焊接方法與設(shè)備第5章 鎢極氬弧焊.ppt

第五章 鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG焊),1,鎢極惰性氣體保護(hù)焊是使用純鎢或活化鎢(釷鎢、鈰鎢等)作電極的惰性氣體保護(hù)焊，簡稱TIG焊。TIG焊一般采用氬氣作保護(hù)氣體，故稱鎢極氬弧焊。由于鎢極本身不熔化，只起發(fā)射電子產(chǎn)生電弧的作用，故也稱不熔化極氬弧焊。,第一節(jié) TIG焊的原理及特點(diǎn) 一、 TIG焊的原理及分類 1.TIG焊工作原理 TIG焊是利用鎢極與焊件之間產(chǎn)生的電弧熱來熔化附加的填充焊絲或自動(dòng)給送的焊絲(也可不加填充焊絲)及基本金屬，形成熔池而形成焊縫的。焊接時(shí)，氬氣流從焊槍噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧區(qū)形成嚴(yán)密的保護(hù)氣層，將電極和金屬熔池與空氣隔離，以形成優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。,2,圖5-1 TIG焊原理示意圖 1噴嘴 2鎢極夾頭 3保護(hù)氣體 4鎢極 5填充金屬 6焊縫金屬 7電弧,TIG焊工作原理如圖5-1所示。,3,2.TIG焊的分類 TIG焊按采用的電流種類，可分為直流TIG焊、交流TIG焊和脈沖TIG焊等。 TIG焊按其操作方式可分為手工TIG焊和自動(dòng)TIG焊。手工TIG焊時(shí),焊工一手握焊槍,另一手持焊絲，隨焊槍的擺動(dòng)而前進(jìn)，逐漸將焊絲填入熔池之中。有時(shí)也不加填充焊絲，僅將接口邊緣熔化后形成焊縫。自動(dòng)鎢極氬弧焊是以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)焊槍行走，送絲機(jī)構(gòu)尾隨焊槍進(jìn)行連續(xù)送絲的焊接方式。在實(shí)際生產(chǎn)中，手工TIG焊應(yīng)用最廣。,4,二、TIG焊的特點(diǎn)及應(yīng)用 ( 1)焊接質(zhì)量好 氬氣是惰性氣體，不與金屬起化學(xué)反應(yīng)，合金元素不會(huì)氧化燒損，也不溶解于金屬。焊接過程基本上是金屬熔化和結(jié)晶的簡單過程，保護(hù)效果好，能獲得高質(zhì)量的焊縫。 (2)適應(yīng)能力強(qiáng) 采用氬氣保護(hù)無熔渣,填充焊絲不通過電流不產(chǎn)生飛濺,焊縫成形美觀；電弧穩(wěn)定性好，即使在很小的電流(10A)下仍能穩(wěn)定燃燒，且熱源和填充焊絲可分別控制，熱輸入容易調(diào)節(jié)，所以特別適合薄件、超薄件(0.1mm)及全位置焊接(如管道對接)。,5,(3)焊接范圍廣 TIG焊幾乎可焊接除熔點(diǎn)非常低的鉛、錫以外的所有的金屬和合金，特別適宜焊接化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬和合金。由于容易實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，有時(shí)還可用于焊接結(jié)構(gòu)的打底焊。 (4)焊接效率低 電流較小，電弧功率較低，焊縫熔深淺，熔敷速度小，僅適用于焊件厚度小于6mm的焊件焊接，且大多采用手工焊，焊接效率低。 (5)焊接成本較高 使用氬氣等惰性氣體，焊接成本高，常用于質(zhì)量要求較高焊縫及難焊金屬的焊接。,6,第二節(jié) TIG焊的焊接材料 TIG焊的焊接材料主要是鎢極、氬氣和焊絲。 一、TIG焊的鎢極和焊絲 1.鎢極 TIG焊時(shí)，鎢極的作用是傳導(dǎo)電流、引燃電弧和維持電弧正常燃燒，要求鎢極具有較大的許用電流，熔點(diǎn)高、損耗小，引弧和穩(wěn)弧性能好等特性。常用的鎢極有純鎢極、釷鎢極和鈰鎢極三種。,7,注意：為了使用方便，鎢極的一端常涂有顏色，以便識別。釷鎢極涂紅色，鈰鎢極涂灰色，純鎢極涂綠色。常用的鎢極直徑為0.5mm、1.0mm、1.6mm、2.0mm、2.5mm、3.2mm、4.0mm、5.0mm等規(guī)格。鈰鎢極牌號意義如下：,8,2.焊絲 選用原則：熔敷金屬化學(xué)成分或力學(xué)性能與被焊材料相當(dāng)。 氬弧焊用焊絲主要分鋼焊絲和有色金屬焊絲兩大類。氬弧焊用鋼焊絲可按GB/T 81102008氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲選用，不銹鋼焊絲按YB/T 50921996焊接用不銹鋼焊絲選用。 焊接有色金屬一般采用與母材相當(dāng)?shù)暮附z。銅及銅合金焊絲，根據(jù)GB 9460銅及銅合金焊絲規(guī)定選用。 鋁及鋁合金焊絲，根據(jù)GB 10858鋁及鋁合金焊絲規(guī)定選用。,9,二、TIG焊的保護(hù)氣體 TIG焊的保護(hù)氣體大致有氬氣、氦氣及氬氫和氬氦的混合氣體四種，使用最廣的是氬氣。 氦氣比較稀缺，提煉困難，價(jià)格昂貴，國內(nèi)極少使用。氬氫僅限于不銹鋼、鎳及鎳銅合金焊接。 氬的電離能較高，引燃電弧較因難，故需采用高頻引弧及穩(wěn)弧裝置。但氬弧一旦引燃，燃燒就很穩(wěn)定。 焊接用氬氣以瓶裝供應(yīng)，其外表涂成灰色，并且標(biāo)注有綠色“氬氣”字樣。氬氣瓶的容積一般為40L，最高工作壓力為15MPa。使用時(shí)，一般應(yīng)直立放置。,10,表5-2 各種金屬焊接時(shí)對氬氣的純度要求,氬弧焊對氬氣的純度要求很高，如果氬氣中含有一些氧、氮或少量其他氣體，將會(huì)降低氬氣保護(hù)性能，對焊接質(zhì)量造成不良影響。各種金屬焊接時(shí)對氬氣的純度要求見表5-2。,11,第三節(jié) TIG焊設(shè)備 一、TIG焊設(shè)備分類及組成 手工TIG焊設(shè)備包括焊機(jī)、焊槍、供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分，如圖5-2所示。自動(dòng)TIG焊設(shè)備，除上述幾部分外，還有送絲裝置及焊接小車行走機(jī)構(gòu)。,圖5-2手工TIG焊設(shè)備示意圖 1填充金屬 2焊槍 3流量計(jì) 4氬氣瓶 5焊機(jī) 6開關(guān) 7工件,12,1.焊機(jī) 焊機(jī)包括焊接電源及高頻振蕩器、脈沖穩(wěn)弧器、消除直流分量裝置等控制裝置。若采用焊條電弧焊的電源，則應(yīng)配用單獨(dú)的控制箱。直流TIG焊的焊機(jī)較為簡單，直流焊接電源附加高頻振蕩器即可。 (1)焊接電源 TIG焊電弧靜特性曲線工作在水平段，選用具有陡降外特性的電源。一般焊條電弧焊的電源(如弧焊變壓器、弧焊整流器等)都可作手工TIG焊電源。,13,(2)引弧及穩(wěn)弧裝置 TIG焊使用高頻振蕩器引弧。交流電源，還需使用脈沖穩(wěn)弧器，以保證重復(fù)引燃電弧，并穩(wěn)弧。 高頻振蕩器是TIG焊設(shè)備的專用引弧裝置，是在鎢極和工件之間加入約3000V高頻電壓，這種焊接電源空載電壓只要65V左右即可達(dá)到鎢極與焊件非接觸而點(diǎn)燃電弧的目的。 高頻振蕩器供焊接時(shí)初次引弧，不用于穩(wěn)弧，引弧后馬上切斷。 脈沖穩(wěn)弧器是施加一個(gè)高壓脈沖而迅速引弧，并保持電弧連續(xù)燃燒，從而起到穩(wěn)定電弧的作用。,14,(3)直流分量及消除 1)直流分量產(chǎn)生原因： 交流電焊接，正極性時(shí)，鎢極為負(fù)極，焊接電流較大，電弧電壓較低；反極性時(shí)，焊件為負(fù)極，焊接電流較小，電弧電壓較高。 這種正負(fù)半波不對稱的電流，可以看成是有兩部分組成，一部分是真正的交流電，另一部分是疊加在交流部分上的直流電，這部分直流電被稱為直流分量。如圖5-3所示。,15,圖5-3 交流TIG焊的電壓和電流波形圖 a)電壓波形 b)電流波形 u引1正極性的引燃電壓 u弧1正極性的電弧電壓 u引2反極性的引燃電壓 u弧2反極性的電弧電壓 i1正極性的焊接電流 i2反極性的焊接電流 t1正極性時(shí)間 t2反極性時(shí)間 u源焊接電源空載電壓,16,2)直流分量的危害：一是使反極性半周的電流幅值減少，作用時(shí)間縮短，削弱了“陰極破碎”作用，使電弧不穩(wěn)，成形差，易產(chǎn)生氣孔、未焊透等缺陷；二是使焊接變壓器的工作條件惡化，鐵心發(fā)熱，易損壞設(shè)備。因此交流TIG焊時(shí)，必須消除直流分量。,3)消除直流分量裝置： 在焊接回路中串聯(lián)電容，是交流TIG焊消除直流分量的常用方法。如圖5-4所示。,圖5-4 串聯(lián)電容消除 直流分量示意圖,17,2.焊槍 TIG焊焊槍的作用是夾持電極、導(dǎo)電和輸送氬氣流。 TIG焊焊槍分為氣冷式焊槍(QQ系列)和水冷式焊槍(QS系列)。氣冷式焊槍使用方便，但限于小電流(150A)焊接使用；水冷式焊槍適宜大電流和自動(dòng)焊接使用。氣冷式焊槍如圖5-5所示，水冷式焊槍如圖5-6所示。 焊槍一般由槍體、噴嘴、電極夾持機(jī)構(gòu)、電纜、氬氣輸入管、水管和開關(guān)及按鈕組成。,18,圖5-5 QQ85/1501型氣冷式氬弧焊槍 a)外形 b)結(jié)構(gòu) 1鎢極 2陶瓷噴嘴 3槍體 4短帽 5手把 6電纜 7氣體開關(guān)手輪 8通氣接頭 9通電接頭,19,圖5-6 水冷式TIG焊焊槍結(jié)構(gòu) 1鎢電極 2陶瓷噴嘴 3導(dǎo)氣套管 4電極夾頭 5槍體 6電極帽 7進(jìn)氣管 8冷卻水管 9控制開關(guān) 10焊槍手柄,20,噴嘴是決定氬氣保護(hù)性能優(yōu)劣的重要部件，常見的噴嘴形式，如圖5-7所示。圓柱帶錐形和圓柱帶球形的噴嘴，保護(hù)效果最佳，氬氣流速均勻，容易保持層流，是生產(chǎn)中常用的一種形式。圓錐形的噴嘴，因氬氣流速變快，氣體挺度雖好一些，但容易造成紊流，保護(hù)效果較差，但操作方便，便于觀察熔池，也經(jīng)常使用。,圖5-7 常見噴嘴形式示意圖 a)圓柱帶錐形 b)圓柱帶球形 c)圓錐形,21,3.供氣系統(tǒng) TIG焊的供氣系統(tǒng)由氬氣瓶、減壓器、流量計(jì)和電磁閥組成。減壓器用以減壓和調(diào)壓。流量計(jì)用來調(diào)節(jié)和測量氬氣流量的大小，現(xiàn)常將減壓器與流量計(jì)制成一體，稱為氬氣 流量調(diào)節(jié)器，如圖5-8所示。電 磁氣閥是控制氣體通斷裝置。,圖5-8 氬氣流量調(diào)節(jié)器,22,4.冷卻系統(tǒng) 焊接電流在150A以上，必須通水來冷卻焊槍和電極。 5.控制系統(tǒng) TIG焊的控制系統(tǒng)是通過控制線路，對供電、供氣、引弧與穩(wěn)弧等各個(gè)階段的動(dòng)作程序?qū)崿F(xiàn)控制的。圖5-9為交流手工TIG焊的控制程序方框圖。,圖5-9 交流手工TIG焊控制程序,23,表5-3 手工直流TIG焊焊機(jī)型號及技術(shù)數(shù)據(jù),三、常用TIG焊焊機(jī)型號及技術(shù)數(shù)據(jù) TIG焊焊機(jī)按電源性質(zhì)可分為直流TIG焊焊機(jī)、交流TIG焊焊機(jī)和脈沖TIG焊焊機(jī)。直流TIG焊焊機(jī)型號有WS250、WS400等，交流TIG焊焊機(jī)型號有WSJ300、WSJ500等，交直流TIG焊焊機(jī)型號有WSE150、WSE400等，脈沖TIG焊焊機(jī)型號有WSM200、WSM400等。 1.手工直流TIG焊焊機(jī)型號及技術(shù)數(shù)據(jù) 手工直流TIG焊焊機(jī)型號及技術(shù)數(shù)據(jù)見表5-3。,24,表5-4 手工交直流TIG焊焊機(jī)型號及技術(shù)數(shù)據(jù),2.手工交直流TIG焊焊機(jī)型號及技術(shù)數(shù)據(jù) 手工交直流TIG焊焊機(jī)型號及技術(shù)數(shù)據(jù)見表5-4。,25,表5-5 手工交流TIG焊焊機(jī)型號及技術(shù)數(shù)據(jù),3.手工交流TIG焊焊機(jī)型號及技術(shù)數(shù)據(jù) 手工交流TIG焊焊機(jī)型號及技術(shù)數(shù)據(jù)見表5-5。,26,第四節(jié) TIG焊工藝 一、焊前清理與保護(hù) 1.焊前清理 焊前清理的常用方法有：機(jī)械清理、化學(xué)清理和化學(xué)機(jī)械清理方法。 (1)機(jī)械清理法比較簡便，而且效果較好，適用于大尺寸、焊接周期長的焊件。通常使用直徑細(xì)小的不銹鋼絲刷等工具進(jìn)行打磨，也可用刮刀鏟去表面氧化膜，直至露出金屬光澤。,27,(2)化學(xué)清理法是依靠化學(xué)反應(yīng)的方法去除焊絲或工件表面的氧化膜的方法。對于填充焊絲及小尺寸焊件，多采用化學(xué)清理法。這種方法與機(jī)械清理法相比，具有清理效率高、質(zhì)量穩(wěn)定均勻、保持時(shí)間長等特點(diǎn)。 (3)化學(xué)機(jī)械清理法，先用化學(xué)清理法，焊前再對焊接部位進(jìn)行機(jī)械清理。這種聯(lián)合清理的方法，適用于質(zhì)量要求更高的焊件。,28,圖5-10 加臨時(shí)擋板加強(qiáng)保護(hù) a)外角接 b)端接,2.保護(hù)措施 TIG焊的對象主要是化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬和合金，因此在一些情況下，有必要采取一些加強(qiáng)保護(hù)效果的措施。 (1)加擋板 對接接頭和角接接頭，采用加臨時(shí)擋板的方法加強(qiáng)保護(hù)效果，如圖5-10所示。,29,(2)擴(kuò)大正面保護(hù)區(qū) 該方法是在焊槍噴嘴后面安裝附加噴嘴，又稱拖斗。附加噴嘴可另外供氣，也可不另外供氣，如圖5-11所示。附加噴嘴可延長對高溫金屬的保護(hù)時(shí)間，適合散熱慢、高溫停留時(shí)間長的高合金材料的焊接。,圖5-11安裝附加噴嘴保護(hù) a)不通保護(hù)氣 b)通保護(hù)氣,30,圖5-12 通保護(hù)氣的墊板,圖5-13 反面充氣罩保護(hù),(3)反面保護(hù) 該方法是在焊縫背面采用可通保護(hù)氣的墊板，如圖5-12所示；反面充氣罩，如圖5-13所示等，這樣同時(shí)對正面和反面進(jìn)行保護(hù)。,31,二、TIG焊的焊接參數(shù) TIG焊的焊接工藝參數(shù)主要有：電源種類和極性、鎢極直徑、焊接電流、電弧電壓、氬氣流量、焊接速度和噴嘴直徑等。 1.電源種類和極性 TIG焊可以使用直流電，也可以使用交流電。電流種類和極性可根據(jù)焊件材質(zhì)進(jìn)行選擇。 (1)直流反接 TIG焊采用直流反接時(shí)(即鎢極為正極、焊件為負(fù)極)，鎢極容易過熱而燒損，許用電流小，同時(shí)焊縫厚度較淺，焊接生產(chǎn)率低，所以很少采用。,32,直流反接有一種去除氧化膜的作用，對焊接鋁、鎂及其合金有利。因?yàn)殇X、鎂及其合金焊接時(shí)，極易氧化，形成熔點(diǎn)很高的氧化膜(如Al2O3的熔點(diǎn)為2050)覆蓋在熔池表面，阻礙基本金屬和填充金屬的熔合，造成未熔合、夾渣、焊縫表面形成皺皮及內(nèi)部氣孔等缺陷。 直流反接時(shí)，電弧空間的正離子，由鎢極的陽極區(qū)飛向焊件的陰極區(qū)，撞擊金屬熔池表面，將致密難熔的氧化膜擊碎，以達(dá)到清理氧化膜的目的，這種作用稱為“陰極破碎”作用，也稱“陰極霧化”，如圖5-14所示。,鋁、鎂及其合金一般不采用此法，而使用交流電來焊接。,33,圖5-14 陰極破碎作用示意圖 a)直流反接 b)直流正接,34,(2)直流正接 TIG焊直流正接(即鎢極為負(fù)極、焊件為正極)，焊件的焊縫厚度增加，焊接生產(chǎn)率高，鎢極不易過熱與燒損，電弧燃燒穩(wěn)定性。但沒有“陰極破碎”作用，故適合于焊接表面無致密氧化膜的金屬材料。 (3)交流TIG焊 在交流正極性的半周波中(鎢極為負(fù)極)，鎢極可以得到冷卻減小燒損。而在交流負(fù)極性的半周波中(焊件為負(fù)極)有“陰極破碎”作用，可以清除熔池表面的氧化膜。 交流TIG焊是焊接鋁、鎂及其合金的最佳方法。,35,表5-8 電源種類和極性的選擇,各種材料的電流種類與極性的選用見表5-8。,36,2.鎢極直徑及端部形狀 鎢極直徑主要按焊件厚度、焊接電流、電源極性來選擇。鎢極端部形狀對電弧穩(wěn)定性有一定影響，交流TIG焊時(shí)，一般將鎢極端部磨成圓珠形；直流小電流施焊時(shí)，鎢極可以磨成尖錐角；直流大電流時(shí)，鎢極宜磨成鈍角，鎢極端部形狀如圖5-15所示,圖5-15 常用的鎢極端部形狀 a)直流小電流 b)直流大電流 c)交流,37,3.焊接電流 焊接電流主要根據(jù)焊件厚度、鎢極直徑和焊縫空間位置來選擇。各種直徑的鎢極許用電流范圍見表5-9。,表5-9 各種直徑的鎢極許用電流范圍,38,4.氬氣流量和噴嘴直徑 流量過大，不僅浪費(fèi)，而且容易形成紊流，對焊接區(qū)的保護(hù)作用不利，同時(shí)帶走電弧區(qū)的熱量多，影響電弧穩(wěn)定燃燒。流量過小，氣流挺度差，容易受到外界氣流的干擾，降低氣體保護(hù)效果。通常氬氣流量在320L/min范圍內(nèi)。一般噴嘴直徑隨著氬氣流量的增加而增加，一般為514mm。 5.焊接速度 在一定的鎢極直徑、焊接電流和氬氣流量條件下，焊速過大，會(huì)使保護(hù)氣流偏離鎢極與熔池，影響氣體保護(hù)效果，易產(chǎn)生未焊透等缺陷;焊速過慢時(shí)，焊縫易咬邊和燒穿。因此TIG焊時(shí)應(yīng)選擇合適的焊接速度。焊接速度對氬氣保護(hù)效果的影響如圖5-16所示。,39,圖5-16 焊接速度對氬氣保護(hù)效果的影響 a)焊槍不動(dòng) b)正常速度 c)速度過大,40,6.電弧電壓 電弧電壓增加，焊縫厚度減小，熔寬顯著增加；電弧電壓的增加，氣體保護(hù)效果隨之變差。盡量采用短弧焊，一般為1024V。 7.噴嘴與焊件間的距離 噴嘴與焊件間的距離以515mm為宜。距離過大，氣體保護(hù)效果差；若距離過小，能觀察的范圍和保護(hù)區(qū)域變小。距離是否合適，可通過測定氬氣有效保護(hù)區(qū)域的直徑來判斷。 測定的方法是采用交流電源在鋁板上引燃電弧后，焊槍固定不動(dòng)，電弧燃燒56s后，切斷電源，這時(shí)鋁板上留下銀白色區(qū)域就是氬氣有效保護(hù)區(qū)域，如圖5-17所示，也稱為去氧化膜區(qū)，其直徑越大，說明保護(hù)效果越好。,41,圖5-17 氬氣有效保護(hù)區(qū)域,42,表5-8 不銹鋼焊縫色澤與保護(hù)效果的評定,表5-9 鋁及鋁合金焊縫色澤與保護(hù)效果的評定,另外，生產(chǎn)實(shí)踐中，可通過直接觀察焊縫表面色澤來判定氬氣保護(hù)效果，見表5-8和表5-9。,43,表5-13 鋁及鋁合金(平對接)的焊接參數(shù),8.鎢極伸出長度 為了防止電弧熱燒壞噴嘴，鎢極端部應(yīng)突出噴嘴以外，其伸出長度對接焊時(shí)一般為36mm，角焊縫時(shí)為78mm。 表5-13為鋁及鋁合金(平對接)手工交流TIG焊的焊接參數(shù)。,44,表5-14 不銹鋼(平對接)的焊接參數(shù),表5-14為不銹鋼(平對接)手工直流TIG焊的焊接參數(shù),45,三、脈沖TIG焊工藝 區(qū)別在于能提供周期性脈沖 式的焊接電流。周期性脈沖式的 焊接電流包括基值電流(維弧電 流)和脈沖電流，基值電流是用 來維持電弧燃燒和預(yù)熱電極與焊件，脈沖電流是用來熔化焊件和 焊絲的。圖5-18為脈沖焊接電流 波形示意圖。,圖5-18脈沖焊接電流波形示意圖 a)矩形波 b)正弦波 c)三角波 T脈沖周期 tp脈沖電流持續(xù)時(shí)間 tb基值電流持續(xù)時(shí)間 Ip脈沖電流 Ib基值電流,46,1.脈沖TIG焊原理 焊接時(shí)，脈沖電流產(chǎn)生的大而明亮的脈沖電弧和基值電流產(chǎn)生的小而暗淡的基值電弧交替作用在焊件上。當(dāng)每一次脈沖電流通過時(shí)，焊件上就形成一個(gè)點(diǎn)狀熔池，待脈沖電流停歇后，由于熱量減少點(diǎn)狀熔池結(jié)晶形成一個(gè)焊點(diǎn)。這時(shí)由基值電流來維持電弧燃燒，以便下一次脈沖電流