现代焊接技术论文

河南工程学院《现代焊接技术》考查课
专业论文
钨极气体保护焊技术及进展
学生姓名：***
学院：机械工程学院
专业班级：材料成型及控制工程1241
专业课程：现代焊接技术
任课教师：***
2015 年6 月4 日
钨极气体保护焊技术及进展
摘要：钨极气体保护焊(GTAW)是在钨极与焊件之间建立电弧，熔化母材和填充金属形成熔池，从而连接被焊金属的一种焊接方法。

惰性气体通过焊枪喷嘴送入焊接区，是焊接电弧，熔池金属及热影响区与空气隔绝，保护焊缝金属不被氧化[1-2]。

经过几十年的发展，作为一种精密、优质的焊接方法，在各工业部门得到了广泛应用。

关键字：钨极气体保护焊；焊接工艺；操作技术
引言
随着焊接要求的复杂化，尤其是对铝、镁合金的焊接质量的要求越来越高，迫使需要一种新的焊接方法。

六十年代后半期许多专业设计人员和技术工人转入相关工业部门，从而加速了焊接装置的进程。

七十年代中期焊接装置的可靠性和焊接性能已大大改善，加上狭坡口焊接技术和脉冲技术的推广，进一步提高了GTAW捍接的生产性能。

1钨极气体保护焊的发展史
非熔化极气体保护电弧焊最早是由C.L.Coffin于1920年取得美国专利。

在第二次世界大战期间，航空工业的高速发展，需要一种焊接镁和铝的焊接方法。

经过大量的实验研究，在美国于1940年发明了钨极气体保护焊。

这种焊接方法是在钨极与工件之间建立电弧，用惰性气体作为保护气体，即可加填充丝也可不加填充丝，后将其命名为钨极惰性气体保护焊，英文名为Tungsten Inert Gas Welding，缩写为TIG。

最近，美国焊接学会将其正式命名为Gas Tungsten Arc Welding，简称改为GTAW[3]。

在我国，钨极惰性气体保护焊，因大多数情况采用氩（Ar）气，俗称钨极氩弧焊，简称氩弧焊。

经过几十年的发展，已有多种工艺方法，作为一种精密、优质的焊接方法，在各工业部门得到了广泛应用[4]。

2钨极气体保护焊
2.1钨极气体保护焊的概念
钨极气体保护焊简称TIG或GTAW，属于非熔化极气体保护焊，是利用钨电极与工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝。

焊接中钨极不熔化，只起电极作用，电焊柜的喷嘴送进氦气或氩气，起保护电极和熔池的作用。

钨极惰性气体保护焊是在钨极与焊件之间建立电弧，熔化母材和填充金属形成熔池，从而连接被焊金属的一种焊接方法。

惰性气体通过焊枪喷嘴送入焊接区，是焊接电弧，熔池金属及热影响区与空气隔绝，保护焊缝金属不被氧化。

图1所示为这种焊接方法的过程原理图。

图1 钨极气体保护焊过程原理图
2.2钨极气体保护电弧焊的优缺点
2.2.1钨极气体保护电弧焊的优点
（1）焊接工艺性能好。

（2）能够实现高品质的焊接，得到优质焊缝。

（3）可焊接几乎所有的金属。

在惰性气体保护下，不需使用焊剂就可焊接几乎所有的金属，特别适于焊接化学活性强和形成高熔点氧化物的铝、镁及其合金；能进行脉冲焊接，减少焊接热输入，适于对薄板或热敏感材料的焊接。

（4）采用钨或其合金作电极，钨电极不熔化，易于保持恒定的电弧长度，焊接过程稳定，即使在很小的焊接电流下也能稳定燃烧；不会产生飞溅，成形美观；可进行各种位置的焊接，易于实现机械化和自动化焊接。

（5）电弧一旦引燃后，电弧燃烧十分稳定。

2.2.2钨极气体保护电弧焊的缺点
（1）需要特殊的引弧装置。

由于氩气和氦气的电离电压高，钨极的逸出功高，且一般不允许钨极和工件接触，故需要特殊的引弧装置。

（2）焊接生产率低，生产成本高。

与焊条电弧焊相比，钨极承载电流能力的限制，电弧易扩展，GTAW焊电弧功率密度降低，限制了焊接熔深，使得其电解速度降低，生产率低。

同时，由于生产效率低和惰性气体较贵，生产成本高。

（3）对工件的清理要求高。

GTAW焊采用的保护气体Ar没有脱氢脱氧的能力，因此对焊前的除油、去锈及去水等清理工作要求严格。

2.3钨极气体保护电弧焊的应用
（1）适焊的焊接接头和位置。

常规的对接、搭接和角接头等接头，在任何位置，只要结构上具有可达性均能焊接，薄板（≤2mm）的卷边接头，搭接的点焊接头均可焊接，而且无需填充金属。

（2）适焊的材料。

钨极氩弧焊几乎焊接所有的金属和合金，但因成本高，生产中主要用于焊接不锈钢和耐热钢、铝、镁、钛、铜等有色金属及其合金。

（3）适焊的板厚和产品结构。

GTAW焊容易控制焊缝成型，容易实现单面焊双面成形，
主要用于薄件焊接或者厚件的打底焊，GTAW焊一般只用于焊接厚度在6mm以下的工件。

综上所述，GTAW焊相较于手工电弧焊和气体保护金属极电弧焊，它更易于控制焊接处，提高焊接品质。

然而，GTAW焊较为复杂、难以精通，而且焊接速度明显比其他焊接法缓慢[5]。

3钨极气体保护电弧焊设备与焊接材料
3.1GTAW焊设备
GTAW焊设备按焊接操作过程的自动化程度，可分成手工和自动两大类；按所使用的焊接电流种类，可分为直流、交流、脉冲电流；按焊接工艺办法，可分成普通和专用两大类。

图2所示为手工钨极气体保护焊设备构成，其主要是由焊接电源、焊枪、供气系统、水冷系统、焊接电缆线等组成。

然而，自动GTAW焊设备除了焊接电源、焊枪、供气系统以外，增加了焊件变位机构、自动焊接机头、送丝机、系统控制器等。

图2 手工钨极气体保护焊设备构成
1-焊接电源；2-控制箱；3-氢气瓶；4-减压阀；
5-流量计；6-焊接电缆；7-控制线；8-氩气管；
9-进水管；10-出水管；11-焊枪；12-工件
3.2GTAW焊焊接材料和保护气体
GTAW焊接材料包括钨极和焊丝（焊棒）。

钨的熔点为3410℃，是金属材料中熔点最高的，且在高温下具有极强的电子发射能力，因此，钨作为非熔化极气体保护焊最理想的电极材料。

钨在GTAW焊中，具有传导焊接电流、引燃电弧、维持电弧稳定燃烧的作用。

焊丝在GTAW焊中，当接头大于1.6mm时，开坡口的接头，或接缝装配间隙较大，则必须添加填充金属，以使焊缝成形满意。

GTAW焊时，惰性保护气体有多种，使用最广泛的是氩气，其次是氦气、氢等，其作用不仅对焊接区进行良好的保护，而且也是电弧的工作介质。

4 钨极气体保护电弧焊工艺与操作技术
GTAW焊接工艺首先取决于已选定的GTAW工艺方法，如自熔GTAW、填充冷丝GTAW、热丝GTAW、交流GTAW直流脉冲GTAW和高频GTAW等，其次与焊前准备、
焊接参数、操作工艺、施焊位置等有关。

正确合理的焊接工艺应以保证接头的高质量为前提，并达到最高的焊接效率和最低的生产成本。

4.1焊前准备和焊接参数的确定
GTAW时，按工艺规程的要求完成焊前准备工作，对于保证焊接的质量起关键作用，准备工作包括焊接设备的参数设定，供气系统的调整，焊件组装定位和焊前清理。

GTAW的焊接参数主要包括钨极直径与端部形状、钨极伸出长度、焊接电流种类与极性、电弧电压、焊接速度、填充丝直径、喷嘴直径与保护气流量等[6]。

4.2GTAW具体操作技术
手工钨极气体保护焊的操作技术主要包括引弧、施焊、填丝和接头等操作。

（1）引弧技术
手工GTAW大多数采用高频振荡器或高压脉冲发生器引弧，引弧时焊枪喷嘴可以靠在焊件上，电弧引燃后，焊枪回到正常位置。

在某些情况下，GTAW电源具有可以靠提升引弧的功能，即引弧时钨极与焊件接触，短路后提升焊枪，引燃电弧。

当使用不配备引弧装置的焊接电源时，也可采用简单的接触引弧法，如图3所示的引弧是焊枪与焊接的相对位置。

图3 引弧时焊枪与焊件的相对位置
（2）施焊技术
按照焊枪相对于焊缝的运动方向，可分为左焊法和右焊法。

（3）填丝操作技术
填丝操作法分为连续填丝和断续填丝。

连续填丝最好采用直径2.4mm以上的焊棒，即用左手拇指、食指和中指配合动作连续送丝，无名指和小指夹住焊棒控制方向，连续送死时，手臂保持不动，待焊丝快用完时才向前移动。

断续填丝是将焊丝作断续的往运动送入焊接熔池，是靠手臂和手腕上、下反复动作，将焊丝端部的熔滴送入熔池，送丝时，焊丝末端应始终处于氩气保护下。

（4）焊道接头技术
手工GTAW时，因更换焊丝、钨极、焊接位置变换，都要求停弧后再引弧。

为保证焊道接头的质量，应将接头处焊成斜坡形，消除死角；再引弧的位置应在前焊道弧坑的后面；
熔池应有足够的熔深。

5 钨极气体保护电弧焊接方法的进展
在钢材材料制焊接结构中，GTAW作为一种焊缝质量特优的焊接方法主要用于一些重要的焊接结构部件，如电站锅炉受压部件、压力容器、受压管道和低温储藏等，特别是薄板制件、薄壁管以及质量要求相当高的精密部件。

在厚壁不见的焊接中，GTAW主要用于接头根部焊道的封底焊。

对于焊缝需经100％射线检测的厚壁接头，目前已采用高效的窄间隙热丝GTAW法。

在现在建筑结构中，GTAW已广泛用于许多装饰工程的不锈钢和型材的焊接。

在有色金属材料的焊接中，GTAW焊接方法因其对焊接区的保护效果最佳，可以焊接质量较优的焊缝。

对于有色金属还包括镁及镁合金、铜及铜合金、镍及镍合金和钛及钛合金，GTAW甚至是一种不可替代的焊接方法，尤其是铝及铝合金，由于其强度高，密度小和耐蚀性好风优点，在许多焊接结构中以作为钢的代用材料得到了较广泛的应用，典型的实例有高级轿车、高速列车、快艇、飞机、轻型建筑和机器部件等[7]。

钨极气体保护电弧焊接方法经过近些年的发展，已经形成多种焊接技术，其中包括：脉冲钨极气体保护电弧焊、热丝钨极气体保护电弧焊、钨极氩弧点焊、激光-钨极气体保护复合焊。

5.1脉冲钨极气体保护电弧焊
脉冲钨极气体保护电弧焊技术采用低频调制的直流或交流脉冲电流加热工件，电流幅值按一定频率周期地变化。

每当一次脉冲电流通过时，焊件上就形成一个点状熔池，脉冲电流停歇时，点状熔池就凝固，同时基值电流维持电弧稳定燃烧，当下一个来临时，又形成一个新的焊点。

交流脉冲GTAW焊适合用于表面易形成高熔点氧化膜的金属，如铝、镁及其合金；直流脉冲GTAW焊用于其他金属。

脉冲钨极气体保护电弧焊要选择的参数众多，首先要根据焊件的厚度钻则脉冲电流和持续时间，再根据焊接材料的性质，确定脉冲幅比和脉冲宽比，最后确定基值电流、电弧长度和气体流量等。

参数确定后要进行试焊，观察焊缝形状尺寸和焊点间距是否满足焊接接头的实际要求，以及是否存在焊缝中部凹深度过大或咬边等缺陷。

表1为5A03、5A06铝合金交流脉冲危机氩弧焊参数实例。

表1为5A03、5A06铝合金交流脉冲危机氩弧焊参数实例
热丝GTAW焊时利用附加电源预先对焊件进行加热，从而提高焊丝的熔化速度，增加熔敷金属量，进而实现提高焊接生产率的目的[8]。

其原理是在普通GTAW焊的基础上，与钨极成400~600角，从电弧后方向熔池输送，在焊丝进入熔池之前约100mm处由附加电源
通过导电块对其进行通电，产生电阻热，从而提高焊接热输入量，提高焊接速度。

热丝GTAW焊成功用于碳钢、低合金钢、不锈钢、镍和钛等材料的焊接，但对于铜和铝，电阻小，加热焊丝需要很大的电流，容易造成过大的磁偏吹和融化不均匀。

5.3钨极氩弧点焊
钨极氩弧点焊是用焊枪端部的喷嘴将被焊的两块母板压紧，然后靠钨极和工件之间的电弧将上层工件熔穿，再将下层工件局部熔化并熔合在一起，凝固后即成焊点。

钨极氩弧点焊的原理如图4。

喷嘴压紧工件是使工件连接处不出现过大间隙，并能保持弧长稳定，喷嘴由金属制成，端部有供氩气流出的小孔。

图4 钨极氩弧点焊原理图
1-钨极；2-喷嘴；3-出气孔；4-母材；
5-焊点；6-电弧；7-氩气
5.4激光-钨极气体保护复合焊
激光焊接具有焊接速度高、熔深大、焊接变形小、热影响区小窄、焊缝美观等优点，但对于高反射金属，激光能量利用率很低，随着焊接厚度的增加，对激光器功率的要求也较高，从而使激光的应用受到限制。

激光与电弧复合热源焊接在继承激光焊接优点的同时在很大程度上又弥补了单独激光焊接的不足，可以起到提高能量利用率、增大熔深、降低焊接缺陷的效果[9-10]。

6 总结
通过对钨极气体保护电弧焊工艺的介绍和发展前景得知，其具有焊接工艺性能好；
能够实现高品质的焊接，得到优质焊缝等特点。

另外，可焊接几乎所有的金属，特别适于焊接化学活性强和形成高熔点氧化物的铝、镁及其合金。

而且焊接方法经过近些年的发展，呈现多种化的焊接方法，作为一种精密、优质的焊接方法，在各工业部门得到了广泛应用。

参考文献
[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册:第1卷焊接方法及设备[M].北京：机械工业
出版社，2008.
[2] 陈祝年.焊接工程师手册[M]. 北京：机械工业出版社，2006.
[3] 美国焊接学会.焊接手册：第2卷[M].黄静文，等译.北京：机械工业出版社，1988.
[4] 陈裕川.钨极惰性气体保护焊[M].北京：机械工业出版社，2014.
[5] 吴志生，杨立军，李志勇. 现代电弧焊接方法及设备[M]. 北京：化学工业出版社，
2010.
[6] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册：第2卷材料的焊接[M].北京:机械工业出版
社，2001.
[7] 李亚江，陈爱茂，孙俊生.实用焊接技术手册[M].上海：上海科学技术出版社，1991.
[8] 陈裕川.热丝TIG焊技术的新发展[J].现代焊接，2008，45（2）：56-58.
[9] 迟鸣声，刘黎明，宋刚.镁合金AZ31B的激光-TIG复合热源焊缝工艺[J].焊接学报，
2005，26（3）：21—24.
[10]宋刚，刘黎明，王继峰.激光-TIG复合焊接镁合金AZ31B焊接工艺焊接.焊接学报，
2004，25（3）：31-35.。