钨极惰性气体保护焊（TIG）

钨极惰性气体保护焊（TIG）

一、钨极气体保护电弧焊的特点和应用

（一）钨极气体保护电弧焊的特点

钨极气体保护电弧焊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母材和填充焊丝的焊接方法。焊枪的运动靠手工操作的是手工钨极气体保护电弧焊，填充焊丝和焊枪的运动全靠机械完成的，俗称自动钨极气体保护电弧焊。按其所用的惰性气体的种类又分钨极氩弧焊和钨极氦弧焊。由于氦的价格很贵，常用的是钨极氩弧焊。这种焊接方法的优点是;除低熔点易蒸发的锌、铅等以外，几乎可焊接所有金属。钨极电弧即使在很小的焊接电流下仍很稳定，特别适于薄板的焊接。电弧的加热和焊丝填充可分别控制，热输入容易调节，可进行各种位置的焊接，更是单面焊双面成形的较好方法。填充焊丝不通过电弧，不产生飞溅，焊缝成形美观。缺点是∶熔深较浅，熔敷速度慢，生产率较低。钨极承载电流的能力较差，过大电流会使钨极熔化产生夹钨缺陷。惰性气体较贵，生产成本较高。

（二）钨极氩弧焊的应用

钨极氩弧焊在锅炉压力容器压力管道制造和安装中，应用在要求单面焊背面成形的全焊透焊缝焊接或打底焊，或是无法双面焊焊缝的打底焊，尤其薄件的焊接（通常厚度在0.5~3mm），其焊缝返修清除缺陷时已将全厚度贯穿，又无法进人内部焊补时的焊接或打底焊，以及铜、铝、钛、镍、锆及其合金的焊接。

钨极氩弧焊在长期的应用过程中派生出许多新的工艺方法，如为了解决生产率较低等缺点，出现了双面同步、背面自保护、热丝、活性化钨极气体保护焊和超声、激光-氩弧复合焊等先进技术。

二、钨极惰性气体保护焊设备的组成

TIG焊设备包括弧焊电源、控制系统、焊枪、供气系统和水冷系统等，对于自动TIG焊还应包括焊接小车行走机构及送丝装置。

手工焊时，焊枪的运动和焊丝的送进均由焊工左右手协调操作。自动焊时，分别通过焊枪或工件移动装置及送丝机构完成这两个动作。手工钨极气体保护焊设备如图3-57所示。新型直流ITIC焊设备及方波交流TIG焊设备中，控制系统等已经和焊接电源合为一体。普通交流TIC焊设备中，仍将控制系统、引弧装置、稳弧装置及隔直装置等单独安装在一个控制箱内。

1.焊接电源

焊接电源分为交流电源、直流电源、交直流两用电源。由于电弧工作部分是水平或略上升的，为稳定焊接电流，都要求有陡降（恒流）外特性的弧焊电源。

直流电源有直流弧焊发电机、弧焊整流器、晶体管电源、逆变电源等。交流电源有正弦波或方波交流电源，正弦波可选用一般的弧焊变压器，只是比焊条用交流焊机增加引弧、稳弧及消除直流分量等装置。而方波交流弧焊电源须由降压变压器和晶闸管整流桥组成，由于过零点电流变化快，引弧容易，无须稳弧装置。

氩弧焊用手工直流电源的焊机型号如WS-315，脉冲焊机如 WSM-500，铝镁合金氩弧焊用交流焊机如NSA-500。

2.控制系统

由引弧器、稳弧器、行车（或转动速度控制器）、程序控制器、电磁气阀和水压开关等构成。

（1）TIG对控制系统的要求

1）起弧前，必须能提前5~10s送气，以排除气管内和焊接区的空气。灭弧后应滞后5~15s 停止送气，以保护尚未冷却的钨极和熔池。

2）应自动控制引弧器、稳弧器的启动和停止。

3）焊接开始时，电流从较小的引弧电流逐渐上升到焊接电流。焊接即将结束时，焊接电流应能自动地衰减，直至电弧熄灭，衰减时间的长短可调节。

4）自动TIG焊电弧引燃后即进入焊接，焊枪的移动和焊丝的送进应同时协调地进行。

（2）引弧器TIG焊的引弧方式有接触引弧和非接触引弧。非接触引弧主要有高频引弧、高压引弧两种。

采用高频振荡器，输出电压为2000~3000V，频率为150~260kHz的高频高压电击穿钨极与工件之间的气隙（约3mm左右），达到引燃目的。但高频振荡产生的电磁波对电源和控制电路的正常工作有干扰作用，甚至损坏器件，对人体健康也不利，因此在引弧后应及时关闭且采取隔离屏蔽措施。

高压脉冲引弧方式是通过升压变压器的升压和晶闸管的控制，在钨极与焊件之间输出电压为2000~3000V的高压脉冲，加强阴极发射电子及两极间气体介质电离而实现引弧。

（3）稳弧器 用交流正弦波TIG焊时，为保证电弧稳定燃烧，须采用稳弧器稳弧。此时引弧脉冲和稳弧脉冲可共用一套脉冲发生器，但应有各自的触发电路。交流矩形波TIG焊无需稳弧装置。

3.焊枪

焊枪的作用是夹持钨极、传导焊接电流和输送保护气体。

目前国内使用的焊枪分气冷式和水冷式两种。气冷式焊枪用于小电流（一般≤100A）焊接，其冷却作用主要是由保护气体的流动来完成，且质量轻、尺寸小、结构紧凑及价格比较便宜。水冷式焊枪用于大电流（>100A）焊接，结构比较复杂，比气冷式重而贵，其结构

自动TIG焊用的是水冷、笔式的焊枪，其内部结构与手工TIG焊焊枪相似。TIG焊枪的标志由形式符号及主要参数组成。焊枪的形式符号由两位字母表示，如QQ表示气冷，QS表示水冷，形式符号后面的数字表示焊枪参数。如∶

焊枪结构设计合理与否，不仅影响保护焊枪的使用性能，而且影响保护效果和焊缝质量。因此 TIG焊枪应满足下列要求∶能可靠地夹持电极，并具有良好的导电性能。从喷嘴喷出的保护气体具有良好的流态，保护效果可靠，具有良好的冷却性能，可靠性好，便于操作，结构简单、重量轻、耐用且维修方便。

目前生产中使用的喷嘴截面形式有三种∶圆柱形、收敛形、扩散形。各种形状的喷嘴相比较，圆柱形喷嘴保护效果最好，且便于操作，应用较普遍。收敛形喷嘴次之，但收敛形喷嘴的电弧可见度好。扩散形通常用于熔化极气体保护焊。喷嘴内表面应保持清洁，以免影响保护效果。

TIG焊常用电极材料为钍钨，它具有导电性好，载流能力强，并有较好的引弧性能，但价格较贵，放射性也大;而铈钨电极放射性小些。

常用的喷嘴材料有陶瓷、纯铜和石英三种。高温陶瓷喷嘴既绝缘又耐热，应用广泛，一般用于焊接电流≤300A时的焊接。纯铜喷嘴焊接电流可达500A，需用绝缘套将其与导电部分隔离，石英喷嘴透明，焊接可见度好，但价格较贵。

4.供气系统与水冷系统

（1）供气系统 一般钨极氩弧焊时，供气系统由氩气瓶、气体减压阀、气体流量计、电磁气阀和软管等组成，如图3-59所示。气体减压阀将高压气瓶中的气体压力降至焊接所要求的压力，气体流量计用来调节气体流量大小，电磁气阀用以控制保护气流的通断。

氩气瓶结构与氧气瓶一样，标称容量为40L，满瓶公称压力为15.2MPa，气瓶外涂蓝灰色，并标以"氩气"字样。减压阀和流量计一般是一体式，使用方便可靠。电磁气阀有交流和直流两种，通常采用AC36V、AC110V交流电磁气阀，或DC24V、DC36V直流电磁气阀，电磁气阀的开与关由控制电路决定。输送氩气的软管一般采用聚氯乙烯塑料软管，其颜色为黑色。

如果采用以氩气为主的富氩混合保护气体进行焊接，还要采用气体配比器，把两路或者三路不同的保护气体接入配比器的进气端通过调节得到合适的混合气体。

（2）水冷系统 水冷系统主要用来冷却焊接电缆、焊枪和钨棒。对于焊接电流小于100A时，就不用水冷。为保证冷却水可靠接通并有一定的压力才能起动焊机，通常在TIG设备中设有保护装置--水压开关。

三、TIG 焊焊接参数的选择

TIC焊的参数主要有∶电源的种类及极性、焊接电流、电弧电压（电弧长度）、焊接速度、填丝速度与焊丝直径、保护气体种类、流量和喷嘴孔径、电极直径和端部形状、喷嘴与工件的距离和钨极伸出长度等。当材料确定后，焊接参数的确定应以其相应的焊接工艺试验结果或焊接工艺评定结果为依据，再进行适当的调整后才能使用。

1.电流的种类及极性

不同的电流种类及极性具有不同的工艺特点，适用于不同材料的焊接。应根据工件的材料选择电流种类及极性。钨极氩弧焊的焊接电流有三种∶交流、直流、程序电流。各种电流的适用范围如下。

交流∶焊接铝、镁及其合金，焊接带氧化膜的铜。

直流∶正极性可以焊接几乎所有的黑色金属和除铝、镁及其合金外的有色金属。除了铝、镁及其合金的薄件外，很少采用直流反接法。

程序电流（脉冲电流技术）;控制和改善焊根和焊道成形，改善熔深、晶粒尺寸及特殊位置的焊接。

2.焊接电流大小选择

焊接电流是决定焊缝熔深的最主要焊接参数，电流大小选择应根据施焊母材金属的特性、焊件厚度、接头形式和焊接位置以及钨极所能承受的电流极限等来确定。钨极所能承受的电流范围见表3-24。过大或过小的焊接电流都会使焊缝成形不良或产生焊接缺陷。

3.电弧电压的选择

在焊接电流种类及所用保护气体等相同的情况下，电弧电压主要由弧长来决定，弧长越长，焊缝的宽度增加，熔深稍减小。电弧太长时，容易引起未焊透和咬边等缺陷，同时保护效果也不好;电弧太短时，很难看清熔池，且送丝时容易碰到钨极而引起钨极烧损。一般在保证不短接的情况下，应尽量采用较短的电弧进行焊接。

不加填充焊丝焊接时，弧长控制在1～3mm间，加焊丝时弧长约3～6mm。

在相同的电弧间隙下，氦比氩能产生更大的压降，两者相差4V。因此采用氦气保护可获得更深的熔深。另外，电极端头的几何形状影响电弧电压的大小。电极端头到焊件距离相同条件下，较尖的锥形电极的焊接电压要高些，熔深较大。

4.焊接速度的选择

电弧穿透深度与焊接速度成反比。金属导热性、工件厚度和尺寸是选择焊接速度的主要因素。改变焊接速度的目的是保持恒定电弧穿透力所要求的恒定能量。焊接速度影响焊接线能量、熔深和熔宽。通常根据板厚选择焊接速度，为了保证获得良好的焊缝成形，焊接速度应与焊接电流、预热温度及保护气体的流量相匹配。焊接速度太快易出现未焊透、咬边等缺陷，焊接速度太慢，会出现焊缝太宽、烧穿及焊件变形严重等缺陷。

确定焊接速度一般应遵循以下原则∶焊接铝等高导率金属时，为了减小变形，应采用比母材导热速度快的焊接速度;焊接有热裂纹倾向的合金不能采用高速焊接;焊接速度直接影响熔池的尺寸，在非平焊位置时只能是较小的熔池，应适当提高焊接速度。

5.填丝速度与焊丝直径的选择

焊丝的填丝速度与焊丝直径、焊接电流、焊接速度、接头间隙等因素有关。一般焊丝直径大时送丝速度慢。焊接电流、焊接速度、接头间隙大时，送丝速度快。送丝速度选择不当，可能造成焊缝出现未焊透、烧穿、焊缝凹陷、焊缝堆高太高、成形不光滑等缺陷。

焊丝直径与焊件厚度及接头间隙有关。当板厚及接头间隙大时，焊丝直径可选大些。焊丝直径选择不当，可能造成焊缝出现未焊透、焊缝堆高过高、成形不良等缺陷。

6.保护气体种类、流量和喷嘴直径的选择

在确定喷嘴孔径和保护气体流量时要考虑焊接电流种类大小极性、弧长、钨极伸出长度、焊接速度及接头形式等因素的影响。在一定的条件下，喷嘴孔径和保护气体流量有一个最佳范围，这时保护效果最好，且有效保护区也最大。如果气体流量过低，气流挺度差，排除空气能力弱，保护效果不好。若流量太大，则易形成紊流使空气卷入，也降低保护效果。电流种类大小极性与喷嘴孔径和保护气体流量的关系见表3-25。

喷嘴孔径的大小直接影响保护区的范围，直径过大，浪费保护气体。当气体流量一定时，喷嘴孔径过大，气体流速过低、挺度小，保护不好，而且影响焊工的视野。孔径过小，影响保护

喷嘴孔径也可按经验公式选取。

D=(2.5~3.5)d

式中     d---钨极直径（mm）;

        D---喷嘴直径（mm）。

        保护气体流量可按经验公式选取。

式中     Q---保护气体流量（L/min）;

        D---喷嘴直径（mm）;

        K---系数，K=0.8~1.2（大喷嘴，取上限;小喷嘴，取下限）。

对有些金属可通过焊后焊接接头金属的表面颜色来判断保护气体的效果，不同材料不同保护，不同材料不同保护效果下的颜色见表3-26。

7.电极直径和端部形状的选择

钨极直径的选择取决于焊件厚度、焊接电流、电流种类和极性。钨极直径越大，许用电流越大。直流正接时，钨极载流能力最大，直流反接时载流能力最小，交流时载流能力介于直流正接和直流反接之间。

原则上应尽可能选择小的电极直径来承担所需要的焊接电流。此外，钨极的许用电流还与钨极的伸出长度及冷却程度有关，如果伸出长度较大或冷却条件不良，则许用电流下降。

钨极直径和端部的形状影响电弧的稳定性和焊缝成形，因此 TIC焊应根据焊接电流大小来确定钨极的形状。在焊接薄板或焊接电流较小时，为便于引弧和稳弧可用小直径钨极并磨成20°的尖锥角。电流较大时，电极锥角磨成钝角或平顶锥形，这样有利于电弧集中减小弧柱扩散。采用交流TIG焊时，钨极末端磨成半球状，随着电流的增加球径也随之增大，最大为钨极半径。

8.钨极的伸出长度

露在喷嘴外面的钨极长度为钨极的伸出长度。伸出长度过大时，钨极易过热，焊缝保护效果差;伸出长度太小时，影响焊工的视线，且妨碍操作。一般对接接头时钨极的伸出长度在5～6mm，T形接头钨极的伸出长度在7～8mm。

9.喷嘴离焊件的距离

喷嘴离焊件的距离要与钨极的伸出长度相匹配，控制在8～14mm之间。距离过小，影响操作者视线，易导致钨极与熔池短路，产生夹钨并降低钨极寿命;距离过大，气体保护效果差，电弧不稳定。

四、TIG 焊操作技术

TIG焊可分为手工，TIG焊和自动TIG焊两种，其操作技术的正确与熟练程度是保证焊接质量的重要前提。由于焊件厚度、施焊姿势、接头形式等条件不同，操作技术也不尽相同。下面主要介绍手工TIG焊基本操作技术。

1. 引弧

引弧方式有接触引弧和非接触引弧两种。接触引弧有短路引弧和诱导引弧，非接触引弧有高频振荡引弧和高压脉冲引弧。特种设备焊接大多采用非接触引弧方式。这种引弧方式可靠性高，且由于钨极不与焊件接触，不会导致短路而烧损钨极，焊缝夹钨缺陷的可能性降低。接触引弧为了避免焊接缺陷可采用碳棒短路或加引弧板。

引弧前，应提前5～10s送气，电弧引燃后，焊枪停留在引弧位置处不动，当获得一定大小、明亮清晰的熔池后，立即往熔池里填丝，开始焊接。

2.焊接

焊接时，为了得到良好的气体保护效果，在不妨碍视线的情况下，应尽量缩短喷嘴到焊件的距离，采用短弧焊接，一般弧长4～7mm。焊枪与焊件角度的选择也应以获得好的保护效果，便于填充焊丝为准。平焊，横焊或仰焊件，多采用左焊法。要注意保持电弧一定高度和焊枪移动速度的均匀性，以确保焊缝熔深、熔宽的均匀，防止产生气孔和夹杂等缺陷。为了获得必要的熔宽，焊枪除作匀速度直线运动外，允许做适当的横向摆动。厚度小于4mm 的薄板立焊时采用向上或向下焊均可，板厚大于4mm 的焊件，多采用向上立焊。在需要填充焊丝时，焊丝直径一般不得大于4mm，因为焊丝太粗易产生未焊透现象。

各种位置焊枪焊丝和工件的相对位置如图3-60所示，自动送丝TIG 焊置焊枪焊丝和工件的相对位置如图3-61所示。

3.运弧和填丝

钨极氩弧焊的送丝方式分三种∶手工送进、送丝机自动送进、焊前预置填充焊丝。手工钨极氩弧焊焊接时，可采用断续送丝和连续送丝两种。

按焊丝和焊枪的位置分为同侧和异侧送丝，通常情况下都采用操作方便、简单的同侧送丝，异侧送丝方式常在送丝操作位置受限或仰位、立仰位置焊缝易出现内凹时采用。送丝动作以左手拇指、食指、中指捏焊丝，一点一点地向熔池前边缘点进，然后撤回，焊丝末端应经始终处于氩气保护区内，重复动作，如图3-62所示。

预置填充焊丝要求焊丝直径稍大于坡口间隙，紧贴坡口根部，同时熔化坡口钝边和焊丝，适用困难位置的焊接。但容易产生根部未焊透。

4.接头

焊接接头连接处的质量往往不易保证。焊接过程中应尽量减少停弧，减少"冷接头"次数。首先要计划好焊丝长度，不要在焊接过程中频繁更换焊丝。为了避免焊丝抖动，握焊丝处距焊丝末端不宜过长，否则会增加接头的次数，特别是焊接长焊缝时，接头机会更多。为了解决定这一矛盾，可使用不停弧"热接头"的方法，防止因冷收缩而产生缩孔，以保证接头质量。这种方法是当需要变更握丝位置而出现接头时，先将焊丝末端和熔池相接触，同时将电弧稍作后移或引向坡口一边，待熔池凝固与焊丝端粘在一起的刹那间，迅速变换握丝位置。完成这一动作后，将电弧立即恢复原位，继续焊接。采用"热接头"法，既能保证质量，又可提高工效，但要求操作技术熟练，动作快而准。

5.气体保护

焊接时，为了加强保护气体保护效果，提高焊缝质量，还可采取以下措施∶

（1）加挡板 接头形式不同，氩气的保护效果也不相同。对接平焊和内角接焊时保护效果较好，当进行端接和外角焊时保护气体易被破坏。为了改善保护效果，可采取预加挡板的方法。同时加大保护气体流量和灵活控制焊枪相对于焊件的位置等方法来提高气体保护效果。焊接接头形式对气体保护效果的影响如图3-63所示。

（2）扩大正面保护区 焊接容易氧化的金属及其合金（如钛合金）时不仅要求保护焊接区，而且对处于高温的焊缝段及近缝区表面也需要进行保护。这时单靠焊枪喷嘴中喷出的气层保护是不够的。为了扩大保护区范围，常在焊枪喷嘴后面安装附加喷嘴，也称拖斗，如图3-64所示。附加喷嘴里可另外供气也可不另外供气。用于焊接较厚的不锈钢和耐热合金材料时，可不另外供气，而利用延长喷嘴喷出的气体在焊缝上停留的时间，达到扩大保护范围的目的，如图3-64a所示。这种拖斗耗气不大，比较经济。用于焊接钛合金时，则需另外供气，且在拖斗里安装气筛，使氩气在焊接区缓慢平稳地流动，以利于提高保护效果，如图3-64b所示。

（3）反面保护 对一些不允许焊缝反面氧化的材料，这时就要求在焊接过程中对焊缝反面也进行保护，如图3-65所示，当焊接不锈钢或钛合金的小直径圆管或密闭的焊件时，可直接在密闭的空腔中送进氩气以保护焊缝反面。对于大直径筒形件或平板构件等，可用移动式充气罩。或在焊接夹具的钢垫板上开充气槽，以便送进氩气对焊缝反面保护。通常反面氩气流量是正面氩气流量的30%~50%。

6.收弧

焊缝在收弧处要求不存在明显的下凹及产生气孔与裂纹等缺陷。为此，在收弧处应多添加填充焊丝使弧坑填满，这对于焊接热裂纹倾向较大的材料，尤为重要。此外，还可采用电流衰减方法和逐步提高焊枪的移动速度或工件的转动速度，以减少对熔池的热输入来防止裂纹。在焊接对接直焊缝时，通常采用引出板。

熄弧后，不要立即抬起焊枪，要使焊枪在焊缝上停留3~5s，待钨极和熔池冷却后，再抬起焊枪，停止供气，以防止焊缝和钨极受到氧化。至此焊接过程便告结束，应关闭焊机，切断水、电、气路。

五、钨极氩弧焊常见的缺陷和防止措施

钨极氩弧焊常见的缺陷有气孔、夹钨、未熔合、未焊透、咬边、焊瘤及焊缝成形不良等，它们产生的原因及防止措施见表3-27。