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鎢極氣體保護電弧焊

基本原理及定義

鎢極氣體電弧焊（簡稱TIG焊），是一種在非熔化電極與工件之間產生熱量的電弧焊法、電極、焊接熔池、電弧，以及焊件被加熱的周圍區域，受保護氣體保護而不被大氣污染；這種保護作用是由一種氣體（通常是惰性氣體）或混合氣體來提供的，保護氣體必需起到完善的保護作用，因為即使有極少量的空氣進入焊接區，也會污染焊縫。

適用範圍

TIG焊，對手工操作和自動操作均適用，因為電極是非熔化的，所以可不添加填充金屬而通過母材熔化形成焊縫；也可添加填充金屬，而達到規定的要求。

TIG焊可作全位置焊接，由於它的特點是可使它能夠焊接大多數金屬和合金，特別適用於薄板焊接，雖然在焊接質量要求高的厚件，也採用TIG多道焊法，但母材厚度大於8mm時，一般都採用其他焊接方法。

焊接電源

基本上焊接電流有三種：

  1. 直流正接；（DCSP）
  2. 直流反接；（DCRP）
  3. 交流

把高頻電流疊加到上述三種電流中，可獲得理想效果。

保護氣體

保護氣體的主要作用是熔池、電極及填充焊線的加熱端排除空氣，避免空氣對焊縫金屬的污染，保護氣體不會給焊縫提供熱量，通常用於TIG焊的保護氣體有氬、氦、氬氦混合和氬氫混合氣體。

選擇哪種保護氣體，對焊縫質量和焊接速度將產生重大的影響；氬、氦、氬氦混合氣體與鎢或鎢合金電極是不起化學反應的，並且對焊縫金屬的質量沒有不良影響。

在整個工業部門中，氬氣應用得最廣泛，因為它可提供一種平靜而又穩定的柔和電弧；用氦氣保護的熔池溫度很高，並且流動性也好；氬氣的比重是空氣的1.4倍，氦氣的10倍，但它能在有限的空間內與空氣相混合；而氦氣的比重大約祗有空氣的七份之一，不過它同空氣混合比較慢，從焊炬噴咀出來的氦氣，很快便離開焊縫而上升，因此在同一環境下，氦氣的使用量比氬氣大得多。

氦氣有較大熔深，但氬氣的電弧柔和穩定，且易於控制，當要求同時兼有上述兩個優點時，可採用氬氣混合氣體；氬氣在低流量時的保護作用較大，而氦氣則是在高流量時保護作用最大；試驗結果証明，按體積計算，氦80% + 氬20%混合氣體的保護作用差不多介於上述兩種情況之間。

當其他保護氣體或混合氣體都不能夠克服所遇到的氣孔問題時，採用氬加氫2%混合氣體可能獲得較好的效果。

在TIG焊中，應採用焊接級的高純度保護氣體，氬氣的標準純度不可低於99.5%，但用在特殊目的如鈦金屬的焊接，則不能低於99.995%，為防止瓶內氣體的污染，當壓力在2.5kg/cm2以下時，應關閉氣瓶閥以保持殘留的氣體在大氣壓力之上；純度少於99.8%的氦氣，會有大量的水份，用這種純度的氦氣進行焊接，當氣瓶壓力降至低於3.5kg/cm2時，就可能遇到困難，因此在壓力降低到此值時，這瓶氦氣就不可再用。

保護氣體供應與控制

保護氣體的供應一般有兩種型式，單個的儲氣瓶，或與大容量儲藏容器相連的輸氣系統；單個氣瓶的優點是十分輕便，對氣體消耗不大的工作，提供良好的供氣來源；輸氣系統的優點在於隨時都可得到充足而不中斷的氣體供應。

為得到良好的保護，焊接時應控制適量的保護氣體，過大的氣體流量，不僅增加不必要的費用，而且可能引起焊縫咬邊和電弧不穩定。

保護氣體的流量，要用減壓器及流量錶來控制，減壓器將壓縮氣體壓力降低，再用流量錶調較至適當流量；保護氣體流量主要取決於焊接電流、電極、噴咀及焊接金屬。

焊炬

TIG焊炬應設計得緊湊，重量輕和絕緣良好，它必需有手柄，輸送保護氣體到焊接區的裝置，以及一個緊固鎢極和把電流導入焊炬的其他設備。

焊炬組合件通常包括有電線、軟導管，以便將焊炬連接到電源、氣源和水源（如果用水冷卻）的接頭上。

焊炬一般可分氣冷和水冷兩種；氣冷焊炬其主要冷卻作用是由保護氣體的流動來完成的；對於水冷焊炬，有部份冷卻作用是由保護氣體流動提供的，但是由經過焊炬的循環水得到了輔助的冷卻。

比較之下，氣冷焊炬價格比較便宜，但焊接電流負載能力較低，適合焊接金屬薄件應用；水冷焊炬可進行持續大電流焊接，不過價格都比較貴。

電極

鎢在一般金屬中熔點最高，因此它是一種最好的非熔化電極的材料；除具有很高的熔點外，鎢還是一種強烈的電子發射體，很容易保持一個穩定的電弧。鎢和鎢合金是被用於所有TIG焊中的電極材料。

鎢電極在焊接過程中，損耗是很少的；電極的最大損耗是由於與焊件或填充焊線相接觸，做成污染而引起；另一個損耗原因是熄弧後，電極沒有得到適當的保護，在高溫下與空氣接觸而使電極氧化；因此為防止電極的損耗，電極應避免接觸焊件或填充焊線；熄弧後不要即時把焊炬移離焊件，應把焊炬留在原來位置，待保護氣體繼續流出，保護電極冷卻到氧化溫度之下。

噴咀

噴咀安裝在TIG焊炬前端最接近電弧及熔池的地方，作用在引導保護氣體到指定的焊接區，其尺寸大小及形狀可直接影響保護氣體的流量及方向性。噴咀一般為陶瓷質，也有用金屬製成，有氣冷及水冷形式；陶瓷質噴咀價格較低，應用最廣，但其損壞率很高；金屬水冷噴咀可適應高電流焊接，如使用適當，其使用壽命很長；不過當採用高頻電流焊接時，應盡可能採用陶瓷噴咀，以防止噴咀內橫向起弧。

當為特定用途而選用陶瓷噴咀時，應盡可能選用內徑尺寸較小的噴咀，其條件是它的端部在電弧密集中加熱下不會熔化，而能提供足夠的氣體保護範圍；小尺寸噴咀有助於維持更穩定可靠的電弧，並有較好的焊縫能見度，更可在電弧周圍產生一些壓縮效應，可使電弧更有力，更有指向性，以及具有更大集中性；然而在保護氣體流量較低情況下，尺寸較大的噴咀，將產生保護效果較好的保護層；在高溫時對周圍大氣污染敏感的金屬，如鈦等，採用尺寸較大的噴咀，保護效果較佳。

填充金屬

TIG焊接用填充金屬的選擇，主要取決於被焊接的母材；其他影響因素是：對焊縫所要求的機械及物理性能、接頭設計，以及對焊件要求的精度和外觀；為滿足各種不同的要求，對於每一組合金，可採用化學成份範圍比較寬的填充金屬。下表中列出可應用的填充金屬AWS規格編號，這些規格給出了TIG焊正常採用的填充金屬成份；為滿足比較特殊的要求，也可採用其他的化學成份。
AWS規格編號 焊接金屬
A5.10 鋁合金
A5.7 銅合金
A5.19 鎂合金
A5.14 鎳合金
A5.18 碳鋼
A5.9 白鋼
A5.16 鈦合金

手工TIG焊採用的多為棒狀填充焊線，直徑為0.8mm至6.0mm，長度為1m左右；填充金屬一般儲存在具有常溫、低濕度和空氣未被油化的地方較適當。存放適當的填充金屬，在焊接前不需要特別處理，有必要時，棒狀焊線可以用化學浸蝕法去除油污和進行清洗，或用鋼絲刷或砂紙磨去氣化物。

接頭設計

TIG焊的基本接頭型式有對接、搭接、角接和 T 型接頭等。其應用方式與手工電弧焊或氧乙炔氣焊差不多；接頭設的選擇主要取決於下列幾點：
  1. 要求達到的機械特性；
  2. 接頭準備的工作和完成焊縫的實用；
  3. 被焊接的金屬類型；
  4. 被焊接工件的尺寸和形狀。

操作情形

操作者應位於工作物前適當位置，專心於握持穩定的焊炬而不會有偶然的動搖。為保證有效的氣體保護，可用順手焊法，即右手握焊炬，由右向左進行；或左手握焊炬，由左向右進行。焊炬體向後稍傾斜，使電極與工件表面在焊接方向成95o至110o角，以便操作者能看到電極末端及控制填充焊線的添加。填充焊線應用左手握於拇指與食指間（假定右手操作者），當需要時可用中指支持著填充焊線，而藉拇指與食指的動作把焊線推進至熔池範圍內。

在電弧已產生而在焊件表面形成熔池後，填充焊線應斷續地加入熔池的前端，使與熔池作實際的接觸，但不可接觸到電極末端，填充焊線能以稍為橫擦的動作，或輕微來回塗擦動作來加入，在任何情形下，應小心使填充焊線已加熱的末端始終保持在保護氣體中以防止其被氧化。同時必須注意保持極短的電弧長度；操作未純熟時，鎢電極會因被接觸而受污染，影響電孤變得不穩定，如有這個現象，可暫停焊接，把電極末端重磨以除去污染部份。

TIG 焊接的電極鎢針 Tungsten Electrode for TIG Welding

導言

依據電流來分類，TIG焊接有三種，即：
  1. 直流正接（Direct Current Straighr Polarity），簡稱DCSP。
  2. 直流反接（Direct Current Reverse Polarity），簡稱DCRP。
  3. 高頻交流（High Frequency Alternating Current），簡稱ACHF。

焊接所使用的鎢針形狀會因所用電流不同而有分別。

DCSP所用的鎢針

DCSP所用的鎢針是尖的；通常從市場購得的鎢針是圓柱形，直徑有 1mm、1.6mm、2.4mm、3.2mm、4mm及6.4mm等，長度有75mm、150mm、610mm等。若要焊接效果好，電弧端應要磨尖，下列是鎢針加工時的建議尺寸：
鎢針直徑 尖端直徑 夾角 電流範圍（直流正接）
1.0 mm 0.125 mm 12o 2 ~ 15 A
1.0 mm 0.25 mm 20o 5 ~ 30 A
1.6 mm 0.5 mm 25o 8 ~ 50 A
1.6 mm 0.8 mm 30o 10 ~ 70 A
2.4 mm 0.8 mm 35o 12 ~ 90 A
2.4 mm 1.1 mm 45o 15 ~ 150 A
3.2 mm 1.1 mm 60o 20 ~ 200 A
3.2 mm 1.5 mm 90o 25 ~ 250 A

 

DCRP所用的鎢針

DCRP所用的鎢針也有削斜部份，但前端成小球形，成形的方法是把已磨尖的鎢針裝在焊炬，接上直流反接（DCRP），在碳塊（或紅銅塊）上起弧，短時間內即會形成球端。

ACHF所用的鎢針

ACHF所用的鎢針前端是脹大的，如圖三所示，成形的方法是把平直的鎢針安裝在焊炬，接上直流反接（DCRP），在碳塊（或紅銅塊）上起弧，短時間內端點會脹大。

鎢針的材料

TIG 焊接用的鎢電極有四類，即：

  1. 純鎢（Pure Tungsten）AWS型號為EWP，中國國內型號為W。
  2. 鋯鎢，含有1%二氧化鋯（Zirconium Dioxide），AWS型號為EWZr。
  3. 釷鎢，含有二氧化釷（Thorium Dioxide），AWS型號有兩種，含1%及2%，AWS型號各為EWTh-1及EWTh-2，中國國內的對比型號為Wth-10及Wth-20。
  4. 鈰鎢，含有二氧化鈰（Cerium Dioxide），中國國內型號為WCe-5、WCe-13及WCE-20，各含二氧化鈰0.5%、1.3%及2.0%。

使用純鎢針容易污染母材，電極壽命也短，鋯鎢的使用壽命較長，電流也較穩定，常用於高頻交流的TIG 焊接，釷鎢的效果最好，容易起弧，操作時電流很穩定，材料受鎢污染的情況減至最少，但是釷是放射性物質，長期使用釷鎢，焊工會因過份暴露於輻射而發生疾病。

鎢針的磨削

磨尖鎢針，可以應用刀具磨床，配上鑽石磨輪，調較適當角度研磨。

舊鎢針的再造

鎢針用久了，前端約10mm長會變脆，傳導性亦大大減弱，這時必需去掉前端，並重新磨斜及處理，令電弧端符合要求。

截斷鎢針的方法

把鎢針放在硬邊上，要截開的位置對正硬邊，用錘敲擊，造成截線，然後用剪鉗拗斷。

AWS TIG 焊接鎢極分類及化學成份

鎢極編號 鎢 釷 鋯 其他
EWP 99.5 --- --- 0.5
EWTh-1 98.5 0.8 ~ 1.2 --- 0.5
EWTh-2 97.5 1.7 ~ 2.2 --- 0.5
EWTh-3 98.95 0.35 ~ 0.55 --- 0.5
EWZr 99.2 --- 0.15 ~ 0.4 0.5

鎢極顏色分類

EWP 綠色
EWTh-1 黃色
EWTh-2 紅色
EWTh-3 藍色
EWZr 棕色

TIG焊接電流與工件的關係

  直流正接
DCSP		 直流反接
DCRP		 交流
ACHP
清潔氧化作用 沒有 有 有
熱量分佈 70% 工件
30% 焊枝		 30% 工件
70% 焊枝		 50% 工件
50% 焊枝
滲透面積 深而窄 淺而寬 兩者之間
焊枝電容量 優
例： 3.2mm - 400A		 劣
例： 6.4mm - 120A		 良
例： 3.2mm - 225A

TIG焊件金屬與電流極性的選擇

焊件金屬 DCSP DCRP AC
Aluminium 鋁金屬 不 可 佳
Magnesium 鎂金屬 不 可 佳
Steel 鋼 佳 不 可
Stainless Steel 不銹鋼 佳 不 可
Cast Iron 鑄鐵 佳 不 可
Copper 銅 佳 不 可
Nickel 鎳合金 佳 不 可
Titanium 鈦合金 佳 不 可

 

 

最後更新日期： 2006年9月23日