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TIG焊工艺及设备
TIG焊工艺及设备
TIG焊是何种焊接方法?
它和其他的熔焊方法相比有哪些特点?
TIG焊是英文字母TungstenInert-GasWelding的简称。
它的中文名称应该是钨极惰性气体保护焊。
国外的焊接名词术语还称做GTAW焊。
这种焊接方法从其名称上可知,它具有两个显著的特点:
一是它的电极是用钨或者钨基合金制作而成,二是采用惰性气体作为保护介质。
这种焊接方法原理如图2-1所示。
它是在惰性气体的保护下,利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化焊件和填充焊丝的一种焊接方法。
焊接时保护气体连续地从焊枪的喷嘴中喷出,在电弧周围形成气体保护层隔绝空气,以防止其对钨极、熔池及邻近的热影响区的有害影响,从而获得高质量的焊缝。
根据这种焊接方法的原理它有如下的一些工艺特点。
1)惰性气体有极好的保护作用,它本身既不与金属发生任何化学反应,也不溶解于高温金属中,使得焊接过程熔池的冶金反应简单和容易控制。
对于一般易氧化、氮化的活泼金属、高熔点的黑色金属都能进行焊接,应用面很广。
2)电弧在氩气中燃烧非常稳定,在小的焊接电流情况下(<10A)仍然稳定燃烧,填充焊丝是通过电弧间接加热,因而热输入容易调节。
所以适用于薄板及全位置焊接,也是实现单面焊双面成形的理想焊接方法。
3)由于填充焊丝不通过焊接电流,不存在熔滴过渡问题,焊接过程没有飞溅,焊缝成形美观。
4)氩气在焊接过程中仅仅只是单纯的保护隔离作用,因此对工件表面状态要求较高。
焊件在焊前要进行表面清洗,除油、去锈、去灰尘等杂质。
5)钨极承载电流的能力有限,过大的电流会引起钨棒的熔化和蒸发,其微粒有可能进入熔池而出现夹钨,所以TIG焊的焊接电流会受到钨棒的限制,故焊接速度较小,生产率较低。
6)TIG焊采用的氩气纯度较高,通常要求达到99.8%以上,且氩弧焊机又较复杂,因此TIG焊成本较高。
7)氩弧受周围气流影响较大,不适宜在室外和有风处进行操作。
TIG焊可用于几乎所有金属和合金的焊接,但由于其成本较高,通常多用于铝、镁、钛、铜等有色金属以及不锈钢、耐热钢等。
TIG焊包含哪几种类型?
如何选用?
根据不同的分类方式,TIG焊大致有如下几种类型:
通常根据工件材料种类、厚度、产品要求以及生产率等条件选择不同的TIG焊方法。
如直流TIG焊适合不锈钢、耐热钢、铜合金、钛合金等材料。
交流TIG焊用于铝及铝合金、镁合金、铝青铜等。
脉冲TIG焊用来焊接薄板(0.3mm左右)、全位置管道焊接、高速焊以及对热敏感性强的一些材料。
热丝、双丝TIG焊主要是为了提高焊接生产率。
直流氦弧焊可以焊接几乎所有金属,尤其适用于大厚度(>10mm)铝板。
在哪种情况下选择TIG焊比较合理?
从前面介绍的情况可知,TIG焊是一种可以获得较高力学性能且焊缝成形美观的焊接方法,当然相应的焊接成本也较高,由于焊接速度较低(10~50cm/min),生产效率不高。
从产品的技术要求和经济指标两方面来考虑的话,TIG通常用来焊接一些工件厚度较小(<3mm)的薄壁结构零件,而材料大多是不锈钢、耐热钢、高温合金。
对于有色金属铝、镁合金、钛合金,TIG焊是比较理想的一种焊接方法;对于某些黑色和有色金属的厚壁重要构件(如压力容器及管道)进行多层焊时,为了保证第一道焊缝根部焊透,获得高质量的焊缝,打底焊往往采用TIG焊;对于石油、化工、电站、锅炉、核电站以及航空航天部门所用的各类管道对接或者管板对接采用的全位置焊接工艺,TIG焊占据着重要的地位。
TIG焊使用还有一个很大的局限性,即只能在室内施工,若想在室外操作,一定要采取必要的防风措施。
表2-1列举了几种常用TIG焊方法特点及应用范围。
氩气电弧比普通电弧好在哪里?
目前TIG焊在我们国家主要是指氩弧焊,其应用范围如表2-1所示。
表2-1几种常用TIG焊的应用范围
材料
直流
交流
正极性
反极性
铝(厚度2.4mm以下)
×
○
△
铝(厚度2.4mm以上)
×
×
△
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
△
×
○
堆焊
○
×
△
高碳钢、低碳钢、低合金钢
△
×
○
镁(3mm以下)
×
○
△
镁(3mm以上)
×
×
△
镁铸件
×
○
△
高合金、镍与镍基合金、不锈钢
△
×
○
钛
△
×
○
银
△
×
○
注:
表中△为最佳方法,○为亦可选用,×为不可选用。
也就是说这是一种在氩气保护介质中的电弧焊。
电弧在氩气中燃烧最大的特点是燃烧非常稳定,一旦电弧引燃后即使在很小电流条件下(几安)电弧照样很稳定,这样可以满足一些薄件产品的焊接,如0.3mm的不锈钢制品。
氩气是一种无色无味的单原子气体,比空气重25%。
它在空气中的体积分数是0.935%,随着温度升高可直接分解为电子和正离子。
氩气与氦、氢气相比它的原子体积大,在高温下粒子的运动速度和扩散速度都比较慢,因而它的散热能力亦较差,同时它的比热容和热导率都很小,如图2-2。
这些因素都有利于氩气在电弧的高温下电离,获得较多的带电粒子,因而它的电弧电压亦较低,如图1-25所示。
氩气的不足之处在于它的电离电压较高,如表2-2所示,仅次于氦气,这样一来造成在氩气介质中引弧比较困难,所以在引弧时要采取必要的措施。
表2-2常见气体粒子的电热物理性能
气体
相对分子质量(或相对原子质量)
电离电压/V
比热容(273K时)/(J/g·K)
热导率(273K时)/(W/m·K)
Ar
39.944
15.7
0.523
0.0158
He
4.003
24.5
5.230
0.1390
H2
2.016
13.5
14.232
0.1976
N2
28.016
14.5
1.038
0.0243
CO2
44.01
14.3
0.820
0.0159
O2
32
13.6
0.908
0.0247
空气
29
-
1.005
0.0238
直流TIG焊时极性应如何选择,有何要求?
直流TIG焊时使用直流TIG焊接电源,此时对于焊接电源的极性选择有着严格的要求,一旦接错焊接过程无法顺利进行,造成钨电极严重烧损,电弧极不稳定。
通常直流TIG焊时有两种接法:
1)直流正极性是焊件接电源输出端的正极,焊枪接电源输出端的负极。
对于黑色有色金属材料应采用这种接法。
因为焊枪的钨极接负,钨极为热阴极,在发射电子时电子要带走一部分能量而得到冷却,这样允许钨极通过较大的焊接电流;焊件接正极,焊件受热特点取决于电弧的形态和焊件产热。
因为钨极为负,电弧呈细锥状,使得电弧对焊件加热集中,从而得到深而窄的焊缝形状。
2)直流反极性是焊件接电源输出端的负极,焊枪接电源输出端的正极。
焊接黑色金属不宜采用这种接法,因为焊枪的钨极接正,电弧中电子撞击钨极的能量全部转化成热量,使得钨极很快过热,甚至熔化,所以相同直径的钨极只允许通过正极性接法时的1/5~1/3焊接电流。
由于焊件上的阴极斑点总是寻找Al2O3氧化膜,使得电弧随着氧化膜的破碎在焊件上游动,因此得到浅而宽的焊缝。
适用于铝、铝合金和镁合金的焊接。
交流氩弧有何特点,会出现什么问题?
交流TIG焊时产生的是交流氩弧,交流氩弧与直流氩弧性能上有很大的区别,主要差异有如下几个方面。
1、引弧困难,电弧燃烧的稳定性极差
电弧是气体主电的现象,气体由绝缘转换为民电介质需要电离过程,也就是说中性的气体分子接受外界的电场能量电离为电子和离子然后在电场的作用下产生电弧,这个电离过程需要时间,时间长短取决于气体介质种类、焊接参数、电流种类等因素。
工频交流电的频率为50Hz,因此它提供的能量也是周期性地在变化,在引弧瞬间满足不了气体电离要求,给引弧带来很大的困难,所以交流TIG焊的引弧必须要采取特殊的措施。
电弧一旦引燃后,交流氩弧的稳定性极差,原因同样是交流电每秒100次经过零点改变极性,电弧电流经过零点时电流瞬时值为零,电弧熄灭,下半周必须重新引燃,重新引燃电弧所需要的电压值,称为再引燃电压。
重新引燃电弧的难易与再引燃电弧瞬间电弧空间残余带电粒子数,电极发射电子能力及电弧电压的上升速度有关。
交流氩弧的再引燃是在焊接过程中极短暂的熄弧瞬间,电弧空间及电极还处于高温状态,因此再引燃电压要比冷态开始焊接引弧时所要求电压数值要低得多。
但是在焊接一些发射电子能力极差的材料如铝、镁合金时,这些材料发射电子数量不足以维持电弧存在,往往在这些材料为阴极的半周内电弧熄灭,造成电弧不稳,为此交流氩弧在焊接过程中要解决稳弧问题。
2、交流氩弧的整流作用
交流氩弧焊主要用来焊接铝、镁合金,在焊接时钨电极和铝工件的极性随着交流电源不断地进行变换。
一会儿工件是负极(相当于直流反极性),一会儿工件为正极(相当于直流正极性),由于钨电极与铝工件在热物理性能上相差极为悬殊,当钨电极为负极时,钨具有较强的热电子发射能力,电弧空间内具有较多带电粒子在运动,气体电离度很高,结果是这个半波内再引燃电压和电弧电压数值低,而电流较大。
当工件为负的半波时,铝的发射电子能力低,同时铝本身散热快,气体电离离大为降低,所以它的再引燃电压和电弧电压都高,而电弧电流较小。
这样造成两个半波的电流不对称,在焊接回路内出现一个直流分量,如图2-3所示。
直流分量的方向是从工件指向钨极。
几焊接时,两种电极材料的热物理性能存在着差异时都会出现直流分量。
差异越大,直流分量的数值越大。
直流分量的出现使得焊接变压器工作条件恶化,造成变压器直流磁化而发热,严重时甚致烧毁。
同时直流分量的存在削弱了交流氩弧的阴极清理作用,并且电流波形发生畸变影响电弧的稳定性。
目前消除直流分量的方法有3种。
1)焊接主回路中串联蓄电池(如图2-4a),使蓄电池产生的电流与直流分量相抵消。
蓄电池电压为6V容量为300~600A/h,这种方法的缺点是蓄电池体积大、苯重、维护麻烦。
2)焊接回路串联电阻(如图2-4b)。
电阻阻值约为0.02Ω使焊接电流正半波通过电阻R,负半波通过二极管VD,削弱直流分量。
特别是体积小,简单,但电阻消耗电级。
3)串联电容(如图2-4c)电容量为300~400μF,附压25V,此法应用最广。
为什么铝及铝合金和镁及镁合金必须选用交流TIG焊?
这是由于材料的化学物理性能所决定的。
铝是一种化学活泼性很强的金属材料,它在常温下与空气接触时,就会在其表面生成一层致密的Al2O3薄膜,Al2O3的熔点高达2050℃,远远超过铝合金的熔点,在焊接过程中氧化铝薄膜会阻碍金属之间的结合,并易造成夹渣。
在实践中发现采用直流反极性时,在焊接过程中电弧能够自动地去除这层氧化膜,也就是说当铝件为负极时,铝板向钨极发射电子,而弧柱中正离子向工件移动。
正离子的质量要比电子大得多,在电场作用下,当正离子碰撞到工件表面时,正离子所具有的动能很容易把表面的Al2O3薄膜撞碎而使金属表面裸露出来,这种现象我们称为阴极清理作用(亦叫做阴极破碎作用),解决了去除Al2O3的难题。
但是,在2.5问中已谈到直流反极性有一个致使的问题,钨极由于受到高温的影响,允许通过的电流很小,不然钨极就会发生熔化,所以在实际中一般不用。
而直流正极性却允许钨极通过较大的电流,而且电弧稳定性极高,可是却解决不了氧化膜的去除问题。
为此,只有采用交流TIG,相当于一个半波为直流正极性和另一个半波为直流反极性交替使用,兼顾了这两种方法各自的优点。
TIG焊有哪些工艺参数,应如何选择?
TIG焊的工艺参数主要有接电流种类及焊接电流大小,钨极种类、直径及端部形状,保护气体流量,填充丝直径等,对于自动焊还应包括焊接速度和送丝速度。
1、电流种类的选择
一般根据工件材料选择电流种类(参见表2-1),焊接电流大小是决定熔深的主要参数,它主要根据工件材料厚度、接头形式、焊接位置等因素选择。
2、钨极种类、直径和端部形状的选择
钨极种类及直径根据工件材料和焊接电流大小、电流种类来选择(参阅表2-10)。
钨极端部形状是一个重要的工艺参数,根据所用的焊接电流种类,选用不同的端部形状,如图2-5所示。
夹端角α的大小会影响钨极的许用电流、引弧及稳弧性能。
表2-4列出了钨极不同尖端尺寸推荐的电流范围。
小电流焊接时选用小直径钨极和小的锥角,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而熔化,减少损耗,并防止电弧往上扩展而影响阴极斑点的稳定性。
使用过程中钨极经常需要用砂轮或者专用的钨极磨削机进行修整。
表2-4钨极尖端形状和电流范围
钨极直径/mm
尖端直径/mm
尖端角度/(°)
电流/A
恒定直流
脉冲电流
1.0
0.125
12
12~15
2~25
1.0
0.25
20
5~30
5~60
1.6
0.5
25
8~50
8~100
1.6
0.8
30
10~70
10~140
2.4
0.8
35
12~90
12~180
2.4
1.1
45
15~150
15~250
3.2
1.1
60
20~200
20~300
3.2
1.5
90
25~250
25~350
3、气体流量和喷嘴直径
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,焊件上有效保护区域最大。
表2-5推荐气体流量与喷嘴直径之间关系。
表2-5气体流量与喷嘴直径关系
焊接电流/A
直流正接
交流焊接
喷嘴孔径/mm
保护气流量(L/mm)
喷嘴孔径/mm
保护气流量(L/mm)
10~100
4~9.5
4~5
8~9.5
6~8
101~151
4~9.5
4~7
9.5~11
710
151~200
6~13
6~8
11~13
710
201~300
8~13
8~9
13~16
815
301~500
13~16
9~12
16~19
815
如果气体流量过低,气流排除周围空气能力弱,保护效果差;流量过大,气体排出时容易形成紊流,使空气卷入,也会降低保护效果。
同样,在气体流量一定时,喷嘴直径过小,保护区域小,且因气流速度过高而形成紊流;喷嘴直径过大,不仅妨碍焊工观察,而且流速过低,保护效果也不好。
一般手工TIG喷嘴内径范围为5~20mm,流量范围为5~25L/min。
4、焊接速度
焊接速度的选择主要根据工件厚度决定并和焊接电流配合以获得所需的熔深和熔宽。
在高速自动焊时,还要考虑焊接速度对气体保护效果的影响。
如图2-6所示,焊接速度过大,保护气流严重偏后,可能使钨极端部、弧柱、熔池暴露在空气中。
因此必须采用相应措施如加大保护气流量或将焊枪前倾一定角度,以保持良好的保护作用。
5、喷嘴与焊件间距离
距离越大,气体保护效果越差,但距离太近会影响焊工视线,且容易使钨极与焊件间造成短路,产生夹钨。
一般喷嘴端部与焊件间距离在8~14mm之间。
TIG焊时,焊前要作哪些准备工作?
1、清理准备
TIG焊,焊前必须对焊件的接头附近及焊丝表面要进行清理,去除金属表面的氧化膜、湿气、污垢、油脂等杂物,以保证焊接接头质量。
清理的方法大致有如下几种,根据材料而选用。
(1)机械清理此法简单,效果较好。
对不锈钢可用砂布打磨、吹砂式抛光等方法;铝合金可用钢丝刷、电动钢丝轮(采用直径小于0.15mm的不锈钢丝或直径小于0.1mm的钢丝)或刮刀。
用刮刀的办法对清理铝合表面的氧化膜是行之有效的。
机械清理后可用丙酮去除油垢。
(2)化学清理对于铝、钛、镁等合金与焊丝一般采用化学清理方法,效果好且生产效率高。
不同金属材料采用的化学清理剂与工艺程序各不相同,可按焊接生产说明书的规定进行。
清理后的焊件和焊丝必须妥善放置与保管,一般应24h内焊接完。
如果存放中弄脏或放置时间超过规定时间,在焊前要重新清理一次。
化学清理适合于批量及小型零件。
(3)化学—机械清理大型工件采用化学清理往往不够彻底,因而在焊前尚需用钢丝轮和刮刀在焊接坡口边缘再清理一次。
2、坡口准备
为了保证工件达到所需的熔透深度,对于不同的板厚要求有不同的坡口形式,具体坡口形式及尺寸在各种材料焊接的工艺参数中介绍。
坡口加工最好用机械切削方法。
3、装配间隙和错边
装配质量的好坏是保证焊接质量的重要一环。
装配间隙和错边不当时,易产生烧穿、焊缝成形不好和未焊透。
表2-6列出了自动TIG焊时对间隙和错边的要求。
手工TIG焊时可适当放宽。
装配间隙可用塞尺进行检查。
表2-6自动TIG焊允许局部间隙和错边
焊接方法
工件厚度/mm
允许局部间隙/mm
允许局部错边尺寸/mm
加焊丝
0.5~0.6
0.10
0.10
0.8~1.0
0.30
0.20
1.2~2.0
0.40
0.30
2.5~3.0
0.50
0.40
不加焊丝
0.5~0.6
0.05
0.05
0.8~1.0
0.20
0.15
1.2~2.0
0.30
0.20
2.5~3.0
0.40
0.30
4、定位焊
为了保证焊件尺寸,减少变形,防止焊接过程中由于翘曲变形而使得焊处错位,焊前大多需要定位焊。
定位焊点的间距根据被焊材料的种类、厚度、接头形式而定。
不锈钢由于线膨胀系数大,焊接变形大,故点距应小。
对于刚性较大和裂纹倾向大的焊件,由于焊点易开裂,此时应采用长焊点并缩短定位焊点距。
表2-7列出不开坡口对接焊定位焊点距与材料及板厚的关系。
表2-7定位焊点距与材料及板厚的关系
材料名称
板材厚度/mm
定位焊点距/mm
不锈钢
≤1.2
10~30
1.5~3
25~60
3~4
40~80
低碳钢
≤1.2
20~40
1.5~3
40~100
3~4
60~120
定位焊时一般采用较细的焊丝。
在保证完全焊透和定位连接可靠前提下,定位焊点应低平、细长、焊点不宜过大、过宽、过高。
定位焊点同样要有充分的保护,避免氧化。
TIG焊的引弧方法有哪几种,各有什么优缺点?
TIG焊引弧方法总体上分成两大类,一类是接触式引弧,另一类是非接触式引弧。
接触式引弧也就是我们通常所见的焊接时将钨电极与工件短路,然后迅速地将钨极提起,整个动作好似擦火柴一样。
这种方法简单,勿须其他附加装置,然而它仅仅能用于小电流的直流TIG焊。
大电流时采用此法钨极烧损严重,改变钨极端部的几何尺寸。
为了解决这个矛盾可在焊接电源上增加控制电路,在引弧瞬间降低焊接电流,一旦电弧引燃后焊接电流便自动恢复到预定值。
具有这种控制方法的焊机的电源伏安特性如图2-7所示。
这种引弧方法不适宜交流TIG焊,因为无法引燃电弧。
并且有时当钨极抬起瞬间电弧吹力会破坏保护气流,将工件表面弄脏。
非接触引弧主要是针对交流TIG焊要求所设计的。
它的指导思想是利用上千伏的高压脉冲使气体电离和电子发射。
这种引弧方法有如下两种。
(1)高频高压振荡引弧器这是一种传统的引弧器,目前在国内外的TIG焊机上还在大量地应用。
主要原理如图2-8所示。
其中T为高漏抗的升压变压器,可将二次线圈电压升到2000~3000V,然后对电容C1进行充电,它的端电压逐渐升高,到某一数值时,火花放电器F的钨极间隙被击穿,此时,C1、火花放电器与电感L1形成振荡回路。
其振荡频率f可根据下式计算
式中C1——振荡电容量;
L1——振荡线圈电感。
通常振荡频率在150~260kHz。
振荡电压的波形如图2-8b所示。
振荡回路产生的高频高压通过L2耦合输送到焊接回路。
振荡回路中存在着电阻,所以C1、L1的振荡是衰减的,但由于变压器T1不断给C1充电,故可振荡不断继续下去。
电容器C2作为保护用,万一振荡回路发生故障输出的是工频高压,C2可以起到隔离作用,使工频高压不会进入焊接回路对操作者构成威胁。
高频振荡回路中的火花放电器间隙有一定要求,保持在1mm左右,距离过大间隙不易击穿,振荡难以进行;距离过小振荡幅度过小,输出电压不高,引弧效果不好。
根据引弧效果可以适当调整间隙距离。
在使用过程中,火花放电器的钨极表面经常被烧损,或者被弄脏,需要定期用砂纸清理一下端面。
高频高压振荡引弧器其主要技术参数见表2-8。
表2-8高频高压振荡引弧器参数
名称
符号
规格
参数
变压器
T
铁心截面35mm×41mm
N1=1500匝,N2=18000匝,
D1=0.81mm,d2=0.2mm,
电容器
C1
云母电容
5100pF/2500V
电感线圈
L1、L2
铁心铁氧体MX0—2000
截面12mm×12mm
N1=3匝,N2=4匝
火花放电器
F
-
保护电容
C2
油浸纸介电容
4μF/600V
高频高压振荡引弧器与焊接主回路有两种联接方法:
并联接法和串联接法,如图2-9所示。
串联的引弧效果较好,应用较多。
这种引弧器的最大缺点是对电网或其他的电器设备电磁干扰太大,要采取严格的屏蔽措施。
(2)高压脉冲引弧器这是一种工频高压脉冲发生器,输出800V的高压脉冲来击穿电弧间隙。
其原理如图2-10a所示。
电网电压升压后经全波整流、电容滤波达到1100V电压,当焊接电流到达幅值时,晶闸管VH1、VH2触发而导通,此时储存在电容C1的能量经VH1、VH2放电,通过变压器T2升压,可在其二次侧形成2~3kV高压脉冲,此脉冲输送到焊接回路进行引弧,引弧脉冲相位如图2-10b所示。
电容C1放电后,T2一次线圈产生一反向脉冲使晶闸管VH1、VH2关断,于是C1又一次开始充电,经过1/50s等待下一个触发脉冲到来时,C1的上光电电压又将达到最大值。
如果第一次电弧没有引燃,则晶闸管再次触发,从而提供第二个引弧脉冲,直到电弧引燃为止。
这种引弧器的效果不如前者,然而不会引起电磁干扰。
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