船舶钨极氩弧焊焊接通用工艺.doc

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通用工艺

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钨极氩弧焊焊接工艺

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金 陵 船 厂
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日 期
2005.10.27
钨极氩弧焊焊接工艺
一、 概述
氩弧焊是使用氩气作为保护气体的一种气体保护焊。
1. 氩弧焊的特点：
1) 氩气保护性能优良，焊接时不必配制相应的焊剂或熔剂，基本上是金属熔化与结晶的简单过程，能获得较为纯净及质量高的焊缝。
2) 由于电弧受到氩气流的压缩和冷却作用，电弧热量集中，同时氩弧的温度又很高。因此，热影区很窄，焊接变形与应力均小，裂纹倾向也小，这尤其适用于薄板焊接。
3) 因是明弧焊，操作及观察较方便，故容易实现焊接过程的机械化和自动化。此外，在一定条件下可进行各种空间位置的焊接。
4) 可焊的材料范围很广，几乎所有的金属材料都可进行氩弧焊，特别适宜焊接化学性质活泼的金属和合金。通常，多用于焊接铝、钛、镁、铜及合金，低 合金钢，不锈钢及耐热钢等。
2. 氩弧焊的分类：氩弧焊按所用的电极不同，分为不熔化极（钨极）氩弧焊和熔化极氩弧焊两类。
钨极氩弧焊是采用高熔点的钨棒作为电极，在氩气层流保护下利用钨极与焊件之间的电弧热量，来熔化加入的填充焊丝和基本金属，以形成焊缝。而钨极本身是不熔化的，只起发射电子产生电弧的作用。
二、 钨极氩弧焊焊接材料
1. 氩气
氩气是在液态空气分馏制氧时获得的副产品。它是一种理想的保护气体。各种金属材料焊接时，对氩气纯度有不同的要求。化学性质活泼的金属和合金，氩气纯度要求更高。如果氩气中含有一定量的氧、氮、二氧化碳和水分等，将会降低氩气的保护性能，对焊接质量造成不良影响。目前生产的氩气可达到99.99%的纯度，所以能够满足氩弧焊的工艺要求。
2. 钨极
对氩弧焊用电极材料的要求是：电子发射能力强，电弧稳定性好，耐高温不易熔化，有较大的许用电流；强度高，防腐性好，不易损耗。
目前所用材料主要有：纯钨、钍钨、铈钨三种。钍钨极就是在纯钨中加入1~3%氧化钍；铈钨极就是在纯钨中加入2%氧化铈。由于铈钨极没有放射性，同时，在电子发射、能力工艺性能、损耗程度、引弧和稳定性等方面，均优于钍钨极。因此，铈钨极是一种理想的电极材料。我厂常用钍钨棒作为钨极。
3. 焊丝
一般选用与被焊材料相同或相似成分的焊丝。钨极手工氩弧焊的填充丝，也可采用与焊件相同的板材切成条料使用。
焊丝提供相应的焊接材料化学成份和力学性能,并提供船级社的证书。
三、 钨极氩弧焊设备
钨极氩弧焊按施工方式有手工焊、半自动焊和自动焊。半自动焊是指填充焊丝的送进由机械完成，而焊接操作由人工进行。所用焊枪比手工焊时增加了输送填充焊丝的金属软管。自动焊是指焊接操作是由机、电系统按设计程序自动完成。除完成基本的程序循环提前送气、自动引弧、工件或焊枪运行、焊接电流递增、切换焊接电流、焊接电流衰减、工件或焊枪停止运行和滞后送气外，有的自动焊机还具备弧长自动调节、焊缝跟踪、焊丝摆动等功能。
目前，厂里多用手工钨极氩弧焊。手工钨极氩弧焊设备主要包括主电路系统、供气装置、控制系统、焊枪、水路系统等部分组成。
按电流种类分为交流焊和直流焊。交流用于焊铝、镁及其合金。直流可以是恒定直流或脉冲直流，一般用于焊接铝、镁及其合金以外的各种金属材料，采用正极性。但对薄壁铝或镁合金构件，也可用直流反极性施焊。
四、 钨极氩弧焊工艺
1. 焊件和焊丝的焊前清理：为确保焊接过程的稳定性和焊接质量，焊前必须对被焊材料的坡口附近及填充焊丝进行焊前清理，去除金属表面的氧化膜、油脂和水分等杂质。常用的有机械清理、化学清理和化学—机械联合清理法。
1) 机械清理法：此清理法比较简便，而且效果较好，适用于大尺寸、生产周期较长的焊件。通常是采用直径细小的不锈钢丝刷等工具进行打磨，或用刮刀刮去表面的氧化膜，使待焊部位（即准备焊接的坡口两侧）露出金属光泽。注意不应在焊件表面留有过深的划痕。再用有机溶剂（如汽油、酒精或丙酮）擦拭焊件的待焊部位，以去除表面的油污及杂质。
2) 化学清理法：此清理法多用于焊丝和小尺寸焊件的清理。其与机械清理法相比，具有清理效率高，质量稳定均匀，保持时间长的特点。所以应尽量可能采用化学清理法，尤其适合成批生产的情况。所用的化学溶液、工序和过程要根据产品要求及具体条件而决定。
3) 化学—机械联合清理法：此种方法适用于质量要求高的焊件。清理步骤是先用化学清理法，焊前再对待焊部位进行机械清理。
焊丝和焊件在清理之后应保持清洁，并在限定的时间内焊接。
2. 坡口准备
如下图所示：
在壁厚小于等于2.5mm时，采用平边对接焊，不需开坡口。
在壁厚大于2.5mm时，需开V型坡口。

3. 氩气保护
氩弧焊很强调氩气的保护效果，由于氩气保护层是柔性的，极易受到各种因素的影响而降低氩气的保护作用。所以，焊接工艺参数要合理选用并且可采取加强保护的措施。
1) 正面保护：焊接对接、T形接头时，因氩气被挡住并反射回来，所以保护效果较好；而搭接、角接接头的保护效果较差。可安装临时挡板。见图示1。

图示1
2) 背面保护：焊缝背面可加保护垫板，以隔绝空气的影响。见图示2。

图示2 图示3
3) 管材背面保护：
用稍大于管子直径的橡皮闷头封堵管子进出口，坡口的正面采用铝箔粘胶带粘贴，然后在管子内通氩气。通气时间、气体流量与管子长短成正比，对于大口径或较长管子，为了减少管径内充气时间和节约氩气，可以在靠近接头处用闷头隔堵。通气一般为5~12分钟后才能进行施焊，否则背面保护效果不佳，成形较差。当施焊时揭除接头处1/4的铝箔粘胶带，焊至最后接头1/4时，应降低管内通气流量，不然会造成气体压力增大，焊缝处出现内凹或焊穿。见图示3。
实际生产中，有时用焊缝表面的颜色来鉴别氩气保护效果。下表为不锈钢焊缝保护效果鉴别法。
不锈钢的焊缝颜色与保护效果
焊缝颜色
银白、金黄色
蓝色
红灰色
灰色
黑色
保护效果
最好
良好
较好
不良
最差
4. 焊接工艺参数的选择
为使钨极氩弧焊获得优质的焊接接头，必须合理地选择焊接工艺参数。钨极氩弧焊的主要工艺参数是：焊接电源种类和极性、钨极直径、焊丝直径、焊接电流、电弧电压、氩气流量、焊接速度、喷嘴直径、喷嘴至焊件距离、钨极伸出长度、焊缝层数等。
1) 焊接电源种类和极性
应根据被焊金属材料及氩弧焊的方法而选择，适用的焊接电源种类和极性参见下表：

氩弧焊的应用范围
被焊材料
推荐厚度
（mm）
焊接方法
氩气纯度
（%）
电源种类
钛及其合金
0.5~3
＞2.0
钨极手工及自动
熔化极自动及半自动
99.98
99.98
直流正接
直流反接
镁及其合金
0.5~5
＞2.0
钨极手工及自动
熔化极自动及半自动
99.99
99.99
交流或直流反接
直流反接
铝及其合金
0.5~4
＞3.0
钨极手工及自动
熔化极自动及半自动
99.99
99.99
交流或直流反接
直流反接
铜及其合金
＞0.5
＞3.0
钨极手工及自动
熔化极自动及半自动
99.97
99.97
直流正接或交流
直流反接
不锈钢及耐热钢
0.5~3
＞2.0
钨极手工及自动
熔化极自动及半自动
99.97
99.97
直流正接或交流
直流反接
2) 钨极直径 钨极直径应按焊接电流大小而定。钨极直径选择不当会出现电弧不稳，严重烧损，焊缝夹钨等现象。此外，当选用不同的电源种类和极性焊接时，钨极的允许焊接电流也随之变化。各种直径纯钨极的电流范围见下表。当采用钍钨极或铈钨极时，表中电流值可提高30%左右。
各种直径纯钨极的电流范围
电源种类
各种钨极直径（mm）的允许焊接电流（A）
1~2
3
4
5
6
交 流
直流正接
直流反接
20~100
65~150
10~30
100~160
140~180
20~40
140~220
250~340
35~50
200~280
300~400
40~80
250~300
350~450
60~100
钨极伸出喷嘴的长度一般为3~4毫米。
3) 焊接电流 焊接电流主要根据焊件厚度来选择。
如果焊接电流增大，则焊缝表面的凹陷深度、熔深及熔宽都相应地增加，而增高量相应地减少，当电流太大时，容易产生焊穿和咬边；反之，焊接电流太小时，容易产生未焊透。
4) 电弧电压 电弧电压增大时，熔宽稍增大，焊缝表面的凹陷深度、熔深稍减少。通过焊接电流和焊接电压的配合，可以控制焊缝形状。当电弧电压过高时，易产生未焊透，并使氩气保护效果变差。因此，应在保证电弧不短路的情况下，尽量减少电弧长度。
5) 氩气流量 氩气流量越大，保护层抵抗流动空气影响的能力越强，但流量过大，保护层产生不规则流动，易使空气卷入，反而降低保护效果。合理的氩气流量在3~25升/分范围内。
6) 焊接速度 焊接速度增快时，氩气流量要相应增大，但焊接速度过快，由于空气阻力对保护气流的影响，会使保护层可能偏离钨极和熔池，从而使保护效果变差。同时焊接速度显著影响到焊缝成形。
7) 喷嘴直径 喷嘴直径与氩气流量同时增大，则保护区必然增大，但喷嘴直径过大时，会使焊接位置受到限制，同时对操作带来不方便。一般喷嘴直径在5~20毫米内选用。
8) 喷嘴至焊件的距离 喷嘴距离焊件越远则氩气保护效果越差；反之，距离越近，保护效果越好，但过近会妨碍焊工的视线，通常喷嘴至焊件的距离以5~12毫米为宜。
不锈钢钢薄板钨极氩弧焊焊接参数
焊件厚度
mm
焊丝直径
mm
钨极直径
mm
焊接电流
A
气体流量
L/min
电弧电压
V
电源极性
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
1.5
2.0
2.0
2.0
2.5
1.5
2.0
2.0
2.5
2.5
40~60
60~80
80~100
90~110
110~140
4~6
4~6
5~7
5~7
6~8
11~15
直流正极
或交流
5. 钨极端部的磨削
当采用直流焊接电源进行钨极氩弧焊时，为保证焊接时电弧的稳定燃烧和热量集中，需将钨极（尤其是钍钨极）的端部磨削成平底锥形，见下图示

L=（2~4）D
d≈（1/4~1/3）D
式中：L——锥形长度 mm,
d——端部直径 mm,
D——钨极直径 mm,

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