焊接讲堂003Ar+He稀有混合气体TIG焊接技术问答.doc

简介： Ar+He混合气体TIG焊可焊哪些金属? Ar+He混合气体的电弧具有氩气和氦气的合成性能，有高稳定电弧与高热功率的配合、净化作用，且有利于减少气孔，具有较高的电弧温度，可使工件获得较多的热量，熔深 .1、Ar+He混合气体TIG焊可焊哪些金属? Ar+He混合气体的电弧具有氩气和氦气的合成性能，有高稳定电弧与高热功率的配合、净化作用，且有利于减少气孔，具有较高的电弧温度，可使工件获得较多的热量，熔深大，焊接速度几乎为氩弧焊的两倍。Ar+He混合气体TIG焊适合焊接铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、钛及钛合金等金属，以及金属基（一般为铝、镁、钛等）复合材料。 2、Ar+He混合气体电弧有哪些特点? 氩气密度比空气大，而比热容和热导率比空气小，这些特性使氩气具有良好的保护作用和稳弧作用。与氩气相比，氦气电离电位高，热导率大，在相同的焊接电流和电弧长度条件下，氦弧的电弧电压比氩弧高（即电弧的电场强度高），使电弧有较大的功率；并且氦气冷却效果好，使得电弧能量密度大，弧柱细而集中，得到的焊缝有较大的熔透率。 3、Ar+He混合气体比例对电弧特性有何影响? 随着气体配比的变化，电弧形状发生变化。氦气的体积分数对电弧形态的影响如图1-1所示。照片是焊接镁合金时，采用数码相机加焊接用滤光镜片所得，相机镜头与电弧的距离不变。由图1-1可以看出，随着氦气在混合气体中比例的增大，电弧逐渐收缩，特别是当为纯氦气时，电弧形态较纯氩气时有明显的改变，电弧收缩严重，弧柱细而集中。电弧颜色由白亮逐渐转变为橙黄，这主要是由于纯氦气的谱线位于橙色波长范围内，随着氦气比例的增大，电弧中氦原子电离、复合的数目逐渐增多，其谱线的相对强度也不断增大，宏观上电弧颜色逐渐由白亮向橙色变化。 图1-1 氦气的体积分数对电弧形态的影响a) 0% b) 10% c) 30% d) 50% e) 70% f) 90% g) 100%电弧稳定性随氦气比例的增大而降低，当氦气体积分数超过70时，引弧困难，电弧不稳定，保护效果差；当氦气体积分数为90时熔池飞溅严重；当氦气体积分数达到90以上时，引弧极其困难，且焊接过程电弧极不稳定。 4、Ar+He混合气体比例对焊缝熔深有何影响? 氦气的体积分数对焊缝熔深的影响如图1-2所示。该图为镁合金焊缝的熔深照片。由图1-2中可以看出，随着氦气在混合气体中比例的增大，熔深逐渐增大，形状由蘑菇状变成扁平状，但在氦气体积分数超过50时，熔深变化较缓慢。这是因为氦弧的功率较氩弧的大，随氦气的增多，电弧能量密度增大，电弧收缩，熔透率增大，导致熔深变大。但由于受到工件厚度和焊接约束的作用，熔深达到6.5mm左右后不再明显变化。图1-2 氦气的体积分数对焊缝熔深的影响a) 0% b) 10% c) 30% d) 50% e) 70% f) 90% g) 100%5、Ar+He混合气体比例对焊接的可操作性有何影响? 随着氦气比例的增加，熔池飞溅逐渐严重，焊接烟气增加。当氦气的体积分数达到90时，镁合金蒸发严重，焊接烟气很大，操作者有头晕、胸闷、恶心症状，基本上无法实现正常焊接。从焊接的实用性、经济性和环保性出发，Ar+He混合保护气中，可采用体积分数为3050的氦气进行镁合金的焊接。 6、Ar+He混合气体TIG焊接镁合金的接头组织形态如何? 当采用体积比为11的Ar+He混合气体对镁合金进行TIG焊时，在焊接过程中电弧稳定，阴极清理作用明显，氧化膜易于破碎，熔池搅拌充分，保护气氛良好。与母材相比，热影响区的晶粒较粗大。焊缝区组织为细小的等轴晶粒，具有明显的快速凝固组织特点，其晶粒明显比母材区和热影响区细小。这主要是与TIG 焊接热循环过程和镁合金的物理特性有关。在焊接过程中，焊缝区的母材吸收大量的热而熔化，凝固时由于镁合金的热导率大，散热快，促进了焊缝区金属的快速凝固结晶，从而导致了焊缝区的晶粒细化。此外，熔池搅拌作用也促进了焊缝区等轴晶的生长。热影响区晶粒粗大，则是由于镁合金的熔点低（一般在 500600范围），导热快，焊接时造成的热影响区宽且易于过热，吸收的热量使热影响区的组织发生晶粒长大，从而导致了热影响区的组织晶粒粗大。 7、Ar+He混合气体TIG焊接镁合金的接头显微硬度如何分布? 焊缝、热影响区、母材区的显微硬度测量结果如图1-3所示。从图中可以看出，焊缝区硬度比母材略低，但差别不大。焊缝与热影晌区交界处硬度有明显上升，热影响区硬度明显低于母材。由于热影响区晶粒较粗大，根据Hall-Petch公式可知，热影响区的显微硬度较低。在焊缝区，一方面组织的显著细化使其显微硬度提高；另一方面和形成的Mg17Al12相比，A1元素主要以固溶态存在时，将使其显微硬度降低。在两种因素的综合作用下，使得焊缝区的显微硬度和母材区接近。1015距焊縫中心距離/mm图1-3 显微硬度测量结果8、Ar+He混合气体TIG焊接镁合金的接头强度如何? 当采用体积比为11的Ar+He混合气体为保护气氛进行TIG焊接时，焊缝的抗拉强度为184MPa，而母材的抗拉强度为268MPa，焊缝的抗拉强度达到母材的68，接头的伸长率为母材的58，明显低于母材。从宏观断面上看，焊接接头拉伸试件的断裂发生在热影响区，断口表面粗糙不平，颜色灰暗，但断裂前无明显的缩颈；母材的断裂发生在标距中部，且断口与母材成 45角。图1-4为母材的拉伸断口扫描图像，图1-4为接头拉伸断口扫描图像。由该图发现母材属于韧性断裂；断口主要由塑坑组成，为延性断裂；而接头的断口是解理和塑坑组成的混合断口，为韧一脆混合断裂。a) 母材拉伸断口 b) 接头拉伸断口图l-4 拉伸断口形貌9、Ar+He混合气体TIG焊接镁、铝合金有何优缺点? 1）充分利用交流氩弧焊设备，扩大其使用范围。 2）操作简单，焊缝成形美观，质量优良，力学性能满足使用要求。 3）焊接热输入量较小，焊缝和热影响区组织细小均匀。 4）对于要求较高的铝合金厚件补焊更为合适，并能减少气孔。 5）成本较高。 10、Ar+He混合气体TIG焊对人体有害吗? Ar和He都是惰性气体，本身无毒，混合后也不发生反应，所以用Ar+He混合气体进行TIG焊不会对人体造成危害。但用Ar+He混合气体TIG焊接镁合金时，开始时操作者会感到不适，尤以胃部反应最为强烈。这并不是Ar+He混合气体的原因，是由于镁蒸气对人体器官的刺激造成的。一般操作1周后会有明显改善，但需采取戴口罩等措施进行防护。 11、Ar+He混合气体TIG焊接镁合金板材的焊接参数如何确定? 由于镁合金具有熔点低、热导率高、线胀系数高、表面张力小等特点，其焊接方法要求严格。钨极混合气体TIG焊能够实现高品质焊接，得到美观、平滑的优质焊缝。 1）在Ar和He为体积比11的保护气氛下进行TIG焊接。 2）焊接电流。在其他焊接参数不变的条件下，对厚度为3mm的镁合金板材选用40100A的焊接电流进行焊接。电流较小（50A）时，易出现未熔合和未焊透、焊缝表面局部塌陷和突起等现象。电流过大（60A）时，母材变形大，易产生烧穿，焊缝出现晶粒过烧、气孔、裂纹等缺陷，焊丝在靠近焊缝前就被熔化，熔滴凝固在焊丝端部，阻碍进一步填丝。当电流适当（5060A）时，形成的焊缝表面光滑，无堆高，外形美观，质量优良。 3）焊接速度。在焊接速度小于10cmmin时，输入给母材的线能量较多，同时因镁合金的蒸气压力大，表面张力小，在焊接时易出现焊漏、咬边和变形等缺陷，焊缝及近焊缝区附近的晶粒明显长大。 当用较大的焊接速度（14cmmin）进行焊接时，可以提高电弧的稳定性，得到良好的焊缝外观。 4）电弧高度。焊接时应尽量压低电弧高度，充分发挥电弧阴极破碎作用，并使熔池充分搅拌，以促使氧化物和氢的逸出。一般情况下，当电弧高度取4mm时，可以达到理想的焊接效果，且填丝方便。 12、Ar+He混合气体焊接铝合金有何特点? 1）焊接厚板铝合金材料时，采用He+Ar混合气体作为保护气体可明显增加对焊缝的热输入，增大焊缝的有效熔深，提高金属熔敷效率。随着He比例的增加，能明显改善焊缝的熔透深度。板的厚度增大时，He的加入量亦应相应增加。 2）大电流MIG焊焊接厚板铝合金材料时，随焊接电流的增大，惰性气体保护失效而使外界空气进