[科普中国]-钨极气体保护电弧焊

钨极气体保护电弧焊（英语：Gas tungsten arc welding，简称GTAW焊），或称钨极惰性气体保护焊（英语：tungsten inert gas welding，简称TIG焊），是一种以非熔化钨电极进行焊接的电弧焊接法。进行GTAW焊时，焊接区以遮护气体阻绝大气污染（普遍使用氩等惰性气体），并通常搭配使用焊料（填充金属），但有些自熔焊缝可省略此步骤。焊接时，由传导通过高度离子化的气体（即等离子）和金属蒸气的电弧，作为恒流焊接电源，提供能量。

GTAW焊常用于焊接不锈钢和铝、镁、铜合金等非铁金属的薄板。相较于手工电弧焊和气体保护金属极电弧焊，它更易于控制焊接处，提高焊接品质。然而，GTAW焊较为复杂、难以精通，而且焊接速度明显比其他焊接法缓慢。另一种类似于GTAW焊的焊接法：等离子弧焊，使用些微不同的焊炬，制造出更集中的焊接电弧，因此常被使用于自动化工艺

发展在Humphry Davy发现1800年的短脉冲电弧和瓦西里彼得罗夫在1802年发现的连续电弧之后，弧焊发展缓慢。 CL Coffin的想法是在1890年在惰性气体环境中焊接，但即使在20世纪初期，焊接有色金属材料如铝和镁仍然很困难，因为这些金属与空气迅速反应并导致多孔，渣滓 - 填充焊缝。使用焊剂覆盖电极的工艺不能令人满意地保护焊接区域免受污染。为了解决这个问题，在20世纪30年代初使用了瓶装惰性气体。几年后，航空工业中出现了一种用于焊接镁的直流气体保护焊接工艺。

诺斯罗普飞机公司的拉塞尔·梅雷迪思于1941年完善了这一过程。Meredith将过程命名为Heliarc，因为它使用钨电极电弧和氦气作为保护气体，但它通常被称为钨惰性气体保护焊（TIG）。美国焊接学会的官方术语是气体保护钨极电弧焊（GTAW）。林德空气产品公司开发了各种风冷和水冷割炬，用于改善屏蔽的气体透镜，以及其他增加了工艺使用的附件。最初，电极快速过热，尽管钨的熔化温度很高，但钨颗粒仍会转移到焊缝上。为了解决这个问题，电极的极性从正变为负，但这种变化使其不适合焊接许多有色金属材料。最后，交流电单元的发展使得稳定电弧成为可能，并产生高质量的铝和镁焊接。

在接下来的几十年中，发展仍在继林德开发了水冷式割炬，有助于防止高电流焊接时过热。在20世纪50年代，随着这一过程不断普及，一些用户转向使用二氧化碳作为更昂贵的焊接气氛的替代品，这种焊接气氛由氩气和氦气组成，但这证明不适合焊接铝和镁，因为它降低了焊接质量，因此今天很少与GTAW一起使用。使用含有氧化合物（如二氧化碳）的任何保护气体会迅速污染钨电极，使其不适合TIG工艺。1953年，开发了一种基于GTAW的新工艺，称为等离子弧焊。通过使用喷嘴聚焦电弧，它可以提供更好的控制并提高焊接质量，但主要限于自动化系统，而GTAW主要是手动，手持方法。 GTAW进程中的发展也在继续，今天存在许多变化。其中最受欢迎的是脉冲电流，手动编程，热线，dabber和增加穿透GTAW方法。

操作由于焊工需要协调，手工钨极氩弧焊是一种相对困难的焊接方法。与焊炬焊接类似，GTAW通常需要两只手，因为大多数应用要求焊工用一只手手动将填充金属送入焊接区域，同时操纵另一只焊枪。保持短弧长，同时防止电极和工件之间的接触也很重要。

为了敲击焊接电弧，高频发生器（类似于特斯拉线圈）提供电火花。该火花是焊接电流通过保护气体的导电路径，允许电弧在电极和工件分离时启动，通常间隔约1.5-3毫米（0.06-0.12英寸）。

一旦电弧被击中，焊工就会将焊炬移动一个小圆圈以形成焊接池，焊接池的大小取决于电极的大小和电流量。在保持电极与工件之间保持恒定分离的同时，操作者稍微向后移动割炬并将其向后倾斜约10-15度。根据需要，手动将填充金属添加到焊接熔池的前端。

焊工经常开发一种在向前移动焊枪（推进焊池）和添加填充金属之间快速交替的技术。每次电极前进时，填料棒都从焊池中排出，但它始终保持在气体保护罩内，以防止其表面氧化和焊接污染。由具有低熔化温度的金属（例如铝）组成的填充棒要求操作者在保持在气体罩内部的同时与电弧保持一定距离。如果保持太靠近电弧，则填充棒在与焊接熔池接触之前可能会熔化。随着焊缝接近完成，电弧电流通常逐渐减小，以使焊接坑凝固并防止焊缝末端形成火山口裂缝。

安全焊工穿着防护服，包括轻薄皮手套和带高领的保护性长袖衬衫，以避免暴露在强紫外线下。由于GTAW中没有烟雾，电弧灯不会被粘焊或屏蔽金属电弧焊中的烟雾和颗粒物质覆盖，因此更加明亮，使操作者受到强烈的紫外线照射。焊接电弧具有与太阳光不同的紫外光波长范围和强度，但焊机非常靠近光源，光强非常强。潜在的弧光损伤包括对眼睛或弧眼的意外闪光和类似强烈晒伤的皮肤损伤。操作员佩戴不透明头盔，配以深色眼镜和完整的头部和颈部覆盖，以防止紫外线照射。现代头盔通常具有液晶型面板，该面板在暴露于撞击弧的明亮光线时自我变暗。透明的焊接窗帘由聚氯乙烯塑料薄膜制成，通常用于保护附近的工人和旁观者免受电弧的紫外线照射。

焊工也经常暴露于危险气体和颗粒物质。虽然该过程不会产生烟雾，但GTAW中的电弧亮度可以分解周围的空气，形成臭氧和一氧化氮。臭氧和一氧化氮与肺组织和水分发生反应，产生硝酸和臭氧燃烧。臭氧和一氧化氮含量适中，但必须监测暴露持续时间，反复接触，烟气抽取的质量和数量，以及房间内的空气变化。不安全工作的焊工可以收缩肺气肿和肺水肿，这可能导致早逝。同样，来自电弧的热量会导致清洁和脱脂材料形成有毒烟雾。使用这些试剂的清洁操作不应在焊接现场附近进行，并且需要适当的通风来保护焊工。

应用虽然航空航天工业是钨极气体保护焊的主要用户之一，但该工艺还用于其他许多领域。许多行业使用GTAW焊接薄工件，尤其是有色金属。它广泛用于制造航天器，并且还经常用于焊接小直径薄壁管，例如自行车工业中使用的那些。此外，GTAW通常用于为各种尺寸的管道进行根部或首次焊接1。在维护和修理工作中，该过程通常用于修复工具和模具，尤其是铝和镁制成的部件。由于焊缝金属不像大多数开放式电弧焊接工艺那样直接通过电弧传输，因此焊接工程师可以使用各种各样的焊接填充金属。实际上，没有其他焊接工艺允许在如此多的产品配置中焊接如此多的合金。填充金属合金，例如元素铝和铬，可以通过电弧从挥发中损失。 GTAW流程不会发生这种损失。由于所产生的焊缝具有与原始基体金属相同的化学完整性或与基础金属更紧密地匹配，因此GTAW焊接在长时间内具有高度抗腐蚀和抗裂性，使得GTAW成为密封操作（如密封废核）的首选焊接工艺埋葬前的燃料罐。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所