高效TIG焊技术优化方案

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：与普通TIG焊相比，由于热丝TIG焊显著提高了热输入，适于焊接中等厚度的焊接结构，又保持了TIG焊具有高质量焊缝的特点。热丝TIG焊的熔敷速度可比普通TIG焊提高两倍，从而使焊接速度增加3～5倍，提高生产率。图7-50 钢的钨极氩弧焊熔敷速度比较3.TOPTIG焊TOPTIG焊原理 TOPTIG是TIG焊接工艺的一种。

1.A-TIG焊

（1）A-TIG焊接原理活性焊剂氩弧焊（A-TIG焊）可改进TIG焊的焊接质量并提高其生产效率，其主要特征是在施焊板材的表面涂上一层很薄的活性剂（一般为SiO₂、TiO₂、Cr₂O₃以及卤化物的混合物），使得电弧收缩和熔池流态改变，从而大幅度增加TIG焊的焊接熔深。

图7-48所示为普通TIG焊与A-TIG焊电弧燃烧形态与焊缝金相形貌对比。试验证明，在相同的焊接规范下，同常规的TIG焊相比，A-TIG焊可以大幅度提高焊接熔深，最大可达300%，而不增加正面焊缝宽度。

图7-48 普通TIG焊与A-TIG焊的对比

a）TIG电弧 b）A-TIG电弧 c）TIG焊缝横截面 d）A-TIG焊缝横截面

活性剂对TIG焊熔深的增加作用，认为有以下三种作用机制：

1）电弧收缩的“负离子理论”。活性剂在电弧高温下蒸发后以原子形态包围弧柱，由于弧柱周边区域温度较低，活性剂蒸发原子捕获该区域中的电子形成负离子并散失到周围空间。负离子虽然是带电粒子，但因质量比电子大得多，不能有效担负导电任务，导致电场强度减小。按最小电压原理，电弧有自动使电场强度增加到最小限度的倾向，造成电弧自动收缩。电弧电压增加，热量集中，熔化母材的热量也增多，从而使焊接熔深增大。试验证实，不锈钢试件涂敷活性剂SiO₂焊接时，电弧电压变化有明显增大。

2）阳极斑点收缩。“阳极斑点”理论认为，在熔池中填加硫化物、氯化物、氧化物等活性剂后，熔池产生的金属蒸气受到抑制。由于金属蒸气粒子更容易被电离，当它减少时，只能形成较小范围的阳极斑点，电弧导电通道紧缩，在激活了熔池内部电磁对流的同时，熔池表面的等离子对流受到减弱，从而形成较大的熔深，但这种解释对金属化合物却不适用。

3）表面张力理论。熔池金属流动状态对焊缝的熔深起到重要影响，一般熔池金属具有负的表面张力温度系数，在熔池表面形成从熔池中心向熔池周边的表面张力流，结果得到浅而宽的焊缝。但当熔池金属中存在某些微量元素或接触到活性气氛时，熔池金属的表面张力数值降低转变为正温度系数，从而使熔池金属形成从熔池周边流向熔池中心的表面张力流，在熔池中心的液态金属携带电弧热量从熔池表面直接流向熔池底部，从而加强了对熔池底部的加热效率，而增大了熔深。

不同的活性剂对电弧及熔池可能有不同的作用，氟化物和氯化物影响电弧的可能性较大，非金属氧化物影响阳极区的可能性较大，而金属氧化物影响熔池表面张力的作用可能较大。无论哪种作用，最终是活性剂的作用增大了焊接熔深。

（2）A-TIG焊的主要特点

1）A-TIG焊对于提高焊接效率具有明显的作用。在焊接参数不变的情况下，与常规TIG焊相比，A-TIG焊可以提高熔深1倍以上（厚12mm不锈钢可以单道焊1次焊透），而且正面焊缝宽度不增加。更厚的焊件可以减少焊道的层数，不仅能提高效率，而且能降低成本。焊接薄板时，A-TIG焊可以提高焊接速度，或者使用小规范焊接。

2）提高焊接质量。A-TIG焊在同等速度下小规范焊接，可以有效较少焊接变形。通过调整活性剂成分，可以改善焊缝的组织和性能。此外，钛合金活性剂焊接能够消除常规TIG焊所表现出的氢气孔，也可以净化焊缝，降低焊缝中的含氧量。钛合金常规TIG焊时容易出现气孔，而采用活性剂焊接后，避免气孔产生，焊缝正、反面成形好。A-TIG焊焊缝正反面熔宽比例更趋合理，熔宽均匀稳定。由于焊接散热条件或夹具（内涨环）压紧程度不一致所导致的背面出现蛇形焊道及不均匀熔透（或非对称焊缝）的程度降低。

3）操作简单、方便，成本低。A-TIG焊使用的活性剂，在焊前涂敷到焊件的表面，使用普通的TIG焊接设备就可以进行焊接。焊后附在焊缝周围的熔渣可以方便地用刷洗的方法去除，不会对焊缝产生污染。

4）适用范围广。目前A-TIG焊可以用在钛合金、不锈钢、镍基合金、铜镍合金和碳钢的焊接。A-TIG焊还广泛地用于航空、航天、造船、汽车、锅炉等要求较高的场合。

2.热丝TIG焊

（1）热丝TIG焊原理热丝TIG焊是为了克服TIG焊生产率低的缺点而发展起来的，如图7-49所示。在普通TIG焊的基础上，附加一根焊丝送入熔池，并在焊丝进入熔池之前约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，以与钨极成40°～60°角，从电弧的后方送入熔池，完成整个焊接过程。

与普通TIG焊相比，由于热丝TIG焊显著提高了热输入，适于焊接中等厚度的焊接结构，又保持了TIG焊具有高质量焊缝的特点。热丝TIG焊已成功地用于焊接碳钢、低合金钢、不锈钢、镍和钛合金等。但对于高导电性材料，如铝和铜，由于电阻率小，需要很大的加热电流，造成过大的磁偏吹，影响焊接质量。

图7-49 热丝钨极氩弧示意图

（2）热丝TIG焊的特点与普通TIG焊相比较，热丝TIG焊明显地提高了熔敷率。热丝TIG焊的熔敷速度可比普通TIG焊提高两倍，从而使焊接速度增加3～5倍，提高生产率。热丝TIG焊和冷丝TIG焊熔敷速度的比较如图7-50所示。由于热丝TIG焊熔敷效率高，焊接熔池热输入相对减少，所以焊接热影响区变窄，这对于焊接热敏感材料非常有利。

热丝TIG焊与MIG焊相比，熔敷率相差不大，但是热丝TIG焊的送丝速度独立于焊接电流，因此能够更好地控制焊缝成形。对于开坡口的焊缝，其侧壁的熔合性比MIG焊好得多。

热丝TIG焊的缺点是，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，可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。电弧摆动的幅度可以被限制在30°左右。为了使焊丝加热电流不超过焊接电流的60%，通常焊丝最大直径为1.2mm。如焊丝过粗，需增加加热电流，对防止磁偏吹不利。

图7-50 钢的钨极氩弧焊熔敷速度比较

3.TOPTIG焊

（1）TOPTIG焊原理 TOPTIG是TIG焊接工艺的一种。在TOPTIG工艺中，焊丝通过喷嘴精确地送入电弧中热量最高的区域，填充金属会熔化成类似MIG焊的小熔滴。脉冲电流的使用能够更好地控制熔滴过渡。

该技术的关键部件是一把独创设计的焊枪，填充焊丝穿过喷嘴与电极大约成20°角。这种结构的优点是减小了焊枪的总体尺寸，增强了机器人焊接时对复杂焊接结构的可达性，如图7-51所示。

（2）TOPTIG焊工艺特点特殊的送丝方式使得TOPTIG工艺能够达到甚至超过MIG的焊接速度，并且该工艺仍然保留了TIG的基本特征，焊接过程中没有飞溅和噪声。例如，对1mm厚镀锌钢板搭接接头的焊接，很容易达到1m/min的焊接速度。事实上，实验室焊接镀层钢板的速度能达到3.5m/min，而传统单丝MAG钎焊的焊接速度一般为1.5m/min。

图7-51 TOPTIG焊枪

TOPTIG焊工艺的另一个特点是可获得良好的焊缝成形。使用这种工艺并采用非氧化性气体保护可获得光亮的焊缝，焊缝表面的氧化非常少，在钎焊接头和不锈钢焊接中表现更为显著。此外，液态金属流的过渡模式能获得平滑的焊缝。

该工艺适合于厚度在3mm以下薄件的焊接，包括碳钢和不锈钢。TOPTIG焊接装置可以和任何标准配置的机器人结合使用或取代MIG机器人焊接系统，同样适用于自动焊专机。其主要组成包括：结合送丝装置的TOPTIG焊枪、可选配的钨极自动更换装置、TOPTIG220DC焊接电源（配置机器人接口及遥控器）、推-拉式送丝系统、长5m的焊枪电缆和一套焊枪安全装置等。

高效TIG焊技术优化方案

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