TIG焊原理简介与发展.ppt
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钨极氩弧焊,TIG焊工艺简介,定义,非熔化极惰性气体保护焊(TungstenInertGasarcWelding),又称TIG焊,实际生产中通常指钨极氩弧焊(此后提到TIG焊均指钨极氩弧焊),是采用钨丝作为电极材料,并以惰性气体“氩气”作为保护气体的一种电弧焊接方法。
它是利用专用的氩弧焊枪,从喷嘴中喷出氩气流,保护电弧与空气隔绝,电弧和熔池在气流层的包围中燃烧、熔化,通过填丝或不填丝,把两块分离的金属牢固地连接在一起,形成永久性接头的过程。
目录,01,02,03,04,氩弧焊设备,不同材料的焊接,与MIG焊对比,TIG焊发展分支,01,氩弧焊设备,氩弧焊设备,水冷式气冷式,氩弧焊枪,水冷系统送丝机构,水冷系统及送丝机构,交流、直流逆变式脉冲式,氩弧焊机电源,氩气瓶、减压器、气体流量计、电磁气阀,供气系统,氩弧焊焊机组成,氩弧焊机电源,交流钨极氩弧焊机普通交流钨极氩弧焊机是最简单的焊接电源,它主要是焊接变压器(即弧焊变压器),弧焊变压器的伏安特性通常为恒流特性。
这种交流焊接电压器,可分为动铁芯式和动圈式两大类。
动铁芯式,动圈式,弧焊电枪,钨极氩弧焊的焊枪,按冷却类型可分为水冷式和气冷式两种。
钨极氩弧焊的电极,一般采用钨铈合金,这种合金电极的使用寿命长,损耗低,引弧性能好。
喷嘴由陶瓷材料制作,绝缘、耐热性好。
供气系统,供气系统包括氩气瓶、减压器、气体流量计及电磁气阀等。
电磁气阀是开闭气路的装置,它由焊机内的延时继电器控制。
可起到提前供气和滞后停气的作用。
当切断电源时,电磁气阀处于关闭状态;接通电源后气阀芯子联通密封塞被吸上去,气阀打开,气体进入焊炬。
水冷及送丝,水冷系统TIG焊在采用大电流或连续焊接时,需要有一套水冷却系统,用于冷却焊炬和导线电缆。
水冷系统一般可以采用城市自来水或独立的循环冷装置。
在水路中,装有水压开关,以保证在冷却水接通后才能启动焊机。
水冷及送丝,送丝机构在自动或半自动TIG中,送丝装置是重要的组成部分。
送丝系统的稳定性和可靠性,直接影响着焊接质量。
通常,细丝(焊丝直径小于3mm)采用等速送丝方式;粗丝(焊丝直径大于3mm)采用弧压反馈的变速送丝方式。
02,与MIG焊对比,MIG焊,MIG焊(MetalInertGasArcWelding),熔化极惰性气体保护焊,是使用熔化电极,以外加气体作为电弧介质,并保护金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属的电弧焊方法。
MIG焊,在熔化极电弧中,高温等离子体中的气体原子电离成正离子和电子,电子从阴极向阳极运动,而正离子从阳极向阴极运动,采用直流反极性接法(DCEP)时(熔化极电弧焊通常采用的这种接法),电子从工件向焊丝运动,正离子从焊丝向工件运动。
电子是电流的主要载体,电子流占电流的绝大多数。
传统电流方向是从焊丝指向工件。
MIG焊,MIG焊具有以下特点:
(1)单原子惰性气体保护,电弧燃烧稳定,熔滴细小,熔滴过渡过程稳定,飞溅小,焊缝冶金纯净度高,力学性能好。
(2)焊丝作为熔化极,电流密度高,母材熔深大,焊丝熔化速度和焊缝熔敷速度高,焊接生产率高,尤其适用于中等厚度和大厚度结构的焊接。
(3)铝及铝合金的MIG焊时,一般采用直流反极性,具有良好的阴极清理作用,用亚射流过渡时,电弧具有很强的固有自调节作用。
(4)几乎可焊所有金属,尤其适用于铝镁及其合金,铜及其合金,钛、镍及其合金,不锈钢等材料的焊接。
MIG和TIG,MIG焊与TIG焊的电源一般而言,MIG焊采用直流正极性接法,即,直流正接。
当采用直流正接时,MIG焊焊丝端为阳极,电子从阴极向阳极运动,使得阳极温度更高,焊丝熔化速度更快。
而使用TIG焊时,一般采用直流反接或正弦波交流电。
当使用正弦波交流电时,电极、母材正负形互相变化,这是为了防止钨极过热而造成钨极的损耗。
另外,电子打向工件时,可以起到清理工件表面氧化层的作用。
这种清洗作用广泛运用于镁铝及其合金的焊接当中。
MIG和TIG,保护气体的选择TIG焊时,为了得到稳定的电弧和较大的熔深,经常要使用一定范围内的氩、氦混合气体作为保护气体,一般混合气体的比例,氩气要控制在20%25%;氦气为75%80%,这种混合比,能保持稳定的熔深,并与弧长波动无关。
并且在大多数时候,还可以使用纯氩。
MIG焊时,为了改善电弧的稳定性,通常还会加入1%的氧。
MIG和TIG,熔滴过渡对于所有的MIG焊来说,熔滴过渡的促进力基本上是相同的。
过渡熔滴的大小随着焊接方法和工艺参数的不同而不同,有些情况下比焊丝直径小,有些情况下比焊丝直径大得多。
熔滴穿过电弧进行过渡的方式受表面张力、等离子流力、重力以及具有收缩效应的电磁力等的控制。
熔滴上受到的这些力的合力决定了熔滴过渡的具体方式。
对于TIG焊来说,如果不额外使用焊丝,就不存在熔滴过渡的问题。
如果使用焊丝,则溶度过渡距离只有一半,因为焊丝处在电极与工件的中间位置。
另外,由于直流反接或使用正弦波交流电,因此熔滴的受力情况也不一致。
MIG和TIG,适用范围MIG焊适用于铝镁及其合金,铜及其合金,钛、镍及其合金,不锈钢等材料的焊接。
焊接速度较快,是TIG焊的五倍以上效率,熔敷效率高,可以方便地进行各种位置的焊接。
大部分为自动焊。
TIG焊适用于几乎所有金属,焊缝质量高,电弧稳定,但是熔深较小,成本高,效率很低。
是连接薄板和打底焊的极佳焊接方法。
大部分为手工焊。
MIG和TIG,焊缝质量,03,不同材料的焊接,奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢的焊接性良好,因此非常适合使用TIG焊。
奥氏体不锈钢的热导率小,线胀系数大。
为了保持低的线能量,与碳钢相比,应选用较小的电流,因为不锈钢传热较差,容易导致过热;线胀系数大,随着线能量的增加,会导致更大的变形。
因此,焊接时会引起焊缝间隙尺寸的较大变化,增大了金属的熔化速度。
一般而言,焊接速度在100150mm/min之间,焊接电流根据焊缝厚度在50200A选择。
平焊时比立焊时电流略大。
氩气随着焊丝直径的增大而增加。
铝及铝合金,铝的化学活泼性强,极易被氧化,在室温中与空气接触时,就会在表面想成一层致密的氧化层。
这种特性使铝及率和静的焊接生产工艺过程难以进行;焊接时,要采用很多的措施来清除来清除这种氧化膜,以保证焊接质量。
铝及铝合金的焊接特点具体有以下几点:
(1)极容易被氧化
(2)容易产生气孔(3)热裂纹倾向大(4)需用强热源焊接(5)易烧穿和塌陷(6)易变形(7)合金元素容易蒸发和烧损(8)焊接热对基体金属强度的影响,铝及铝合金,镁及镁合金,TIG焊是镁及镁合金最普遍采用的焊接方法。
采用TIG来焊接镁及镁合金,能提高精度地控制输入量。
像铝一样,镁是一种活泼性强的活性金属,镁能在氧气中燃烧,它的表面总是覆盖着一层氧化物,采用交流焊接能渗透它。
镁的其他特点是导热性强、线膨胀系数大和熔点低(651)。
因而,焊接时必须高精度地控制热输入量。
焊接时,要采用短弧,在熔池的前沿加入焊丝,一般要采用全惰性气体保护,防止氧化。
镁及镁合金,04,TIG焊发展分支,激光辅助TIG焊,激光电弧复合焊接技术由英国伦敦帝国大学学者W.Steen于20世纪70年代末期首次提出,其特有的优越性和应用潜力受到人们的广泛关注。
它是将物理性质能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起,同时作用于同一加工位置的焊接方法,激光与电弧的复合使得两种热源充分发挥了各自的优势,又相互弥补了对方的不足,从而形成一种高效稳定的热源。
作用机理:
在这种方式中,电弧能量占据主要作用,一般采用不足以形成深熔小孔的激光辅助电弧进行焊接。
2001年美国的C.E.Albright等人首先对这种低功率激光辅助电弧焊接方法进行了研究,发现利用一个能量很低的激光束就能够引燃引导和压缩电弧。
激光引弧机制,激光引弧机制,激光引弧机制,激光引弧机制,实验简介,实验结果,激光对焊缝形貌的影响,图3.两种焊接方法焊接表面形貌。
实验结果,激光对焊缝熔深、熔宽的影响,表1.TIG焊和激光辅助TIG焊接头组织宽度,实验结果,激光对焊缝组织的影响,图4.焊缝中心区微观组织对比,实验结果,激光对接头抗应力性能的影响,图4.焊缝中心区微观组织对比,结论,活性剂TIG焊,活性剂TIG焊,又称A-TIG,它是通过焊前在待焊工件表面涂覆某种活性焊剂,以引起电弧收缩、电弧能量密度增加、电弧力增强,熔池熔液表面张力增加,最终使得焊缝熔深增加的焊接方法。
该方法最早是乌克兰巴顿焊接研究所()在世纪年代开发出的,但直到年代末欧美国家的研究机构(如美国的爱迪生焊接研究所和英国焊接研究所等)才开展广泛的研究,其中英国焊接研究所开发的焊剂已经在海军造船业中使用。
目前该焊接方法已经应用于碳钢、不锈钢、镍基合金、钛合金及铝合金的焊接,其生产效率高、成本低、焊接变形小,具有广阔的应用前景。
A-TIG工艺特点,常规TIG焊主要缺点是熔深较浅(小于3mm),焊接效率低,焊接参数对材料成分的变化比较敏感,对于厚板焊接需要开坡口以便进行多道焊,多道焊时焊接变形和热影响区变大,影响接头质量;加大焊接电流可以增加焊接熔深,但是熔宽和熔池体积亦会增加,并且增大幅度远大于熔深增幅;同时还会增加钨极的损耗,造成焊缝金属的污染。
在相同的焊接规范下,A-TIG焊接电弧会产生明显的收缩,熔池的流动也发生显著变化,可以使熔深增加12倍。
对于8mm厚板焊接可以不开坡口一次焊透,对于薄板可以在不改变焊接速度的情况下减小焊接热输入。
与常规TIG焊相比较,A-TIG焊不仅可以提高生产效率,降低生产成本,而且还可以减小焊接变形,具有非常重要的应用前景。
与同等厚度的常规TIG焊接相比,非常适合薄壁小直径管管、管板的焊接。
与传统的焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊等焊接方法相比,A-TIG焊焊接质量更可靠,生产效率更高;与先进的激光焊、电子束焊以及等离子弧焊相比,A-TIG焊所用的活性焊剂成分范围大,来源丰富,价格便宜,无需昂贵的焊接设备,使得A-TIG焊具有成本低、经济效益好的优点。
机理,活性焊剂增大A-TIG焊熔深的机理有关活性焊剂增加A-TIG焊熔深作用机理的研究,目前认为最具代表性的理论是Simonik提出的“电弧收缩理论”和“Heiple”提出的“表面张力温度梯度改变理论”。
前者讨论的是活性焊剂与电弧之间的作用,认为活性焊剂的加入会金银器电弧收缩,电弧电导面积减小,电流密度增大,单位面积热输入增加,从而增大熔深。
后者讨论的是活性焊剂与熔池金属之间的作用。
当熔池表面没有表面活性元素时,表面张力温度梯度为负值,表面张力随温度的升高而减小,熔池表面形成从中心流向周边的Marangoni对流,得到宽而浅的熔池;当熔池表面存在活性剂时,表面张力温度梯度由负变正,表面张力随着温度的升高而增大,熔池表面形成从周边向中心的Marangoni对流,形成浅而深的熔池。
但是这两种理论均没有与活性剂本身的物理性质相结合,尚缺乏统一的认识。
电弧收缩理论,电弧收缩理论,表面张力理论,A-TIG实验,无活性剂,有活性剂,A-TIG的应用,A-TIG焊在焊接领域内得到广泛运用。
在20世纪90年代,前苏联将A-TIG用于低合金钢的焊接,最大焊接厚度达到12mm。
美国开发了一种活性焊剂可用于焊接多种奥氏体不锈钢,并且焊缝熔深达到9mm,已投入工业使用。
美国开发的不锈钢与碳钢氩弧焊焊剂已用于造船业,能够节省工时达75%,目前已经用于船舰、潜艇的管道以及零部件焊接。
近年来,日本研究了一种可用于氩弧焊的活性焊剂,用于修复电厂热力管道焊接接头处产生的裂纹,取得了良好的效果。
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