材料成形装备及自动化 第3版 课件 第四章 4 钨极氩弧焊设备

华中科技大学材料学院材料成形及控制工程专业核心课程华中科技大学精品课及责任教授课程材料成形装备及自动化

EquipmentandAutomationofMaterialsProcess2024-2025学年第二学期EAMP

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2目录第一章

绪

论（2学时）

第二章金属液态成形装备及自动化（10学时）

第三章

金属塑性成形装备及自动化（10学时）第四章

金属连接成形装备及自动化（10学时）第五章

高分子材料成形设备及自动化（2学时）

第六章

快速成形装备及控制（6学时）第七章

其它材料成形装备（4学时）第八章热处理工业炉及其控制（2学时）第九章材料加工中的环境保护装备（2学时）4.1概述4.2电弧焊设备及自动化4.2.5钨极氩弧焊设备4.2.6等离子弧焊设备4.3电阻焊装备及自动化4.4激光焊接设备（自学、不考试）4.5焊接机器人（自学、不考试）第四章

金属连接成形装备及自动化EAMP

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34.2.5钨极氩弧焊设备钨极氩弧焊（tungsteninertgasarewelding）简称TIG焊，以惰性气体（氩气、氦气）作为保护气体，使用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨等）作为不熔化电极引燃电弧进行焊接的一种方法。图4-26钨极氩弧焊示意图1-喷嘴2-钨极3-电弧4-焊缝5-工件6-熔池7-填充焊丝8-氩气EAMP

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4应用：飞机、原子能、化工、纺织等工业产品的制造可以焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢等金属构件特别是具有“阴极雾化”作用，可以轻松地焊接铝及其合金分类：按操作方式：手工焊和自动焊按电弧电流形式：交流（含正弦波和方波）、脉冲（含低频、中频、高频）和直流钨极氩弧焊按填丝是否预热：冷丝和热丝钨极氩弧焊EAMP

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54.2.5钨极氩弧焊设备图4-27钨极氩弧焊机结构图钨极氩弧焊的设备组成：焊接电源、焊枪、焊丝送给装置、小车行走机构（自动焊）、供气系统、供水系统、控制系统。EAMP

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64.2.5钨极氩弧焊设备1.焊接电源交流电源、脉冲电源、直流电源交流电源：普通弧焊变压器式、晶闸管－电抗器式、逆变式，后两种电源的电流为方波交流脉冲和直流电源：硅整流式、晶闸管整流式、晶体管整流式、逆变式采用陡降特性，以保证在弧长波动时引起焊接电流的变化最小EAMP

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74.2.5钨极氩弧焊设备（1）引弧、稳弧、交流电源整流现象为了保持钨极端部的形状和防止钨极熔化造成焊缝夹钨，钨极氩弧焊不能短路引弧，而是采用非接触式引弧，所以不论哪种形式的电源都设置有引弧器，交流电源中还设置有稳弧器。1）引弧器主要有高频高压引弧器和高压脉冲引弧器。a.高频高压引弧器高频振荡器（L-C振荡），引弧十分可靠。

图4-28高频振荡器电路原理图

T1-升压变压器P-火花放电器C1-振荡电容器T2-高频耦合变压器C2-旁路电容器150~260kHz衰减振荡，作用时间约2～5ms高漏抗升压变压器（3000V）缺点：产生高频电磁波，对电器设备和人体产生影响。EAMP

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84.2.5钨极氩弧焊设备新型高频振荡器由整流桥VD1～4、限流电阻R、中频振荡电容C、稳压管VS、晶闸管VT、二极管VD5、中频升压变压器T1、火花气体放电器P、高频振荡电容Ck、高频耦合输出变压器T2等组成。T1二次侧以后的电路与图4-28相同，T1一次侧增加了以晶闸管VT为核心的中频振荡器（6kHz），优点是体积减小，引弧可靠性更高。图4-29新型高频振荡器电路原理图缺点：产生高频电磁波，对电器设备和人体产生影响。EAMP

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94.2.5钨极氩弧焊设备b.高压脉冲引弧图4-30晶闸管高压脉冲引弧和稳弧电路原理图由引弧脉冲控制电路产生的触发脉冲高压引弧脉冲2～3kV，在工件接负的90˚相位加入，以提高引弧可靠性优点：不产生高频电磁波缺点：可靠性不如高频高压脉冲引弧EAMP

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104.2.5钨极氩弧焊设备2）稳弧器直流钨极氩弧焊，由于电流不过零，电弧一旦引燃后便能保证稳定燃烧，所以不需稳弧器。交流钨极氩弧焊，特别是工频正弦交流钨极氩弧焊，电流每次由正半波向负半波过零时会出现断弧现象，因这时工件（如铝及其合金）接负极，其发射电子能力弱，使电弧的再引燃电压增高。为防止断弧，必须在这一相位点及时加入一个稳弧高压脉冲。为简便起见，稳弧脉冲可以共用引弧高频高压脉冲或高压脉冲在共用高频高压引弧器时，只是在稳弧时将高频振荡器的输入电源电压降低（由焊接电源控制电路完成），以减弱高频强度。在共用高压脉冲引弧器时，控制触发稳弧器的信号则取自电弧电压。EAMP

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114.2.5钨极氩弧焊设备3）交流整流现象和隔直方式在焊接铝、镁及其合金的正弦交流钨极氩弧焊电源的输出回路中，串联隔除直流分量的元件──大容量无极性电容。图4-31串联电容消除直流分量EAMP

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124.2.5钨极氩弧焊设备正弦交流钨极氩弧焊时，两电极的热物理性质及几何尺寸相差较大，正半波（工件为正的半波），钨极为阴极，其发射电子能力强，阴极压降小，电弧电压低，电流大。在负半波（工件为负的半波），工件为阴极，其发射电子的能力差，阴极压降大，电弧电压高，电流小。形成了正、负半波电流波形的不对称，相当于在交流电流上叠加了一个由工件指向钨极的直流分量。图4-32交流钨极氩弧焊时电流电压波形及直流分量的形成示意图

a）电压波形b）电流波形

u0-电源空载电压U-电弧电压I-电弧电流I直-直流分量EAMP

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134.2.5钨极氩弧焊设备直流分量的危害：一是负半波电流减小，削弱了阴极雾化清除氧化铝薄膜的作用。二是使弧焊变压器的铁心中产生一部分直流磁化，使变压器的励磁电流增加，造成变压器发热。消除直流分量的方法是在焊接电源输出回路中串联电容。隔直电容的容量可按每安培500~1100μf计算。EAMP

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144.2.5钨极氩弧焊设备（2）交流方波电源改善正弦交流电弧的引弧和稳弧性能的要求可采用交流方波电源。通过控制电源主回路的晶闸管，可使正弦交流变为方波交流，而且正、负半波宽度可调。图4-33交流方波电源主回路及电源的原理框图

T1-弧焊变压器L-直流电抗器VT1~4-晶闸管整流桥VT1、VT3和VT2、VT4轮流导通大电感量的直流电抗器L中只能流过单方向的脉动电流（先储后放）使得电流在换向时的上升沿变得非常陡，波形近似于方波a)电源主回路b)电源的原理框图EAMP

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154.2.5钨极氩弧焊设备通过电流负反馈获得陡降外特性。通过控制两组晶闸管的导通时间来调节正、负半波的宽度。通过转换开关改变主电路的接法，在交流和直流之间切换，成为交、直流两用电源。采用逆变式，由于逆变开关的快速响应特性，更容易实现方波交流频率、正负半波宽度和交/直流变化等特性的调节。优点：由于交流方波电源过零换向变化极快，有利于电弧的稳定。应用在焊接铝及其合金时，通过调整正、负半波的宽度，在满足去除氧化膜作用的前提下，尽可能减小负半波的宽度，增加正半波的宽度，以此来减少钨极的烧损，提高载流能力，增加熔深。EAMP

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164.2.5钨极氩弧焊设备（3）脉冲电源为了适应于一些对热敏感的金属材料、薄板、超薄板构件以及薄壁管子的全位置焊接的需要，控制焊接过程的热输入，可采用脉冲钨极氩弧焊。电流幅值按一定的规律周期性地变化，可分为0.1~10Hz低频，10~1KHz中频和1~30KHz高频。图4-34钨极脉冲氩弧焊脉冲电流波形示意图

a）交流脉冲b）直流脉冲c）调制脉冲电流EAMP

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174.2.5钨极氩弧焊设备作用：夹持钨极、传导焊接电流、输送保护气、冷却水。图4-35钨极氩弧焊焊枪结构图1-钨极2-喷嘴3-铜丝网4-钨极夹头5-冷却水套6-焊枪体7-帽罩2.焊枪EAMP

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184.2.5钨极氩弧焊设备3.供气和供水系统与熔化极氩弧焊供气、供水系统相同。4.控制系统主要包括焊接电源的控制电路和焊接程序控制电路。钨极氩弧焊为非熔化极电弧焊，根据非接触引弧和氩弧焊工艺的需要，其程序有提前送气和滞后断气，高频引弧和切断高频、焊接电流开始缓升和焊接结束时电流缓降、填弧坑等过程。在自动加填丝焊中，还有行走机构和送丝机构的起、停控制。EAMP

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194.2.5钨极氩弧焊设备图4-36钨极氩弧焊程序控制顺序示意图

Uh-高频或高压引弧电压Q-保护气流V-焊接速度

U-电弧电压Vf-送丝速度t1-提前送气时间t2-电流上升时间

t3-正常焊接时间t4-电流衰减时间t5-延迟断气时间根据非接触引弧和氩弧焊工艺的需要，钨极氩弧焊程序：提前送气和滞后断气，高频引弧和切断高频、焊接电流开始缓升和焊接结束时电流缓降、填弧坑。EAMP

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204.2.5钨极氩弧焊设备4.2.6等离子弧焊接设备等离子弧焊（PlasmaArcWelding）是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法，也属于非熔化极电弧焊。等离子弧是将自由钨极氩弧经压缩强化后而获得电离度更高的电弧等离子体。与钨极氩弧在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同，其能量密度可达105～106W/cm2，温度可达24000～50000k，焰流速度可达300m/s以上，是一种高能密度束流。应用：等离子弧可用于焊接，又可用于切割；在工业生产中得到了广泛应用；能量更集中，温度高，一次可焊厚度大，速度快；电弧挺直度好，小电流时电弧稳定，特别适合于焊接薄板，微型零件，而变形小。EAMP

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21PAW等离子弧焊(PlasmaArcWelding)EAMP

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224.2.6等离子弧焊接设备PAW等离子弧焊EAMP

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234.2.6等离子弧焊接设备等离子弧产生的机理将钨极氩弧压缩成等离子弧，是依靠等离子枪水冷喷嘴的拘束作用实现的。由于喷嘴的拘束，使氩弧受到机械压缩、热压缩和电磁压缩三种压缩作用，弧柱量密度及温度越来越高，形成电离程度很高的等离子体电弧

。

工件ArH2O钨极喷嘴等离子弧原理图+-1.等离子弧的类型等离子弧保护气/离子气EAMP

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244.2.6等离子弧焊接设备机械压缩效应喷嘴孔径限制了弧柱截面积，使其不能自由扩大，电弧受到压缩。这种拘束作用称为机械压缩效应。热压缩效应气体介质不断地以一定的速度和流量流过水冷喷嘴，使靠近喷嘴内壁的气体受到强烈的冷却作用，弧柱周围的温度和电离度迅速下降，在弧柱周围靠近喷嘴孔内冷壁产生一层电离度趋近于零的冷气膜，迫使电流集中到弧柱中心的高温、高电离度区域，从而使弧柱导电横截面进一步减小，电流密度进一步提高。对电弧的这种压缩作用，称为电弧的热压缩效应。电磁压缩效应电弧导电可看作是一束平行而同方向的电流线，产生相互间的电磁吸引力，使电弧受到压缩，称为电磁压缩效应。电流或电流密度越大，电磁压缩效应也越强。等离子弧弧柱在受到机械压缩和热压缩作用下，电流密度已明显增大，而电磁压缩效应又使弧柱的电流密度和收缩效应进一步提高。EAMP

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254.2.6等离子弧焊接设备图4-37等离子弧的类型

1-钨极2-喷嘴3-转移弧4-非转移弧

5-工件6-冷却水7-弧焰8-离子气根据电源的连接方式，等离子弧分为非转移型电弧、转移型电弧及联合型电弧三种类型三种类型等离子弧的枪体结构一样，钨极接电源负极，电源正极接法不同EAMP

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264.2.6等离子弧焊接设备正极接在焊枪喷嘴上，电弧在钨极与喷嘴之间燃烧。依靠高速喷出的离子气将弧焰带出，喷烧在被焊工件上。非转移型电弧适用于焊接或切割较薄的金属及非金属。（1）非转移型电弧EAMP

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274.2.6等离子弧焊接设备正极接在工件上，电弧直接在钨极与工件之间燃烧。焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧，电弧焰流从喷嘴喷出并接触工件。然后进行电路转换，将电源的正极从喷嘴转移到工件，转移弧便瞬间产生，同时非转移弧熄灭。转移型电弧适用于焊接较厚的金属工件。（2）转移型电弧EAMP

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284.2.6等离子弧焊接设备转移弧和非转移弧同时并存的电弧称为联合型电弧。非转移弧称为维持电弧，转移弧称为工作电弧。工作时，喷嘴和工件同时接电源正极，在电弧转移后喷嘴的正极电路不切断。联合型电弧在很小的电流下能保持稳定燃烧，故特别适合薄板及超薄板的焊接，这种焊接方法称为微束等离子弧焊。（3）联合型电弧EAMP

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294.2.6等离子弧焊接设备根据所适用的焊接工艺可分为穿孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊，微束等离弧焊、熔化极等离子弧焊、热丝等离子弧焊及脉冲等离子弧焊。（1）穿孔型等离子弧焊小孔型、锁孔型、穿透型等离子弧焊。焊接时利用离子流冲力大的特点，将工件完全熔透穿出一小孔，熔化金属在电弧吹力、液体金属重力、表面张力互相作用下保持平衡。小孔随焊接枪体向前移动而移动，随后在电弧后方锁闭，形成完全焊透的焊缝。2.等离子弧焊的分类EAMP

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304.2.6等离子弧焊接设备（2）熔透型等离子弧焊熔入型、熔融型等离子弧焊。焊接时，只熔化工件不产生穿孔。焊缝成形过程与钨极氩弧焊相类似。（3）微束等离子弧焊30安培以下的熔透型等离子弧焊称为微束等离子弧焊。为了提高等离子弧的稳定性，采用小孔径压缩喷嘴（直径为0.6~1.2mm）及联合型等离子弧。由于加强了电弧的压缩作用和非转移弧的维持作用，使转移弧在电流小至0.5A时仍非常稳定。等离子弧类似针状，因此称为微束或针状等离子弧，可用来焊接金属薄箔。EAMP

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314.2.6等离子弧焊接设备（4）熔化极等离子弧焊是等离子弧与熔化极电弧相组合的一种焊接方法。优点：焊丝受等离子弧预热，熔化功率大，焊接速度高。熔化极若采用直流反接时有去除氧化膜的阴极清理作用，适于焊接铝、镁及其合金。水冷喷嘴式熔化极等离子弧焊。钨极式熔化极等离子弧焊。EAMP

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324.2.6等离子弧焊接设备图4-38水冷喷嘴式熔化极等离子弧焊原理图1）水冷喷嘴式熔化极等离子弧焊水冷喷嘴在强烈的水冷条件下，可以承担较大的等离子弧电流。在焊枪体中间送入焊丝作为熔化极。熔化极与工件间接一直流电源，产生的熔化极电弧在转移型等离子弧中间燃烧。等离子弧在喷嘴和工件之间燃烧，起到预热熔化焊丝的作用。熔敷率很高，适用于堆焊。EAMP

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334.2.6等离子弧焊接设备图4-39钨极式熔化极等离子弧焊原理图2）钨极式熔化极等离子弧焊在钨极与工件之间接有直流电源和高频引弧器，等离子弧在钨极与工件之间燃烧。焊丝熔化极与工件之间接直流电源，产生的熔化极电弧在等离子弧中间燃烧。为了焊接导热性强的金属材料时，还可以在工件和喷嘴之间加一降压特性直流电源加热工件。适用于厚板深熔焊接或薄板高速焊接。EAMP

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344.2.6等离子弧焊接设备3.等离子弧焊设备

等离子弧焊设备由焊接电源、等离子弧焊枪（发生器）、供气供水系统、行走机构（自动焊）、送丝机构（熔化极等离子弧焊）和控制系统等组成。（1）焊接电源等离子弧焊电源一般采用陡降外特性直流电源；空载电压比钨极氩弧焊电源高；用氩气作离子气时，电源空载电压需65～80V；用氩气+氢气混合气作离子气时，电源空载电压需110～120V。EAMP

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354.2.6等离子弧焊接设备采用转移型电弧焊接时，可用一套电源，也可采用两套电源。采用联合型电弧焊接时，由于转移弧与非转移弧同时存在，因此需要两套独立的电源，这时非转移弧电源的空载电压应为100～150V，转移弧电源的空载电压约为80V。大电流等离子弧电源设有高频振荡器用于点燃电弧。图4-40典型等离子弧焊接设备结构示意图（a）大电流等离子弧焊（b）微束等离子弧焊

1-焊接电源2-高频振荡器3-离子气4-冷却水5-保护气6-保护气罩7-钨极8-等离子弧9-工件10-喷嘴11-维弧电源KM、KM1、KM2-接触器触头EAMP

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364.2.6等离子弧焊接设备图4-42等离子弧焊炬结构图a）大电流等离子弧焊枪b）微束等离弧焊枪

1-喷嘴2-保护套外环3、4、6-密封垫圈5-下枪体7-绝缘体8-绝缘套9-上枪体10-电极夹头11-套管12-小螺帽13-胶本套14-钨极15-瓷对中块16-透气网（2）焊枪等离子弧发生器，对等离子弧的性能及焊接过程的稳定性起着决定性作用。焊枪主要由电极、电极夹头、压缩喷嘴、中间绝缘体、上枪体、下枪体及冷却水套等组成。关键部件：喷嘴、电极。EAMP

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374.2.6等离子弧焊接设备1）喷嘴是压缩电弧的关键零件，单孔型和三孔型，圆柱型和收敛扩散型。