钨极氩弧焊的特种类型及应用
1 钨极氩弧焊的特种类型及应用
1 ．1 钨极氩弧点焊
(1) 优缺点 钨极氩弧点焊的原理如图1所示，焊枪端部的喷嘴将被焊的两块母材压紧，保证连接面密合，然后靠钨极和母材之间的电弧使钨极下方金属局部熔化形成焊点。适用于焊接各种薄板结构以及薄板与较厚材料的连接，所焊材料目前主要为不锈钢、低合金钢等。
图 1 钨极氩弧点焊示意图
1 - 钨极 2 - 喷嘴 3 - 出气孔 4 - 母材 5 - 焊点 6 - 电弧 7 - 氩气
和电阻点焊比较，它有如下优点：
1) 可从一面进行点焊，方便灵活。对于那些无法从两面操作的构件，更有特别的意义。
2) 更易于点焊厚度相差悬殊的工件，且可将多层板材点焊。
3) 焊点尺寸容易控制，焊点强度可在很大范围内调节。
4) 需施加的压力小，无需加压装置。
5) 设备费用低廉，耗电量少。
缺点是：
1) 焊接速度不如电阻点焊高。
2) 焊接费用 ( 人工费、氩气消耗等 ) 较高。
(2) 焊接工艺 焊前清理的要求和一般的钨极氩弧焊一样。
焊接既可采用直流正接，也可用交流电源辅加稳弧装置，通常都用直流正接，因为它比交流可以获得更大的熔深，可以采用较小的焊接电流 ( 或者较短的时间 ) ，从而减少热变形和其他的热影响。
引弧有两种方法：
1) 高频引弧。依靠高频高压击穿钨极和工件之间的气隙而引弧。
2) 诱导电弧引弧。先在钨极和喷嘴之间引起一小电流 (约5A) 的诱导电弧。然后再接通焊接电源。诱导电弧由一个小的辅助电源供电。
目前最常用的是高频引弧。
通过调节电流值和电流持续时间控制焊点尺寸。增大电流和电流持续时间都会增加熔深和焊点直径，减小这些焊接参数则产生相反的效果。所以除了焊接电流外，焊接持续时间也必须采用精确的定时控制。
电弧长度也是一个重要参数。电弧过长，熔池会过热并可能产生咬边；电弧太短，母材膨胀后会接触钨极，造成污染。
为了防止焊点表面过度凹陷和产生弧坑裂纹；点焊结束前使电流自动衰减或者进行二次脉冲电流加热。当焊点加强高要求严格时，可往熔池输送适量的填充焊丝。
表1列出了不锈钢钨极氩弧点焊的焊接条件例。
表1Crl8Ni9Ti 钢钨极氨弧点焊焊接条件例 (直流正接)
|
材料厚度/mm |
焊接电流／A |
焊接时间／s |
二次脉冲电流／A |
二次脉冲时间／s |
保护气体流量 /L·min-1 |
焊点直径／ mm |
|
0.5+0.5 |
80 |
1.03 |
80 |
0.57 |
7.5 |
4.5 |
|
0.5+0.5 |
100 |
1.03 |
100 |
0.57 |
7.5 |
5.5 |
|
2+2 |
160 |
9 |
300 |
0.47 |
7.5 |
8 |
|
2+2 |
190 |
7.5 |
180 |
0.57 |
7.5 |
9 |
|
3+3 |
180 |
18 |
280 |
0.69 |
7.5 |
10 |
|
3+3 |
160 |
18 |
280 |
0.69 |
7.5 |
11 |
注： 1 ．加入二次脉冲电流前电弧熄灭一段时间。
2 ．电弧长度约 0.5 ～ 1.0mm 。
(3)设备 钨极氩弧点焊专用设备与一般钨极氩弧焊设备不同处在具有特殊控制装置和点焊焊枪。控制装置除能自动确保提前输送氩气，通水，起弧外，尚有焊接时间控制，电流自动衰减以及滞后关断氩气等功能。
除专用设备外，普通手工钨极氩弧焊设备中增加一个焊接时间控制器及更换喷嘴，也可充当钨极氩弧点焊设备。
1 ．2 热丝钨极氩弧焊
(1) 工作原理 热丝钨极氩弧焊原理如图2 所示。填充焊丝在进入熔池之前约10cm处开始，由加热电源通过导电块对其通电，依靠电阻热将焊丝加热至预定温度，与钨极成40°～ 60°角，从电弧后面送入熔池，这样熔敷速度可比通常所用的冷丝提高2 倍。热丝和冷丝熔敷速度的比较如图 3 所示。
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图 2 热丝钨极氩弧示意图 |
图 3 钢钨极氩弧时冷丝和热丝可允许的熔胡敷速度 |
热丝钨极氩弧焊时，由于流过焊丝的电流所产生磁场的影响，电弧产生磁偏吹而沿焊缝作纵向偏摆。为此，用交流电源加热填充焊丝，以减少磁偏吹。在这种情况下，当加热电流不超过焊接电流的 60％时，电弧摆动的幅度被限制在 30°左右。为了使焊丝加热电流不超过焊接电流的 60 ％，通常焊丝最大直径限为 1.2mm 。如焊丝过粗，由于电阻小，需增加加热电流，这对防止磁偏吹是不利的。
热丝焊接已成功用于碳钢、低合金钢、不锈钢、镍和钛等。对于铝和铜，由于电阻率小，要求很大的加热电流，从而造成过大的电弧磁偏吹和熔化不均匀，所以不推荐热丝焊接。
(2) 热丝氩弧焊机由以下几部分组成：直流氩弧焊电源，预热焊丝的附加电源通常用交流居多，送进焊丝的送丝机构以及控制、协调这三部分之间的控制电路。
为了获得稳定的焊接过程，主电源还可采用低频脉冲电源。在基值电流期间，填充焊丝通入预热电流，脉冲电流期间焊丝熔化，见图 4 。这种方法可以减少磁偏吹。脉冲电流频率可以提高到 100Hz 左右。一种更为理想的方法是用一台焊接电源来替代焊接电源和附加预热电源。采用一台高速切换的开关电源，以很高的开关频率来熔化和预热焊丝，获得二者统一。
图 4 热丝 TIG 脉冲氩弧焊电流波形
1 ．3 双电极脉冲氩弧焊
双电极脉冲氩弧焊是一种高效的焊接方法。但是直流钨极氩弧焊多电极焊接时，由于相近的电极通以同方向的电流，电极间电弧相互作用出现磁偏吹，影响焊接过程。为此采用二个电弧交替供电，如图 5 所示。由于两个电极电流互相错开，减少了磁偏吹，因此可以选择较大的焊接电流，提高焊接速度。
图 5 双电极 TIG 脉冲氩弧焊
1 ．4 固定管、管与管板干结技术
在锅炉、化工、电力、原子能等工业部门的管线及换热器生产和安装中，经常要遇到管道及管—管板的焊接问题。在这个领域内广泛采用钨极氩弧焊。
(1) 管道焊接 在工业管道制造和安装过程中，许多情况下管道是固定不动的，此时，要求焊枪围绕工件作 360 °的空间旋转。所以，完成一条焊缝的过程实际上是全位置焊接，每种位置需要不同的规范参数相匹配，为了保证焊缝获得均匀的熔透和熔宽，要求参数稳定而精确。同时要求机头的转速。稳定而可靠，并与规范参数相适应。厚板大直径管道焊接时，机头还需进行不同形式和不同频率的摆动。钨极氩弧焊或者脉冲钨极氩弧弧焊由于其过程电弧非常稳定，无飞溅，输入的热输入调节方便，易得到单面焊双面成型的焊缝，所以是管道焊接的理想方法。
1) 坡口形式 根据管子壁厚和生产条件，可以采用多种坡口形式。以不锈钢管对接为例，焊接坡口形式如表 2 所示。为了保证一定余高，焊前将管端适当扩口或者添加填充焊丝，也可以用钨极氩弧焊打底后再用焊条电弧焊盖面。
表 2 不锈钢管子对接焊坡口形式
| 坡口 形式 |
焊接方法 | 坡口尺寸/mm | 坡口图 | |||
| δ | b | α | p | |||
| I形 | 加填充丝钨极氩弧焊 | ≤1.5 | ≤0.1 | — | — |  |
| 扩口形 | 无填充丝钨极氩弧焊 | ≤2 | ≤0.1 | 60±10° | — |  |
| V形 | 钨极氩弧焊或钨极氩弧焊封底加焊 条电弧焊 |
2～10 | C≤0.1 | 80° | 0.1～1.0 |  |
| 衬托化垫圈钨极氩弧焊 | ≥2 | ＜0.2 | 50° | 0.1～1.0 |  | |
| U形 | 钨极氩弧焊或钨极氩弧焊封底加焊条电弧焊 | 12 | ≤0.1 | 15° | 0.1～1.0 |  |
| 20 | ≤0.1 | 13° | 0.1～1.0 | |||
2) 焊接工艺 表3和表4分别列出了各种材料管子全位置钨极氩弧焊和钨极脉冲氩弧焊的焊接条件。表4 所列的管内通以 l ～ 3L／min 的氩气，有利于不锈钢焊缝的反面保护和反面成形。
表3 1Cr18Ni9Ti 不锈钢管子对接全位置自动钨极氩弧焊焊接条件例（直流正接）
| 管子尺寸 /mm |
坡口 形式 |
层数 | 钨极直径 /mm |
填充丝 直径/mm |
焊接电流 /A |
电弧电 压/V |
焊接速度 (周/s) |
送丝速度 /cm·min－1 |
氩气流量/L·min－1 | |
| 喷嘴 | 管内 | |||||||||
| ф18×1.25 ф32×1.5 |
管子 扩口 |
1 1 |
ф2 ф2 |
— — |
60～62 54～59 |
9～10 8～9 |
12.5～13.5 18.5～22.0 |
— | 8～10 10～13 |
1～3 1～3 |
| ф32×3 | V形 | 1 2～3 |
ф2～3 ф2～3 |
ф0.8 |
110～120 110～120 |
10～12 12～14 |
24～28 24～28 |
— 76～80 |
8～10 8～10 |
4～6 4～6 |
| 材料 | 管子尺寸 /mm |
电流/A | 持续时间/s | 弧长/mm | 焊接速度 /cm·min－1 |
氩气流量 /L·min－1 | ||
| 脉冲 | 基值 | 脉冲电流时 | 基值电流时 | |||||
| Q235A | ф25×2 | 80～70 | 20～25 | 0.5 | 0.5 | 1～1.2 | 15～17 | 8～10 |
| 1Cr18Ni9 | ф30×2.7 | 120～100 | 25～30 | 0.4 | 0.5 | 1.2～1.5 | 8～10 | 8～10 |
| Q235A | ф32×3 | 140～120 | 25～30 | 0.7 | 0.8 | 1.2～1.5 | 8～10 | 8～10 |
| 12Cr1MoV | ф42×3.5 | 170～130 | 35～40 | 1.0 | 1.0 | 2 | 8～10 | 10～15 |
| 12Cr1MoV | ф42×5 | 190～140 | 40～45 | 1.2 | 1.2 | 2～2.5 | 6～7 | 10～15 |
在一个接头的焊接过程中，焊接电流大小和机头运动速度应相互配合，在电弧引燃后焊接电流逐渐上升至工作值，将工件预热并形成熔池，待底层完全熔透后，机头才开始转动。电弧熄灭前，焊接电流逐渐衰减，机头运动逐渐加快，以保证环缝首尾平滑地搭接。理想的焊接程序如图 6 所示。按不同的位置分区改变电流或焊接速度的程序控制。可以获得更高的焊接质量，目前也已得到了应用，并有专用的焊机。
图 6 管道自动钨极氩弧焊全位置
焊接的电流和焊接速度程序
(2) 管与管板焊接
1）连接方式 管与管板之间的连接，有胀接、胀接加焊接、焊接等类型。就焊接而言，又可分为端面焊接和内孔焊接两种方式：
a) 端面焊接（图7a ）它具有焊接方便，外观检查和修补容易等有点。其缺点是管子和管板之间存在缝隙，虽然通常都同时采用胀管工艺，这种缝隙也难以完全消除，在使用过程中，介质和污垢积存在缝隙中，容易产生腐蚀。
b) 内孔焊接（图7b ）这是为改进上述端面焊接的缺点而采取的较先进的工艺方案，它是一个全焊透的接头，没有缝隙，没有应力集中电，抗应力腐蚀和抗疲劳强度高，缺点是对管板加工，装配以及焊接设备与技术要求较高。返修困难，成本较高。图8为一管板内孔焊枪及施焊情况。目前国内外均可对ф10mm发上的内孔径的管－管板进行内孔焊。
 图 7 管 - 管板两种焊接接头方式 |
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图 8 管 - 管内孔焊接（管子为ф25×2） |
目前，大多前还是采用端面焊接。内孔焊接仅在一些高温高压，强腐蚀性介质及核反应堆等特殊工作条件的热交换器中应用。
a. 端面焊接工艺
b. 接头形式 表 5 表示不锈钢管与管板端面焊接常用的接头形式。其中管板开槽的形式可改善管板和管子由于厚度相差悬殊造成的导热不均的不利条件，减小焊缝冷却的拉应力，避免微裂纹，且焊缝成型美观，缺点是增加了加工两。它是应用较为广泛的一种形式。
焊接工艺参数 表 6 列出了采用普通恒流钨极氩弧焊和钨极脉冲氩弧焊时的焊接工艺参数，可供参考。
（3）焊接设备 焊管机通常由三部分组成：机头、控制电路及焊接电源。焊接电源可采用一般的氩弧焊电源，产品要求高时选择相应速度快的晶体管电源或逆交式焊接电源。
表5不锈钢管与管板焊接接头形式举例
形式
坡口尺寸/mm
焊前
焊后
D
δ
H
h
K
管子伸出管板
≥6
1～2
≥0.8δ
—
—
管子伸出管板
后形成角接≥19
≥1.5
—
—
K1≈δ
K2≈δ+2
管板开槽
形成端接≥8
1～2.5
≥0.8δ
≥1.5δ
—
管板倒圆弧
≥16
2.0～3.0
—
2
≥1.5
管板倒角、管
子低于管板≥32
2.5～4
—
δ+0.5
—
| 焊接方法 | 管子尺寸 /mm |
钨极直径 /mm |
焊接电流/A | 频率/Hz | 脉宽比率 (%) |
焊接速度 /m·h－1 |
氩气流量 /L·min－1 | |
| 基本 | 脉冲 | |||||||
| 恒流钨极 氩弧焊 |
ф13×1.25 ф18×1.25 |
2 2 |
65 90 |
— — |
— — |
— — |
11 11 |
7 7 |
| 脉冲钨极 氩弧焊 |
ф13×1.25 ф25×2 |
2 2 |
8 25 |
25～30 | 3～4 3～4 |
50 50～75 |
15～22 17～18 |
8～10 8～10 |
管子全位置焊接根据管子直径、壁厚往往需要分段进行程序控制，按照不同的位置划分焊接电流和焊接速度，因此控制电路要实现机头行走、转动，送丝速度调节，机头摆动频率及停留时间改变，保护气体的输送，焊接电流和弧长的控制及各区间的时间设定及焊缝的对中等。其中控制参数多而且要求精度高，目前趋向计算机进行编程控制居多。所有参数通过键盘进行调节和编程，系统有外接打印机，随时记录焊接参数，计算机屏幕可以图像显示各种参数的实时变化，并可随时调阅原设定参数。
焊接机头包括有固定的焊枪、输送氩气的导管、送丝机构、旋转电动机、传动齿轮、导电环及连接电缆。
机头有如下几种结构形式。
1) 卡钳式 如图9 所示，一般适合于小直径管子焊接。根据管子直径可以更换不同尺寸的机头。
图 9 GJ-35焊接机头（卡钳式）
2) 小车式 整个机头做成小车形式，它在工件上有两种固定形式。一种是小车上装有磁性轮，由它将车体吸附在管壁上，通过传动机构环绕管道行走。另一种是磁性，软轨式。磁性软轨由 130mm×1.5mm×2000mm 的 65Mn 钢带和磁钢组成。在钢带上均匀地冲出许多斜孔，该钢带即为蜗轮。小车的行走通过蜗轮一蜗杆机构行走。
3）卡环式 这种机头形式如图 10 所示。适合于特大直径管子焊接。
图 10 卡环式焊接机头的组成
1-导电嘴 2-外喷嘴 3-二次气管 4-焊炬固定筒 5-一次管 6-调整摆幅螺杆 7-摆动凸轮
8-减速箱 9－ZD-25电动机 10-斜调装置 11-送丝软管 12-送丝轮 13-减速箱 14-ZI25电动机
15-焊丝盘 16-回轮蜗轮 17-减速箱 18-ZD-75电动机 19-蜗杆偏心套 20-支撑腿
4）机头摆动 机头摆动要求有不同类型的摆动轨迹，摆动频率、还要有一定的定留点和停留时间。通常常见的摆动轨迹如图 11 所示。摆动机构可以采用机械或电气两种。
图 11 常见的摆动轨迹
a) 直线形 b) 圆弧形 c) 三角形 d) 梯形
1 ． 5 特种钨极氩弧焊机技术数据
(1) 钨极氩弧点焊机技术数据钨极氩弧点焊机技术数据，见表 7 。
(2) 全位置管子对接焊专用钨极氩弧焊机技术数据见表 8 (4)
(3) 管 - 管板专用脉冲钨极氩弧焊机技术数据 ( 表 9 ) 。
表 7 钨极氩弧点焊机技术数据[6]
| 焊机名称 | 直流钨极氩弧点焊机 |
| 型号 | WD-100 |
| 控制箱电源电压/V | 220 |
| 焊接电源空载电压/V | 80 |
| 焊接电流调节范围/A | 10～100 |
| 点焊时间范围/s | 2.5～25 |
| 钨极直径/mm | 1～2 |
| 额定负载持续率(%) | 60 |
| 氩气流量/L·min－1 | 0～12 |
| 用途 | 适用于点焊厚度为0.2～2mm的不锈钢及合金钢 |
| 备注 | 配用电源：ZX－100型弧焊整流器 |
表 8 全位置管子对接专用直流钨极氩弧焊焊剂技术数据
| 类别 | 钨极氩弧焊管机 | 钨极脉冲氩弧焊管机 | ||||
| 型号 | WZ4-120 | NZA7-200 | NZM-250-1 | WZM-400-B | MPG | |
| 电网电压/V | 380 | 380 | 380 | 380 | — | |
| 空载电压 | — | — | 90 | — | — | |
| 电流调 节范围 |
基值/A | 5～120 | 20～200 | ≤20 | 40～400 | 30～90 |
| 脉冲/A | ≤300 | 40～400 | 70～200 | |||
| 脉冲频率/Hz | — | — | 0.4～5 | 0.5、1、2、3、4 | 0.8～2 | |
| 钨极直径/mm | 1～2 | 1、2、3 | — | |||
| 焊丝直径/mm | — | 0.8、1、1.2 | 0.8 | 1.0、1.2 | ||
| 机头回转速度 / r·min－1 |
1～10 | — | 0.25～2 | — | 0.6～1.2 | |
| 焊接管 子规格 |
直径/mm | 8～70 | 50～129 | 32～80 | 38～76 | 22、42 |
| 壁厚/mm | — | — | 1～5 | 6～12 | ≤4、≤5 | |
| 负载持续率(%) | 60 | 60 | 60 | 60 | ||
| 用途 | 不锈钢， 合金钢、 碳钢管 子对接 |
专用于上述 规格的不锈钢 管焊接 |
与上述规格 的不锈钢、合 金钢、碳钢管 道焊接 |
大型电站锅炉制造业及石 油、化工、核电设备的管道 焊接 |
专用于火力发电 厂锅炉安装中密排 的碳钢、合金钢及 不锈钢管焊接 | |
| 备注 | 配备大、中、 小三种型号机 |
配用ZXM- 250-1型脉冲 焊接整流器 |
热丝TIG焊机机头为全电控 摆动器、摆动频率边缘停留时 间可以预置，热丝电流为30～ 150A 、PC机程序控制 |
自编型号 | ||
表 9 管－管板专用脉冲钨极氩弧焊焊机技术数据
| 型号 | WZM-250 | WZM4-200 | |
| 电网电压/V | 380 | 380 | |
| 空载电压/V | 73 | 80 | |
| 电流 调节 范围 |
基值/A | 8～250 | 20～200 |
| 脉冲/A | 8～250 | 20～200 | |
| 脉冲频率/Hz | 0.5～5 | 0.5～3 | |
| 焊接速度/ r·min－1 | 0.7～2 | — | |
| 钨极直径/mm | 2～2.5 | 2、2.5 | |
| 用途 | 不锈钢管 板焊接的专 用设备 |
用于碳钢、各种合 金钢、不锈钢管、管 板焊接 | |
| 备注 | — | 微机控制不填丝自 熔管板全位置焊机 | |
