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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Tungsten Inert Gas 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(Heli Arc)，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3.1 TIG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)4500105001500适用板厚(mm)0.3以上0.5以上0.1以上焊接姿势全位置全位置全位置特 点有去除表面氧化膜的作用l 适合焊接薄板l 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3.2 TIG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 铁备注:推荐电源能用但不推荐不能用不锈钢铝镁硅铜.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(0.520Hz)2 中频脉冲(10500Hz)3 高频脉冲(120kHz) 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01mm）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(hot wire)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3.14 TIG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0.55秒之间，电弧长调整为23mm，不用附加焊丝，所以要求被焊工件要紧密接触。图3.15 TIG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3.16 TIG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3.17 TIG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8kHz50kHz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50100Hz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3.24 TIG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Z 3233)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电极种类和牌号化 学 成 分 (%)Th02CeOSiO2Fe2O3+Al2O3CaOM0W钨W_钍钨Wth-7Wth-10Wth-15Wth-300.7-0.991.0-1.491.5-2.03.0-3.5-0.060.020.010.01余量铈钨Wce-5Wce-13Wce-20-0.51.32.00.1余量表3.5 日本电极的种类和成分(JIS Z 3233)牌 号种 类化学成分(%)WThO2其 它纯钨电极YWP99.95以上-含钍 1%的钨电极YWTh-198.75以上0.81.2-含钍 2%的钨电极YWTh-297.75以上1.72.2-表3.6 美国电极的种类和成分(AWS AS.12-69)种 类化学成分(%)W(最小)ThOZrO其它(最大)EWPEWTh-1EWTh-2EWTh-3EWZr99.598.1597.598.9500.12-0.81.21.72.20.350.55-0.150.400.50.50.50.50.5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)WTh-WCe-WWTh-WCe-WWThV.CeW0.51.01.62.02.53.24.05.06.38.02-2020-6040-10060-150130-230160-310275-450400-625550-675-2-2015-8070-150100-200170-250225-330350-480500-675650-950-2-2020-8050-160100-200-10-2015-2517-3020-3535-5050-7065-100-10-20-10-2015-2517-3020-3535-5050-70-2-1515-5545-9065-12580-140150-190240-350300-450-2-1515-7060-12585-160120-210150-250240-350330-460430-575650-830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0.22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,电弧稳定,适合焊接薄件因 康 镍氩气电弧稳定且容易控制氦气适合高速自动焊低 碳 钢氩气适合手工焊,焊接质量取决于焊工的操作技巧氦气适合高速自动焊,熔深比氩气保护更大镁 合 金氩气采用交流焊接,具有良好的电弧稳定性和清理作用马氏体时效钢氩气电弧稳定且容易控制钼-0.5钛合金氩气、氦气两种气体同样适用,要得到良好塑性的焊缝,必须把焊接气氛中含氮量保持在0.1%以下,含氧量保持在0.005%以下,因此,必须保护适当。蒙 乃 尔氩气电弧稳定且控制控制镍基合金氩气电弧稳定且容易控制氦气适合高速自动焊硅 青 铜氩气可减少母材和焊缝熔敷金属的热脆性硅 钢氩气电弧稳定且容易控制不 锈 钢氦气电弧稳定并可得到比氩更大熔深铁 合 金氩气电弧稳定且容易控制氦气适用于高速自动焊氩气成分如表3.11、3.12所示。表3.11 国产焊接用氩气的成分Ar纯度(%)N2O2H2CnHmH2O99.990.010.00150.00050.00130mg/m399.9970(ppm)10(ppm)5(ppm)10(ppm)20(ppm) 抚顺氧气厂;北京氧气厂。表3.12 日本焊接用氩气标准(JIS K1105-1978)氩气纯度体积%99.9氧体积%0.002氢体积%0.01水分mg/L0.02氮体积%0.1注:水分为氩气在温度35,压力10Mpa以上时的测定值。3.6.3焊丝根据被焊工件的材质不同，而选择相应的焊丝。由于在焊接过程中会有合金元素的烧损，所以其合金元素的含量不得低于被焊工件的要求，最低是同级。3.7TIG焊接工艺3.7.1接头及坡口形式钨板氩弧焊的接头有对接、搭接、角接、T形接及端接五种基本类型,如图3.30所示,端接接头仅在薄板焊接中采用。图3.30 TIG焊的接头形式3.7.2焊前清理 钨极氩弧焊对焊件和填充金属表面的污染非常敏感,焊前须去除表面的油脂、油漆、涂层、加工用的润滑剂及氧化膜等。否则在焊接过程中将影响电弧稳定性, 恶化焊缝成形,并可能导致气孔、夹杂、未熔合等缺陷。焊前清理有化学清理和机械清理两类。 （1）化学清理 用于脱脂去油及清除氧化膜的化学清理方法随材质不同而异。如铝及其合金的去脂配方见表3.13, 去氧化膜的配方及工艺见表3.14。 钛合金酸洗液配方及规范如表3.15所示, 镁合金酸洗液配方及工艺如表3.16所示。表3.13 去脂溶液配方及规范配 方干 燥清水冲洗清洗时间温 度热 水冷 水Na3PO4 50gNa2CO3 50gNa2SiO3 30gH2O 100g6058min30室温用布擦干表3.14 脱氧处理规范 工序碱 洗光 化材 质氢氧化钠(%)温 度()时 间(min)冲 洗硝 酸(%)温 度()时 间(min)冲 洗干 燥纯铝15室温10-15100-1104-560-701-2冷净水30室温2冷净水烘干,再低铝合金温干燥表3.15 钛合金酸洗溶液配方及规范配方号组 分浸洗时间冲 洗AHCL 350ml/L,HNO360ml/L,NaF50ml/L,H2O余量室温下3min冷净水BHF10%,HNO330%,H2O60%室温下min表3.16 镁及镁合金酸洗溶液配方及规范化学清理配 方浸洗时间冲 洗去除油污20-25%硝酸溶液i-2min70-90热水去除氧化膜150-200g/L铬酸水溶液7-15min50热水 （2）机械清理主要采用打磨、刮削和喷吵等处理清除氧化膜,但机械清理效率低,一般只用于尺寸大,生产周期长或化学清洗后,又局部沾污的工件。3.6.3电源种类及极性不同材料焊接时所用的电源种类和极性是不同的, 如表3.17所示。表3.17 不同材料焊接时所用的电源种类和极性交流交流材 料材 料直 流直 流正极性反极性正极性反极性铝(厚度2.4mm以下)铝(厚度2.4mm以下)铝青铜、铍青铜铸铝黄铜、铜基合金铸铁无氧铜、硅青铜异种金属DDDDDDDD堆焊高碳钢、低碳钢、低合金钢镁(3mm以下)镁(3mm以下)镁铸件高合金、镍与镍基合金、不锈钢钛银DDDDDDDD注:D最佳;良好;最差。3.6.4氩气纯度各种材料对氩气的纯度要求如表3.18所示。表3.18 不同材质所使用的氩气纯度 气体 纯度(%) 被焊材质氩 气氮 气氧 气水 气钛、锆、钼、铌及其合金99.980.010.0050.07铝、镁及它们的合金、铬镍耐热合金99.90.040.050.07铜及铜合金、铬镍不锈钢99.70.080.0150.073.6.5焊接电流焊接电流的大小是决定焊缝熔深的最主要参数, 它主要根据工件材料厚度, 接头形式，焊接位置等来选择。3.6.6电极直径及端部形状 根据电流种类及大小选择钨极直径(见表3.19), 一般情况下, 直流正接采用钍钨极、铈钨极, 交流采用纯钨极。钨极端部形状是一个重要的工艺参数，直流正接采用锥形，交流采用园弧形(如图3.31)。电极的不同端头形状与电弧燃烧稳定性及焊缝成形关系如表3.20所示。图3.31 钨极端部形状表3.19 钨板尖端形状和电流范围(直流正接)钨极直径尖端直径尖端角度电 流 (A)(mm)(mm)()恒定直流脉冲电流1.00.125122-152-251.01.61.62.42.43.23.20.250.50.80.81.11.11.5202530354560905-308-5010-7012-9015-15020-20025-2505-608-10010-14012-18015-25020-30025-350表3.20 电极的不同端头形状与电弧燃烧稳定性及焊缝成形的关系钨极端头形状电弧燃烧稳定性焊缝成形钨极端头形状电弧燃烧稳定性焊缝成形好良好不太好焊缝不易平直好焊道不均匀不好一般 小电流焊接时，选用小直径钨极和小锥角，可使电弧容易引燃和稳定；在大电流焊接时，增大锥角可避免尖端过热熔化，减少损耗，并防止电弧往上扩展，而影响阴极斑点的稳定性。钨极尖端角度对焊缝熔深和熔宽也有一定影响。减少锥角, 焊缝熔深减少熔宽增大, 反之则熔深增大熔宽减少, 如图3.32所示。图3.32 钨极顶角对焊缝成形的影响3. 6.7气体流量和喷嘴直径根据焊接电流大小确定喷嘴直径, 在一定条件下, 气体流量和喷嘴直径有一个最佳范围。此时气体保护效果最佳, 有效保护区最大。焊接电流和喷嘴直径、气体流量的关系见表3.21, 通过观察焊缝表面色泽来判断气体保护效果见表3.22。表3.21 焊接电流和喷嘴直径、气体流量的关系焊接电流直流焊接交流焊接(A)喷嘴直径(mm)气体流量(L/min)喷嘴直径(mm)气体流量(L/min)10-1004-9.54-58-9.56-8101-1504-9.54-79.5-117-10151-2006-136-811-137-10201-3008-138-913-168-15301-50013-169-1216-198-15注:金属喷嘴最大允许焊接电流500A，磁喷嘴最大允许焊接电流300A。表3.22 焊缝表面色泽与气体保护效果焊接材料最 好良好较好不良最坏不锈钢银白、金黄蓝色红灰灰 色黑 色钛合金亮银白色橙黄色蓝紫(带乳白的蓝紫)青灰色有一层白色氧化钛粉铝及铝合金银白、光亮白色无光-灰白灰黑紫 铜金 黄黄-灰黄灰黑低碳钢灰白有光亮灰-灰黑3.6.8焊接速度焊接速度的选择应与焊接电流相配合, 以获得所需的熔深和熔宽, 焊接速度对焊缝成形有较大影响, 如图3.33所示。图3.33 焊接速度对焊缝成形的影响3.6.9喷嘴与工件的距离距离越大,气体保护效率越差,但距离太近容易使钨极与熔池接触，产生夹钨。一般喷嘴端部与工件距离在8-14mm之间。3.6.10TIG焊接规范 表3.23、3.24、3.25、3.26分别给出了铜合金、铝合金、钛合金和不锈钢的TIG焊接规范。表3.23 铜合金TIG自动焊规范焊件材质板厚(mm)电源种类及极性电 流(A)焊 速(cm/min)氩气流量L/min备 注0.3-1.280-14090-1206-17硅青铜1.5-3直流正接90-21070-906-17325027-306-17加填充焊丝镍白铜3310-32022-2712-17加填充焊丝表3.24 铝合金自动钨极氩弧焊规范板 厚(mm)电 流(A)焊 速(m/h)填充焊丝直径(mm)送丝速度(m/h)钨极直径(mm)氩气流量(L/min)2170-18019f3-416-183200-22015f220-244210-23511f4-518-206230-260*820-26* 开60V形坡口,焊两道。表3.25 钛合金自动TIG焊规范电弧电压对接板厚填充焊丝直径焊接电流焊 速氩气流量(L/min)(mm)(mm)(A)(m/h)焊枪后拖背面0.8不用40-8020-406-83.52-312-151.0不用65-10025-406-83-52-312-151.2不用70-12025-406-83-52-312-151.5不用70-14025-406-83-52-314-161.8不用80-14025-406-93-52-314-162.0不用100-15025-406-95-73-414-162.5不用140-20025-307-105-73-414-163.0不用180-20025-307-105-72-314-161.0f1.580-12025-406-83-52-31.2f1.5100-14025-406-83-52-31.5f1.5140-18025-406-83-52-32.0f1.5180-2025-286-85-72-33.2f1.5-2200-26022-257-105-72-3表3.26 不锈钢自动(直流正接)板厚对接不加填充焊丝对接加填充焊丝(mm)焊接电流(A)氩气流量(L/min)焊 速(m/h)焊接电流(A)氩气流量(L/min)电弧电压(V)焊 速(m/h)0.312-203-430-455-60.530-404-50.830-5060-806-835-451.070-904-580-1006-911-151.26-91.580-1105-620-358-1025-402.0120-1307-810-1220-353.0须加填充焊丝125-13514-1620-253.7脉冲TIG工艺参数选择 脉冲钨极氩弧焊的主要参数有Ip、Ib、tp、tb还有脉幅比Ra=Ip/Ib，脉宽比率Rw=(tp/tpftb)100%，脉冲周期T=tp+tb，脉冲频率F=1/T，其中,Ip、Ib对交流脉冲TIG焊来说，分别指脉冲电流和基值电流持续期间电流的有效值。参数选择原则及步骤如下:(1) 首先根据材料种类选择Ip, 然后由板厚决定tp, 不同材料的Ip,、tp值可参考图3.34。 当焊接薄板时, Ip的值稍低于图示数值，同时适当延长tp, 焊接厚板时, Ip稍高于图3.34所示数值, 并适当缩短tp。图3.34 脉冲TIG焊主要参数的选择(2) Ib一般为Ip的10-20%，tb为tp的1-3倍,Ib与tb相互匹配应保证电弧不灭及熔池, tb期间得以凝固。(3) Ra,Rw值较大时，脉冲特点较显著,有利于克服热裂纹，但过大会增大咬边倾向，焊接过程中通过调节Ra,Rw和焊接速度，在一定程度上可控制熔透率，避免产生热裂纹和咬边。图一说明了Ip、tb的组合对焊缝成形的影响。(4) 焊速和脉冲效率要相互匹配,以满足焊点间距的要求,它们之间的关系如下：Lw=Vm/2.16f，L为焊点间距(mm)，Vw为焊速(cm/min)，f脉冲频率，为了获得连续致密的焊缝，要求焊点之间应有一定的重叠量。表3.27给出了几种材料的脉冲TIG焊接参数。表3.27 几种材料的脉冲TIG焊接参数材板厚度根部间隙模脉 冲基 值焊丝直径送丝速度接火料(mm)(mm)式电流(A)时间(sec)电流(A)时间(sec)(mm)(m/min)类型碳钢1.03.23.201.00111801501800.25-0.60.50.54040400.25-0.60.50.51.21.21.2351.095I-对接I-对接横角焊缝不锈钢1.520011701600.250.530500.50.51.21.22580I-对接横角焊铝合金1.01.53.26.03.26.000000011113370901701801502200.50.50.50.5-40404040-0.50.50.50.5-1.61.61.61.61.61.67575170260110170I-对接I-对接I-对接V坡口,1,2层横角焊横角焊3.8TIG点焊规范参数选择TIG点焊工艺参数主要有点焊电流, 电流持续时间及电弧长度。为了防止焊点产生弧抗裂纹, 在点焊结束前使电流自动衷减, 或进行二次电流加热。图3.25为TIG点焊程序, 通过调节电流值和电流持续时间控制焊点尺寸。增大电流和电流持续时间都会增加熔深和焊点直径, 如图3.35和图3.36所示。电弧长度也是一个重要参数，电弧过长, 熔池过热并可能产生咬边，电弧太短，母材膨胀后会接触钨极，造成污染。图3.35 TIG点焊程序图3.36 TIG电弧点焊时间对焊核直径和强度的影响图3.33 焊接电流对焊核直径和强度的影响表3.28列出了不锈钢钨极氩弧点焊的焊接条件表3.28 1Cr18Ni9Ti钢TIG点焊的焊接工艺被焊材料厚度(mm)焊接电流(A)焊接时间(S)二次脉冲电流(A)二次脉冲时间(S)保护气体流量(L/m