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钨极惰性气体保护电弧焊方法与设备使用

发布日期:2020-08-03 06:35 作者:帝王棋牌 点击:

  钨极惰性气体保护电弧焊方法与设备使用_幼儿读物_幼儿教育_教育专区。焊接方法与设备使用 国家重点培育院校 焊接技术及自动化专业 精品课程 焊接教研室 王立跃 2009.2 任务5 钨极惰性气体保护电弧焊 方法与设备使用(TIG) 重点:①TIG焊的焊材:电

  焊接方法与设备使用 国家重点培育院校 焊接技术及自动化专业 精品课程 焊接教研室 王立跃 2009.2 任务5 钨极惰性气体保护电弧焊 方法与设备使用(TIG) 重点:①TIG焊的焊材:电极、焊丝;② TIG焊工 艺; ③脉冲TIG焊 难点: ①交流TIG焊; ② TIG焊工艺(尤脉冲焊工 艺) 学习建议: ①应把TIG焊与其它焊接方法的特点进 行对比,以促进理解、把握关键;②课本的内容不 够完善,应注意所补充的有关电极、工艺措施、脉 冲TIG焊等有关内容;③通过练习制订相应的焊接 工艺等实践环节来培养和提高工艺能力和经验。 第一节 TIG焊的特点及应用 ? 几个概念: 钨极惰性气体保护电弧焊(tungsten inert-gas arc welding)使用纯钨或活化钨(钍钨、铈钨等)作为电极 的惰性气体保护电弧焊,简称TIG焊, GB/T5185-1985的标 注代号是141。 钨极气体保护电弧焊GTAW(gas tungsten arc welding) 钨极氩弧焊 argon tungsten arc welding(141) 氩弧焊 argon arc welding ? 背景:1930s,航空工业的大发展提出有色金属的焊接要 求,而MMA和SAW不能很好地解决这个问题(此前有原 子氢焊,但氢危险且焊钢时有焊缝增氢问题)。为适应有 色金属的焊接,钨极氩弧焊应运而生。 一、TIG焊的原理(如图) 二、 TIG焊的特点 优点 (1)几乎可以焊接所有的金属或合金 (2)焊接质量好(焊缝纯净、成形好、 热影响区小) (3)适于薄板及打底/全位置 焊接过程动画 (4)无飞溅 缺点 焊接效率低、成本高;对焊 前清理要求严格;需要特殊的引弧 措施;紫外线强烈、臭氧浓度高; 抗风能力差。 三、 TIG焊的应用 材料:多用于有色金属及其合金 厚度:多用于薄件(从生产效率考虑,以3mm以下为宜) 位置:多用于打底(单面焊双面成形),薄件及管-管、管板也用于填充和盖面 第二节 TIG焊的电流种类和极性 TIG焊电流种类和极性计有 直流:正接 反接 交流:正弦交流 变极性方波交流 它们各有不同的特点和适用场合,应正确选择。 一、直流TIG焊 极性 优点 缺点 应用 正接 (DCEN) 反接 (DCEP) 载流能力强、 没有阴极清 熔深大、烧 理作用 损少、引弧 易 用于大多数 的焊接场合 (除Al、 Mg外) 有阴极清理 作用 载流能力弱、 实际很少采 熔深小、烧 用 损严重、引 弧难 正接与反接 焊接效果图 ?钨极电流承载能力及阴极清理作用(阴极雾化作用)的机理 直流正、反接时带电粒子的运动如图: 反接时如左图,工件为阴极, 正离子向工件运动。因阴极区 有很高的电压降,在电场作用 下正离子高速撞击工件(上的 氧化膜),使氧化膜破碎、分 解而被清理掉。又由于阴极斑 点总是优先在氧化膜处形成 (那里电子逸出功低),阴极 斑点又在邻近氧化膜上发射电 子,继而氧化膜又被清除…… 但这时大量电子从工件向钨极运动,把大量能量交给钨极,导致其温度升高而 烧损。要避免烧损,只有减小电流!(电流承载能力通常只有正接的1/10,电流 太小,无实用价值。) 正接时如右图,这时电子向工件运动,虽数量多,但体积、质量太小,不能击 碎氧化膜,没有清理作用。但此时大量电子从钨极上发射,带走大量能量(对钨 极产生冷却作用),所以钨极烧损少、电流承载能力大。 二、交流TIG焊 应用:用于焊接铝、镁、铝青铜等合金 (表面易氧化、氧化膜致密)。 正半周电极烧损降低,负半周获得阴极清 理作用/熔深和钨极的电流承载能力介于 DCEN与DCEP之间(左图)。 交流的电流形式 i i t DCEN i t AC t ⑴正弦波交流 ⑵变脉宽方波交流 ⑶变极性方波交流 正弦波交流:设备简单,但电弧稳定性差(要有特别稳弧措施)、有直流分量(要有 特别措施消除)。 变脉宽方波交流:设备复杂,但电流参数灵活、电弧稳定、钨极烧损少,比正弦波 交流有优势。 变极性方波交流:特点与变脉宽方波交流相同,但更好(因负半周电流大小对阴极 清理作用影响更大) 交流TIG焊由于电弧每秒100次过零点,加上电极(钨)与焊件(钢、 铝等)的物理性质、体积差别巨大,导致正、负半波电流波形严重不 对称(正半波大、负半波小),带来以下问题需要解决: 1、过零点复燃(稳弧) 解决办法:用高压脉冲(≥1500V)稳弧 i 2、回路直流分量的消除 解决办法:在回路中串接电容器(隔直传交) t 除以上的电流形式外,TIG焊还可以用脉冲电流形式(包括直流脉 冲和交流脉冲,将在第五节介绍) 第三节 TIG焊设备 一、分类及组成 分类(略) 组成: 电源 控制系统 引/稳弧装置 焊枪 供气系统 (水冷系统) (自动焊设备还应包括焊接小车和送丝装置) ?编号方法 如WSJ-400、WSM-400、 WSE-400等(各项字母的意 义参见GB/T10249-1988 《电焊机型号编制方法》) (一)焊接电源 直流电源、交流电源、交直流 电源均采用陡降或垂直下降外特 性。陡降外特性的电源与普通电 弧焊的并无多大差别,原则上可 以通用。 多特性电源(我国清华大学 1980s的专利) 逆变电源(发展方向) (二)焊枪及电极 1、焊枪(编号规则见P140) 水冷焊枪QS(大电流焊接用I> 100A ) 如: QS-75/400 气冷焊枪QQ(小电流焊接用I≤ 100A) 如: QQ-85/100-C 结构组成如右图,外观如下图。 喷嘴内径DN、长度l0和钨极直径dw之 间的关系大致为(单位mm): DN=(2.5 ~ 3.5) dw L0=(1.4 ~ 1.6) DN+(7 ~ 9) 喷嘴有陶瓷、纯铜、石英喷嘴。陶瓷 喷嘴焊接电流不能超过350A,纯铜喷 嘴使用电流可达500A。常用的以陶瓷 喷嘴比较多见。 各种形状的喷嘴见右图。 喷嘴孔径与钨极尺寸之间的相 应数值关系大致为: 喷嘴孔径/mm 钨极直径/mm 6.4 0.5 8 1.0 9.5 1.6或2.4 11.1 3.2 2、电极 纯钨----应用最早,适用交流焊接,综合性能欠佳 钍钨----传统电极,综合性能较好,国外多用,有放射性。 铈钨----在低电流下有优良的起弧性能,维弧电流较小,常用于管道、不锈钢 制品和细小精致部件的焊接。放射性剂量极低,在直流小电流时,是钍钨 电极的首选替代品。 镧钨----焊接性能优良,耐用电流高而烧损率低;导电性能接近于2% 钍钨(无论交直流,对习惯了钍钨的焊工,无需改变任何焊接操作程序 就能方便地使用这种钨极,以免受放射性危害)。 锆钨----在交流条件下,焊接性能良好,尤其在高负载电流时,电极端 部能保持圆球状而减少渗钨现象,并有良好的抗腐蚀性。(抗氧化性强, 可用于空气等离子弧切割) 钇钨----焊接时弧束细长,压缩程度大,在中、大电流时其熔深最大。 目前主要用于军事工业和航空航天工业。 复合电极----在钨基中添加两种(以上)稀土氧化物,全面提高电极的 综合性能。(目前未见定型产品,已列入国家新产品开发计划,应密切 关注)。 注意:不同的电极在端部有不同的颜色标记,可据此判断电极的种类 (点击看附表) 补充:1、钨极的端部形状 为适应不同场合的焊接要求,钨极端部要磨成不同的形状,常见 的有(如图):(1)尖锥状 适用于直流(正接),交流亦可 锐角(通常为30°左右)尖锥状----适用于小直径钨极、小电流焊接的 场合 钝角尖锥状(通常 90°) ----适用于大直径钨极、大电流焊接的场合 不同的锥角时电弧的形态和焊缝熔深见上图。 尖锥状的电极为防止尖端烧损,可把尖端磨成一个小平台。 (2)(半)球状 适用于交流焊接 ★打磨钨极应注意使端部形状均匀一致、磨痕方向正确。 2、打磨钨极的安全措施 磨削钨极应采用密封式或抽风式砂轮机(有专用的钨极磨尖 机),焊工应带口罩,磨削完毕,应用肥皂洗净手脸,最好下班 后淋浴。钍钨极和铈钨极应放在铝盒内保存。 ★修磨钨极的方法可参见:国外的钨极磨尖机 威特仕(深圳)焊接有限公司 代理的钨极磨尖机 2、气体 1、氩气----应符合GB∕T4842-1995《纯氩》的要求,纯度 ≥99.99%(V∕V) 焊接用的氩气常以气态形式装于气瓶中。气瓶的最高工作压力 为15MPa,瓶身涂色为灰色并注有绿色“氩”字样。 2、氦气----应符合GB4844.2-1995《纯氦》的要求,纯度≥99.99 %(V∕V)(合格品) 以上均为惰性气体(惰性在此的意义:既不与金属发生反应, 也不溶解于液态金属中) ★TIG焊既可以用纯氩气,也可以用氦气(电弧热量大)但价格昂 贵,同时也可以用混合气体包括惰性混合气(如Ar-He混合气)和 活性混合气(如Ar-CO2等)。 详细?? 3、焊材 TIG焊的焊材主要为实芯焊丝(焊棒rod)。 (1)钢类焊丝 可用的焊丝包括: ①实芯焊丝⑴GB/T14957-1994《熔化焊用钢丝》 ⑵YB/T5092-1996《焊接用不锈钢丝》 ⑶GB/T8110-1995《气体保护电弧焊用碳钢、 低合金钢焊丝》 都可选用,其中GB/T8110-1995被推荐用于钨极气体保护电弧 焊。 ②药芯焊丝(包括GB/T10045-1988《碳钢药芯焊丝》和 GB/T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》) TIG焊有时也可以用药芯焊丝(有专用的TIG焊打底用药 芯焊丝),打底时可以免去反面充氩保护。 (2)有色金属焊丝 1、GB/T10858-1989《铝及铝合金焊丝》 2、 GB/T9460-1988《铜及铜合金焊丝》 3、 GB/T15620-1995《镍及镍合金焊丝》 手工TIG焊时,可以用以上的焊丝截成段,也有商品焊棒。 供气及供水系统 1、供气系统 气瓶(灰色)-减压/流量计-电磁气阀→焊枪 2、水冷系统(用于焊接电流>150A时) 开放式(国产机多见,浪费水) 循环式(进口机多见,节约水) (三)控制系统 控制的功能越来越复杂,不同品 牌的设备其功能不尽相同,但有些功 能是最基本的,如程序控制、引弧、 提前送气/滞后断气、电流衰减等。 控制系统 正向数字化方向发展。 (四)典型TIG焊设备(略) 第四节 TIG焊工艺 ? 钨极惰性气体保护焊通用技术要求 参见JB/T9185-1999《钨极惰性气体保护焊 工艺方法》(规定 了钨极惰性气体保护焊的接头与坡口设计、材料、焊接工艺等) 一、坡口形式及尺寸 (可参考JB/T9185-1999 的相关内容和GB/T985-1988《气焊、焊 条电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》来选定) 二、焊前清理 氩弧焊时,对材料的表面质量要求很高,焊前必须经过严格清 理,清除填充焊丝及工件坡口和坡口两侧表面至少20mm范围内的 油污、水分、灰尘、氧化膜等。 清理方法:(1)去油污、灰尘----有机溶剂或专用清洗液清洗 (2)除氧化膜----机械清理或化学清理 三、TIG焊接工艺 (一)焊接工艺参数及选择 TIG焊的焊接工艺参数主要包括:焊丝直径、钨极直径、焊接 电流、焊接电压、气体流量、(填丝速度)、(焊接速度)等。 1、钨极直径:根据焊接电流来选择。以下经验数据可供参考: 钨极直 径/mm 1.0 1.0 1.6 1.6 2.4 2.4 3.2 3.2 尖端直 径/mm 0.125 0.25 0.5 0.8 0.8 1.1 1.1 1.5 尖端角 度(o) 12 20 25 30 35 45 60 90 恒定电流 2~15 5~30 8~50 10~70 12~90 15~150 20~200 25~250 电流/A 脉冲电流 2~25 5~60 8~100 10~140 12~180 15~250 20~300 25~350 电极尖端角度的选择可参考下表数据 电极顶角对熔宽的影响 (2%钍钨电极Φ 2.4mm,弧长 1.3mm,氩气流量19L/min,焊 速7.5cm/min,母材厚12.7mm) 电极顶角对熔深的影响 (2%钍钨电极Φ 2.4mm,弧长 1.3mm,氩气流量 19L/min,焊 速7.5cm/min,母材厚12.7mm) ?不同气体/钨极端部条件下的焊缝熔深 2、焊丝直径:约等于钨极直径(手工操作)或参考以下经验数据 焊接电流 (A) 10~20 焊丝直径 (mm) ~ 1.0 20~50 ~ 1.6 50~100 100~200 200~300 1.0~2.4 1.6~3.0 2.4~4.5 3、焊接电流:综合考虑材质、板厚、焊接位置来选择。以下是一些经验数据可 供参考。 焊接 电流(A) 10~100 101~150 151~200 201~300 201~500 直流正极性 喷嘴孔径/mm 流量/L.min-1 4~9.5 4~5 4~9.5 4~7 6~13 6~8 8~13 8~9 13~16 9~12 交 喷嘴孔径/mm 8~9.5 9.5~11 11~13 13~16 16~19 流 流量/ L.min-1 6~8 7~10 7~10 8~15 8~15 4、焊接电压:通常20V(氩弧的电压较低且TIG焊所用的电弧长度较短) 5、气体流量:为获得最佳的保护效果,气体流量与喷嘴孔径的关系有一 定的规律且交流焊接比直流焊接所需的流量大。 焊接参数的选择可参考下表数据 焊接速度对熔深和焊道形状的影响 1—正常焊道 2—不均匀焊道 (WTh2%,Φ 3.2mm,焊接电流320A,直流正接,电弧长 度2mm,θ 为钨极顶角角度) 焊接电流、焊接速度和焊道形状的关系 1—正常焊道 2—咬边焊道 3—不均匀焊道 (母材为奥氏体不锈钢,直流正接) 氩气流量与保护效果的关系 1—喷嘴直径19mm ; 2—喷嘴直径 13mm 气体流量和横风对保护效果的影响 实线—层流 虚线—紊流 保护气体流量和风速的关系 (氩气喷嘴直径16mm,喷嘴与母材距离15mm) (二)焊接工艺措施 1、选材:对结构钢,按等强原则选择焊接材料,对不锈钢、 铝及铝合金等主要考虑化学成分。 ①焊丝的化学成分应与母材的性能相匹配,严格控制其化学 成分、纯度和质量。主要化学成分应比母材稍高,以弥补高温的 烧损。 ② TIG焊使用钢焊丝时应尽量选专用焊丝,以减少主要化学成 分的变化,保证焊缝一定的力学性能和熔池液态金属的流动性,获 得良 好的焊缝成型,避免产生裂纹等缺陷。 ③ TIG焊使用有色金属焊丝焊铜、铝、镁、钛及其合金时应 注意成分相符。有时可将与母材成分相同的薄板剪成小条当焊丝。 2、不锈钢、铝及铝合金等打底时必须进行反面保护(常用 的办法是通氩保护,对不锈钢也可用药芯焊丝打底)。 3、如焊机无高频引弧装置,不能直接在工件上引弧,要在 垫板上引弧。 ★对于碳钢、低合金结构钢的焊接,板厚3mm时,建议用 其它焊接方法焊接或用TIG焊打底,用其它焊接方法填充盖面。 ★对于不锈钢的焊接,如板厚3mm,建议用MMA、MAG 或SAW焊接;如需打底,建议用TIG打底,其它方法填充盖面。 ★对于铝及铝合金的焊接,薄板可用全TIG焊,中厚板建议 以TIG打底,MIG填充盖面。 ★打底最好用脉冲TIG焊。 ★附加保护的措施也可参见(P151-152) 第五节 TIG焊的其它方法 一、脉冲TIG焊(argon tungsten pulsed arc welding) 使用脉冲电流(通常多用方波),分直流脉冲TIG焊和交流脉冲TIG焊。 i i t t 直流脉冲电流波形 交流脉冲电流波形 (一)脉冲钨极氩弧焊的特点 1、脉冲式加热,高温停留时间短、金属冷凝快,易于焊接热敏感材料; 2、热输入小、电弧能量集中、HAZ小,利于薄板焊接; 3、可精确控制热输入及熔池尺寸,适于单面焊双面成形和全位置焊; 4、高频电弧震荡利于细化晶粒、消除气孔,提高接头性能; 5、适合高速焊、提高生产率。 ☆应用:一般用于打底或薄件的焊接 焊接过程动画 (二)直流脉冲参数及选择 参数:直流脉冲TIG焊的参数与普通直流TIG焊的基本相同,只是电流变为 脉冲电流(有四个基本参数,可分别独立调节)。 i 峰值电流Im 基值电流Ij 基值时间tj 峰值时间tm t 几个概念:周期T= tm + tj 频率=1/T 占空比= tm /T 幅比= Im / Ij 脉冲氩弧焊参数,参数选择原则及步骤如下: 对一定板厚,有一个合适的通电量(Im tm),而最佳值Im取决于材料的种类, 可近似认为与工件厚度无关(如钢类约为150A)。一般步骤通常是先根据材料种类 选择Im,然后以板厚决定tm。当焊薄板时,Im值应选得稍低,同时适当延长tm;焊 接厚板时,Im应选得稍高,并适当缩短tm。Ij一般为Im的10% ~ 20%,tj为tm的1~ 3 倍,即tj =(1~3) tm、 Ij = (10~20)% Im。 。 幅比、占空比的值较大时,脉冲特点较显著有利于克服热裂纹,但过大会增加 咬边倾向。 脉冲电流频率超过5KHZ电弧具有强烈的电磁收缩效果,对焊接有利。 焊接速度和脉冲频率要相互匹配(尤自动焊),使焊点之间有一定的相互重 叠量,常用频率可参照下表,一般低于10HZ。 焊接 手工 下列焊接速度(cm/min)的自动脉冲钨极氩弧焊 方 法 TIG焊 20 28 37 38 频率f 1~2 ≥3 ≥4 ≥5 ≥6 脉冲TIG焊参数实例(下二表,上:直流正接;下:交流) 材料 板厚 Im(A) Ij (A) Tm(S) tj (S) 频率(Hz) 焊接速度(cm/min) 不锈钢 0.3 20~22 5 ~ 8 0.06 ~ 0.08 0.06 8 不锈钢 0.8 85 10 0.12 0.08 5 50 ~ 60 80 ~ 100 材料 板厚 mm 焊丝直径 mm Im(A) Ij (A) 脉宽比% 频率Hz 电弧电压 v 5A03 1.5 2.5 80 45 33 1.7 14 5A03 2.5 2.5 95 50 33 2 15 气体流量 L/min 5 5 脉冲TIG焊工艺参数的确定还可 各 以参考以下的数据。 种 材 料 脉 冲 TIG 焊 时 脉 冲 电 流 参 数 的 选 择 脉冲电流和基值电流的组合 对焊缝成形的影响 I p—脉冲电流 I b—基值电流 脉冲幅比与脉冲频率的合理关系 不同板厚的焊缝咬边与脉冲幅比 及脉冲宽比的关系 (母材1Cr18Ni9Ti) 二、热丝TIG焊(hot wire TIG welding) 焊丝在送入熔池之前经过加热的 TIG焊。 可在提高熔敷效率的同时降低对 焊缝的热输入。 多用于窄间隙焊和TIG堆焊(多 为自动焊)。 熔敷速度可比通常所用的冷丝提高2倍。 用交流电源加热填充焊丝,以减少磁偏吹。焊丝最大直径限为1.2mm。 焊丝过粗,对防止磁偏吹不利。 已成功用于碳钢、低合金钢、不锈钢、镍和钛等的焊接。 管-管与管-板焊接 管-管焊接如上图右。 管管管板的全位置自动焊接已发展成为TIG焊的一项专门技术,在管道、容器 的焊接上获得了广泛的应用。按不同的位置分区改变电流或焊接速度的程序控制, 有专门的焊机。 有关管-管、管-板(自动)焊请参看“网络课程”的有关内容。 ★安全技术 有害因素 放射性:钍钨极中的钍有放射性,剂量很 小。微粒进入人体成为内放射源,则会严重 影响身体健康。 高频电磁场:由于时间很短,对人体影 响不大。 有害气体:臭氧和氮氧化物。 紫外线辐射:强度远大于焊条电弧焊, 在焊接过程中会产生大量的臭氧和氧化物。 ╋安全防护措施 ①通风措施 ②尽可能采用铈钨极 ③钍钨极的铈钨极加工时,应采用密封 式或抽风式砂轮磨削,操作者应配戴口罩、 手套等个人防护用品,加工后要(用肥皂) 洗净手脸最好下班后淋浴。 钍钨极和铈钨极应放在铝盒内保存。 ④屏蔽高频电磁场 ⑤其他个人防护措施:如穿戴非棉布工 作服(如耐酸呢、柞绸等)。

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