焊接参数与焊缝成形技巧

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：反之，焊接电流太小时，易形成未焊透缺陷焊缝。可精确控制电弧能量及其分布，易于控制焊缝成形。高频脉冲电弧在10A以下小电流区域仍然非常稳定，利用这些特点进行0.5mm以下超薄板的焊接，特别是对不锈钢超薄件的焊接，焊缝成形均匀美观。图7-45的焊接电流波形，能够发挥高、低频两种焊接工艺的优点，获得成形更为优良的焊缝。但短弧焊的热量集中，电弧对熔池的压力大，使焊缝反而容易成形。

1.焊接电流

焊接电流是TIG焊的主要参数。在其他条件不变的情况下，电弧能量与焊接电流成正比，焊接电流越大则可焊接的材料厚度越大。反之，焊接电流太小时，易形成未焊透缺陷焊缝。焊接电流是根据焊件的材料性质与厚度来确定的，电流种类和极性的选择对TIG焊有重要的影响。

（1）直流焊接

1）直流反极性焊接（DCRP或DCEP）。直流反极性焊接时，钨极是电弧的阳极，受到大量的电子撞击，电极产生的热量大而极易被过热熔化。但是反极性接法的优点是，电弧具有对母材表面的氧化膜进行清理的现象（阴极雾化作用）。因为此时母材为阴极，从其表面发射出电子，电子容易从有氧化物的地方发射出来并形成阴极斑点，阴极斑点受到质量较大的正离子的撞击，使该区域氧化膜被破坏掉。电弧连续破坏母材表面上电弧覆盖区域的氧化膜，实现了清理效果。

反极性焊接时，电弧在钨极上的产热多（约占2/3）而工件上的产热少（约占1/3），假如要通过125A焊接电流，为不使钨极熔化就得需要用约6mm直径的钨棒。同时，由于在焊件上放出的能量不多，焊缝熔深浅而熔宽大，生产率低。钨极氩弧焊直流反极性焊接只有对3mm以下的薄件铝、镁及其合金才可以采用。

2）直流正极性焊接（DCSP或DCEN）。直流正极性焊接是所有电弧焊方法中电弧过程最为稳定的。除焊接铝、镁及其合金外一般均采用直流正极性焊接，因为其他金属及其合金不存在产生高熔点金属氧化物的问题。采用直流正极性有下列优点：

①工件为阳极，工件接受电子轰击放出的动能和位能（逸出功），产生大量热，因此熔池深而窄，生产率高。

②钨极上接受正离子轰击时放出的能量比较小，钨极产生的热量比较低，不易过热，所以对于同一焊接电流可以用直径较小的钨棒。例如通过125A焊接电流，选用1.6mm直径的钨棒就够了。钨极形状保持良好，使用寿命长。

③钨棒的热发射力很强，当采用小直径钨棒时，电流密度大，有利于电弧稳定，所以电弧稳定性也比反极性好。小电流下电弧也很稳定，能够形成稳定的焊缝。

（2）交流焊接在焊接应用中，对铝、镁及其合金的焊接推荐使用交流。这样，在交流反极性期间（铝工件为阴极）有阴极雾化的清理作用，它可以清除熔池表面的氧化膜。在交流正极性期间（钨极为阴极），钨极可以得到冷却，同时又可发射足够的电子有利于电弧稳定，使两者都能兼顾，焊接过程能顺利进行。

交流焊接表现的突出问题是电流过零，电弧可能会熄灭或者不连续，影响焊接过程的稳定和焊缝形态的稳定。采取稳弧措施，用方波交流电源代替正弦交流，都能改善交流焊接的性能。

（3）脉冲焊接脉冲钨极氩弧焊是指利用图7-43所示的变动电流进行焊接。从电流波形上看，脉冲钨极氩弧焊电流有如下参数：脉冲电流峰值I_p（或称“脉冲峰值电流”，也可直接称作“脉冲电流”），脉冲电流基值I_b（或做“基值电流”），峰值电流时间t_p（或称“峰值时间”），基值电流时间t_b（或称“基值时间”），脉冲电流频率f（或称“脉冲频率”）以及脉冲周期T。

图7-43 脉冲TIG焊电流波形

a）直流脉冲 b）交流脉冲 I_p—脉冲电流 t_p—脉冲电流时间 I_b—基值电流 t_b—基值电流时间

按照脉冲频率高低可分成：低频脉冲TIG焊，其频率为0.5～10Hz；高频脉冲TIG焊，其频率为10～30kHz。由于低频、高频之间10Hz～10kHz范围内，电弧具有明显的闪烁和噪声，刺激视觉和听觉，实际生产很少应用。

1）低频脉冲焊的工艺特点：只要合理地调节脉冲间隙时间和保持适当的焊枪移动速度，保证相邻两焊点之间有一定的相互重叠量，就可获得一条连续致密的焊缝，如图7-44所示。可精确控制电弧能量及其分布，易于控制焊缝成形。对于同等厚度的工件，可以采用较小的平均电流进行焊接，获得较低的焊接热输入，可以焊接薄板或超薄件，能用于中厚板材开坡口多层焊的打底焊，能够控制熔池尺寸使熔化金属在任何位置均不至于因重力而流淌，很好地实现全位置焊和单面焊双面成形。

图7-44 钨极脉冲氩弧焊焊点重叠形成的连续焊缝

2）高频脉冲焊工艺特点；脉冲频率为10～30kHz的高频电流能够产生压缩的和挺直性好的电弧。压缩电弧提供了集中的热源，电弧刚性的大小则由电弧压力标志。当电流频率达到10kHz时，电弧压力大约为稳态直流电弧压力的4倍。高频脉冲电弧在10A以下小电流区域仍然非常稳定，利用这些特点进行0.5mm以下超薄板的焊接，特别是对不锈钢超薄件的焊接，焊缝成形均匀美观。高频电弧在高速移动下仍然有良好的挺直度，在焊管作业中，焊接速度可以达20m/min，与普通电弧相比提高焊接速度1倍以上。高频电流对焊接熔池的液态金属有强烈的电磁搅拌作用，有利于细化金属晶粒，提高力学性能。

低频脉冲TIG焊和高频TIG焊在焊接工艺上各具优点，采取低频对高频调制的方法输出焊接电流，或者按照低频时序改变高频脉冲宽度实现高低频输出，达到降低平均电流的效果。图7-45的焊接电流波形，能够发挥高、低频两种焊接工艺的优点，获得成形更为优良的焊缝。

图7-45 变化高频脉冲宽度的低频焊波形

2.电弧电压

电弧电压的选择应根据焊件结构和材料厚度以及是否需外加填充材料等因素来决定，在实际焊接中以弧长为代表。弧长的选择与焊接电流和焊丝直径也有关，当电流大或焊丝直径大时，弧长可适当增加。对于钨极氩弧焊，弧长改变时引起电弧电压的变化比氦弧焊小。例如弧长从l.5mm增加到5mm时，电弧电压（包括电极电压降）仅从12V升高到16.5V。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。

当弧长增加时，电弧电压成正比增加，电弧发出的热量也增大。但弧长超过一定范围后，在弧长增加的同时，弧柱截面积也增大，热效率下降，保护变差。电极与母材间的距离过大，会使电弧对母材的熔透能力降低，也会增加焊接保护的难度，引起电极的异常烧损，在焊缝中产生气孔。反之，如果电极过于接近母材，电弧长度过短，容易造成与熔池的接触，钨极被污染或断弧，在焊缝中出现夹钨缺陷。但短弧焊的热量集中，电弧对熔池的压力大，使焊缝反而容易成形。由于电极到工件间距离小，焊接时便于高频引弧，并且使电弧偏吹的可能性变小，因此焊缝的成形好。

3.钨极尺寸与形状

非熔化极氩气保护焊对电极的要求是：熔点高，电子发射能力强，故一般采用钨作电极。常用的钨极有三种：纯钨极、钍钨极和铈钨极。纯钨极的电子发射能力较差，直流反接时可以使用纯钨极。钍钨极是在钨中加入质量分数为1%～2%的二氧化钍，提高了电子发射能力，并具有熔点更高的优点，但其缺点是钍是放射性物质。近年来一般采用铈钨极，熔点与钍钨极差不多，但基本避免了放射性的危害。

钨极直径的选择取决于焊件厚度、焊接电流的大小、电流种类和极性。原则上应尽可能选择小直径的电极来承担所需要的焊接电流。如电流大，钨极过细则易被烧损，并使焊缝夹钨；电流太小，钨极直径过大，电弧不稳定而分散，会出现偏弧现象。正确选取钨极直径，可以充分地使用限额电流，满足工艺要求并减少钨极烧损。不同钨极直径的最大许用电流见表7-21。

表7-21 不同钨极直径的最大许用电流（单位：A）

注：表内数字适于钍钨极和铈钨极。

钨极端部的形状影响电弧的稳定性和焊缝成形，也是一个重要的焊接参数。小电流焊接时，为便于引弧和稳弧可用小直径钨极并磨成约20°的小锥角，可使电弧容易引燃和稳定。电流较大时，电极锥角小将导致弧柱的扩散，焊缝成形浅而宽。增大锥角可避免尖端过热熔化，减少损耗，并防止电弧往上扩展。焊接电流大时，应将电极磨成钝角或平顶锥形。这样，可减小弧柱扩散，焊件加热集中。

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，则许用电流将下降。钨极伸出长度是指钨极尖到钨极夹那一段钨极的长度，因为这段钨极不仅受电弧热作用，而且电流流过时会产生电阻热。伸出长度越大，则同一直径钨极的许用电流越小。反之，钨极伸出长度越短，喷嘴能够离工件越近，对钨极和熔池的保护效果越好，但妨碍观察熔池，并且容易烧坏喷嘴。一般钨极的伸出长度为5～10mm较好。

4.保护气体流量

如果氩气流量太小，则从喷嘴喷出来的氩气流的挺度很小，气流轻飘无力，外面的空气很容易进入氩气保护区，而减弱保护作用，并影响电弧的稳定燃烧。这样会造成焊缝发黑不光亮，并有氧化膜生成。焊接过程中，可以发现有氧化膜覆盖熔池的现象，以致焊接过程不能顺利进行。氩气流量过大，除了浪费氩气和对焊缝冷却过快外，也容易造成“紊流”，把外界空气卷入氩气保护区而破坏保护作用。因此，过强的氩气流量不利于焊缝成形，也会使焊缝质量降低。

另外，背面保护气体的流量与采用的背面保护方法有关。但氩气量也不应过大，否则不仅浪费气体，而且可能造成背面焊缝上凹，甚至形成孔洞。一般焊接垫板内的背面保护气体的流量与正面保护气体的流量之比不能超过5∶8，应根据不同的情况予以选择。

TIG焊一般采用氩气、氦气、氩氦混合气体或氩氢混合气体作为保护气体。其中氩氦混合气体中电弧稳定，阴极清理作用好；氦气电弧发热量大而集中，具有较大的熔深。根据不同情况，采用混合气体，可同时具有两者的优点，图7-46给出了不同成分混合气体对TIG焊焊缝成形影响的大致规律。

图7-46 不同成分混合气体对TIG焊焊缝成形的影响（气体含量为体积分数）

5.喷嘴大小与高度

喷嘴大小是根据钨极直径的大小来选取的，喷嘴口径对焊接质量也有一定的影响。因为手工钨极氩弧焊时，保护区的大小在一定的范围内是靠喷嘴来控制的，如喷嘴选择大了，保护区大，热扩散大，焊缝宽，浪费氩气，焊接速度也比较慢；如喷嘴选择小了，保护区小，满足不了焊缝的要求，喷嘴也容易烧损，因此要合理地选择喷嘴的口径。

喷嘴端面至工件表面的距离为喷嘴高度，应在8～14mm之间。喷嘴高度越大，能观察到的范围越大，但保护效果差。喷嘴高度越小，保护效果越好，但能观察到的范围和保护区较小，加丝比较困难，施焊难度较大；喷嘴高度太小时，容易使钨极与焊丝或熔池短路，产生夹钨缺陷。

6.焊接速度

焊接速度增大，熔池体积减小，熔深和熔宽减小。焊接速度太快，易产生未焊透，焊缝窄而不均；焊接速度太慢，焊缝宽大，易产生烧穿等缺陷。手工钨极氩弧焊时，应根据熔池形状和大小、坡口两侧熔合情况随时调整焊接速度，使操作增加困难，易出现操作不当而产生缺陷。另一方面，当焊接速度过快时，冷却速度加快，熔池中冶金反应不够充分，易出现冶金缺陷。熔池的结晶速率增加，方向性强，焊缝中的气体和非金属夹杂物不易浮出熔池，从而增加了产生气孔、夹渣及裂纹的可能性。

从影响气体保护效果方面来看，随着焊接速度的增大，从喷嘴喷出的惰性保护气流，因为受到前方静止空气的阻滞作用，会产生变形和弯曲，如图7-47所示。当焊接速度过快时，就可能使电极末端、部分电弧和熔池暴露在空气中，从而恶化了保护作用。这种情况在自动高速焊时容易出现。手工TIG焊时，如果焊枪移动速度不稳，也会引起不规则焊缝以及出现部分熔透不良现象。

图7-47 焊接速度对保护效果的影响

鉴于以上原因，在TIG焊时采用较低的焊接速度比较有利。焊接不锈钢、耐热合金和钛及钛合金材料时，尤其要注意选用较低的焊接速度，以便得到较大范围的气保护区域。

7.焊丝直径

一般来说，TIG焊时可采用填充焊丝或不填充焊丝的方法形成焊缝。不填充焊丝法，主要用于薄板焊接。填充焊丝直径与焊接板厚及接头间隙有关。当板厚及接头间隙大时，焊丝直径可选大一些。焊丝直径选择不当可能造成焊缝成形不好、焊缝堆高过高或未焊透等缺陷。通常应根据焊接电流的大小选择焊丝直径，表7-22给出了它们之间的关系。

表7-22 焊接电流与焊丝直径之间的关系

8.填丝速度

焊丝的填送速度与焊丝的直径、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、焊接速度和接头间隙大时，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。实际应用时可根据试验结果和有关技术数据进行选择。

焊接参数与焊缝成形技巧

相关推荐