第五章鎢極氬弧焊

1、第五章 鎢極氬弧焊氣體保護(hù)焊是利用外加氣體作為保護(hù)介質(zhì)的一種電弧焊方法，其優(yōu)點(diǎn)是電弧和熔池可見(jiàn)性好，操作方便；沒(méi)有熔渣或很少熔渣，勿需焊后清除，適應(yīng)于各種位置的焊接。但在室外作業(yè)時(shí)需要采取專(zhuān)門(mén)的防風(fēng)措施。根據(jù)保護(hù)氣體的活性程度，氣體保護(hù)焊可以分為惰性氣體保護(hù)焊和活性氣體保護(hù)焊。鎢極氬氣保護(hù)焊(TIG)是典型的惰性氣體保護(hù)焊，它是在氬氣（Ar）的保護(hù)下，利用鎢電極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（如果使用填充焊絲）的一種焊接方法。5.1適用范圍鎢極氬弧焊可進(jìn)行手工操作或機(jī)械自動(dòng)操作，其適用范圍見(jiàn)下表：被焊材質(zhì)碳鋼、合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼、耐熱合金鋼、難熔金屬、鋁合金、銅合金及鈦合金等。被焊

2、板厚適宜于焊接薄板，可以焊接的最小板厚為0.15mm。焊接位置全位置焊件形狀手工焊適宜于焊接形狀復(fù)雜的焊件，難以接近的部位或間斷短焊縫。自動(dòng)焊肆適宜于焊接有規(guī)則的長(zhǎng)焊縫；例如縱縫、環(huán)縫或曲線焊縫。鎢極氬弧焊能夠焊接的最大板厚小于4mm，在要求高質(zhì)量接頭的場(chǎng)合，也采用填充金屬的多層鎢極氬弧焊。這樣，雖然焊接速度慢、生產(chǎn)效率低，但焊縫質(zhì)量高。對(duì)于某些厚壁重要構(gòu)件（如壓力容器及管道），在底層熔透焊道焊接、全位置焊接和窄間隙焊接時(shí)，為了保證底層焊接質(zhì)量，往往采用氬弧焊打底。5.2氬弧焊原理及特點(diǎn)鎢極氬弧焊是用鎢棒作為電極加上氬氣進(jìn)行保護(hù)的焊接方法。焊接時(shí)氬氣從焊槍的噴咀中連續(xù)噴出，在電弧周?chē)纬蓺怏w保

3、護(hù)層隔絕空氣，以防止其對(duì)鎢極、熔池及鄰近熱影響區(qū)的有害影響，從而獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。焊接過(guò)程根據(jù)工件的具體要求可以或者不加填充焊絲。1)氬氣具有極好的保護(hù)作用，能有效地隔絕周?chē)諝猓凰旧砑炔慌c金屬起化學(xué)反應(yīng)，也不溶于金屬，使得焊接過(guò)程中熔池的冶金反應(yīng)簡(jiǎn)單易控制，因此為獲得高質(zhì)量的焊縫提供了良好條件。2)鎢極電弧焊非常穩(wěn)定，即使在很小的電流情況下（<10A）仍可穩(wěn)定燃燒，特別適合于薄板材料焊接。3)熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入容易調(diào)整，所以這種焊接方法可進(jìn)行全位置焊接，也是實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的理想方法。4)由于填充焊絲不通過(guò)電流，故不會(huì)產(chǎn)生飛濺，焊接成形美觀。5)交流氬弧焊在焊接過(guò)程

4、中能夠自動(dòng)清除工件表面的氧化膜作用，因此，可成功地焊接一些化學(xué)活潑性強(qiáng)的有色金屬，如鋁、鎂及其合金。6)鎢極承載電流能力較差，過(guò)大的電流會(huì)引起鎢極的熔化和蒸發(fā)，其微粒有可能進(jìn)入熔池而引起夾鎢。因此，熔敷速度小，熔深淺、生產(chǎn)率低。7)采用的氬氣較貴，熔敷率低，且氬弧焊機(jī)又較復(fù)雜，和其它焊接方法（如焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊）比較，生產(chǎn)成本較高。8)氬弧受周?chē)鷼饬饔绊戄^大，不適宜室外工作。綜上所述，鎢極氬弧焊可用于幾乎所有金屬和合金的焊接，但由于其成本較高，通常多用于焊接鋁、鎂、鈦、銅等有色金屬，以及不銹鋼、耐熱鋼等。對(duì)于低熔點(diǎn)和易蒸發(fā)的金屬（如鉛、錫、鋅），焊接較困難。5.3氬弧焊電流

5、種類(lèi)及極性選擇不同的金屬材料，在進(jìn)行鎢極氬弧焊時(shí)要求不同的電流種類(lèi)及極性。鋁、鎂及其合金一般選用交流，而其它金屬焊接均采用直流正接。直流鎢極氬弧焊時(shí)采用直流電流，沒(méi)有極性變化，因此電弧燃燒非常穩(wěn)定。然而它有正、負(fù)極性之分。工件接電源正極，鎢極接電源負(fù)極稱為正接法，反之，則稱為反接法。1)直流正接：電弧燃燒時(shí)，弧柱中的電子流從鎢極跑向工件，正離子流跑向鎢極。由于此時(shí)鎢極為陰極，具有很強(qiáng)的熱電子發(fā)射能力，大量高能量的電子流從陰極表面發(fā)射出來(lái)，跑向弧柱。在發(fā)射電子流的同時(shí)，這些具有高能的電子要從陰極帶走一部分能量，即陰極以氣化潛熱形成失掉一部分能量，這些能量的損失將造成陰極表面的冷卻，此時(shí)鎢極燒損極

6、少。同時(shí)由于陰極斑點(diǎn)集中，電弧比較穩(wěn)定。工件受到質(zhì)量很小的電子流撞擊，故不能除去金屬表面的氧化膜。除鋁、鎂合金外，其它金屬表面不存在高熔點(diǎn)的氧化膜問(wèn)題，故一般金屬焊接均采用此種連接方法。采用直流正接有如下優(yōu)點(diǎn)：a工件為陽(yáng)極，接受電子轟擊放出的全部動(dòng)能和逸出功，電弧比較集中，陽(yáng)極加熱面積比較小，因此獲得窄而深的焊縫。b鎢極的熱電子發(fā)射能力強(qiáng)，所以正接時(shí)電弧非常穩(wěn)定。c鎢極發(fā)射電子的同時(shí)，具有很強(qiáng)的冷卻作用，所以鎢極不易過(guò)熱，采用正接法鎢極允許通過(guò)的電流要比焊接時(shí)大很多。2)直流反接法：反接時(shí)弧柱內(nèi)的電子流跑向鎢極而離子流跑向工件。當(dāng)離子流撞向工件時(shí)，工件表面的氧化膜會(huì)自動(dòng)地破碎被清除，即出現(xiàn)所謂

7、的陰極清理作用。而鎢極受到電子流的撞擊，把電子流所攜帶的能量以凝固熱形式吸收進(jìn)來(lái)，使得鎢極具有很高的溫度而過(guò)熱，導(dǎo)致熔化，所以反接時(shí)鎢極允許承受的焊接電流很小。焊接的工件材料如鋼、鋁、銅等一般都屬冷陰極材料，其電子發(fā)射主要為場(chǎng)致發(fā)射，場(chǎng)致發(fā)射時(shí)對(duì)陰極材料沒(méi)有冷卻作用，所以工件所處的溫度較高，但由于氧化膜存在，陰極斑點(diǎn)在氧化膜上來(lái)回游動(dòng)，電弧不集中，加熱區(qū)域大，因此電弧不穩(wěn)，且熔深淺而寬，此法生產(chǎn)率低，電弧穩(wěn)定性不好，一般不推薦使用。交流氬弧焊較直流氬弧焊復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1)陰極清理作用當(dāng)工件為負(fù)極時(shí)，表面生成的氧化膜逸出功小，易發(fā)射電子，所以陰極斑點(diǎn)總是優(yōu)先在氧化膜處形成。工件為冷

8、陰極材料時(shí)，陰極區(qū)有很高的電壓降，因此陰極斑點(diǎn)能量密度相當(dāng)高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陽(yáng)極。正離子在陰極電場(chǎng)作用下高速撞擊氧化膜，使得氧化膜破碎，分解而被清理掉，接著陰極斑點(diǎn)又在鄰近氧化膜上發(fā)射電子，繼而又被清理，陰極斑點(diǎn)始終在金屬表面的氧化膜上游動(dòng)，被清理的氧化膜面積也不斷地?cái)U(kuò)大，直到在氬氣所能保護(hù)的范圍內(nèi)。清理作用的強(qiáng)弱與陰極區(qū)的能量密度和正離子質(zhì)量有關(guān)，能量密度越高，離子質(zhì)量越大清理效果越好。正接時(shí)，工件轉(zhuǎn)為陽(yáng)極，不存在清除氧化膜的功能。2)直流分量交流鎢極氬弧焊時(shí)電壓和電流的波形如圖。正半波時(shí)，鎢極為負(fù)極，因具有熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高，且導(dǎo)熱差，直徑小，則鎢極具有很高溫度使得熱電子發(fā)射容易，所以電弧電壓低，焊接

9、電流大，導(dǎo)電時(shí)間長(zhǎng)；負(fù)半波時(shí)，工件為負(fù)極，其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)低，且尺寸大，散熱快，電子發(fā)射困難，所以電弧電壓高，焊接電流小，導(dǎo)電時(shí)間短。由于正負(fù)半波電流不對(duì)稱，在交流焊接回路中存在一個(gè)由工件流向鎢極的直流分量，這種現(xiàn)象稱為電弧的“整流作用”。電極和工件的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、導(dǎo)熱性相差越大（如鎢和鋁、鎂），上述不對(duì)稱情況就越嚴(yán)重，直流分量就越大。直流分量的存在消弱了陰極清理作用，使焊接過(guò)程困難，另外，直流分量磁通將使得焊接變壓器鐵芯飽和而發(fā)熱，降低功率輸出甚至燒毀變壓器。為此要降低或消除直流分量?？稍诤附踊芈分写訜o(wú)極性的電容器組，容量按300400F/A計(jì)量。3)引弧和穩(wěn)弧性能差由于交流氬弧焊的電壓和電流隨

10、著時(shí)間其幅值和極性在不斷地變化，每秒有100次過(guò)零，因此電弧的能量也是不斷地在變化，電弧空間溫度隨之而改變。電流過(guò)零時(shí)，電弧熄滅，下半周必須重新引燃，重新引燃所需的電壓值與電弧空間氣體殘余電離度、電極發(fā)射電子能力及反向電源電壓上升速度有關(guān)，因此焊接參數(shù)、電弧空間氣體介質(zhì)、電極材料、電源的動(dòng)態(tài)特性等對(duì)交流氬弧的引弧和穩(wěn)弧性，必須要采取相應(yīng)的措施。這是一種新型的交流氬弧焊，它能很好地改善交流電弧的穩(wěn)定性，又能合理地分配鎢極和工件之間的熱量，在滿足陰極清理的條件下，最大限度地減少鎢極燒損和大的熔透深度。矩形波交流氬弧焊的優(yōu)點(diǎn)是：1)由于矩形波過(guò)零后電流增長(zhǎng)快，再引燃容易，和一般正弦波相比，大大提高了

11、穩(wěn)定性能。2)可根據(jù)焊接條件選擇最小而必要的占空比，使其既能滿足清理氧化膜的需要，又能獲得最大的熔深和最小的鎢極損耗。脈沖氬弧焊是采用可控的脈沖電流來(lái)加熱工件。當(dāng)每一次脈沖電流通過(guò)時(shí)，工件被加熱熔化形成一個(gè)點(diǎn)狀熔池，基值電流通過(guò)時(shí)使熔池冷凝結(jié)晶，同時(shí)維持電弧燃燒。因此焊接過(guò)程是一個(gè)斷續(xù)的加熱過(guò)程，焊縫是由一個(gè)一個(gè)點(diǎn)狀熔池疊加而成。電弧是脈動(dòng)的，有明亮和暗淡的閃爍現(xiàn)象。由于采用了脈沖電流，故可以減少焊接電流平均值（交流是有效值），降低焊件的熱輸入。通過(guò)脈沖電流、脈沖時(shí)間和基值電流、基值時(shí)間的調(diào)節(jié)能夠方便地調(diào)整熱輸入量大小。實(shí)踐證明，脈沖電流頻率超過(guò)5kHz后，電弧具有強(qiáng)烈的電磁收縮效果，使得高頻

12、電弧的挺度大為增加，即使在小電流情況下，電弧亦有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和指向性，因此 對(duì)薄板焊接非常有效；電弧壓力隨著焊接電流頻率的增高而增大。所以高頻電弧具有很強(qiáng)的穿透力，增加焊縫熔深；高頻電弧的振蕩作用有利于晶粒細(xì)化、消除氣孔，得到優(yōu)良的焊縫接頭。交流脈沖氬弧焊可以得到穩(wěn)定的交流氬弧，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)正負(fù)半波的占空比既滿足去除氧化膜，又能得到大的熔深，鎢棒燒損又最少。脈沖氬弧焊具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1)焊接過(guò)程是脈沖式加熱，熔池金屬高溫停留時(shí)間短，金屬冷凝快，可減少熱敏感材料生產(chǎn)裂紋的傾向性；2)焊件熱輸入少，電弧能量集中且挺度高，有利于薄板、超薄板焊接；接頭熱影響區(qū)和變形小，可以焊接0.1mm厚不銹鋼薄片；3)可以精確地控制熱輸入和熔池尺寸，得到均勻的熔深，適合單面焊雙面成型和全位置管道焊接；4)高頻電弧振蕩作用有利于獲得細(xì)晶粒的金相組織，消除氣孔，提高接頭的力學(xué)性能；5)高頻電弧挺度大、指向性強(qiáng)，適合高速焊，焊接速度最高可達(dá)到3m/min，大大提高生產(chǎn)率。5.4氬弧焊設(shè)備鎢極氬弧焊設(shè)備通常由焊接電源、引弧及穩(wěn)弧裝置、焊槍、供氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和焊接程序控制裝置等部分組成。對(duì)于自動(dòng)氬弧焊還應(yīng)包括焊接小車(chē)行走機(jī)構(gòu)及送絲裝置。5.5氬弧焊的安全防護(hù)措施通風(fēng)措施 氬弧焊工作現(xiàn)場(chǎng)要有良好的通風(fēng)裝置，以排出有害氣體及煙塵。防護(hù)射線措施 盡可能采用放射