课题三　钨极惰性气体保护焊（ TIG ）

本章重点：①本章重点：① TIGTIG 焊的焊材：电极、焊丝；② 焊的焊材：电极、焊丝；② TIGTIG 焊工艺；焊工艺； ③脉冲 ③脉冲 TIGTIG 焊焊

本章难点： ①交流本章难点： ①交流 TIGTIG 焊； ② 焊； ② TIGTIG 焊工艺（尤脉冲焊工焊工艺（尤脉冲焊工艺）艺）

学习建议： ①应把学习建议： ①应把 TIGTIG 焊与其它焊接方法的特点进行对比，焊与其它焊接方法的特点进行对比，以促进理解、把握关键；②课本的内容不够完善，应注意所以促进理解、把握关键；②课本的内容不够完善，应注意所补充的有关电极、工艺措施、脉冲补充的有关电极、工艺措施、脉冲 TIGTIG 焊等有关内容；③通焊等有关内容；③通过练习制订相应的焊接工艺等实践环节来培养和提高工艺能过练习制订相应的焊接工艺等实践环节来培养和提高工艺能力和经验。力和经验。

第一节　 TIG 焊的特点及应用

几个概念： 钨极惰性气体保护电弧焊（ tungsten inert-gas arc welding ）使用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨等）作为电极的惰性气体保护电弧焊，简称 TIG 焊 , GB/T5185-1985 的标注代号是 141 。 钨极气体保护电弧焊 GTAW （ gas tungsten arc welding ） 钨极氩弧焊　 argon tungsten arc welding （ 141 ） 氩弧焊　 argon arc welding背景： 1930s ，航空工业的大发展提出有色金属的焊接要求，而MMA 和 SAW 不能很好地解决这个问题（此前有原子氢焊，但氢危险且焊钢时有焊缝增氢问题）。为适应有色金属的焊接，钨极氩弧焊应运而生。

焊接过程动画

一、 TIG 焊的原理（如图）二、 TIG 焊的特点 优点 （ 1 ）几乎可以焊接所有的金属或合金 （ 2 ）焊接质量好（焊缝纯净、成形好、热影响区小） （ 3 ）适于薄板及打底／全位置焊（ 4 ）无飞溅 缺点 焊接效率低、成本高；对焊前清理要求严格；需要特殊的引弧措施；紫外线强烈、臭氧浓度高；抗风能力差。

三、 TIG 焊的应用 材料：多用于有色金属及其合金 厚度：多用于薄件（从生产效率考虑，以 3mm 以下为宜） 位置：多用于打底（单面焊双面成形），薄件及管 - 管、管 - 板也用于填充和盖面

第二节 第二节 TIGTIG 焊的电流种类和极性焊的电流种类和极性•TIG 焊的电流种类和极性计有 直流：正接 反接 交流：正弦交流 变极性方波交流它们各有不同的特点和适用场合，应正确选择。一、直流 TIG 焊

 

 

极　性 

优　点 缺　点 

应　用 

正接(DCEN)

 

电极载流能力强、熔深大、钨极烧损少、引弧容易 

没有阴极清理作用 

用于大多数的焊接场合（除 Al 、Mg 外） 

反接(DCEP)

 

有阴极清理作用 

电极载流能力弱、熔深小、钨极烧损严重、引弧困难 

实际很少采用

正接与反接

焊接效果图

•钨极电流承载能力及阴极清理作用（阴极雾化作用）的机理　　直流正、反接时带电粒子的运动如图：

　　反接时如左图，工件为阴极，正离子向工件运动。因阴极区有很高的电压降，在电场作用下正离子高速撞击工件（上的氧化膜），使氧化膜破碎、分解而被清理掉。又由于阴极斑点总是优先在氧化膜处形成（那里电子逸出功低），阴极斑点又在邻近氧化膜上发射电子，继而氧化膜又被清除……

　正接时如右图，这时电子向工件运动，虽数量多，但体积、质量太小，不能击碎氧化膜，没有清理作用。但此时大量电子从钨极上发射，带走大量能量（对钨极产生冷却作用），所以钨极烧损少、电流承载能力大。

　但这时大量电子从工件向钨极运动，把大量能量交给钨极，导致其温度升高而烧损。要避免烧损，只有减小电流！（电流承载能力通常只有正接的 1/10 ，电流太小，无实用价值。）

二、交流二、交流 TIGTIG 焊焊

⑶变极性方波交流

i

t

i

t

　　应用：用于焊接铝、镁、铝青铜等合金（表面易氧化、氧化膜致密）。

　　正半周电极烧损降低，负半周获得阴极清理作用／熔深和钨极的电流承载能力介于 DCEN 与 DCEP之间（左图）。

DCEN AC

⑴正弦波交流

交流的电流形式

⑵变脉宽方波交流

t

i

　　正弦波交流：设备简单，但电弧稳定性差（要有特别稳弧措施）、有直流分量（要有特别措施消除）。

　　变脉宽方波交流：设备复杂，但电流参数灵活、电弧稳定、钨极烧损少，比正弦波交流有优势。

　　变极性方波交流：特点与变脉宽方波交流相同，但更好（因负半周电流大小对阴极清理作用影响更大）

交流 TIG 焊由于电弧每秒 100次过零点，加上电极（钨）与焊件（钢、铝等）的物理性质、体积差别巨大，导致正、负半波电流波形严重不对称（正半波大、负半波小），带来以下问题需要解决：

1 、过零点复燃（稳弧）

解决办法：用高压脉冲（≥ 1500V ）稳弧

2 、回路直流分量的消除

解决办法：在回路中串接电容器（隔直传交）

i

t

除以上的电流形式外， TIG 焊还可以用脉冲电流形式（包括直流脉冲和交流脉冲，将在第五节介绍）

•编号方法　 如 WSJ-400 、 WSM-400 、WSE-400 等（各项字母的意义参见 GB/T10249-1988《电焊机型号编制方法》）

一、分类及组成分类（略）组成：　电源　控制系统　引／稳弧装置　焊枪　供气系统 （水冷系统） (自动焊设备还应包括焊接小车和送丝装置 )

第三节　 TIG 焊设备

（一）焊接电源

　直流电源、交流电源、交直流电源均采用陡降或垂直下降外特性。陡降外特性的电源与普通电弧焊的并无多大差别，原则上可以通用。

　多特性电源（我国清华大学 1980s 的专利）

　逆变电源（发展方向）

（二）焊枪及电极

1 、焊枪（编号规则见 P140 ）

　水冷焊枪 QS （大电流焊接用 I＞ 100A ）如：

QS-75/400

　气冷焊枪 QQ （小电流焊接用 I≤ 100A ）如：

QQ-85/100-C

　结构组成如右图，外观如下图。

喷嘴内径 DN 、长度 l0 和钨极直径 dw

之间的关系大致为（单位 mm ）：

DN=(2.5 ~ 3.5) dw

L0=(1.4 ~ 1.6) DN+(7 ~ 9)

喷嘴有陶瓷、纯铜、石英喷嘴。陶瓷喷嘴焊接电流不能超过 350A ，纯铜喷嘴使用电流可达 500A 。常用的以陶瓷喷嘴比较多见。

各种形状的喷嘴见右图。

喷嘴孔径与钨极尺寸之间的相应数值关系大致为： 喷嘴孔径 /mm

钨极直径 /mm

6.4 0.58 1.09.5 1.6或 2.4

11.1 3.2

22 、电极、电极 纯钨 ---- 应用最早，适用交流焊接，综合性能欠佳 钍钨 ----传统电极，综合性能较好，国外多用，有放射性。 铈钨 ----在低电流下有优良的起弧性能，维弧电流较小，常用于管道、不锈钢制品和细小精致部件的焊接。放射性剂量极低，在直流小电流时，是钍钨电极的首选替代品。 镧钨 ---- 焊接性能优良，耐用电流高而烧损率低；导电性能接近于 2％钍钨（无论交直流，对习惯了钍钨的焊工，无需改变任何焊接操作程序就能方便地使用这种钨极，以免受放射性危害）。 锆钨 ----在交流条件下，焊接性能良好，尤其在高负载电流时，电极端部能保持圆球状而减少渗钨现象，并有良好的抗腐蚀性。（抗氧化性强，可用于空气等离子弧切割） 钇钨 ---- 焊接时弧束细长，压缩程度大，在中、大电流时其熔深最大。目前主要用于军事工业和航空航天工业。 复合电极 ----在钨基中添加两种（以上）稀土氧化物，全面提高电极的综合性能。（目前未见定型产品，已列入国家新产品开发计划，应密切关注）。 注意：不同的电极在端部有不同的颜色标记，可据此判断电极的种类

补充： 1 、钨极的端部形状

为适应不同场合的焊接要求，钨极端部要磨成不同的形状，常见的有（如图）：（ 1 ）尖锥状 适用于直流（正接），交流亦可

锐角（通常为 30°左右）尖锥状 ---- 适用于小直径钨极、小电流焊接的场合钝角尖锥状（通常 > 90° ） ---- 适用于大直径钨极、大电流焊接的场合

不同的锥角时电弧的形态和焊缝熔深见上图。

尖锥状的电极为防止尖端烧损，可把尖端磨成一个小平台。（ 2 ） (半 )球状 适用于交流焊接

★打磨钨极应注意使端部形状均匀一致、磨痕方向正确。

2 、打磨钨极的安全措施　　磨削钨极应采用密封式或抽风式砂轮机（有专用的钨极磨尖机），焊工应带口罩，磨削完毕，应用肥皂洗净手脸，最好下班后淋浴。钍钨极和铈钨极应放在铝盒内保存。

★ 修磨钨极的方法可参见 :www.diamondground.com

威特仕（深圳）焊接有限公司

代理的钨极磨尖机国外的钨极磨尖机

2、气体1、氩气 ----应符合 GB／T4842-1995 《纯氩》的要求，纯度≥99.99 ％（ V／V） 焊接用的氩气常以气态形式装于气瓶中。气瓶的最高工作压力为15MPa，瓶身涂色为灰色并注有绿色“氩”字样。2、氦气 ----应符合 GB4844.2-1995 《纯氦》的要求，纯度≥99.99 ％（ V／V）（合格品）　　以上均为惰性气体（惰性在此的意义：既不与金属发生反应，也不溶解于液态金属中）★TIG 焊既可以用纯氩气，也可以用氦气（电弧热量大）但价格昂贵，同时也可以用混合气体包括惰性混合气（如 Ar-He 混合气）和活性混合气（如 Ar-CO2 等）。

3、焊材　　 TIG 焊的焊材主要为实芯焊丝（焊棒<rod>）。　　（ 1）钢类焊丝　　可用的焊丝包括：　　①实芯焊丝⑴ GB/T14957-1994 《熔化焊用钢丝》 ⑵YB/T5092-1996 《焊接用不锈钢丝》 ⑶GB/T8110-1995 《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》都可选用，其中 GB/T8110-1995 被推荐用于钨极气体保护电弧焊。　　②药芯焊丝（包括 GB/T10045-1988 《碳钢药芯焊丝》和 GB/T17493-1998 《低合金钢药芯焊丝》）　　 TIG 焊有时也可以用药芯焊丝（有专用的 TIG 焊打底用药芯焊丝），打底时可以免去反面充氩保护。

　　（ 2）有色金属焊丝

　　 1 、 GB/T10858-1989 《铝及铝合金焊丝》

　　 2 、 GB/T9460-1988 《铜及铜合金焊丝》

　　 3 、 GB/T15620-1995 《镍及镍合金焊丝》

　　手工 TIG 焊时，可以用以上的焊丝截成段，也有商品焊棒。

供气及供水系统1 、供气系统

　　气瓶（灰色）－减压／流量计－电磁气阀→焊枪

2 、水冷系统（用于焊接电流＞ 150A 时）

　　开放式（国产机多见，浪费水）

　　循环式（进口机多见，节约水）

（三）控制系统　　控制的功能越来越复杂，不同品牌的设备其功能不尽相同，但有些功能是最基本的，如程序控制、引弧、提前送气 /滞后断气、电流衰减等。

控制系统 正向数字化方向发展。

（四）典型 TIG 焊设备（略）

第四节　 TIG 焊工艺钨极惰性气体保护焊通用技术要求　参见 JB/T9185-1999 《钨极惰性气体保护焊　工艺方法》（规定了钨极惰性气体保护焊的接头与坡口设计、材料、焊接工艺等）一、坡口形式及尺寸（可参考 JB/T9185-1999 的相关内容和 GB/T985-1988 《气焊、焊条电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》来选定）二、焊前清理　　氩弧焊时，对材料的表面质量要求很高，焊前必须经过严格清理，清除填充焊丝及工件坡口和坡口两侧表面至少 20mm范围内的油污、水分、灰尘、氧化膜等。　　清理的办法：（ 1 ）去处油污、灰尘 ---- 有机溶剂或专用清洗液清洗　　　　　　　　（ 2 ）除氧化膜 ---- 机械清理或化学清理

三、 TIG 焊接工艺（一）焊接工艺参数及选择　　 TIG 焊的焊接工艺参数主要包括：焊丝直径、钨极直径、焊接电流、焊接电压、气体流量、（填丝速度）、（焊接速度）等。 1 、钨极直径：根据焊接电流来选择。以下经验数据可供参考：

钨 极 直径 /mm

尖 端 直径 /mm

尖 端 角度（ o）

电流 /A恒定电流 脉冲电流

1.0 0.125 12 2~15 2~25

1.0 0.25 20 5~30 5~601.6 0.5 25 8~50 8~1001.6 0.8 30 10~70 10~1402.4 0.8 35 12~90 12~1802.4 1.1 45 15~150 15~2503.2 1.1 60 20~200 20~3003.2 1.5 90 25~250 25~350

电极顶角对熔宽的影响（ 2% 钍钨电极 Φ2.4mm ，弧长 1.3mm ，氩气流量 19L/min ，焊速 7.5cm/min ，母材厚 12.7mm）

电极顶角对熔深的影响 （ 2% 钍钨电极 Φ2.4mm ，弧长 1.3mm ，氩气流量 19L/min ，焊速 7.5cm/min ，母材厚 12.7mm ）

电极尖端角度的选择可参考下表数据

•不同气体／钨极端部条件下的焊缝熔深

焊接电流

（ A）

直　流　正　极　性 交 流喷嘴孔径 /mm

流 量 /L.min-1

喷嘴孔径 /mm

流量 / L.min-1

10~100 4~9.5 4~5 8~9.5 6~8

101~150 4~9.5 4~7 9.5~11 7~10

151~200 6~13 6~8 11~13 7~10

201~300 8~13 8~9 13~16 8~15

201~500 13~16 9~12 16~19 8~15

3 、焊接电流：综合考虑材质、板厚、焊接位置来选择。以下是一些经验数据可供参考。

焊接电流 (A) 10 ～ 20 20 ～ 50 50 ～ 100 100 ～ 200 200 ～ 300

焊丝直径 (mm) ～ 1.0 ～ 1.6 1.0 ～ 2.4 1.6 ～ 3.0 2.4 ～ 4.5

2 、焊丝直径：约等于钨极直径（手工操作）或参考以下经验数据

4 、焊接电压：通常 <20V （氩弧的电压较低且 TIG 焊所用的电弧长度较短） 5 、气体流量：为获得最佳的保护效果，气体流量与喷嘴孔径的关系有一定的规律且交流焊接比直流焊接所需的流量大。

焊接速度对熔深和焊道形状的影响 1—正常焊道 2—不均匀焊道

（ WTh2% ，Φ3.2mm，焊接电流 320A，直流正接，电弧长度 2mm， θ为钨极顶角角度）

焊接参数的选择可参考下表数据

焊接电流、焊接速度和焊道形状的关系1— 正常焊道 2— 咬边焊道 3— 不均匀焊

道（母材为奥氏体不锈钢，直流正接）

氩气流量与保护效果的关系1— 喷嘴直径 19mm ； 2— 喷嘴直

径 13mm

气体流量和横风对保护效果的影响实线—层流 虚线—紊流

保护气体流量和风速的关系（氩气喷嘴直径 16mm ，喷嘴与母材距离 15mm）

（二）焊接工艺措施　　 1 、选材：对结构钢，按等强原则选择焊接材料，对不锈钢、铝

及铝合金等则主要考虑化学成分。 ①焊丝的化学成分应与母材的性能相匹配，严格控制其化学成

分、纯度和质量。主要化学成分应比母材稍高，以弥补高温的烧损。

② TIG 焊使用钢焊丝时应尽量选专用焊丝 , 以减少主要化学成分的变化 , 保证焊缝一定的力学性能和熔池液态金属的流动性 ,获得良 好的焊缝成型 ,避免产生裂纹等缺陷。

③ TIG 焊使用有色金属焊丝焊接铜、铝、镁、钛及其合金时应注意成分相符。有时可将与母材成分相同的薄板剪成小条当焊丝。　　　

2 、不锈钢、铝及铝合金等打底时必须进行反面保护（常用的办法是通氩保护，对不锈钢也可用药芯焊丝打底）。　 3 、如焊机无高频引弧装置，不能直接在工件上引弧，要在垫板上引弧。　

★对于碳钢、低合金结构钢的焊接，板厚 >3mm 时，建议用其它焊接方法焊接或用 TIG 焊打底，用其它焊接方法填充盖面。　　 ★对于不锈钢的焊接，如板厚 >3mm ，建议用 MMA 、 MAG 或 SAW 焊接；如需打底，建议用 TIG 打底，其它方法填充盖面。　　 ★对于铝及铝合金的焊接，薄板可用全 TIG 焊，中厚板建议以 TIG 打底， MIG 填充盖面。　　 ★打底最好用脉冲 TIG 焊。　　 ★附加保护的措施也可参见（ P151-152 ）

（一）脉冲钨极氩弧焊的特点 1 、脉冲式加热，高温停留时间短、金属冷凝快，易于焊接热敏感材料； 2 、热输入小、电弧能量集中、 HAZ 小，利于薄板焊接； 3 、可精确控制热输入及熔池尺寸，适于单面焊双面成形和全位置焊； 4 、高频电弧震荡利于细化晶粒、消除气孔，提高接头性能； 5 、适合高速焊、提高生产率。

　☆应用：一般用于打底或薄件的焊接　

直流脉冲电流波形

i

t

t

i

交流脉冲电流波形

焊接过程动画

第五节　 TIG 焊的其它方法一、脉冲 TIG 焊 (argon tungsten pulsed arc welding)　使用脉冲电流（通常多用方波），分直流脉冲 TIG 焊和交流脉冲 TIG 焊。

i

t

峰值电流 Im

基值电流 Ij

峰值时间 tm

基值时间 tj

（二）直流脉冲参数及选择

　　参数：直流脉冲 TIG 焊的参数与普通直流 TIG 焊的基本相同，只是电流变为脉冲电流（有四个基本参数，可分别独立调节）。

脉冲氩弧焊参数，参数选择原则及步骤如下：　对于一定板厚，有一个合适的通电量（ Im tm ） ,而最佳值 Im取决于材料的种类，可以近似认为与工件厚度无关（如钢类约为 150A ）。所以一般步骤通常是先根据材料种类选择 Im ，然后以板厚决定 tm 。当焊薄板时， Im值应选得稍低，同时适当延长 tm ；焊接厚板时， Im应选得稍高，并适当缩短 tm。Ij 一般为 Im 的 10% ~ 20% ， tj 为 tm 的 1~ 3倍，即 tj =(1~3) tm 、 Ij = （ 10~20 ） % Im 。 。　幅比、占空比的值较大时，脉冲特点较显著有利于克服热裂纹，但过大会增加咬边倾向。

几个概念：周期 T= tm + tj 频率 =1/T 占空比 = tm /T 幅比 = Im / Ij

　　脉冲电流频率超过 5KHZ 电弧具有强烈的电磁收缩效果，对焊接有利。

　　焊接速度和脉冲频率要相互匹配（尤自动焊），使焊点之间有一定的相互重叠量，常用频率可参照下表，一般低于 10HZ 。

焊 接方 法

手工TIG 焊

下列焊接速度（ cm/min ）的自动脉冲钨极氩弧焊

20 28 37 38

频率 f 1~2 ≥3 ≥4 ≥5 ≥6脉冲 TIG 焊参数实例（下二表，上：直流正接；下：交流）

材料 板厚 Im

（ A ）Ij

（ A ）Tm （ S ） tj

（ S）

频率（ Hz ）

焊接速度（ cm/min ）

不锈钢 0.3 20~22 5 ~ 8 0.06 ~ 0.08 0.06 8 50 ~ 60

不锈钢 0.8 85 10 0.12 0.08 5 80 ~ 100

材料 板厚mm

焊丝直径mm

Im

（ A ）Ij

（ A）

脉宽比%

频率 Hz

电弧电压v

气体流量L/min

5A03 1.5 2.5 80 45 33 1.7 14 5

5A03 2.5 2.5 95 50 33 2 15 5

各种材料脉冲T

IG

焊时脉冲电流参数的选

择 脉冲 TIG 焊工艺参数的确定还可以参考以下的数据。

脉冲电流和基值电流的组合

对焊缝成形的影响I p—脉冲电流 I b— 基值电流

脉冲幅比与脉冲频率的合理关系

不同板厚的焊缝咬边与脉冲幅比及脉冲宽比的关系

（母材 1Cr18Ni9Ti ）

二、热丝 TIG 焊 (hot wire TIG welding)

　　焊丝在送入熔池之前经过加热的

TIG 焊。

　　可在提高熔敷效率的同时降低对

焊缝的热输入。

　　多用于窄间隙焊和 TIG堆焊（多

为自动焊）。

　　熔敷速度可比通常所用的冷丝提高 2倍。　　用交流电源加热填充焊丝，以减少磁偏吹。焊丝最大直径限为 1.2mm 。焊丝过粗，对防止磁偏吹不利。　　已成功用于碳钢、低合金钢、不锈钢、镍和钛等的焊接。　　

管 - 管与管 - 板焊接

管 - 管焊接如上图右。

管管管板的全位置自动焊接已发展成为 TIG 焊的一项专门技术，在管道、容器的焊接上获得了广泛的应用。按不同的位置分区改变电流或焊接速度的程序控制，有专门的焊机。

　　有关管 - 管、管 - 板（自动）焊请参看“网络课程”的有关内容。

★安全技术•氩弧焊的有害因素 放射性 :钍钨极中的钍有放射性，剂量很小。微粒进入人体成为内放射源，则会严重影响身体健康。 高频电磁场：由于时间很短，对人体影响不大。 有害气体：臭氧和氮氧化物。 紫外线辐射：强度远大于一般焊条电弧焊，在焊接过程中会产生大量的臭氧和氧化物。╋安全防护措施 ①通风措施 ②尽可能采用铈钨极 ③钍钨极的铈钨极加工时，应采用密封式或抽风式砂轮磨削，操作者应配戴口罩、手套等个人防护用品，加工后要（用肥皂）洗净手脸最好下班后淋浴。 钍钨极和铈钨极应放在铝盒内保存。 ④屏蔽高频电磁场 ⑤其他个人防护措施：如穿戴非棉布工作服（如耐酸呢、柞绸等）。

有关钨极氩弧焊的更多了解，请参看“网络课程”第六章。

一、 TIG 焊的原理（如图）二、 TIG 焊的特点 优点 （ 1 ）几乎可以焊接所有的金属或合金 （ 2 ）焊接质量好（焊缝纯净、成形好、热影响区小） （ 3 ）适于薄板及打底／全位置焊（ 4 ）无飞溅 缺点 焊接效率低、成本高；对焊前清理要求严格；需要特殊的引弧措施；紫外线强烈、臭氧浓度高；抗风能力差。

本章结束

谢谢观看