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Tungsten Inert-Gas Welding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0.3m m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Al2 O3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6 V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）。