飛機製造技術的又一頂梁柱——TIG焊接工藝全解析

2021-01-14 航空製造網


一提到焊接，各位可能會想，怎麼又是焊接，這麼一個老生常談的話題，還有啥新的花樣麼。哎，還別說，還真的有新花樣。K-TIG焊接技術的產生，可是革新了飛機關鍵零部件的焊接工藝。那麼什麼是TIG焊接呢？同屬於TIG焊接的K-TIG焊接又是怎麼一回事呢？今天小編就與大家一起，去看看TIG焊接，一起去了解這個對航空製造業舉足輕重的焊接技術。


 

圖1  TIG焊接機器人



TIG焊接就是鎢極惰性氣體焊，一般稱作非熔化極氣體保護焊。它是在惰性氣體的保護下，利用鎢電極與工件間產生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（如果使用填充焊絲）的一種焊接方法。焊接時保護氣體從焊槍的噴嘴中連續噴出，在電弧周圍形成氣體保護層隔絕空氣，以防止其對鎢極、熔池及鄰近熱影響區的有害影響，從而可獲得優質的焊縫。保護氣體可採用氬氣、氦氣或氬氦混合氣體。在特殊應用場合，可添加小量的氫。用氬氣作為保護氣體的稱鎢極氬弧焊，用氦氣的稱鎢極氦弧焊。


 
圖2  TIG焊接原理

1-噴嘴 2-鎢極 3-電弧 4-焊縫 5-工件 6-熔池 7-填充焊絲 8-惰性氣體

 


圖3  TIG焊接系統示意圖

 


圖4  鎢極氬弧焊示意圖



惰性氣體通過焊炬送入，在電弧四周和焊接熔池上形成屏蔽。為增加熱輸入，一般向氬內添加5%的氫。但是，在焊接鐵素體不鏽鋼時，不能在氬氣內加氫。氣體耗量每分鐘約3～8升。在焊接過程中除從焊炬吹入惰性氣體外，最好還從焊縫下吹入保護焊縫背面用的氣體。




最常用的TIG焊接方法。使用恆流特性的焊接電源，把鎢極(焊槍一側)與陰極相連從而產生電弧，直流TIG焊接方法可用於除鋁和鎂等合金(活潑金屬)以外的幾乎所有金屬的焊接。在進行直流TIG焊接時，要注意直流正極性和反極性的差別。

 


在鋁和鎂合金等的焊接中，必須除去母材表面的氧化皮膜，母材一側作為陰極時電弧有「陰極霧化作用」，這是因為電流密度高的陰極斑點在表面氧化皮膜上來回移動能破壞和除去氧化皮膜。



脈衝TIG焊接方法是將焊接電流周期性變化，從而調整電弧特性最終達到控制焊縫形狀的目的。在這種方法中，有直流脈衝和交流脈衝兩種形式，可根據不同的母材材質加以選用。

 


圖5  直流脈衝焊接電流波形

 


圖6  交流脈衝焊接電流波形



熱絲焊接法在焊絲送入熔池之前先對其進行加熱，從而增加了熔敷量，既保持了TIG焊接的高質量的優點，又提高了焊接效率。 加熱焊絲的方法有兩種，一種是採用專用的焊絲加熱電源，另一種是使用焊接電流的分流來加熱焊絲。



圖7  熱絲TIG焊接示意圖  

               

 
圖8  熱絲和冷絲融覆速度比較 



TIG點焊是用焊槍末端壓在母材上使之緊密接觸，然後通過TIG電弧對搭接板進行加熱，形成點狀焊接接頭的焊接方法。電弧的發生時間隨母材的材質、板厚的不同而不同，一般在0.5～5秒之間，電弧長調整為2～3mm，不用附加焊絲，所以要求被焊工件要緊密接觸。

 


圖9  TIG點焊示意圖

1-鎢極 2-噴嘴 3-出氣孔 4-母材 5-焊點 6-電弧 7-氬氣




A-TIG焊接法是指在施焊板材的表面塗上一層很薄的表面活性劑，從而大大改善焊接熔深的方法。


利用這種方法可使焊接熔深達到傳統TIG 焊的2-3 倍，對板厚3-12mm 的板材無需開坡口，可一次焊接完成。「A-TIG」焊技術與常規TIG 焊比較有以下幾條突出優點：焊接熔深大，生產率高；對施焊材料的微量元素波動不敏感，焊接熔深穩定；成本低，應用領域廣，易實現焊接自動化；焊接變形小。

 


圖10  A-TIG焊接示意圖

  

a 普通TIG焊接熔深

b A-TIG焊接熔深 

圖11  普通TIG與A-TIG焊接熔深對比

 


圖12  A-TIG焊接鎳基合金金屬環焊縫及熔深情況



K-TIG是在傳統TIG焊接的基礎上，通過大電流 形成的較大電弧壓力與熔池液態金屬的表面張力實現相對的平衡，形成小孔而實現深熔焊的焊接方法。焊接過程穩定、波紋細膩、成型美觀、焊縫的微觀組織和力學性能優於TIG焊接，是真正的高速、高效、低成本的焊接方法。

  


圖13  K-TIG焊接技術示意

 


圖14  傳統焊接與K-TIG焊接對比

 


圖15  K-TIG焊接環焊縫




TIG焊接是用來替代目前用於焊接飛機起落架的手工電弧焊的。飛機起落架是飛機起飛、著陸和停放的重要支撐，是支撐整個飛機重量的重要部件。因此它所採用的材料應具有高強度和抗裂紋擴張的能力。因此鈦合金被廣泛的應用。但同時鈦合金在焊接中也存在脆化、裂紋、氣孔等缺陷。


採用TIG焊接技術，保護效果好，焊縫質量高；鎢極電極穩定，可以焊接薄板；焊縫成形美觀；操作方便，焊接接頭強度高，設備成本低，生產效率高。可以大大提高飛機起落架接頭的機械性能、導電性能和生產效率。

 


圖16  飛機起落架



在航空航天及艦船等武器裝備中，大量採用薄壁結構，例如：發動機的薄壁機匣結構、飛機的壁板和蒙皮結構、衛星返回艙、載人航天艙外服殼體結構、先進飛機的進氣道、運載火箭的儲箱結構、飛彈的殼體結構、艦船的上層建築結構等。作為一種低成本、高效率的焊接技術，A-TIG焊接技術稱為薄壁結構焊接的主要方法。


A-TIG焊接時飛機及發動機等研製應具備的關鍵製造技術之一。並且A-TIG技術對於飛機製造所用的鈦合金、不鏽鋼的焊接都有很大的作用。

 


圖17  飛機發動機葉片

 


圖18  發動機機匣










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