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1、铝及铝合金的钨极氩弧焊 本讲稿第一页，共二十四页目录n1.1铝及铝合金的钨极氩弧焊n1.2 焊接过程原理n1.3 焊接工艺本讲稿第二页，共二十四页摘要n铝及铝合金具有良好的耐蚀性，较高的比强度和导热性以及在低温下能保持良好的力学性能等特点，在航空航天，汽车，电工，化工，交通运输，国防等工业部门被广泛的应用。掌握铝及铝合金的焊接性特点，焊接操作技术，接头质量和性能，缺陷的形成及防止措施等，对正确确定铝及铝合金的焊接工艺，获得良好的接头性能和扩大铝合金的应用范围具有十分重要的意义。本讲稿第三页，共二十四页1.11.1铝及铝合金的钨极氩弧焊铝及铝合金的钨极氩弧焊 也成为钨极惰性气体保护电弧焊也成为钨
2、极惰性气体保护电弧焊,是利用是利用钨极与工件之间形成电弧产生的大量热钨极与工件之间形成电弧产生的大量热量熔化待焊处量熔化待焊处,外加填充焊丝获得牢固的外加填充焊丝获得牢固的焊接接头焊接接头.TIG焊工艺最适于焊接厚度小于焊工艺最适于焊接厚度小于3mm的薄板，工件变形明显小于气焊和手弧的薄板，工件变形明显小于气焊和手弧焊。焊。本讲稿第四页，共二十四页1.11.1铝及铝合金的钨极氩弧焊铝及铝合金的钨极氩弧焊 钨极氩弧焊的特点1）焊接时无需使用焊条或焊剂，焊接后无需清除残余熔剂或焊渣。因）焊接时无需使用焊条或焊剂，焊接后无需清除残余熔剂或焊渣。因为氩气可良好的保护电弧、熔池及母材热影响区而不受氧化，
3、氩气为氩气可良好的保护电弧、熔池及母材热影响区而不受氧化，氩气本身也不与铝发生物理化学反应。本身也不与铝发生物理化学反应。2）钨极电弧稳定，即使在焊接电流小于）钨极电弧稳定，即使在焊接电流小于10A10A的情况下，电弧仍可保持稳定，的情况下，电弧仍可保持稳定，特别适合于焊接铝合金薄板。特别适合于焊接铝合金薄板。3）热源和填充焊丝可分别控制，热输入易于调整）热源和填充焊丝可分别控制，热输入易于调整4）由于填充丝不通过电流，无熔滴过度，故电弧安静，噪音小，无金属飞溅）由于填充丝不通过电流，无熔滴过度，故电弧安静，噪音小，无金属飞溅5）钨极载流能力较低，生产效率不高）钨极载流能力较低，生产效率不高6
4、）氩气及氦气价格较高，不利于降低生产成本）氩气及氦气价格较高，不利于降低生产成本7）钨极氩弧焊受作业现场气流影响较大，不适于室外作业）钨极氩弧焊受作业现场气流影响较大，不适于室外作业本讲稿第五页，共二十四页钨极氩弧焊钨极氩弧焊示意图1-喷嘴 2-钨极 3-电弧 4-焊缝 5-焊件6-熔池 7-填充焊丝 8-惰性气体本讲稿第六页，共二十四页1.2 焊接过程原理1.2.1采用直流电源采用直流电源 1）直流正接）直流正接 当采用直流正接发焊接铝及铝合金时，工件与电源的正极相连当采用直流正接发焊接铝及铝合金时，工件与电源的正极相连而形成阳极，钨极与电源的负极相连形成阴极。此时，钨极的电子发射能力而形成
5、阳极，钨极与电源的负极相连形成阴极。此时，钨极的电子发射能力强，可发出大量的电子流，并赋予电子流能量，由于这部分能量，钨极得以强，可发出大量的电子流，并赋予电子流能量，由于这部分能量，钨极得以自身冷却。在电厂的驱使下，钨极发射出来的高能电子流告诉冲击阳极（焊自身冷却。在电厂的驱使下，钨极发射出来的高能电子流告诉冲击阳极（焊件），将全部能量给焊件，使其深熔，形成窄而深的焊缝。但因电子质量很件），将全部能量给焊件，使其深熔，形成窄而深的焊缝。但因电子质量很小，电子流对工件的冲击尚不足以破除工件表面的氧化膜。于此同时，正离小，电子流对工件的冲击尚不足以破除工件表面的氧化膜。于此同时，正离子流奔向阴极
6、（钨极），虽使其发热，但因此时的钨极具有自身冷却功能，子流奔向阴极（钨极），虽使其发热，但因此时的钨极具有自身冷却功能，钨极不至于热烧损。钨极不至于热烧损。本讲稿第七页，共二十四页本讲稿第八页，共二十四页本讲稿第九页，共二十四页1.2 焊接过程原理2）直流反接）直流反接 钨极与钨极与电源的正极相连而形成阳极，焊件与电源的负极相连而形成阴极，此时，由电源的正极相连而形成阳极，焊件与电源的负极相连而形成阴极，此时，由于焊件表面上存在氧化膜，其电子逸出功较小，易发射电子，因此阳极斑点于焊件表面上存在氧化膜，其电子逸出功较小，易发射电子，因此阳极斑点始终优先在氧化膜处形成。由于焊件为冷阴极，阴极区有很
7、高的电压降，因始终优先在氧化膜处形成。由于焊件为冷阴极，阴极区有很高的电压降，因此阴极斑点的能量密度很高，在阴极电厂的作用下，正离子流告诉撞击焊件此阴极斑点的能量密度很高，在阴极电厂的作用下，正离子流告诉撞击焊件上的表面氧化膜，使其破碎，分解而被清理掉，阴极斑点随即有在临近的氧上的表面氧化膜，使其破碎，分解而被清理掉，阴极斑点随即有在临近的氧化膜发射电子，继而氧化膜又被清理，因此被清理的氧化膜面积不断扩大，化膜发射电子，继而氧化膜又被清理，因此被清理的氧化膜面积不断扩大，直到扩大到氩气所能保护的范围内，这就是俗称的直到扩大到氩气所能保护的范围内，这就是俗称的“阴极雾化阴极雾化”，其作用的，其作
8、用的强弱与阴极区的能量密度及正离子的质量大小有关。于此同时，从焊强弱与阴极区的能量密度及正离子的质量大小有关。于此同时，从焊件发射出来的大量电子流冲击阳极（钨极），使其撞击生热，由于此件发射出来的大量电子流冲击阳极（钨极），使其撞击生热，由于此时的钨极已不具有自身冷却功能，钨极即发生过热，甚至融化，从而时的钨极已不具有自身冷却功能，钨极即发生过热，甚至融化，从而不得不限制焊接电流的大小不得不限制焊接电流的大小 本讲稿第十页，共二十四页1.2 焊接过程原理1.2.2采用交流电源采用交流电源 为兼有阴极清理作用及钨极不致过热，只有采用交流钨极氩弧焊接法。为兼有阴极清理作用及钨极不致过热，只有采用交
9、流钨极氩弧焊接法。交流电流的极性是周期变化的。在每个周期里，半波相当于直流正交流电流的极性是周期变化的。在每个周期里，半波相当于直流正接，另一个半波相当于直流反接。正接的半波期间钨极不致过热，接，另一个半波相当于直流反接。正接的半波期间钨极不致过热，可承载较大的焊接电流，有利于电弧稳定，容许可焊厚度增大；反可承载较大的焊接电流，有利于电弧稳定，容许可焊厚度增大；反接的半波期间有阴极清理作用，可去除母材表面氧化膜，保证焊缝接的半波期间有阴极清理作用，可去除母材表面氧化膜，保证焊缝良好成形良好成形本讲稿第十一页，共二十四页电流种类直流交流正接反接正弦波反弦波两级热量比列焊件70%钨极30%焊件30
10、%钨极70%焊件50%钨极50%通过占空比可调熔深特点深，窄浅，宽中等中等钨极作用电流最大 例如，3.3mm,400A小 例如，6.4mm120A较大 例如，3.2mm225A大 例如，3.2mm,325A阴极清理作用无有有有电弧稳定性很稳不稳很不稳稳直流分流无无有无适用材料除铝 镁合金 铝青铜外的金属一般不采用铝，镁合金，铝青铜等铝，镁合金，铝青铜等本讲稿第十二页，共二十四页1.2 焊接过程原理n交流钨极氩弧焊在特性和功能上基本满足铝及铝合金焊接的需要，交流钨极氩弧焊在特性和功能上基本满足铝及铝合金焊接的需要，但焊接回路内将出现直流分流，引弧稳弧性能差，熔透能力差，但但焊接回路内将出现直流分
11、流，引弧稳弧性能差，熔透能力差，但可用下列方法加以改善可用下列方法加以改善（1）消除直流分量）消除直流分量 正半波时，钨极为负极，由于其熔点和沸点高，且导热性差，正半波时，钨极为负极，由于其熔点和沸点高，且导热性差，尺寸小，因而温度高，热电子发射容易，故电弧电压低，焊接电流尺寸小，因而温度高，热电子发射容易，故电弧电压低，焊接电流大，通电时间长；负半波时，焊件为负极，由于其熔点和沸点低，大，通电时间长；负半波时，焊件为负极，由于其熔点和沸点低，且尺寸大，散热快，温度低，电子热发射困难，故电弧电压高，焊且尺寸大，散热快，温度低，电子热发射困难，故电弧电压高，焊接电流小，通电时间短，因此出现了正负
12、半波电流不对称现象，在接电流小，通电时间短，因此出现了正负半波电流不对称现象，在交流焊接回路内出现了一个由工件流向钨极的直流分量，这种现象交流焊接回路内出现了一个由工件流向钨极的直流分量，这种现象称为称为“整流作用整流作用”。本讲稿第十三页，共二十四页1.2 焊接过程原理n（2）改善隐弧和稳弧）改善隐弧和稳弧由于交流氩弧的电压及电流的幅值和极性随时间而不断变化，每秒有由于交流氩弧的电压及电流的幅值和极性随时间而不断变化，每秒有100次过零，因此电弧的能量及电弧空间的温度也随之不断变化。当电流过零时，电次过零，因此电弧的能量及电弧空间的温度也随之不断变化。当电流过零时，电弧熄灭，下半周必须重新引
13、弧。弧熄灭，下半周必须重新引弧。有几种引弧方法可供选择：有几种引弧方法可供选择：1）短路引弧：利用钨极与焊件短暂接触、短路、快速脱开而）短路引弧：利用钨极与焊件短暂接触、短路、快速脱开而引弧。此法便利，但易使钨极沾污、损耗、破坏其端部形状及尺寸，引弧。此法便利，但易使钨极沾污、损耗、破坏其端部形状及尺寸，应避免使用。应避免使用。2）高弧引弧：利用高频振荡器产生的高频高压击穿钨极与焊件之）高弧引弧：利用高频振荡器产生的高频高压击穿钨极与焊件之间的间隙（间的间隙（3mm左右），从而可引燃电弧。但高频发生器的高频振荡也左右），从而可引燃电弧。但高频发生器的高频振荡也会损坏电源或焊接程序控制系统（包括
14、电脑）内的精密器件，否则需采会损坏电源或焊接程序控制系统（包括电脑）内的精密器件，否则需采取防干扰技术措施。取防干扰技术措施。本讲稿第十四页，共二十四页1.2 焊接过程原理n3）高压脉冲引弧：在钨极与焊件之间加易高压脉冲，使两者间的保护气体）高压脉冲引弧：在钨极与焊件之间加易高压脉冲，使两者间的保护气体电离而引弧，脉冲幅值电离而引弧，脉冲幅值800V。4）高频叠加辅助直流电源引弧：在电源两端并联一个辅助的直流电源。）高频叠加辅助直流电源引弧：在电源两端并联一个辅助的直流电源。本讲稿第十五页，共二十四页1.3 焊接工艺n1.3.1 焊接材料焊接材料 （1）钨极）钨极 铝及铝合金钨极氩弧焊可供选用
15、的钨极材料有纯钨，钍钨，锆钨，铝及铝合金钨极氩弧焊可供选用的钨极材料有纯钨，钍钨，锆钨，铈钨等，钨的熔点为铈钨等，钨的熔点为3400，铈迄今为止最好的一种非熔化电，铈迄今为止最好的一种非熔化电极材料，具有很强的电子发射能力。极材料，具有很强的电子发射能力。纯钨电极纯钨电极 熔点高，不易熔化和挥发，但电子发射能力较低，抗铝污熔点高，不易熔化和挥发，但电子发射能力较低，抗铝污染性较差，现已采用很少。染性较差，现已采用很少。钍钨电极钍钨电极 电子发生能力较强，允许电流密度较大，寿命较长，电子发生能力较强，允许电流密度较大，寿命较长，抗铝污染性较好，易引弧，电弧稳定，但价格稍高。抗铝污染性较好，易引弧
16、，电弧稳定，但价格稍高。锆钨电极锆钨电极 载流能力强，抗铝污染性好，保持电极端部形状较载流能力强，抗铝污染性好，保持电极端部形状较好，不易被焊缝夹钨好，不易被焊缝夹钨本讲稿第十六页，共二十四页1.3 焊接工艺（2）保护气体）保护气体 电弧焊铝和铝合金时，保护气体一般为惰性气体，即氩气，氦气或氩电弧焊铝和铝合金时，保护气体一般为惰性气体，即氩气，氦气或氩-氦氦各种比例的混合气体。各种比例的混合气体。本讲稿第十七页，共二十四页1.3 焊接工艺1.3.2 接头设计 设计和选用焊接接头的形式及坡口尺寸时，应根据产品的结构及零件设计和选用焊接接头的形式及坡口尺寸时，应根据产品的结构及零件厚度，参考关于国
17、家标准，行业标准等选用厚度，参考关于国家标准，行业标准等选用本讲稿第十八页，共二十四页本讲稿第十九页，共二十四页1.3 焊接工艺n1.3.3 焊接工艺参数焊接工艺参数（1）喷嘴孔径与保护气体流量）喷嘴孔径与保护气体流量 铝及铝合金铝及铝合金TIG焊的喷嘴孔径为焊的喷嘴孔径为522mm，保护气体流量一般为，保护气体流量一般为515L/min。（2）钨极伸出长度及喷嘴至工件距离）钨极伸出长度及喷嘴至工件距离 钨极伸出长度：对接焊缝时一般为钨极伸出长度：对接焊缝时一般为56mm，角焊缝时一般为，角焊缝时一般为78mm，喷嘴至工件的距离一般取，喷嘴至工件的距离一般取10mm左右为宜。左右为宜。（3）焊
18、接电流与焊接电压）焊接电流与焊接电压 与板厚，接头形式，焊接位置及焊工与板厚，接头形式，焊接位置及焊工 技术水平有技术水平有关。手工关。手工TIG焊时，采用交流电源，焊接厚度小于焊时，采用交流电源，焊接厚度小于 6mm铝合金时，最大焊接电铝合金时，最大焊接电流可根据电极直径流可根据电极直径d按公式按公式 I=（6065）d确定。电弧电压主要由弧确定。电弧电压主要由弧长决定，通常使弧长近似等于钨极直径比较合理长决定，通常使弧长近似等于钨极直径比较合理本讲稿第二十页，共二十四页1.3 焊接工艺（4）焊接速度）焊接速度 铝及铝合金铝及铝合金TIG焊时，为了减小变形，应采用较快的焊接速度。手焊时，为了
19、减小变形，应采用较快的焊接速度。手工工TIG焊一般是焊工根据熔池大小，熔池形状和两侧融合情况随时调节焊接速度，焊一般是焊工根据熔池大小，熔池形状和两侧融合情况随时调节焊接速度，一般的焊接速度为一般的焊接速度为812m/h。自动。自动TIG焊时，工艺参数设定后，在焊接过程中焊时，工艺参数设定后，在焊接过程中焊接速度一般不变。焊接速度一般不变。（5）焊丝直径）焊丝直径 一般由板厚和焊接电流确定，焊丝直径与两者之间成正比一般由板厚和焊接电流确定，焊丝直径与两者之间成正比关系。关系。本讲稿第二十一页，共二十四页本讲稿第二十二页，共二十四页参考文献n1 化工设备制造工艺学化工设备制造工艺学 辛希贤辛希贤 陕西科学技术出版社陕西科学技术出版社n2 有色金属焊接及应用有色金属焊接及应用 李亚江李亚江 王娟王娟 化学工业出版社化学工业出版社n3 铝及铝合金的焊接铝及铝合金的焊接 周万盛周万盛 姚君山姚君山 机械工业出版社机械工业出版社n4 金属焊接技术问答金属焊接技术问答 雷毅雷毅 中国石化出版社中国石化出版社n5 有色金属焊接有色金属焊接 顾曾迪顾曾迪 陈根宝陈根宝 机械工业出版社机械工业出版社n6 铝及铝合金焊接指南铝及铝合金焊接指南 黄旺福黄旺福 湖南科学技术出版社湖南科学技术出版社 本讲稿第二十三页，共二十四页本讲稿第二十四页，共二十四页