2.2 熱絲TIG焊

熱絲TIG焊是在普通填充焊絲鎢極氬弧焊的基礎上發展起來的，鎢極氬弧焊（TIG）由于保護效果好，具有焊接質量高、焊接過程穩定、易于實現單面焊雙面成形等優點，但由于其電流容量小，電弧功率受到限制，焊縫熔深淺，焊接速度低，只能焊接厚度較薄的焊件。為了提高焊接的熔敷系數和焊接速度，采用填充焊絲進行鎢極氬弧焊，焊接過程中電弧的熱量主要用于加熱焊絲，損耗能量容易造成熔深變淺、母材熔化不夠、焊縫咬邊等缺陷。隨著焊接新工藝的發展，產生了熱絲TIG焊。

在焊接發電設備等厚壁壓力管道和容器中，由于TIG焊能獲得優質穩定的焊縫，已被廣泛用于需要根部熔透的打底焊道中。為了避免更換焊接工藝和提高TIG焊的焊接效率，在厚壁壓力管道和容器的焊接中已采用多種窄間隙熱絲TIG焊進行焊接。

2.2.1 熱絲TIG焊的原理

熱絲TIG焊是在普通鎢極氬弧焊的基礎上附加一填充焊絲，一般焊絲直徑為1.0～1.6mm，焊絲伸出長度為12～50mm，填充焊絲在進入熔池之前由加熱電源對其通電，依靠焊絲的電阻熱將其預熱，但不產生電弧，焊絲與焊件之間呈無弧的填敷過程，不受電弧熱（電弧用于熔化母材金屬）影響，焊絲加熱后以與焊件成40°～60°夾角，從電弧后面插入熔池，熔化后與熔池金屬形成焊縫，這樣在相同焊接電流下能夠獲得高的熔敷率，從而提高焊接速度。熱絲TIG焊原理如圖2-9所示。

熱絲TIG焊時，由于流過電流的熱絲與TIG電弧距離很小，流過熱絲的電流所產生的磁場會使TIG電弧產生磁偏吹，從而影響熱絲TIG焊過程的穩定性。為了克服磁偏吹，用交流電源加熱填充焊絲，或采用脈沖調制，使TIG電弧和熱絲電流峰值相互交替，以減少磁偏吹，保證了熱絲TIG焊有良好的工藝性能。

熱絲TIG焊能夠大大提高焊絲的熔敷率，焊絲熔敷速度可提高1～4倍，熔池的輸入熱量相對減小，因此焊接過程熱影響區變窄，這對熱輸入敏感的材料焊接具有重要的意義。有利于提高這些材料的焊接質量。已成功用于碳鋼、低合金高強度結構鋼、不銹鋼、鎳和鈦等的焊接。

熱絲TIG焊由于效率高，在一般情況下都能提高生產效益。通常可以提高焊接速度3～5倍，因此可以應用于快速焊的生產線上。

圖2-9 熱絲TIG焊

2.2.2 熱絲TIG焊的特點

（1）焊絲的熔敷系數高 熱絲TIG焊的最大特點是焊絲的熔敷系數高，其熔敷系數最大能為冷絲TIG焊的5倍，如圖2-10所示。當TIG焊電弧能量為4kW（電流330A，電壓12V）時，冷絲TIG焊最大熔敷系數為1.362kg/h，而熱絲TIG焊可達到3.632kg/h，如果采取擺動方式填絲，熔敷系數還可進一步提高。熱絲TIG焊甚至可與熔化極氣體保護焊的熔敷系數相媲美，例如在管道焊接中熔敷系數和焊接速度接近于MIG焊，大大高于冷絲TIG焊。焊接速度和熔敷系數卻比冷絲TIG焊焊高了近4倍。當然，在實際應用時并不需要如此大的熔敷系數，但是熔敷系數這一突破無疑對提高生產率有著重要的影響。

熱絲TIG焊的熔敷速度較冷絲TIG焊提高2倍以上。

圖2-10 熱絲TIG焊和冷絲TIG焊的熔敷系數

（2）熱輸入低，焊接熱影響區窄 與冷絲相比較，它的熱輸入較均勻，熱影響區小，可有效降低焊接接頭的冷脆性。熱絲TIG焊與冷絲TIG焊、熔化極氣體保護焊的焊接熱輸入比較見表2-7。因為熱絲TIG焊焊接電弧主要用于熔化母材，形成熔池，而焊絲靠本身的熱絲電源加熱，熱絲熔化所需能量的85%是由電流供給的，15%由電弧提供。因此在較低的焊接熱輸入下，其焊接速度已達到或超過普通熔化極氣體保護焊水平。例如，TIG焊電弧能量5850W（電流450A、電壓13V）時熔敷系數達5.45kg/h。熱絲TIG焊的總能量約為熔化極氣體保護焊的80%。從表2_-7中可以看出，在熱絲TIG焊5.45kg/h的熔敷率下，熔敷金屬所需能量為1366W/（h·kg），較MIG焊少，不足冷絲TIG焊的1/2。焊接過程中，熔池的熱輸入相對減少，因此，使得焊接熱影響區變窄，這對某些熱輸入敏感的材料焊接具有更為重要的意義，有利于提高這些材料的接頭質量。

表2-7 幾種焊接方法的焊接熱輸入比較

（3）可以單獨調節電弧電流和熱絲電流 由于分別調節TIG焊電弧電流和熱絲電流，焊接參數選擇范圍較廣。電弧功率和送絲速度分別控制，能夠準確控制焊縫余高和最終的焊縫成形。

（4）焊縫力學性能優良 焊絲表面的水分、油、銹是造成焊縫產生氣孔的主要原因，通常情況下，增加焊絲送絲速度會加劇氣孔產生，但對熱絲TIG焊來說，在較寬的焊接范圍內卻不會出現氣孔。這是由于當焊絲接近于熔池時，其伸出長度上的電阻熱已將焊絲表面的易揮發物去除干凈，因此熱絲TIG焊還能有效消除焊縫氣孔，提高焊接質量。一般情況下，熔敷系數高，焊縫韌性會下降。但是，通過調整焊接設備和焊接工藝，熱絲TIG焊焊縫性能得以改善。在焊接低合金高強度鋼時，當熔敷系數為3.5～5.5kg/h時，其焊縫性能與常規冷絲TIG焊焊縫性能相當，甚至優于冷絲TIG焊焊縫性能。因此，熱絲TIG焊具有在較寬熔敷系數范圍內焊接高質量焊縫的能力。表2-8為三種焊接方法的焊接參數和焊縫質量對比。

表2-8 三種焊接方法的焊接參數和焊縫質量對比

總之，熱絲TIG焊電弧穩定、無飛濺，焊縫成形美觀，可顯著減少焊縫咬邊概率，明顯提高鎢極氬弧焊的工藝靈活性。

2.2.3 熱絲TIG焊在管道焊接中的應用

普通的TIG焊由于具有焊縫成形好且致密的優點，因而在生產中得到廣泛的應用。但隨著工業生產的發展，各種大直徑、厚壁及特種材料的焊接大量出現，普通TIG焊因存在熔敷效率低、焊接速度慢、熱影響區大的弱點，已不能滿足生產的要求。現在，一種控制精確，高效、優質，具有普通TIG焊諸多優點的焊接新工藝——熱絲TIG焊接工藝的出現，使TIG焊工藝產生了一個飛躍。

1.熱絲TIG焊全位置自動管焊機結構特點

（1）焊機的結構 熱絲TIG焊全位置管焊機焊接系統由五部分組成：晶體管焊接電源；負載持續率為100%的140A逆變焊絲加熱電源；雙內循環水冷卻系統；反應靈敏，具有弧長控制和橫擺功能的焊接機頭（小車式）；以及可聯機或脫機使用的便攜式計算機、打印機。此外，焊機還可選配工業攝像監控系統和實時監控系統。焊機的結構示意圖如圖2-11所示。

圖2-11 焊機的結構示意圖

（2）焊機的特點 電源能實現TIG焊或T1G熱絲焊；可高效監測焊接電流，并能閉環監控全部運動功能；可脫機編程，也可與焊機內計算機聯機編程，實現人機對話；焊接過程和所有參數都由計算機實現精確控制，保證焊接參數在不同焊接部位連續改變，確保焊縫連續、優質；可選用脈沖或非脈沖焊接，在焊接主脈沖上還可疊加高頻脈沖，其頻率在500～10000Hz可調；焊接機頭具有弧長控制和橫向擺動功能，有利于獲得良好的焊縫成形，機頭上設置有焊絲加熱裝置和高速送絲機，大大提高了焊接效率。

2.焊接工藝

在選擇焊接參數時應考慮以下因素：

1）焊接熱輸入的選擇對于焊接接頭的使用性能至關重要。特別是在焊接中、高合金鋼材料時，應首先確定被焊材料的焊接熱輸入允許范圍。例如在焊接A335—P91鋼時，焊接熱輸入不應大于25kJ/cm，否則會造成焊接接頭沖擊韌度大大降低。

2）在進行全位置焊接時，要求焊接參數尤其是焊接電流應根據焊接位置不同而改變。當焊接機頭旋轉到管子的上坡區域時（即時鐘的7～10點鐘位置），重力對熔池產生影響，使熔池液態金屬朝與焊接方向相反處流動，很難維持熔池的穩定性，造成熔池流淌。應控制好焊絲加熱電源，熱輸入不能過大。當機頭開始爬升時，應稍微調低焊接電流。

3）由于管道壁厚一般較大，大多采用多層焊，且焊接時要求前一層焊縫表面呈凹形最好，否則后層焊道質量不易保證。因此選擇的焊接參數應能保證該焊層的外觀成形，避免產生焊接缺陷。

在焊接材質為20鋼管時，其坡口形式為U形，如圖2-12所示。選用直徑為1.2mm的ER49-1焊絲，保護氣體為99.99%（體積分數）的純氬，進行冷、熱絲TIG焊，焊接參數見表2-9。

在冷絲焊過程中，打底、第一層填充采用脈動送絲，使打底層焊縫充分熔透，又可避免過大的熱輸入使焊縫成形變壞。填充二至三層時，電弧在焊縫兩側停留時間應較長，使熔敷金屬與焊縫側壁充分熔合，而蓋面時兩側停留時間適當縮短。第一層填充時在側壁停留時間不能太長，這是因為底層焊道較薄易造成燒穿等缺陷。由于總的熱輸入不高，在接頭的不同空間位置焊接參數可以不用改變。

圖2-12 坡口形式

熱絲焊送絲速度達到635mm/min以上時，接通熱絲電源主回路。由于熔敷率的提高，送絲速度在填充第二層時為冷絲的2倍以上。可以看出，焊接一個接頭的時間由冷絲的79min縮短至67min，熱絲用時只占冷絲用時的77%。而對焊接熔敷時間（填絲時間）而言，將冷絲填絲的52min縮短至34min，熱絲用時占冷絲用時的65%。因此熱絲焊不僅可以縮短焊接時間，同時也降低了氬氣的消耗。對厚壁管焊接時，熱絲的優越性更為突出。

熱絲TIG焊焊接外徑168mm、壁厚12mm的低碳鋼管和不銹鋼管與進行冷絲焊時的焊接參數對比，其結果見表2-10。坡口形式為U形。保護氣體為99.99%（體積分數）的純氬。

表2-9 20鋼管冷/熱絲TIG焊焊接參數

表2-10 碳鋼管和不銹鋼管冷絲、熱絲全位置TIG焊焊接參數比較

①表示包括預送氣時間、引弧時間以及焊完一層焊道后保護氣體的維持時間，但不包括繞帶時間、更換鎢極時間及焊道與焊道之間等待降溫時間。

2.2.4 高頻感應熱絲TIG焊

熱絲TIG焊一般是通過附加預熱電源，在焊絲伸出長度上通過一定電流，利用焊絲自身電阻產熱來預熱焊絲。這種方法由于在焊件和焊絲之間存在一條與焊接主回路相鄰的熱絲電流回路，產生的磁場相互影響，對電弧產生干擾，焊接電弧受到磁場洛侖茲力的作用而產生磁偏吹，對焊縫形狀和電弧的準確定位產生不利的影響，磁偏吹嚴重時甚至不能焊接；再者，對鋁及鋁合金等電阻率較低的焊絲，電阻加熱效率低，焊絲很難達到合適的溫度，因而一般熱絲TIG焊不適合Al、Cu等合金的焊接。

圖2-13 高頻感應熱絲TIG焊的原理

高頻感應熱絲TIG焊是采用高頻感應加熱設備，借助高頻交變的電磁場，在焊絲表面近層形成高密度的渦流，從而加熱焊絲。圖2-13是高頻感應熱絲TIG焊的原理圖。與利用焊絲伸出長度上的電阻熱的熱絲TIG焊相比，高頻感應熱絲TIG焊最突出的特點：一是沒有旁路電流磁場干擾，消除了電弧磁偏吹現象；二是高頻感應加熱效率高，加熱速度快。一般利用焊絲伸出長度上的電阻熱的TIG焊送絲速度通常為1～3m/min，而高頻感應熱絲TIG焊送絲速度可達6～10m/min，這較常規TIG焊提高了3倍以上，大大提高了焊接效率。并且適用于各種金屬材質的焊絲，特別是低電阻率焊絲的加熱。通過對高頻輸出電流的控制可以精確地控制焊絲的溫度，當送絲速度為6m/min時，焊絲最高溫度達450℃，當送絲速度高達10m/min時，焊絲的溫度也接近300℃，完全滿足熱絲焊對焊絲溫度的要求。通過改變輸出振蕩頻率，利用高頻感應集膚效應，可以控制感應加熱的深度。

2.2.5 高頻振動送絲式熱絲TIG焊

高頻振動送絲式熱絲TIG焊（TIPTIG焊）新技術由奧地利發明并于1999年申請專利。該技術在歐洲及北美等工業發達國家已得到廣泛應用。

1.TIPTIG焊原理

TIPTIG焊工作原理如圖2-14所示。

TIPTIG焊采用了獨特的高頻振動自動送絲機構，在實現自動送絲的同時，并以每分鐘上千次的頻率高頻線性振動。

圖2-14 TIPTIG焊的工作原理

焊絲的高頻往復運動，促使熔滴主動脫離焊絲進而過渡到熔池中。與此同時，高頻振動的動能通過焊絲，經熔滴傳遞給焊接熔池，從而對熔池液態金屬產生了強有力的攪拌作用，改善了焊接冶金效果，有利于熔池內氣孔、夾雜的逸出，TIPTIG焊時保護氣體均采用氬氣，使得其體現出TIG優質、MIG高效的技術特點。另外，TIPTIG焊接設備還具備熱絲功能，實現對送入熔池焊絲的先行加熱，這不僅可以明顯改善熔敷率，進一步提高焊接效率，并且調整了焊接熔池的熱輸入，加快了填充焊絲的熔化速度，無論是對焊接速度，還是對焊接質量都產生了顯著影響，并且降低了母材的稀釋率。此外，該技術設備簡單、操作方便，易于與機械手匹配，實現自動化。

2.TIPTIG焊的焊接系統組成

TIPTIG焊的焊接系統主要由焊接電源、振動送絲機構及焊槍組成。該設備采用全數字化控制方式，操作簡單、工作穩定，并集焊槍循環冷卻功能于一體。由于TIPTIG焊接電源設計內在的集成和受控性，控制反饋系統參數少，適用于自動化焊機，在機器人自動化焊機應用方面具備很大潛能。

送絲是焊接過程中非常重要的環節，TIPTIG焊采用了四輥送絲裝置及送絲系統一體化的焊槍，實現了送絲的自動化。更為關鍵的是，TIPTIG焊送絲機構在實現自動送絲的同時，附加了高頻往返機械運動。由TIPTIG焊送絲機構送出焊絲的速度可表達為

式中，v（t）為TIPTIG焊絲總體速度；v₀為獨立可調的四輥驅動、穩步向前的焊絲送進速度；F（t）為實現TIPTIG送絲機往復運動、方向周期性改變的力；m為裝有焊絲的送絲機構整體質量。

由此可知，TIPTIG高頻往復運動送絲機構使穩步向前送給的焊絲同時具備了高頻線性振動功能，從而對焊接效率及焊接質量都產生了有益影響。

3.TIPTIG焊特點及應用

TIPTIG焊接新技術獨特的送絲機構、專利保護的焊槍設計以及熱絲功能，決定了TIPTIG焊的優質、高效技術特點。TIPTIG焊的焊接電流范圍大（5～500A），焊接速度與脈沖MIG焊相近（手持式操作即能達到80cm/min），為傳統TIG焊的3～5倍。

TIPTIG焊焊接時，焊絲的高頻振動有利于熔滴過渡，有利于焊絲的高速送進。大幅增加熔敷效率，從而為大焊接電流（5～500A）創造了條件，使焊接速度大幅提高（常規TIG焊焊接速度為5～20cm/min，而TIPTIG焊可達30～100cm/min）。較高的焊接速度一方面降低了對母材金屬的熱輸入，還有利于焊縫的快速冷卻成形，防止了焊縫金屬的過度氧化。此外，由于熱輸入的降低，使得焊接熱影響區明顯減小，這不僅有利于減小母材金屬焊后的強度損失，同時，還能夠起到有效控制焊后變形的作用。并且高頻振動的焊絲對焊接熔池所產生的攪拌作用克服了熔池表面張力，有利于液態金屬中氣體、夾雜的溢出，減少了焊接缺陷，并且促進了結晶過程液態金屬的運動，控制焊接結晶過程，起到改善焊縫金屬冶金、提高焊縫金屬熔合，進而提高焊縫質量和性能。

因TIPTIG焊可實現電弧和送絲的分別控制，焊接缺陷少。且TIPTIG焊具有無飛濺、成形美觀的特點，有效地減少了焊接過程中的煙霧及焊后打磨的粉塵污染，大大改善了作業環境，符合綠色環保，并降低了車間排煙除塵的設備成本開支。TIPTIG焊操作簡單，并采用電弧、送絲一體化焊槍設計方式，因此易于實現自動化焊接。

因TIPTIG焊同時具備TIG優質、MIG高效的雙重特點，已引起了廣泛關注。該技術在NASA、西門子、西屋電氣等國際知名機構和企業都得到了很大程度的應用。主要集中應用于航天、核電等對焊接質量要求較高的行業。中國海洋石油工程股份有限公司于2011年年初引進了此技術，實現了深海復合管線焊接技術方面的重大突破，現已成功地用于我國南海首條復合管天然氣管線的鋪設。

4.TIPTIG焊工藝

在TIPTIG焊接系統中，除焊接電流和與之相匹配的送絲速度是影響焊接質量的關鍵因素之外，圖2-15所示的鎢極長度L₁、焊絲伸出長度L₂、焊絲與鎢極間的距離D，以及工作時焊槍的角度，同樣會影響焊接穩定性，進而成為影響焊接質量的決定性因素。在焊接前，首先將鎢極伸長到適合焊接及觀察熔池的長度，并將導電嘴調整到適合焊接的位置，檢查焊絲到鎢極的距離，并確保焊絲通過鎢極的中心。焊接操作時，確保焊絲能與熔池接觸，并使焊絲與焊縫保持一定角度。圖2-16所示為TIPTIG自動焊的操作。

由于TIPTIG焊具有優質、高效的技術特點，在鋁合金TIPTIG焊時焊接速度與MIG焊相近，可達60cm/min，且焊接過程連續，焊縫表面光滑。更為關鍵的是，TIPTIG焊焊接鋁合金時，高頻振動的焊絲對熔池產生攪動作用，這一方面有助于提高熔池的冶金效果，同時促使液態金屬中氣體、夾雜的溢出，有利于鋁合金焊接質量的大幅提升，具有無飛濺、焊縫質量優良、外觀成形美觀的技術特點。TIPTIG焊焊接速度較高，熱輸入相對較小，有利于解決不銹鋼骨架MAG焊后變形嚴重的問題，以及能夠減少不銹鋼MAG焊后大量飛濺的清理、打磨工作。

圖2-15 焊槍與熱絲導電嘴的位置

圖2-16 TIPTIG自動焊的操作

TIPTIG焊焊接技術首次將高頻振動送絲與鎢極電弧結合在一起，可以實現很高的焊接速度、較低的熱輸入，良好的焊接冶金控制，很好地實現了優質和高效的結合。并且TIPTIG焊具有操作簡單、設備投資少、易于實現自動化和工藝重復性好的優點。

圖2-17 超聲-TIG復合焊的工作原理