2.2 热丝TIG焊
热丝TIG焊是在普通填充焊丝钨极氩弧焊的基础上发展起来的，钨极氩弧焊（TIG）由于保护效果好，具有焊接质量高、焊接过程稳定、易于实现单面焊双面成形等优点，但由于其电流容量小，电弧功率受到限制，焊缝熔深浅，焊接速度低，只能焊接厚度较薄的焊件。为了提高焊接的熔敷系数和焊接速度，采用填充焊丝进行钨极氩弧焊，焊接过程中电弧的热量主要用于加热焊丝，损耗能量容易造成熔深变浅、母材熔化不够、焊缝咬边等缺陷。随着焊接新工艺的发展，产生了热丝TIG焊。
在焊接发电设备等厚壁压力管道和容器中，由于TIG焊能获得优质稳定的焊缝，已被广泛用于需要根部熔透的打底焊道中。为了避免更换焊接工艺和提高TIG焊的焊接效率，在厚壁压力管道和容器的焊接中已采用多种窄间隙热丝TIG焊进行焊接。
2.2.1 热丝TIG焊的原理
热丝TIG焊是在普通钨极氩弧焊的基础上附加一填充焊丝，一般焊丝直径为1.0～1.6mm，焊丝伸出长度为12～50mm，填充焊丝在进入熔池之前由加热电源对其通电，依靠焊丝的电阻热将其预热，但不产生电弧，焊丝与焊件之间呈无弧的填敷过程，不受电弧热（电弧用于熔化母材金属）影响，焊丝加热后以与焊件成40°～60°夹角，从电弧后面插入熔池，熔化后与熔池金属形成焊缝，这样在相同焊接电流下能够获得高的熔敷率，从而提高焊接速度。热丝TIG焊原理如图2-9所示。
热丝TIG焊时，由于流过电流的热丝与TIG电弧距离很小，流过热丝的电流所产生的磁场会使TIG电弧产生磁偏吹，从而影响热丝TIG焊过程的稳定性。为了克服磁偏吹，用交流电源加热填充焊丝，或采用脉冲调制，使TIG电弧和热丝电流峰值相互交替，以减少磁偏吹，保证了热丝TIG焊有良好的工艺性能。
热丝TIG焊能够大大提高焊丝的熔敷率，焊丝熔敷速度可提高1～4倍，熔池的输入热量相对减小，因此焊接过程热影响区变窄，这对热输入敏感的材料焊接具有重要的意义。有利于提高这些材料的焊接质量。已成功用于碳钢、低合金高强度结构钢、不锈钢、镍和钛等的焊接。
热丝TIG焊由于效率高，在一般情况下都能提高生产效益。通常可以提高焊接速度3～5倍，因此可以应用于快速焊的生产线上。
图2-9 热丝TIG焊
2.2.2 热丝TIG焊的特点
（1）焊丝的熔敷系数高 热丝TIG焊的最大特点是焊丝的熔敷系数高，其熔敷系数最大能为冷丝TIG焊的5倍，如图2-10所示。当TIG焊电弧能量为4kW（电流330A，电压12V）时，冷丝TIG焊最大熔敷系数为1.362kg/h，而热丝TIG焊可达到3.632kg/h，如果采取摆动方式填丝，熔敷系数还可进一步提高。热丝TIG焊甚至可与熔化极气体保护焊的熔敷系数相媲美，例如在管道焊接中熔敷系数和焊接速度接近于MIG焊，大大高于冷丝TIG焊。焊接速度和熔敷系数却比冷丝TIG焊焊高了近4倍。当然，在实际应用时并不需要如此大的熔敷系数，但是熔敷系数这一突破无疑对提高生产率有着重要的影响。
热丝TIG焊的熔敷速度较冷丝TIG焊提高2倍以上。
图2-10 热丝TIG焊和冷丝TIG焊的熔敷系数
（2）热输入低，焊接热影响区窄 与冷丝相比较，它的热输入较均匀，热影响区小，可有效降低焊接接头的冷脆性。热丝TIG焊与冷丝TIG焊、熔化极气体保护焊的焊接热输入比较见表2-7。因为热丝TIG焊焊接电弧主要用于熔化母材，形成熔池，而焊丝靠本身的热丝电源加热，热丝熔化所需能量的85%是由电流供给的，15%由电弧提供。因此在较低的焊接热输入下，其焊接速度已达到或超过普通熔化极气体保护焊水平。例如，TIG焊电弧能量5850W（电流450A、电压13V）时熔敷系数达5.45kg/h。热丝TIG焊的总能量约为熔化极气体保护焊的80%。从表2-7中可以看出，在热丝TIG焊5.45kg/h的熔敷率下，熔敷金属所需能量为1366W/（h·kg），较MIG焊少，不足冷丝TIG焊的1/2。焊接过程中，熔池的热输入相对减少，因此，使得焊接热影响区变窄，这对某些热输入敏感的材料焊接具有更为重要的意义，有利于提高这些材料的接头质量。
表2-7 几种焊接方法的焊接热输入比较
（3）可以单独调节电弧电流和热丝电流 由于分别调节TIG焊电弧电流和热丝电流，焊接参数选择范围较广。电弧功率和送丝速度分别控制，能够准确控制焊缝余高和最终的焊缝成形。
（4）焊缝力学性能优良 焊丝表面的水分、油、锈是造成焊缝产生气孔的主要原因，通常情况下，增加焊丝送丝速度会加剧气孔产生，但对热丝TIG焊来说，在较宽的焊接范围内却不会出现气孔。这是由于当焊丝接近于熔池时，其伸出长度上的电阻热已将焊丝表面的易挥发物去除干净，因此热丝TIG焊还能有效消除焊缝气孔，提高焊接质量。一般情况下，熔敷系数高，焊缝韧性会下降。但是，通过调整焊接设备和焊接工艺，热丝TIG焊焊缝性能得以改善。在焊接低合金高强度钢时，当熔敷系数为3.5～5.5kg/h时，其焊缝性能与常规冷丝TIG焊焊缝性能相当，甚至优于冷丝TIG焊焊缝性能。因此，热丝TIG焊具有在较宽熔敷系数范围内焊接高质量焊缝的能力。表2-8为三种焊接方法的焊接参数和焊缝质量对比。
表2-8 三种焊接方法的焊接参数和焊缝质量对比
总之，热丝TIG焊电弧稳定、无飞溅，焊缝成形美观，可显著减少焊缝咬边概率，明显提高钨极氩弧焊的工艺灵活性。
2.2.3 热丝TIG焊在管道焊接中的应用
普通的TIG焊由于具有焊缝成形好且致密的优点，因而在生产中得到广泛的应用。但随着工业生产的发展，各种大直径、厚壁及特种材料的焊接大量出现，普通TIG焊因存在熔敷效率低、焊接速度慢、热影响区大的弱点，已不能满足生产的要求。现在，一种控制精确，高效、优质，具有普通TIG焊诸多优点的焊接新工艺——热丝TIG焊接工艺的出现，使TIG焊工艺产生了一个飞跃。
1.热丝TIG焊全位置自动管焊机结构特点
（1）焊机的结构 热丝TIG焊全位置管焊机焊接系统由五部分组成：晶体管焊接电源；负载持续率为100%的140A逆变焊丝加热电源；双内循环水冷却系统；反应灵敏，具有弧长控制和横摆功能的焊接机头（小车式）；以及可联机或脱机使用的便携式计算机、打印机。此外，焊机还可选配工业摄像监控系统和实时监控系统。焊机的结构示意图如图2-11所示。
图2-11 焊机的结构示意图
（2）焊机的特点 电源能实现TIG焊或T1G热丝焊；可高效监测焊接电流，并能闭环监控全部运动功能；可脱机编程，也可与焊机内计算机联机编程，实现人机对话；焊接过程和所有参数都由计算机实现精确控制，保证焊接参数在不同焊接部位连续改变，确保焊缝连续、优质；可选用脉冲或非脉冲焊接，在焊接主脉冲上还可叠加高频脉冲，其频率在500～10000Hz可调；焊接机头具有弧长控制和横向摆动功能，有利于获得良好的焊缝成形，机头上设置有焊丝加热装置和高速送丝机，大大提高了焊接效率。
2.焊接工艺
在选择焊接参数时应考虑以下因素：
1）焊接热输入的选择对于焊接接头的使用性能至关重要。特别是在焊接中、高合金钢材料时，应首先确定被焊材料的焊接热输入允许范围。例如在焊接A335—P91钢时，焊接热输入不应大于25kJ/cm，否则会造成焊接接头冲击韧度大大降低。
2）在进行全位置焊接时，要求焊接参数尤其是焊接电流应根据焊接位置不同而改变。当焊接机头旋转到管子的上坡区域时（即时钟的7～10点钟位置），重力对熔池产生影响，使熔池液态金属朝与焊接方向相反处流动，很难维持熔池的稳定性，造成熔池流淌。应控制好焊丝加热电源，热输入不能过大。当机头开始爬升时，应稍微调低焊接电流。
3）由于管道壁厚一般较大，大多采用多层焊，且焊接时要求前一层焊缝表面呈凹形最好，否则后层焊道质量不易保证。因此选择的焊接参数应能保证该焊层的外观成形，避免产生焊接缺陷。
在焊接材质为20钢管时，其坡口形式为U形，如图2-12所示。选用直径为1.2mm的ER49-1焊丝，保护气体为99.99%（体积分数）的纯氩，进行冷、热丝TIG焊，焊接参数见表2-9。
在冷丝焊过程中，打底、第一层填充采用脉动送丝，使打底层焊缝充分熔透，又可避免过大的热输入使焊缝成形变坏。填充二至三层时，电弧在焊缝两侧停留时间应较长，使熔敷金属与焊缝侧壁充分熔合，而盖面时两侧停留时间适当缩短。第一层填充时在侧壁停留时间不能太长，这是因为底层焊道较薄易造成烧穿等缺陷。由于总的热输入不高，在接头的不同空间位置焊接参数可以不用改变。
图2-12 坡口形式
热丝焊送丝速度达到635mm/min以上时，接通热丝电源主回路。由于熔敷率的提高，送丝速度在填充第二层时为冷丝的2倍以上。可以看出，焊接一个接头的时间由冷丝的79min缩短至67min，热丝用时只占冷丝用时的77%。而对焊接熔敷时间（填丝时间）而言，将冷丝填丝的52min缩短至34min，热丝用时占冷丝用时的65%。因此热丝焊不仅可以缩短焊接时间，同时也降低了氩气的消耗。对厚壁管焊接时，热丝的优越性更为突出。
热丝TIG焊焊接外径168mm、壁厚12mm的低碳钢管和不锈钢管与进行冷丝焊时的焊接参数对比，其结果见表2-10。坡口形式为U形。保护气体为99.99%（体积分数）的纯氩。
表2-9 20钢管冷/热丝TIG焊焊接参数
表2-10 碳钢管和不锈钢管冷丝、热丝全位置TIG焊焊接参数比较
①表示包括预送气时间、引弧时间以及焊完一层焊道后保护气体的维持时间，但不包括绕带时间、更换钨极时间及焊道与焊道之间等待降温时间。
2.2.4 高频感应热丝TIG焊
热丝TIG焊一般是通过附加预热电源，在焊丝伸出长度上通过一定电流，利用焊丝自身电阻产热来预热焊丝。这种方法由于在焊件和焊丝之间存在一条与焊接主回路相邻的热丝电流回路，产生的磁场相互影响，对电弧产生干扰，焊接电弧受到磁场洛仑兹力的作用而产生磁偏吹，对焊缝形状和电弧的准确定位产生不利的影响，磁偏吹严重时甚至不能焊接；再者，对铝及铝合金等电阻率较低的焊丝，电阻加热效率低，焊丝很难达到合适的温度，因而一般热丝TIG焊不适合Al、Cu等合金的焊接。
图2-13 高频感应热丝TIG焊的原理
高频感应热丝TIG焊是采用高频感应加热设备，借助高频交变的电磁场，在焊丝表面近层形成高密度的涡流，从而加热焊丝。图2-13是高频感应热丝TIG焊的原理图。与利用焊丝伸出长度上的电阻热的热丝TIG焊相比，高频感应热丝TIG焊最突出的特点：一是没有旁路电流磁场干扰，消除了电弧磁偏吹现象；二是高频感应加热效率高，加热速度快。一般利用焊丝伸出长度上的电阻热的TIG焊送丝速度通常为1～3m/min，而高频感应热丝TIG焊送丝速度可达6～10m/min，这较常规TIG焊提高了3倍以上，大大提高了焊接效率。并且适用于各种金属材质的焊丝，特别是低电阻率焊丝的加热。通过对高频输出电流的控制可以精确地控制焊丝的温度，当送丝速度为6m/min时，焊丝最高温度达450℃，当送丝速度高达10m/min时，焊丝的温度也接近300℃，完全满足热丝焊对焊丝温度的要求。通过改变输出振荡频率，利用高频感应集肤效应，可以控制感应加热的深度。
2.2.5 高频振动送丝式热丝TIG焊
高频振动送丝式热丝TIG焊（TIPTIG焊）新技术由奥地利发明并于1999年申请专利。该技术在欧洲及北美等工业发达国家已得到广泛应用。
1.TIPTIG焊原理
TIPTIG焊工作原理如图2-14所示。
TIPTIG焊采用了独特的高频振动自动送丝机构，在实现自动送丝的同时，并以每分钟上千次的频率高频线性振动。
图2-14 TIPTIG焊的工作原理
焊丝的高频往复运动，促使熔滴主动脱离焊丝进而过渡到熔池中。与此同时，高频振动的动能通过焊丝，经熔滴传递给焊接熔池，从而对熔池液态金属产生了强有力的搅拌作用，改善了焊接冶金效果，有利于熔池内气孔、夹杂的逸出，TIPTIG焊时保护气体均采用氩气，使得其体现出TIG优质、MIG高效的技术特点。另外，TIPTIG焊接设备还具备热丝功能，实现对送入熔池焊丝的先行加热，这不仅可以明显改善熔敷率，进一步提高焊接效率，并且调整了焊接熔池的热输入，加快了填充焊丝的熔化速度，无论是对焊接速度，还是对焊接质量都产生了显著影响，并且降低了母材的稀释率。此外，该技术设备简单、操作方便，易于与机械手匹配，实现自动化。
2.TIPTIG焊的焊接系统组成
TIPTIG焊的焊接系统主要由焊接电源、振动送丝机构及焊枪组成。该设备采用全数字化控制方式，操作简单、工作稳定，并集焊枪循环冷却功能于一体。由于TIPTIG焊接电源设计内在的集成和受控性，控制反馈系统参数少，适用于自动化焊机，在机器人自动化焊机应用方面具备很大潜能。
送丝是焊接过程中非常重要的环节，TIPTIG焊采用了四辊送丝装置及送丝系统一体化的焊枪，实现了送丝的自动化。更为关键的是，TIPTIG焊送丝机构在实现自动送丝的同时，附加了高频往返机械运动。由TIPTIG焊送丝机构送出焊丝的速度可表达为
式中，v（t）为TIPTIG焊丝总体速度；v0为独立可调的四辊驱动、稳步向前的焊丝送进速度；F（t）为实现TIPTIG送丝机往复运动、方向周期性改变的力；m为装有焊丝的送丝机构整体质量。
由此可知，TIPTIG高频往复运动送丝机构使稳步向前送给的焊丝同时具备了高频线性振动功能，从而对焊接效率及焊接质量都产生了有益影响。
3.TIPTIG焊特点及应用
TIPTIG焊接新技术独特的送丝机构、专利保护的焊枪设计以及热丝功能，决定了TIPTIG焊的优质、高效技术特点。TIPTIG焊的焊接电流范围大（5～500A），焊接速度与脉冲MIG焊相近（手持式操作即能达到80cm/min），为传统TIG焊的3～5倍。
TIPTIG焊焊接时，焊丝的高频振动有利于熔滴过渡，有利于焊丝的高速送进。大幅增加熔敷效率，从而为大焊接电流（5～500A）创造了条件，使焊接速度大幅提高（常规TIG焊焊接速度为5～20cm/min，而TIPTIG焊可达30～100cm/min）。较高的焊接速度一方面降低了对母材金属的热输入，还有利于焊缝的快速冷却成形，防止了焊缝金属的过度氧化。此外，由于热输入的降低，使得焊接热影响区明显减小，这不仅有利于减小母材金属焊后的强度损失，同时，还能够起到有效控制焊后变形的作用。并且高频振动的焊丝对焊接熔池所产生的搅拌作用克服了熔池表面张力，有利于液态金属中气体、夹杂的溢出，减少了焊接缺陷，并且促进了结晶过程液态金属的运动，控制焊接结晶过程，起到改善焊缝金属冶金、提高焊缝金属熔合，进而提高焊缝质量和性能。
因TIPTIG焊可实现电弧和送丝的分别控制，焊接缺陷少。且TIPTIG焊具有无飞溅、成形美观的特点，有效地减少了焊接过程中的烟雾及焊后打磨的粉尘污染，大大改善了作业环境，符合绿色环保，并降低了车间排烟除尘的设备成本开支。TIPTIG焊操作简单，并采用电弧、送丝一体化焊枪设计方式，因此易于实现自动化焊接。
因TIPTIG焊同时具备TIG优质、MIG高效的双重特点，已引起了广泛关注。该技术在NASA、西门子、西屋电气等国际知名机构和企业都得到了很大程度的应用。主要集中应用于航天、核电等对焊接质量要求较高的行业。中国海洋石油工程股份有限公司于2011年年初引进了此技术，实现了深海复合管线焊接技术方面的重大突破，现已成功地用于我国南海首条复合管天然气管线的铺设。
4.TIPTIG焊工艺
在TIPTIG焊接系统中，除焊接电流和与之相匹配的送丝速度是影响焊接质量的关键因素之外，图2-15所示的钨极长度L1、焊丝伸出长度L2、焊丝与钨极间的距离D，以及工作时焊枪的角度，同样会影响焊接稳定性，进而成为影响焊接质量的决定性因素。在焊接前，首先将钨极伸长到适合焊接及观察熔池的长度，并将导电嘴调整到适合焊接的位置，检查焊丝到钨极的距离，并确保焊丝通过钨极的中心。焊接操作时，确保焊丝能与熔池接触，并使焊丝与焊缝保持一定角度。图2-16所示为TIPTIG自动焊的操作。
由于TIPTIG焊具有优质、高效的技术特点，在铝合金TIPTIG焊时焊接速度与MIG焊相近，可达60cm/min，且焊接过程连续，焊缝表面光滑。更为关键的是，TIPTIG焊焊接铝合金时，高频振动的焊丝对熔池产生搅动作用，这一方面有助于提高熔池的冶金效果，同时促使液态金属中气体、夹杂的溢出，有利于铝合金焊接质量的大幅提升，具有无飞溅、焊缝质量优良、外观成形美观的技术特点。TIPTIG焊焊接速度较高，热输入相对较小，有利于解决不锈钢骨架MAG焊后变形严重的问题，以及能够减少不锈钢MAG焊后大量飞溅的清理、打磨工作。
图2-15 焊枪与热丝导电嘴的位置
图2-16 TIPTIG自动焊的操作
TIPTIG焊焊接技术首次将高频振动送丝与钨极电弧结合在一起，可以实现很高的焊接速度、较低的热输入，良好的焊接冶金控制，很好地实现了优质和高效的结合。并且TIPTIG焊具有操作简单、设备投资少、易于实现自动化和工艺重复性好的优点。
图2-17 超声-TIG复合焊的工作原理