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薄壁不锈钢板的TIG自动焊接
陈春阳
昆山华恒焊接设备技术有限公司 215301
摘要：随着我国不锈钢市场的不断扩大，不锈钢板的消费量也逐年增加，薄壁不锈钢板也已经深入到各种生产制造领域中，因此薄壁不锈钢板的焊接也就成为生产制造中一个重要工序，由薄壁不锈钢板自身的焊接工艺特点决定了其焊接存在的难度，本文着重介绍薄壁不锈钢板的TIG焊接工艺。
关键词：薄壁不锈钢板 TIG焊接 焊接工艺
前言：
不锈钢在我国的使用量正逐年增加，不锈钢的使用量由1988年的30万吨增加到2000年的165万吨，年增长率为15.26%。而在不锈钢的使用中以薄板为主，2000年薄板的消费量为91万吨，占到使用总量的一半。而且薄壁不锈钢板也已经应用到国民生产和生活的各个领域，如：食品加工行业，主要制造食品加工机械；压力容器行业，主要是机电和化工部门；电力工业。另外还有一些其它行业：厨房设备、建筑装潢、家用电器和汽车行业等。在这些行业中，不锈钢的焊接是产品生产的一个重要工序，焊接质量的好坏直接决定产品的质量。在不锈钢的TIG焊接过程中主要存在板材变形、焊缝表面氧化、焊接速度慢的缺陷，本文主要在焊接工艺和焊接工装两个方面来阐明薄壁不锈钢板TIG焊接方法。
1. TIG焊接工艺
TIG焊又称钨极氩弧焊，是一种非熔化极惰性气体保护焊，其工艺过程：在惰性气体保护下，通过钨极与薄壁不锈钢板之间产生电弧产生的热熔化钢板的对接而形成熔池来产生焊缝，属于自熔化焊接。不锈钢薄板采用钨极氩弧焊比其它焊接方法有非常好的优越性能：焊缝质量高；电弧热量集中，功率密度大，热影响区小；单面焊双面成型，明弧操作，便于对电弧熔池的观察；板材表面及焊缝质量好。
因此，采用TIG焊接方法对薄壁不锈钢板进行焊接适应了现代产品高质量的要求，是焊接生产由手工向自动化发展的标志。
a) 焊接电流
焊接电流是钨极氩弧焊最主要的工艺参数，电弧热量正比于焊接电流，要改变电弧功率主要通过改变焊接电流的大小来实现。焊接时，增加焊接电流可以增加熔深和熔宽，即可焊的板厚增加。在焊接条件和其它工艺参数不变的情况下，一定厚度的薄壁不锈钢板的焊接电流只能在一定范围内调节，超出此范围，就会产生焊接缺陷。
b) 焊接速度
焊接速度与线能量有关，线能量反比于焊接速度，焊接速度决定着对每单位长度焊缝所提供的能量，同时影响熔深和熔宽，焊接速度的快慢直接影响焊缝的质量。如果提高焊接速度，线能量将会降低，可避免金属过热，减少热影响区，熔深和熔宽也减小。因此在保证焊接质量的前提下，尽量提高焊接速度。但焊接速度过快会产生保护效果差，焊缝正反面不均匀和未焊透等缺陷。所以在钨极氩弧焊的时候，焊接速度比较才能保证焊接质量。
c) 电弧电压和电弧长度
电弧的热量也正比与电弧电压，根据钨极氩弧焊的电弧静特性，焊接过程中电弧电压只与电弧的高度有关，而对焊接电流影响很小。因此，在焊接电流一定的情况下，改变电弧电压可以电弧的功率。电弧电压和弧长存在一个简单的线性函数关系，当弧长增加时，电弧电压成正比增加，电弧功率增加。但电弧长度超出一定的范围后，在弧长增加的同时，弧柱的截面积也增加，热效率降低，保护效果变差。焊接时电弧长度对热影响区有直接的影响。薄壁不锈钢板焊接时，钨极伸出喷嘴的长度一般在8-10mm左右，电弧的长度控制在2mm左右为最佳。
d) 焊接电极
钨极氩弧时采用的电极材料一般为铈钨和钍钨，焊接时要求电极有发射电子能力强、容易引弧、电弧的稳定性好，尤其在高温的时候不易熔化，许用电流大等性能。目前被广泛使用的铈钨具有电子逸出功比钍钨电极低10%；弧束细长，热量集中，可提高电流密度5-8%；使用寿命长，是钍钨的一倍；引弧容易、方便、稳定优点。所以，铈钨的使用率更高。在选定电极材料后，要根据焊接电流的大小选择合适直径的电极，不同直径的电极有不同电流使用范围见表1。另外钨极的形状对焊接有一定的影响。电极端部的锥角α和端部平台直径对电弧的稳定和焊缝成形有重要的影响。端部角度如果太小，电流密度将提高，焊缝容易产生弧坑，所以不同直径的钨极α角和平台要求是不一样的，具体见表2。
表1
直径
电流
1
1.6
2.4
3.2
4.0
5.0
直流正接
15—80
70—150
150—250
250—400
400—500
500—750
直流反接
——
10—20
15—30
25—40
40—55
55—80
交 流
20—60
60—120
100—180
160—250
200—320
290—390
表2
钨极直径l mm
1.0
1.0
1.6
1.6
2.4
2.4
3.2
3.2
端部直径d mm
0.125
1.25
0.5
0.8
0.8
1.1
1.1
1.5
端部角度 α°
12°
20°
25°
30°
35°
45°
60°
90°
e) 保护气体
TIG焊所采用的保护气体一般为氩气。氩气是一种单原子惰性气体，它即不与金属反应，也不熔于金属中，本身的导热系数小，高温时不分解。但用氩气作为保护气时焊接速度慢，生产效率低。
用Ar+H2混合气体可以提高电弧能量，增加焊接速度。在氩气中加入氢气，可以提高电弧电压，从而提高电弧热功率，增加熔深，提高焊接速度。表3是在其它工艺参数一定的情况下，分别用Ar和Ar+H2作为保护气时的焊接速度比较。
表3
保护气种类
板厚mm
焊接电流A
焊接速度mm/min
Ar
0.5
30
400
Ar
1.0
60
300
Ar+ H2
0.5
30
800
Ar+ H2
1.0
60
800
可见，采用Ar+ H2混合气体可明显提高焊接速度。用Ar+ H2混合气体焊接1.6mm以下的不锈钢板对接接头，焊接速度比纯氩快50%，此外还有防止咬边和抑制CO气孔产生作用。因此，采用Ar+H2混合气体不仅可以获得优质焊缝而且还可以保证焊接生产效率，克服了氩弧焊速度慢的缺点，是逐渐被接受的保护气体。
2. 焊接设备
薄壁不锈钢板的TIG焊接设备主要有焊接电源和焊接专机两部分。
a) 焊接电源和焊接程序控制电源
焊接电源主要是提供焊接电流，焊接程序控制电源主要是控制焊接功能如：提前送气和滞后停气；直流/脉冲电流；横梁小车运动；送丝运动；横摆功能；弧长控制等。
b) 焊接专机
在薄壁不锈钢板的TIG焊接，主要存在焊接工件变形和焊缝表面氧化的缺陷。焊接变形主要是薄壁不锈钢板工件的长度大，在施焊的过程中，焊接的热积累严重，造成工件受热不均匀，产生应力变形。焊缝表面氧化是由于熔池在未完全冷却的情况下被空气氧化，因为不锈钢板在连续焊接中必须保证焊缝 图1 焊接程序控制电源
光亮无氧化，所以只有正面保护气是不够的，要配置辅助保护装置。
基于以上原因，我公司专门设计用于薄壁不锈钢板焊接的纵缝焊接专机，本机从根本上解决了焊接变形和表面氧化的焊接缺陷，使薄壁不锈钢板即简单易行又保证焊接质量。
本焊接专机主要有机座、琴键夹具、芯轴、轴端托架、行走小车。并配相应的十字滑架、送丝机、电缆总成、气管、水管、检测仪表和循环水泵等如右图所示。
主要结构：
Ø 琴键夹具和冷却芯轴 图2 焊接专机
琴键夹具和冷却芯轴是对工件进行固定和冷却的主要装置。琴键夹具为左右对称的两套，分别对两块薄壁不锈钢板对接两边施加压力压紧焊缝边缘的钢板。冷却芯轴为一空心圆柱体，上镶有铜质衬垫，琴键式压指一起对焊件进行夹紧固定。在进行焊接的时候可对焊缝两端的金属进行加紧并通过压指和芯轴对焊缝进行急时冷却，防止焊接时因应力而产生的变形，琴键夹具的压力和压指宽度可进行调整。在焊接薄壁不锈钢板时，压缩空气气路系统减压阀的压力应调至0.2～0.3Mpa左右，压指宽度在5-6mm左右，就可达到理想的效果。衬垫的背面有成型槽，槽内小孔可通保护气体。可对焊缝的背面熔池金属进行保护，背面保护气的流量一般为10L/min。
Ø 托罩
在钨极氩弧焊接的时候对焊缝表面的颜色要求比较高，一般为银白色或金黄色。在焊接的过程中，只靠从焊枪出来的正面保护气进行保护很难达到要求，焊缝的颜色大部分为深紫色，有轻微的氧化现象，这在自动焊过程中是不允许的。为此专门设计了托罩，如图所示。托罩固定在TIG焊枪的陶瓷喷嘴上，在托罩中通入氩气，增加熔池的氩气保护时间，使熔池在冷态的时候在与空气接触，避免了氧化的可能， 图3 托罩
焊得的焊缝表面的颜色均为银白色。
Ø 横梁、小车
在左夹具体上固定横梁，横梁侧面上、下有矩形导轨，顶面安装齿条，小车在横梁导轨上移动。小车运行由直流电机经微型减速器，再经齿轮、齿条实现直线运动，直流电机为无级调速。TIG焊枪固定在小车上，由小车带动进行匀速直线运动来进行焊接。
3. 焊接操作
在不锈钢薄板的TIG焊过程中，要获得高质量的焊缝，除板材、焊接设备、焊接专机外，操作技术和焊接工艺参数也很重要。据多年焊接经验，焊接不锈钢薄板时要注意以下几点：
Ø 工件在焊接之前，必须进行除油和除锈处理，保证工件被焊面无弯曲和毛刺。
Ø 工件在焊接过程中，会自动收缩变形，所以在工件装夹的时候，起焊位置不锈钢板要对紧，而在结束焊接的位置两不锈钢板对接面之间要留一定的间隙，来留给工件自动收缩。如果不留间隙，则在焊接过程中，会产生焊缝搭接现象，会造成未焊透的焊接缺陷。表4是不锈钢薄板焊接时焊接结束位置留有间隙大小。
表4
板厚/mm
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
间隙/mm
2
2
1
1
0.5
0.5
Ø 在焊接过程中，要保持电弧长度不变和电极始终在焊缝的中心位置。电弧长度的改变会影响电弧的热功率，使焊缝背面成型不均匀，严重的会造成焊穿或未焊透等缺陷；电极偏离焊缝中心会造成两板材受热不均，出现未焊透和焊穿缺陷。
下表是不锈钢薄板焊接的工艺参数：
表5
板厚
/mm
焊接电流/A
焊接速度/mm/min
电极直径
/mm
正面保护气/Ar+H2
背面保护气/Ar
托罩气/Ar
电弧高度/mm
0.5
30
800
1.6
12
3
10
1.5-2
1.0
60
800
2.4
12
3
10
1.5-2
1.5
115
700
2.4
12
3
10
1.5-2
2.0
155
500
2.4
12
3
10
1.5-2
2.5
180
300
2.4
12
3
10
1.5-2
3.0
215
200
2.4
12
3
10
1.5-2

4. 实际应用
本套设备及工艺在已在山西，天津，河北，江苏等省的不锈钢设备生产制造公司中得到了广泛的应用，并取得到了很好的效果，图4为实际应用中焊得的焊缝：

图4 3mm304不锈钢对接焊缝
5. 结论
本文通针对薄壁不锈钢板TIG焊接中存在的难点，在焊接工艺焊接设备及工装上进行了全面的分析，从TIG焊工艺参数的选择、焊接专机的研制以及实际操作上做了全面的解释，推动了TIG焊在薄壁不锈钢板焊接中得到广泛应用，为薄壁不锈钢板焊接实现高质量高效率奠定了基础。