chapter6 钨极氩弧焊

第六章钨极惰性气体保护焊 定义 使用钨极或者活化钨极作为电极的非熔化极惰性气体保护焊方法 英文简称 TIG 焊 TungstenInertGasWelding 6 1钨极氩弧焊的特点和应用 6 2TIG焊电流种类及极性 6 3TIG焊设备 6 4TIG焊中的电极 6 5TIG焊工艺 6 6活性助焊剂 TIG焊 6 7脉冲TIG焊 6 1钨极氩弧焊的特点和应用 历史提出于1911年问题 惰性气体造价太高 实际应用于1930年用于镁合金的焊接 比强度高镁合金易氧化目前适用于焊接铝合金 镁合金 钨熔点 3380 熔点最高的金属 耐热性好 氩无色无味 比空气重25 有利于保护 空气中含量约1 沸点 186 氧 183 氮 196 焊接要求纯度 99 9 99 999 惰性气体不溶解 不反应 避免焊缝中合金元素的烧损 蒸发除外 无脱氧去氢作用 焊前准备 燃烧稳定性最好 电压可以在8 15V 单原子气体导热系数小 氦惰性气体导热系数大 电弧温度高太轻混合气体He Ar厚板 高热导 高熔点金属焊接 双层保护气体 Ar H2不锈钢 镍基合金 镍铜合金 原理 产热 保护薄件不开坡口不填丝可采用脉冲焊厚件填充焊丝开坡口热丝焊 一 TIG焊的特点 1 采用惰性气体保护 焊接冶金过程简单 易于控制 Ar不溶于金属 也不反应 隔绝空气 可焊金属多 注意 抗锈能力差 工件严格清理 氩弧引弧困难 但一旦引燃后电弧燃烧十分稳定 原因 Ar电离电压高 导热系数小 且为单原子气体 2 采用W或其合金作电极 钨极不熔化 电弧稳定 即使在很小的焊接电流下 小于 A 也能稳定燃烧 不会产生飞溅 成形美观 热源和焊丝可分别控制 因而热输入量容易调节 特别适合于薄板 超薄板的焊接 可进行各种位置的焊接 易于实现机械化和自动化焊接 3 焊接生产率低钨极承载电流能力限制 使用的电流小 焊缝熔深浅 熔敷速度小 生产率低 4 生产成本较高 二 TIG焊的应用TIG焊几乎可用于所有钢材 有色金属及其合金的焊接 常用于不锈钢 高温合金 铝 镁 钛及其合金以及难熔的活泼金属 如锆 钽 钼铌等 和异种金属的焊接 TIG焊容易控制焊缝成形 容易实现单面焊双面成型 主要用于薄件焊接或厚件的打底焊 脉冲TIG焊特别适宜于焊接薄板和全位置管道对接焊 TIG焊一般只用于焊接厚度在6mm以下的工件 可用于自动 手工 6 2TIG焊电流种类及极性 TIG焊时 焊接电弧的正 负极的导电和产热机构与电极材料的热物理性能密切相关 对焊接工艺有显著影响 分类直流正接DCSP Directcurrentstraightpolarity 反接DCRP Directcurrentreversedpolarity 交流 一 直流正极性 钨极作为阴极 熔点高 发射电子能力强 逸出的电子有冷却阴极的作用 焊件为阳极 接受电子动能和逸出功 获得电弧热量的70 特点 熔深深而窄 生产效率高 应力与变形小 钨极许用电流大 寿命长 电弧引燃容易 燃烧稳定 不适合焊接铝 镁及其合金 二 直流反极性 导电产热与正极性相反阴极雾化 阴极清理 阴极破碎 阴极金属熔点低 发射电子困难 氧化物发射电子 形成阴极斑点 正离子撞击 氧化物气化 寻找新的氧化物氧化铝熔点2050 铝 657 缺点钨极过热 烧损 2 3热量 熔深浅而宽 生产效率低 应力与变形大 应用范围窄 阴极清理 三 交流TIG焊 雾化作用钨极冷却问题电弧稳定性直流分量 交流过零电弧复燃困难工件作为阴极的半周问题更加突出措施提高空载电压高频震荡高压脉冲 1 引弧和稳弧 提高空载电压 150 200V 问题 变压器容量大 成本高功率因素低不安全 高频振荡 过零时在65V空载电压的基础上加一个3000V的高频电压 T1 升压变压器P 火花隙放电器Ck 振荡电容0 0025 0 005uF 耐压值高于4KVLk 振荡电感0 16uHT2 高频耦合变压器 T1 T2 T1 T2两级升压 高频 150 260KHz 高压 2500 3000V 振荡频率 问题相位问题 高频用于稳弧要保持一定的相位关系比较困难 b 电磁辐射高频振荡会产生电磁波 干扰无线电信号 数字集成电路以及微机控制系统 且有害于人身健康 应采取屏蔽高频 降低振荡频率或限制高频振荡强度等方法加以克服 脉冲电压 负半周施加1500V的高压脉冲 效果良好 产生原因电极 工件的电 热物理性能及尺寸的差异结果正负半周电压 电流不对称正负半周导电时间不相等 2直流分量及消除 电流分量交流电流直流分量 方向 工件流向钨极危害消弱了阴极雾化作用变压器变热在焊接变压器铁芯中叠加直流磁通 使其单向磁饱和 励磁电流增大 铁损和铜损增加 效率降低 使焊接电流严重畸变 功率因数降低 影响电弧燃烧和焊接过程的稳定性 限制直流分量的方法 1 串接一个直流电源 2 电阻二极管法 3 电容法 1 串接一个直流电源将直流电源的负极接工件 使串接直流电源提供的电流与焊接时的直流分量方向相反 从而抵消直流分量的影响 一般若焊接电流为500A 可选用6V 300 400A h的蓄电池 优点 易实现缺点 电势不能任意调 不能完全消除分量电池体积庞大笨重经常充电现状 淘汰 2 电阻二极管法优点 简单 体积小 元件少 效果好缺点 电阻耗电 二极管受高频影响易烧损R取0 02欧的电阻丝 二极管根据最大电流来选择 现状 很少使用 3 串联电容电容量的大小可按最大焊接电流计算 一般每安培电流约需400 左右的电容量 这种方法能有效的消除直流分量 使用和维护方便 所以得到广泛的应用 但是 如果要通过较大的焊接电流 则需要很大的电容量 加大了设备成本 优点 效果好 不耗能现状 广泛应用 6 3TIG焊设备 分类操作方式分类手工自动焊接电源分类法交流直流矩形波 fdsfh xzy 32 一 焊接电源 外特性要求 陡降或者垂直下降特性 控制面板 NSA 500 1交流TIG焊机 主要技术数据 1 保护特点喷嘴流出的气体分为两层 近壁层流 中心紊流 二 氩气的保护效果及焊枪结构 1 近壁层流 气体质点间不相互干扰 该层起主要的保护作用 越厚则保持稳定气层的长度h越长 保护效果越好 2 中心紊流 气体质点间相互干扰 内部形成许多涡流 气体的流动状态 流速 流体粘滞系数以及喷嘴直径之间的关系可用雷诺公式表示 R 雷诺系数 d 内径 Vp 流体平均速度 r 流体粘滞系数 R表示了气体的流动状态 R 2300 紊流 R 2300 有近壁层流层 实际上 即可获得层流 L 2 焊枪结构 1 作用夹持电极 导电及输送保护气体 2 基本要求能可靠地夹持电极 并具有良好的导电性能 从喷嘴喷出的保护气具有良好的流态 保护效果可靠 具有良好的冷却性能 可达性好 便于操作 结构简单 重量轻 耐用且维修方便 3 分类 目前国内使用的焊枪大体上有两种 一种是气冷式焊枪 用于小电流 最大电流不超过100A 另一种是水冷式焊枪 供焊接电流大于100A时使用 TIG焊焊枪的标志由形式符号及主要参数组成 焊枪的形式符号由两位字母表示 主要表示其冷却方式 QQ 表示气冷 I100A 4 结构 气体镇流室 从进气口至喷嘴入口处部分 其作用是 降低气体流速 使之沿内腔横截面均匀化 常在入口处加设铜丝网或多孔隔板 气筛 限制气体横向运动 有利于形成层流 1 Torchbody2 Tungstenelectrode3 Electrodecollet4 Gaslens5 Ceramicnozzle6 End cap 喷嘴 a b 圆柱形带锥形或球形结尾 保护最好 易于形成层流 c 圆锥形喷嘴 挺度好 可视性好 保护差 3 影响气体保护效果的工艺因素测定方法 在Al板上点焊 测量去除氧化膜区域面积 影响因素如下 气体流量Q喷嘴直径为12mm 20mm时 Q取16 25L min合适 喷嘴到工件的距离原则 尽量短 手工TIGW 小于15mm MIGW 5 15mm 电弧功率 焊速及外层气体注意 气保焊不适合在室外或有穿堂风的环境下焊接 接头形式平对接和内角接保护效果好 而外角接时不好 宜采用挡板改善 注意 对焊接质量要求高的工件 要采用反面保护 6 4TIG焊中的电极一 对电极的基本要求 从焊接电弧的条件分析 1 耐高温 焊接过程中不易损耗 纯钨熔点 3380 3600 沸点 3600 2 电子发射能力强 利于引弧及稳弧 3 有较高的电流容量 当焊接电流超过许用电流时 易使电极端部熔化形成熔珠 熔珠表面上的电弧斑点易受外界因素干扰而游动 使电弧飘荡而不稳定 甚至熔珠落入熔池 影响焊缝质量 因此电极的许用电流要大一些 电极的许用电流与电极材料 电流的种类和极性以及电极伸出长度有关 分类 纯钨钍钨铈钨锆钨 纯钨电子发射能力差 易消耗便宜一般用于交流焊接中 钍钨在钨中加入1 2 的ThO2载流能力强 易引弧 寿命长直流正接直流反接 交流时效果不明显增加直流分量有放射性 铈钨1 2 CeO2微量放射性优点与钍钨相同比钍钨更容易引弧 电弧稳定性好弧柱细 光亮带较窄 温度集中电极的烧损率下降 修磨次数减少 寿命长 锆钨更好 烧损极少 各种钨电极引弧性能比较 测试条件空载电压 22V 24V 36V高频 10秒 各种钨电极抗烧损性能 二 钨极直径和形状 直径与工件厚度 焊接电流及种类 极性等有关 钨极通常外伸长5 10mm 直流正接许用电流大于直流反接许用电流 钨极端部形状 a 交流TIGW b 直流正接TIGW c 小电流TIGW 注意尖锥角对H B的影响 DC TIG小电流 DC TIG大电流 AC TIG 钨电极的许用电流值 一 焊前清理 惰性气体 优缺点 清理方法油污 灰尘 有机溶剂 汽油 丙酮 氧化膜机械法硬材料 抛光 吹砂 砂轮 砂带 软材料 钢丝轮 钢丝刷 刮刀 化学法 对于Al Mg焊丝及要求高的部件 机械 化学 6 5TIG焊工艺 化学清洗方法 二 焊接参数的影响及选择 参数 电流 电压 焊接速度 填丝速度 保护气流量 喷嘴孔径 钨极直径形状 I V v L v I P 可焊板材厚度 I 凹陷 I 熔透深度 I 背面余高 I 焊缝宽度 I 正面余高 I 咬边 焊漏I 未焊透 U 熔宽 U 熔宽 距离选择原则 不短接条件下 越短越好 不填丝 1 3mm 填丝 3 6mm 焊接速度v 热输入 凹陷 熔深 熔宽 v 气孔 未焊透 裂纹 夹渣 保护效果v 焊穿 咬边原则 采用比较低的焊速 填丝速度与直径直径 填丝 I 填丝 间隙 填丝 填丝速度不当未焊透 焊缝余高过大 表面成型不好焊穿 凹陷板厚 直径 间隙 直径 电极直径选择原则 尽可能选用小的电极直径 承载所需要的电流 三 操作技术 引弧直接间接 高频 脉冲 引弧板 提前送气 短弧焊 左焊法 收弧 延时停气 多加焊丝 填满弧坑 电流衰减提高焊枪引出板 夹具成形防止变形 一 概述Activeflux TIGwelding 简称A TIG焊乌克兰巴顿研究所提出20世纪60年代A TIG焊大幅度地增加熔深 一次焊透6mm不锈钢板 焊缝呈花生壳状 6 6活性助焊剂 TIG焊 A TIGW 1 巴顿焊接研究所 PWI 1965古列维奇等人发明 AH T9A 碱金属 碱土金属为主要成分的熔剂 焊接7mm厚钛合金 1970 氧化物和氟化物型焊剂 8 10mm厚不锈钢 1993尤申科等人用A TIG焊 成功焊碳锰钢 低合金钢 12mm厚对接全位置一道焊成25mm厚对接双面焊两道焊成 2 美国爱迪生焊接研究所 EWI 1993年开始 与海军连接中心联合开发不锈钢 碳钢 镍基合金及钛合金的A TIG焊剂 总投资80万美元 1998年不锈钢用焊剂SS系列已商品化 碳钢用焊剂已投入工业应用 基合金用焊剂已开发出来 铝 钛用焊剂正在开发 美国开发的不锈钢 碳钢用焊剂已用于一双体船壳体及两艘油轮的建造 海军方面用于舰船及潜艇的管道系统等 日本大阪大学 OsakaUniversity 正在研究开发 不同气体TIG焊 a Arb Ar Hec Ar H2 A TIG焊 85 普通TIG焊A TIG焊 英国TWI焊6mm厚不锈钢 规范参数相同 177A 26 5V 210mm min 1 34kJ mm 6mm厚不锈钢 等离子弧焊A TIG焊 直径70mm 厚5mm不锈钢 5G焊接位置 二 A TIG焊熔深增加的机理 目前国际上对表面活性剂使熔深增加的机理还没有统一的观点 一般认为表面活性剂使焊接熔深增加的主要原因可以用电弧收缩理论和表面张力理论解释 1 电弧收缩 许多学者在试验中观察到电弧收缩的现象 A TIG焊时电弧会有明显收缩 致使电流密度集中 导电面积缩小 同时电弧热输入密度及电弧力也增加 最终使熔深增 下图为氦气保护下的电弧照片 由图可见有活性剂时电弧明显收缩现象 电弧收缩的原因有3种可能 1 在电弧的中心区域电弧的温度高于活性剂分子的分解温度 气体和活性剂原子被电离成电子和正离子 在弧柱较冷的外围区域被蒸发的物质仍然以分子和被分解的原子的形式存在 被分解的原子大量地吸附电子 形成负离子 使外围区域作为主要导电物质的电子减少 导电能力下降使电弧收缩 2 活性剂由多原子分子组成 在电弧气氛下发生热解离 热解离是吸热反应 根据最小电压原理电弧收缩 3 因为涂层物质本身不导电 涂层物质的熔沸点都比金属的高 只有在电弧中心温度较高的区域有金属的蒸发 形成阳极斑点 即涂层的存在减小了阳极斑点区从而使电弧收缩 2 表面张力梯度的影响 a 表面张力随温度的升高而减小 在纯金属和许多合金中表面张力随温度的增加而减小 即d dT 0 所以都是表面张力小的液体向表面张力大的地方流动 在熔池中 中心区域温度高 中心区域表面张力比外围区的低 故熔池金属从中心向外围流动 这样形成宽而浅的熔深 b 表面张力随温度的升高而增大 当熔池中添加有活性元素 如S O时 可以改变熔池中金属的流动方向 既d dT 0 熔池金属从外围向中心流动 这样形成深而窄的熔深 电弧收缩和熔池表面张力梯度哪一方面的影响更大呢 用涂有活性剂的试板进行散焦电子束焊接试验 因为电子束焊没有电弧 不用考虑电弧收缩 因此对电子束来说只有表面张力的作用 实验结果表明电子束焊时 活性剂对熔深的影响与TIG焊相同 初步说明活性剂能使焊缝的熔深增加2倍多 表面张力梯度的变化是主要作用 3 进一步讨论 电子束熔池形状 实例1 不锈钢A TIG焊接 试件 304不锈钢 200mm 40mm 12mm I型坡口 无间隙 活性剂 由SiO2TiO2Cr2O3卤化物等组成成份范围为 SiO2 Cr2O3 B2O3 Fe2O3 Al2O3 70 NaF TiO2 MnO 30 做法 用电子天平按质量百分比称取各组元 将称得的各组元置于研钵中经充分研磨均匀后 放在密封的玻璃瓶中与适量的丙酮混合成糊状物备用 刷涂 焊道只刷涂一半 涂层宽度约为20mm 刷涂的厚度以能遮盖工件表面金属光泽为宜 活性剂用量为2 5g m 丙酮挥发后将涂层区和无涂层区一次焊接完成 图1a所示为焊后焊缝正面的宏观形貌 由图可见焊道在涂层区明显变窄 表面成型良好 有少量黑色的点状熔渣 同时正面焊道略有凹陷 图1b为焊后焊缝背面的宏观形貌 背面焊道成型良好 余高小于2mm 焊缝外观形貌 熔深 在相同的焊接规范下 无活性剂的熔深3 4mm 有活性剂的熔深为12mm 有活性剂的熔宽比无活性剂的熔宽减小 焊接接头金相组织 焊缝金相组织为90 左右的奥氏体 10 左右的铁素体 少量 相 与常规的TIG焊组织相同 过热区也未出现异常的晶粒长大现象 焊缝质量分数 母材 常规TIG焊缝及A TIG焊缝的质量分数基本相同 显然使用活性剂后对焊缝的化学成份没有影响 焊接接头的力学性能 使用活性剂后对焊接接头的力学性能也没有影响 实例2