学习单元一 认知钨极氩弧焊
一、TIG焊的原理
TIG焊是在惰性气体的保护下，利用钨极与焊件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（也可以不加填充焊丝），形成焊缝的焊接方法，如图6-1所示。焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成保护层隔绝空气，保护电极和焊接熔池以及临近热影响区，以形成优质的焊接接头。
TIG焊分为手工和自动两种。焊接时，用难熔金属钨或钨合金制成的电极基本上不熔化，故容易维持电弧长度的恒定。填充焊丝在电弧前方添加，当焊接薄焊件时，一般不需开坡口和填充焊丝；还可采用脉冲电流以防止烧穿焊件。焊接厚大焊件时，也可以将焊丝预热后，再添加到熔池中去，以提高熔敷速度。
TIG焊一般采用氩气作保护气体，称为钨极氩弧焊。在焊接厚板、高导热率或高熔点金属等情况下，也可采用氦气或氦氩混合气作保护气体。在焊接不锈钢、镍基合金和镍铜合金时可采用氩一氢混合气作保护气体。
二、TIG焊的特点
TIG焊与其他焊接方法相比有如下特点：
（1）可焊金属多 氩气能有效隔绝焊接区域周围的空气，它本身又不溶于金属，不和金属反应；TIG焊过程中电弧还有自动清除焊件表面氧化膜的作用。因此，可成功地焊接其他焊接方法不易焊接的易氧化、氮化、化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。
（2）适应能力强 钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流下也能稳定燃烧；不会产生飞溅，焊缝成形美观；热源和焊丝可分别控制，因而热输入量容易调节，特别适合于薄件、超薄件的焊接；可进行各种位置的焊接，易于实现机械化和自动化焊接。
（3）焊接生产率低 钨极承载电流能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其颗粒可能进入熔池，造成夹钨。因而TIG焊使用的电流小，焊缝熔深浅，熔敷速度小，生产率低。
（4）生产成本较高 由于惰性气体较贵，与其他焊接方法相比生产成本高，故主要用于要求较高产品的焊接。
三、TIG焊的应用
TIG焊几乎可用于所有钢材、有色金属及其合金的焊接，特别适合于化学性质活泼的金属及其合金。常用于不锈钢、高温合金、铝、镁、钛及其合金以及难熔的活泼金属（如锆、钽、钼铌等）和异种金属的焊接。
TIG焊容易控制焊缝成形，容易实现单面焊双面成形，主要用于薄件焊接或厚件的打底焊。脉冲TIG焊特别适宜于焊接薄板和全位置管道对接焊。但是，由于钨极的载流能力有限，电弧功率受到限制，致使焊缝熔深浅，焊接速度低，TIG焊一般只用于焊接厚度在6mm以下的焊件。
学习单元二 TIG焊的电流种类和极性
TIG焊时，焊接电弧正、负极的导电和产热机构与电极材料的热物理性能有密切关系、从而对焊接工艺有显著影响。下面分别讨论采用不同电流种类和极性进行TIG焊的情况。
一、直流TIG焊
直流TIG焊时，电流极性没有变化，电弧连续而稳定，按电源极性的不同接法，又可将直流TIG焊分为直流正极性法和直流反极性法两种方法。
1．直流正极性法
直流正极性法焊接时，焊件接电源正极，钨极接电源负极。由于钨极熔点很高，热发射能力强，电弧中带电粒子绝大多数是从钨极上以热发射形式产生的电子。这些电子撞击焊件（负极），释放出全部动能和位能（逸出功），产生大量热能加热焊件，从而形成深而窄的焊缝，见图5-2a。该法生产率高，焊件收缩应力和变形小。另一方面，由于钨极上接受正离子撞击时放出的能量比较小，而且由于钨极在发射电子时需要付出大量的逸出功，所以钨极上总的产热量比较小，因而钨极不易过热，烧损少；对于同一焊接电流可以采用直径较小的钨极。再者，由于钨极热发射能力强，采用小直径钨棒时，电流密度大，有利于电弧稳定。
综上所述，直流正极性有如下特点：
1）熔池深而窄，焊接生产率高，焊件的收缩应力和变形都小。
2）钨极许用电流大，寿命长。
3）电弧引燃容易，燃烧稳定。
总之，直流正极性优点较多，所以除铝、镁及其合金的焊接以外，TIG焊一般都采用直流正极性焊接。
2．直流反极性法
直流反极性时焊件接电源负极，钨极接正极。这时焊件和钨极的导电和产热情况与直流正极性时相反。由于焊件一般熔点较低，电子发射比较困难，往往只能在焊件表面温度较高的阴极斑点处发射电子，而阴极斑点总是出现在电子逸出功较低的氧化膜处。当阴极斑点受到弧柱中来的正离子流的强烈撞击时，温度很高，氧化膜很快被汽化破碎，显露出纯洁的焊件金属表面，电子发射条件也由此变差。这时阴极斑点就会自动转移到附近有氧化膜存在的地方，如此下去，就会把焊件焊接区表面的氧化膜清除掉，这种现象称为阴极破碎（或称阴极雾化）现象。
阴极破碎现象对于焊接工件表面存在难熔氧化物的金属有特殊的意义，如铝是易氧化的金属，它的表面有一层致密的A12O3附着层，它的熔点为2050℃，比铝的熔点（657℃）高很多，用一般的方法很难去除铝的表面氧化层，使焊接过程难以顺利。若用直流反极性TIG焊则可获得弧到膜除的显著效果，使焊缝表面光亮美观，成形良好。
但是直流反极性时钨极处于正极，TIG焊阳极产热量多于阴极（有关资料指出：2/3的热量产生于阳极，1/3的热量产生于阴极），大量电子撞击钨极，放出大量热量，很容易使钨极过热熔化而烧损，使用同样直径的电极时，就必须减小许用电流或者为了满足焊接电流的要求，就必须使用更大直径的电极；另一方面，由于在焊件上放出的热量不多，使焊缝熔深浅，生产率低。所以TIG焊中，除了铝、镁及其合金的薄件焊接外，很少采用直流反极性法。
二、交流TIG焊
交流TIG焊时，电流极性每半个周期交换一次，因而兼备了直流正极性法和直流反极性法两者的优点。在交流负极性半周里，焊件金属表面氧化膜会因“阴极破碎”作用而被清除；在交流正极性半周里，钨极又可以得到一定程度的冷却，可减轻钨极烧损，且此时发射电子容易，有利于电弧的稳定燃烧。交流TIG焊时，焊缝形状也介于直流正极性与直流反极性之间。实践证明，用交流TIG焊焊接铝、镁及其合金能获得满意的焊接质量。
但是，由于交流电弧每秒钟要100次过零点，加上交流电弧在正负半周里导电情况的差别，又出现了交流电弧过零点后复燃困难和焊接回路中产生直流分量的问题。必须采取适当的措施才能保证焊接过程的稳定进行。
综上所述，TIG焊既可以使用交流电流也可以使用直流电流进行焊接，对于直流电流还有极性选择的问题。焊接时应根据被焊材料来选择适当的电流和极性。
学习单元三 TIG焊工艺
TIG焊工艺主要包括焊前清理、工艺参数的选择和操作技术等几个方面。
一、焊前清理
氩气是惰性气体，在焊接过程中，既不与金属起化学作用，也不溶解于金属中，为获得高质量焊缝提供了良好条件。但是氩气不像还原性气体或氧化性气体那样，它没有脱氧去氢的能力。为了确保焊接质量，焊前对焊件及焊丝必须清理干净TIG焊常用的清理方法有：
1．清除油污、灰尘
常用汽油、丙酮等有机溶剂清洗焊件与焊丝表面。也可按焊接生产说明书规定的其他方法进行。
2．清除氧化膜
常用的方法有机械清理和化学清理两种，或两者联合进行。
TIG焊的焊接工艺参数有：焊接电流、电弧电压（电弧长度）、焊接速度、填丝速度、保护气体流量与喷嘴孔径、钨极直径与形状等。合理的焊接工艺参数是获得优质焊接接头的重要保证。
1．焊接工艺参数对焊缝成形和焊接过程的影响
TIG焊时，可采用填充焊丝或不填充的方法形成焊缝。不填充焊丝法，主要用于薄板焊接。如厚度在3mm以下的不锈钢板，可采用不留间隙的卷边对接，焊接时不加填充焊丝，而且可实现单面焊双面成形。填充或不填充焊丝焊接时，焊缝成形的差异如图5-3所示。
（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，可焊接的材料厚度越大。
（2）电弧电压（或电弧长度） 当弧长增加时，电弧电压即增加，焊缝熔宽c和加热面积都略有增大。但弧长超过一定范围后，会因电弧热量的分散使热效率下降，电弧力对熔池的作用减小，熔宽c和母材熔化面积均减小。
（3）焊接速度 焊接时，焊缝获得的热输入反比于焊接速度。在其他条件不变的情况下，焊接速度越小，热输入越大，则焊接凹陷深度a1、熔透深度s、熔宽c都相应增大。反之上述参数减小。
当焊接速度过快时，焊缝易产生未焊透、气孔、夹渣和裂纹等缺陷。反之，焊接速度过慢时，焊缝又易产生焊穿和咬边现象。
（4）填丝速度与焊丝直径 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、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。
（5）保护气体流量和喷嘴直径 保护气流量和喷嘴孔径的选择是影响气保护效果的重要因素。为了获得良好的保护效果，必须使保护气体流量与喷嘴直径匹配，也就是说，对于一定直径的喷嘴，有一个获得最佳保护效果的气体流量，此时保护区范围最大，保护效果最好。如果喷嘴直径增大，气体流量也应随之增加才可得到良好的保护效果。
（6）电极直径和端部形状 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。
2．焊接参数的选择
在焊接过程中，每一项参数都直接影响焊接质量，而且各参数之间又相互影响，相互制约。为了获得优质的焊缝，除注意各焊接参数对焊缝成形和焊接过程的影响外，还必须考虑各参数的综合影响，即应使各项参数合理匹配。
三、TIG焊操作技术
TIG焊可分为手工TIG焊和自动TIG焊两种，其操作技术的正确与熟练是保证焊接质量的重要前提。由于焊件厚度，施焊姿式，接头形式等条件不同，操作技术也不尽相同。下面主要介绍手工TIG焊基本操作技术。
1．引弧
引弧前应提前5~10s送气。引弧有两种方法：高频振荡引弧（或脉冲引弧）和接触引弧，最好是采用非接触引弧。采用非接触引弧时，应先使钨极端头与焊件之间保持较短距离，然后接通引弧器电路，在高频电流或高压脉冲电流的作用下引燃电弧。这种引弧方法可靠性高，且由于钨极不与焊件接触，因而钨极不致因短路而烧损，同时还防止焊缝因电极材料落入熔池而形成夹钨等缺陷。
2．焊接
焊接时，为了得到良好的气保护效果，在不妨碍视线的情况下，应尽量缩短喷嘴到焊件的距离，采用短弧焊接，一般弧长4~7mm。焊枪与焊件角度的选择也应以获得好的保护效果，便于填充焊丝为准。平焊、横焊或仰焊时，多采用左焊法。厚度小于4mm的薄板立焊时，采用向下焊或向上焊均可，板厚大于4mm的焊件，多采用向上焊。要注意保持电弧一定高度和焊枪移动速度的均匀性，以确保焊缝熔深、熔宽的均匀，防止产生气孔和夹杂等缺陷；为了获得必要的熔宽，焊枪除作匀速直线运动外，允许作适当的横向摆动。在需要填充焊丝时，焊丝直径一般不得大于4mm，因为焊丝太粗易产生夹渣和未焊透现象。焊枪和填充焊丝之间的相对位置如图5-7所示。填充焊丝在熔池前均匀地向熔池送入，切不可扰乱氩气气流。焊丝的端部应始终置于氩气保护区内，以免氧化。
焊接时，为了加强气保护效果，提高焊缝质量，还可采取如下措施：
（1）加挡板 接头形式不同，氩气流的保护效果也不相同。
（2）扩大正面保护区 焊接容易氧化的金属及其合金（如钛合金）时不仅要求保护焊接区，而且对处于高温的焊缝段及近缝区表面也需要进行保护。这时单靠焊枪喷嘴中喷出的气层保护是不够的。为了扩大保护区范围，常在焊枪喷嘴后面安装附加喷嘴，也称拖斗，如图5-9所示。附加喷嘴里可另供气也可不另供气。用于焊接较厚的不锈钢和耐热合金材料时，可不另供气，而利用延长喷嘴喷出的气体在焊缝上停留的时间，达到扩大保护范围的目的。这种拖斗耗气不大，比较经济。用于焊接钛合金时，则需另供气，且在拖斗里安装气筛，使氩气在焊接区缓慢平稳地流动，以利于提高保护效果。
（3）反面保护 对某些焊件，既要求焊缝均匀，同时又不允许焊缝反面氧化。
3．收弧
焊缝在收弧处要求不存在明显的下凹以及产生气孔与裂纹等缺陷。为此，在收弧处应添加填充焊丝多使弧坑填满，这对于焊接热裂纹倾向较大的材料时，尤为重要。
学习单元四 TIG焊的新技术
一、脉冲TIG焊
脉冲TIG焊与一般TIG焊的区别在于采用可控的脉冲电流来加热焊件，以较小的基值电流来维持电弧稳定燃烧。当每一次脉冲电流（也称峰值电流）通过时，焊件上就产生一个点状熔池，当脉冲电流停歇时，点状熔池冷却结晶。因此，只要合理地调节脉冲间歇时间，保证焊点间有一定的重叠量，就可获得一条连续气密的焊缝。
脉冲TIG焊有交流、直流之分，而根据波形不同又有矩形波、正弦波，三角波（图5-12）三种基本波形。无论哪种波形，脉冲TIG焊都具有以下的基本特点：
（1）电弧压力大、挺度好，可明显地改善电弧的稳定性。薄件焊接要求较小的焊接电流，但此时电弧不稳定，甚至很难正常焊接。而在脉冲焊的脉冲电流Ip期间，电弧稳定、电弧压力大，指向性好，易使母材熔化。在较低的基值电流Ib期间可维持电弧不灭，使熔池凝固结晶。这样，大、小电流不断地交替，被焊件焊缝处相应地熔化、凝固，既可避免大电流烧穿的现象，又能克服小电流电弧不稳的问题，这样便能保证焊接过程的顺利进行。
（2）可控制对母材的热输入及控制焊缝成形
通过脉冲焊接参数（脉冲电流Ip、基值电流Ib、脉冲频率f等）的调节可精确地控制电弧能量及其分布，从而控制母材的线能量，获得均匀的熔深和焊缝根部均匀熔透，能很好地实现全位置焊接和单面焊双面成形。
（3）脉冲电流对熔池的搅拌作用可改善焊缝组织及外观成形 脉冲TIG焊时，电流的变化造成电弧压力的变化，对熔池的搅拌作用增强，使焊缝金属组织细密并有利于消除气孔、咬肉等缺陷。
（4）裂纹倾向小 焊接过程熔池金属冷却快，高温停留时间短，可减少热敏感材料焊接时产生裂纹的倾向。
（5）电弧热输入低 采用脉冲电流可减小焊接电流的平均值，获得较低的热输入。因此利用脉冲TIG焊，可焊接薄板或超薄件。用它焊接厚度小于0.1 mm的薄钢板仍能获得满意的效果。
由于上述特点，使脉冲TIG焊特别适于焊接热敏感性强的金属材料或薄件、超薄件、全位置、窄间隙以及中厚板开坡口多层焊的第一层打底焊。
二、TIG点焊
1．TIG点焊的特点
焊枪端部的喷嘴将被焊的两块金属压紧，保证连接面密合，然后靠钨极与母材之间的电弧使钨极下方的金属局部熔化形成焊点。TIG点焊适用于焊接各种薄板结构以及薄板与较厚材料的焊接，所焊材料目前主要是不锈钢、低合金钢等。
和电阻点焊相比，TIG点焊有如下优点：
1）可从一面进行焊接，方便灵活。对无法从两面焊接的构件尤其适合。
2）更易于焊接厚度相差悬殊的焊件。
3）需施加的压力小，无需加压装置。
4）设备费用低，耗电少。
缺点是：
1）焊接速度不如电阻点焊高。
2）焊接费用（人工费、氩气消耗等）较高。
2．TIG点焊的焊接工艺
焊前清理的要求和一般的TIG焊一样。焊接电流既可以采用直流正接，也可用交流（但应该辅加稳弧装置）。通常都采用直流正接，因为它可以比交流获得更大的熔深，可以采用较小的焊接电流（或者较短的时间），从而减少热变形和其他的热影响。
引弧有两种方法：
（1）高频引弧 依靠高频电压击穿钨极和焊件之间的气隙而引弧。
（2）诱导电弧引弧 先在钨极和喷嘴之间引燃一小电流（约5A）的诱导电弧，然后再接通焊接电源，引燃焊接电弧。
目前最常用的是高频引弧。
焊接时主要通过调节焊接电流值和电流持续时间控制焊点尺寸。增大焊接电流值和电流持续时间会增加熔深和焊点直径，反之则减小熔深和焊点直径。电弧长度也是一个重要的参数，电弧过长，熔池会过热并可能产生咬边缺陷；电弧太短，母材膨胀后会接触钨极，造成污染。
为了防止点焊表面过度凹陷和产生弧坑裂纹，点焊结束前应使电流自动衰减或者进行二次脉冲加热。当焊点加强高要求严格时可往熔池输送适量的填充焊丝。
