第二节铝及铝合金手工TIG焊工艺

1 第二节 钨极惰性气体保护电弧焊

钨极惰性气体保护电孤焊是一种以钨棒为一个电极，以焊件为另一个电极，用惰性气体（氩、氦或氩与氦的混合）保护两电极之间的电弧、熔池及母材热影响区而实施电弧焊接作业的焊接方法。因常采用氩气保护，通常简称其为钨极氩弧焊或TIG焊。

钨极氩弧焊具有下列特点：

1)焊接时无需使用焊条或熔剂和焊剂，焊接后无需清除残余熔剂或焊渣。因为氩气可良好地保护电弧、熔池及母材热影响区而不受氧化，氩气本身也不与铝发生物理化学反应。

2)钨极电弧稳定，即使在焊接电流小于10A的情况下，电弧仍可保持稳定，特别适合于焊接铝合金薄板。

3)热源和填充焊丝可分别控制，热输入易于调整。

4)由于填充丝不通过电流，无熔滴过渡，故电弧安静，噪声小，无金属飞溅。

5)交流氩弧焊时具有对母材表面氧化膜的阴极清理作用，特别有利于焊接表面易氧化的铝、镁及其合金。

6)钨极载流（电流）能力较低，生产效率不高。

7)氩气及氦气价格较高，不利于降低生产成本。

8)钨极氩弧焊受作业现场气流影响较大，不适于室外作业。

钨极氩弧焊示意如图2-2-1所示。

图2-2-1钨极氩弧焊示意图

1-喷嘴2-钨极3-电弧4-焊缝

5-焊件6-熔池7-填充焊丝8-惰性气体

一、焊接过程原理

1．采用直流电源

(1)直流正接(DCSP) 当采用直流正接(DCSP)法焊接铝及铝合金时，工件与电源的正极相连而成为阳极，钨极与电源的负极相连而成为阴极。此时，钨极的电子发射能力强，可发出大量的电子流，并赋予电子流以能量IU，其中，，为发出来的电子流，U为钨极电子逸出功，由于付出这部分能量，钨极也得以自身冷却。在电场的驱使下，钨极发射出来的高能电子流高速冲击阳极即焊件，将全部能量交付焊件，使其深熔，形成窄而深的焊缝。但因电子质量很小，电子流对工件的冲击尚不足以破除工件表面的氧化膜。与此同时，正离子流奔向阴极即钨极，虽使其发热，但因此时的钨极具有自身冷却功能，钨极不致过热烧损。

(2)直流反接(DCRP) 当采用直流反接(DCRP)法焊接铝及铝合金时，钨极与电源的正极相连而成为阳极，焊件与电源的负极相连而成为阴极，此时，由于焊件表面上存在氧化膜，其电子逸出功较小，易发射电子，因此阴极斑点始终是优先在氧化膜处形成。由于焊件为冷阴极，阴极区有很高的电压降，因此阴极斑点的能量密度很高，在阴极电场的作用下，正离子流高速撞击焊件上的表面氧化膜，使其破碎、分解而被清理掉，阴极斑点随即又在邻近的氧化膜发射电子，继而氧化膜又被清理，因此被清理的氧化膜的 2 面积不断扩大，直至扩大到氩气所能保护的范围内，此即阴极清理（俗称阴极雾化），其作用的强弱与阴极区的能量密度及正离子的质量大小有关。与此同时，从焊件发射出来的大量电子流冲击阳极即钨极，使其撞击生热，由于此时的钨极已不具有自身冷却功能，钨极即发生过热，甚至熔化，从而不得不限制焊接电流的大小。

根据上述原理及特性，直流正接法主要用于铝合金钨极氦（或氦氩混合）弧焊，因氦弧发热量大，热量集中，电弧很短，穿透力强，虽无对芏件表面氧化膜的阴极清理作用，但实践中仍有一定的去除氧化膜效果。直流反接法不推荐用于焊接铝及铝合金，反接法虽具有阴极清理作用，但钨极易过热烧损，容许使用的焊接电流很小，电弧稳定性较差，焊接效率低。

2．采用交流电源(AC)

为兼有阴极清理作用及钨极不致过热，只有采用交流钨极氩弧焊接法。

交流电流的极性是周期性变化的。在每个周期里，半波相当于直流正接，另一半波相当于直流反接。正接的半波期间钨极不致过热，可承载较大的焊接电流，有利于电弧稳定，容许可焊厚度增大；反接的半波期间有阴极清理作用，可去除母材表面氧化膜，保证焊缝良好成形。

三种钨极氩弧焊特性的比较可归纳如表2-2-1所示。

表2-2-1三种钨极氩弧焊特性比较

交流钨极氩弧焊在特性和功能上基本满足铝及铝合金焊接的需要，但焊接回路内将出现直流分量，引弧稳弧性能差，熔透能力弱，但可用下列方法加以改善。

(1)消除直流分量交流钨极氩弧焊时电弧电压及焊接电流的波形及产生的直流分量如图2-2-2所示。

由图2-2-2可见，正半波时，钨极为负极，由于其熔点和沸点高，且导热性差，尺寸小， 3 因而温度高，热电子发射容易，故龟弧电压低，’焊接电流大，通电时间长；负半波时，焊件为负极，由于其熔点和沸点低；且尺寸大，散热快，温度低，电子热发射困难，故屯弧电压高，焊接电流小，通电时间短，因此出现了正负半波电流不对称现象，在交流焊接回路内出现了一个由工件流向钨极的直流分量，这种现象称为“整流作用”。

图2-2-2交流钨极氩弧焊时电弧电压及焊接电流的波形及产生的直流分量

直流分量的存在可削弱阴极清理作用，使焊接过程发生困难，使焊接变压器由于直流分量磁通导致铁心饱和而发热、输出功率降低，甚至烧毁变压器。

为消除此种直流分量，可在焊接回路或电源回路内串接无极性的电容器组，容量可按300～400μF/A计量。

(2)改善引弧和稳弧 由于交流氩弧的电压及电流的幅值和极性随时间而不断变化，每秒有100次过零，因此电弧的能量及电弧空间的温度也随之不断变化。当电流过零时，电弧熄灭，下半周必须重新引弧。

有几种引弧方法可供选择：

1)短路引弧：利用钨极与焊件短暂接触、短路、快速脱开而引弧。此法便利，但易使钨极沾污、损耗、破坏其端部形状及尺寸，应避免使用。

2)高频引弧：利用高频振荡器产生的高频高压击穿钨极与焊件之间的间隙（3mm左右），从而可引燃电弧。但高频发生器的高频振荡也会损坏电源或焊接程序控制系统（包括电脑）内的精密器件，否则需采取防干扰技术措施。

3)高压脉冲引弧：在钨极与焊件之间加一高压脉冲，使两者间的保护气体电离而引弧，脉冲幅值≥800V。

4)高频叠加辅助直流电源引弧：在电源两端并联一个辅助的直流电源，

如图2-2-3所示。 4

图2-2-3高频叠加辅助直流电源引弧

有些引弧方法在原理上有助于在焊接过程中稳弧。如高频高压稳弧、高压脉冲稳弧（施加在过零点的时刻）、矩形波交流引弧。矩形波在过零瞬间的电流变化大，极性转换时能迅速反向引燃电弧。

3．采用脉冲交流电源

脉冲交流钨极氩弧焊接过程中有一个基值电流ib和一个脉冲电流ip，前者始终连续工作，藉以引弧，后者断续，藉以深熔。电流波形如图2-2-4所示。

当每次脉冲电流通过时，焊件被加热熔化，形成一个点状熔池。随后基值电流持续，该熔池冷却凝固，同时维持电弧稳定，因此焊接是_个断续熔化、凝固过程，焊缝由一个一个焊点叠加而成，电弧是脉动的，有明亮和暗淡相互交替的闪烁现象。由于焊接电流脉冲化，焊接电流的平均有效值降低，可调参数多，便于合理选择焊接热输入一

随着脉冲电流频率的提高，电弧的电磁收缩效应即随之增强。当脉冲电流频率高于5kHZ时，电弧的挺度和刚度明显增大，即使焊接电流很小，电弧也有很强的稳定性和指向性，因而有利

图2-2-4脉冲交流钨极氩弧焊波形

ip—脉冲电流幅值 ib—基值电流幅值

tp—脉冲电流持续时间 tb—基值电流持续时间 5

脉冲频率／kHz

图2-2-5 电流脉冲频率对电弧压力的影响

于焊接薄件。此外，随着电流脉冲频率的提高，电弧压力也随之增大，如图2-2-5所示。因而高频电弧的穿透力强，有利于深熔。高频电弧的振荡作用有利于晶粒细化，消除焊缝气孔，获得优质焊缝。

4．采用变极性方波脉冲交流电源

变极性脉冲交流钨极氩弧焊的特点是：采用矩形波（或称方波）交流焊接电源，两半波参数不一定对称。焊接时的电流波形如图2-2-6所示。

“变极性”这个名词并不确切，因为交流焊接时的极性本来是变换的，确切的名词应为“极性参数可调”（Variable Polarity），但“变极性”一词现已通用。

由图2-2-6可见，由于电流波形呈矩形，半波转换可瞬间完成，过零点时电流增长迅速，再引燃较容易，稳弧性能明显提高。

图2-2-6变极性矩形波交流脉冲钨极氩弧焊波形

由于负半波时电流In对阴极清理作用的影响比电流持续时间tn更大，因此将Ip增大，将tn减小，既可增强阴极清理作用，去除工件表面氧化膜，又能减少钨极受热，增大其载流能力。

二、焊接设备

手工钨极氩弧焊机由焊接电源、供气系统及供水系统组成。焊接电源中包括焊枪、引弧及稳弧装置、程序控制面板及遥控器。供气系统内包括保护气体的气瓶、减压阀、流量计、电磁气阀。供水系统包括冷却水泵、水压开关。

自动氩弧焊机由焊接电源、焊接机头、操作机、变位机、控制箱、供气系统、供水系统及装配焊接夹具组成。焊接机头上包括焊枪、焊枪升降及姿态微调机构、焊丝输送机构，有时还包括轨迹跟踪装置、电弧摆动装置等。操作机上装有焊接机头，能使其升 6 降及行走的立柱和横臂结构，横臂尚可绕立柱适当回转。变位机一般具有两个自由度的翻转功能。控制箱内包括基本控制系统和程序控制系统。前者包括焊接电源输出调节系统、焊接机头行走调节系统、保护气体流量调节系统；后者则鸟插各配套件在焊接过程前、过程中及过程后程序动作的调节、协调和控制装置。

自动氩弧焊专机是按用户的特殊订货要求，根据用户的产品结构类型、尺寸范围、焊缝形式、装配一焊接夏艺而设计和制造的专用焊接设备。

现在焊接设备行业发展很快。焊接谖备技术进步明显，焊接设备产品相当完善，因此用户被迫自行设计制造焊接设备的年代已过去了，可根据需要和条件，参考国内外焊接设备产品最新样本资料向焊接设备厂商洽谈选购。

上述焊接设备系统内的核心设备是焊接电源，对铝及铝合金焊接电源的要求如下：

1)具有可调节的陡降（或内拖）外特性（即恒流特性），如图2-2-7所示。

a) b)

图2-2-7焊接电源外特性曲线

a)陡降外特性b）内拖外特性

2)引弧容易，电弧稳定。

3)具有适应用户网路电压波动的能力，保证焊接工艺参数稳定。

4)故障发生率低，便于使用、维护和维修。

5)能满足用户对焊接过程的程序及控制的特殊要求。

6)价格合理。

焊接电源按其电流种类，有正弦波交流弧焊电源，正弦波交流脉冲弧焊电源、交直流两用弧焊电源、矩形波交流弧焊电源；按其主要器件，有晶闸管式弧焊电源、逆变式弧焊电源，前者已广泛使用，后者高效节能，具有更新换代意义。

国内外TIG焊电源种类繁多，其中之一如图2-2-8所示。该电源特点为数字化、多功能。

图2-2-8 TRITON 220交直流数字化TIG焊接电源