或者方波交流电源的钨极端部磨成圆球状，圆球的直径与钨极直径相同。
四．钨极氩弧焊焊接工艺
1．接头及坡口形式：
钨极氩弧焊用于薄板焊接，下图说明了不同接头形式焊枪，填丝的相对位置。
只要位置正确，经过一定时间的练习就能熟练掌握钨极氩弧焊操作技术。
合格的钨极氩弧焊焊缝表面颜色对于铝合金应当是银白色，不锈钢应当是银白色或者金黄色，碳钢应当是银灰色；出现灰黑色，酱紫色都属于焊前清理不足，操作手法不对，氩气保护不良，均为不合格产品。
a．对接接头的焊枪位置和焊接熔透率：
b．T型接头的焊枪位置和焊接熔透率：
c．搭接接头的焊枪位置和焊接熔透率：
d．角接接头的焊枪位置和焊接熔透率：
2．工件和填丝的焊前清理：
钨极氩弧焊电弧温度低，经常用来焊接不锈钢，铝合金，不能像焊接低碳钢那样依靠熔池中的熔炼过程来调整焊缝金属的合金成分，氩气的作用仅仅是机械保护隔绝空气对电弧的侵入，对工件表面的氢离子不能清除。
所以，防止焊缝混入杂质的唯一办法就是焊接之前彻底清理待焊工件表面。
清理分为三个部分进行。
a．有机溶剂清理油污灰尘：
汽油，丙酮擦拭待焊接头的油污并擦拭干净；
b．机械清理氧化皮：
用角磨机，钢丝轮，砂布清理坡口，砂纸磨削焊丝表面，直至露出银白色金属光泽；
c．有机溶剂清理指纹：
绸布蘸汽油，丙酮，酒精，四氯化碳擦拭待焊表面，然后用干净的布盖好；
3．工艺参数的选择：
钨极伸出长度5－10mm，氩气纯度不低于99.95％，重要构件不低于99.99％
材质
板厚
（mm）
电极直径
（mm）
填充焊丝直径
（mm）
电流
（A）
氩气流量
（L/min）
层数
不锈钢
（直流正接）
0.6
1.0
1.6
2.4
3.2
4.0
1.0,1.6
1.0,1.6
1.6,2.4
1.6,2.4
2.4,3.2
2.4,3.2
～1.6
～1.6
～1.6
1.6～2.4
2.4～3.2
2.4～3.2
20～40
30～60
60～90
80～120
110～150
130～180
5－10
1
1
1
1
1
1
脱氧铜
（直流正接）
1.0
1.6
2.4
3.2
4.0
6.4
1.6
2.4
2.4,3.2
3.2,4.0
3.2,4.0,4.8
4.0,4.8,6.4
～1.6
1.6～2.4
2.4～3.2
3.2～4.8
4.0～4.8
4.8～6.4
60～90
80～120
110～150
140～200
180～250
300～400
5－10
1
1
1
1
1
1-2
铝（交流）
1.0
1.6
2.4
3.2
4.0
4.8
1.6
1.6,2.4
1.6,2.4
2.4,3.2
3.2,4.0
3.2,4.0,4.8
～1.6
～1.6
1.6～2.4
2.4～4.0
3.2～4.8
4.0～6.4
50～60
60～90
80～110
100～140
140～180
170～220
5－10
1
1
1
1
1
1
工件和填丝必须展现银白色金属光泽方为合格。
引弧前，陶瓷喷嘴必须接触工件，方能可靠引弧。
五．钨极氩弧焊的安全技术：
1．钨极氩弧焊的有害因素：
a．放射性危害：
钍钨极中的ThO2含有微量放射性，在电弧中蒸发后的放射性微粒如果被操作工吸入体内，将产生严重的内照射损伤。
现在已经不允许使用。
我们生活的环境中是存在天然放射性本底的，天然放射性本底是指自然界本身固有的，未受人类活动影响的电离辐射水平。
它主要来源于宇宙线和环境中的放射性核素。
天然放射性本底不会危害地球生物。
但是，人类的活动会导致放射性剂量超出本底辐射的程度。
比如核爆炸，核废料，核事故，放射性同位素的制造，等等。
人类对于放射性危害的认识也是逐步深化的。
比如起初对于放射性的计量单位是伦琴。
后来发现这仅仅是照射量的单位，表示有这么多的射线照射过来了。
后来的研究发现同样的照射量不同生物个体吸收情况不同，于是又产生了电离辐射吸收剂量单位拉德。
随着研究的深入又发现不同的生物个体吸收了同样剂量的电离辐射，但是产生的生物效应却不同，于是又产生了剂量当量的单位雷姆。
表示被生物体吸收以后产生生物效应的放射性剂量。
三十年前国际辐射单位测量委员会（ICRP）推荐使用国际单位制，上述单位对应地变成了库仑（coulomb）每千克，戈瑞（gray）和希沃特（sievert）。
电离辐射单位
SI单位制
cgs厘米·克·秒单位制
吸收剂量
Gy（gray）
Rad
剂量当量
Sv（sievert）
Rem
放射性活度
Bq（becquerel）
Ci（cueie）
照射量
C/kg（coulomb）
R（reentgen）
电离辐射单位的换算
辐射量
SI单位
SI单位专名
cgs单位专名
照射量
库伦·千克-1（C·kg-1）
未定
伦琴（R）
1伦＝2.58×10-4库伦·千克-1
（1R＝2.58×10-4C·kg-1）
吸收剂量
焦耳·千克-1
（J·kg-1）
戈瑞（Gy）
1戈瑞＝1焦耳·千克-1＝100拉德
（1Gy＝1J·kg-1＝102rad）
拉德（rad）
1拉德＝10-2焦耳·千克-1
（1rad＝10-2J·kg-1）
当量剂量
焦耳·千克-1
（J·kg-1）
希沃特（Sv）
1希沃特＝1焦耳·千克-1＝100雷姆
（1Sv＝1J·kg-1＝102rem）
雷姆（rem）
1雷姆＝0.01希沃特＝10-2焦耳·千克-1
（1rem＝0.01Sv＝10-2J·kg-1）
放射性活度
秒-1
（s-1）
每秒一次衰变
贝可勒尔（Bq）
1贝可＝1秒－1
（1Bq＝1s-1）
居里（Ci）
1居里＝3.7×1011·秒-1
（1Ci＝3.7×1010s-1）
天然本底照射按照内，外辐射源的照射分为内照射和外照射两类。
外照射来自地球外的宇宙射线和地球本身的天然放射性核素，即存在于地壳、建筑物和空气中的天然放射性核素衰变时释放出的α，β，γ射线所致的地球辐射。
而内照射则是由于环境中的放射性核素经食入，吸入进入人体所致。
致内照射的放射性核素包括宇生放射性核素（由宇宙射线与大气中原子核和地球表层原子核作用所致），如3H，7Be，14C和22Na等，和原生放射性核素（地球本身固有的长寿命核素），如40K，87Rb铷，238U和232Th等。
自然界的放射性本底辐射剂量，根据联合国原子辐射效应科学委员会估算，正常本底辐射地区天然辐射源致人体年有效剂量当量约为2.4mSv，其中内照射所致的有效剂量当量约为外照射的一倍，而其中222Rn氡最为重要，约为1.3mSv，40K约为0.2mSv。
而外照射中，宇宙射线约为0.4mSv，地面辐射约为0.5mSv。
我国放射卫生防护基本标准中，采用了国际辐射单位测量委员会ICRP推荐规定的限值，为防止随机效应，公众个人受照射的年剂量当量应低于5mSv（0.5rem）。
当长期持续受放射性照射时，公众个人在一生中每年全身受照射的年剂量当量限值不应高于1mSv（0.1rem），且以上这些限制不包括天然本底照射和医疗照射。
个人剂量限制是强制性的，必须严格遵守。
即使个人所受剂量没有超过规定的相应的剂量当量限值，仍然必须按照最优化原则考虑要进一步降低剂量。
b．高频电磁场：
钨极氩弧焊普遍采用的高频引弧可形成场强为60－110V/m的强电磁场。
超过国家卫生标准20V/m的几倍。
c．有害气体：
高频引弧类似闪电，同样会产生臭氧O3，ON，其中臭氧浓度大大超过国家卫生标准。
d．有害粉尘：
钨极磨削产生的粉尘，如果吸入人体会影响健康。
2．钨极氩弧焊的安全措施：
a．使用纯钨极。
钍与制造原子弹的铀，钚同属锕系元素。
锕系元素都具有很强的放射性，现在常用的铈钨极中所含的铈属于镧系元素，镧系元素中除了钜（Pm）以外都没有放射性。
但是，铈元素本身没有放射性不等于制成铈钨极的工艺过程不会导致放射性，另外也可能在电弧空间被高能粒子激发过后产生放射性。
著名的美国林肯焊机所提供的都是纯钨极。
我们知道，美国人是最怕死的，所以我们最好也用纯钨极。
b．安装通风装置：
钨极氩弧焊的工作台都配有通风装置。
及时抽走臭氧及蒸发的金属粉尘。
c．工作完毕后用肥皂水洗净手脸。
洗手时间不少于30秒钟，这在防化兵的术语叫做“洗消”。
工作服也不要穿回家，以免把放射性物质带到生活区域，特别是妇女在婴儿哺乳期更要注意。
d．光辐射防护：
与焊条电弧焊一样。
不过钨极氩弧焊都是头盔式面罩。
应该专人专用，不得转借。
e．加强体育锻炼，加强营养：
效果非常显著。
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