BHK电极旋转式窄间隙热丝TIG焊（旋转HST法）如图4-39所示，通过将安装着倾斜电极的旋转头伸入窄间隙内左右旋转，焊接时使电弧左右摆动，实现电弧旋转。将旋转控制参数（即旋转速度、角度、停止时间）共同输入控制装置，与焊接电流同期控制以获得最佳焊道。

该方法的特点是具有稳定优良的焊接质量，电极旋转式焊接法通过电弧旋转使电弧朝向坡口壁，使坡口壁完全熔透；由于焊接时采用大的焊接电流焊接坡口两壁，而在电极摆动的中间过程采用小焊接电流，达到控制焊接热输入的目的。旋转电极焊接方法的另一个特征是，通过电弧电压可以上下、左右跟踪。

该方法已用于核电反应堆的部分构件制造，全位置焊接装置用于厚壁管道焊接。在厚壁管窄间隙全位置TIG焊过程中，为了使厚壁管两侧壁充分熔透，采用脉动送丝和钨极摆动TIG焊工艺技术，同时配以弧长调节，完成厚壁管侧壁熔透。

1.焊前准备

焊前清理是保证焊接质量的重要工序，焊接工艺对坡口内外两侧的清洁度要求较高，坡口边缘及内外壁50mm左右的范围内应加工至露出金属光泽。焊件及焊丝清理后必须保持清洁，放置时间不得超过24h，否则必须重新清理，最好是清理后立即进行焊接。为了减小焊丝填充量，在保证焊枪能够到达坡口底部的情况下，应尽量选择截面较小的坡口尺寸。在全位置焊接时，钝边尺寸偏差及组对间隙应严格控制。坡口形式及尺寸如图4-40和表4-22所示。

图4-39 BHK电极旋转式窄间隙热丝TIG焊

a）电极摇动系统 b）热丝系统气体保护

当接头对接时，均保留间隙0.5mm左右，若焊不锈钢，则组对间隙应大一些。如组对间隙过小，由于所焊部位的收缩，而使两管挤紧，造成很大的变形；如组对间隙过大，易使打底焊时出现烧穿现象。另外，为了提高焊缝成形质量，U形坡口上端在焊接前最好修钝锐边，以防止焊接变形。

图4-40 坡口形式及尺寸

表4-22 坡口尺寸

2.钨极摆动

钨极摆动的控制参数有内端点停留时间、外端点停留时间、中间摆动时间、时间调节步长、摆动的角度及控制精度。

钨极摆动控制机构用以保证焊缝均匀且熔合良好，焊枪实际运动轨迹如图4-41所示。

图4-41 钨极摆动脉冲TIG焊钨极的运动轨迹

由钨极摆动的运动轨迹可以看出，在钨极摆动到端点5至4和3至2区间，焊接电流为峰值I_p；而在钨极摆动至4～3和2～1区间，焊接电流为基值I_b。由电弧静特性曲线可知，峰值电流与基值电流分别对应了两个电弧电压U_p和U_b。电弧电压随电流的变化不是瞬间的，而是存在一个小的振荡现象，振荡时间为几毫秒。如果仅取电压作为控制参量，只设定1个电压值，对应基值、峰值电流会有两个电弧长度，影响电弧稳定性。所以要设定两个电压值，分别对应基值电流和峰值电流，只要两个电压值设定合理，两个电流会有一个电弧长度，如图4-42所示。

图4-42 电弧电压控制的基本原理(www.daowen.com)

通过电极左右摆动，控制系统可检测到钨极与熔池（高度方向）、钨极与坡口两壁（左右方向）的电弧电压。通过对三方向电弧电压的定值设定，达到控制焊枪位置的目的，实现上下及左右方向的电弧自动跟踪。无须安装摄像头及探针，无须更换焊枪，在窄间隙内可以单层单道焊接。

同时也可通过设定不同电压值的方法设置基值电流、峰值电流对应两个电弧长度，且基值和峰值电弧长度的差别可控，实现变弧长控制，如图4-43所示。根据一定条件下电弧长度与电弧电压呈线性关系，通过调节电弧电压控制电弧长度，采用两个电压参量，分别对应焊接基值电流和峰值电流，使基值电流、峰值电流对应两个电弧长度，且长度差别可控。

适当控制脉冲TIG焊峰值、基值的弧长，即变弧长TIG焊工艺，在全位置TIG焊过程中有利于熔池的保持，能有效地提高焊缝质量。变弧长TIG焊不可能保证焊丝都恰好指向熔池，但可调节峰值电流弧长以适合送丝。采用脉动送丝的方法，基值电流弧长时不送丝或慢送丝，试验证明此方法熔池保持和焊缝成形都较好。

图4-43 峰值基值控制法

3.弧长调节

由于焊接过程中焊接电流脉动、钨极的烧损、前道焊缝的成形、熔池变化及焊件几何形状等因素的影响，使弧长在焊接过程中发生变化。弧长是最敏感的焊接参数之一，弧长过短，则电极和焊件容易短路而损坏电极，也使电极金属落进熔池造成夹钨；弧长过长，电弧的有效加热面积增大，使熔深减小、熔宽增加，从而影响焊缝成形。因此，需要在焊接过程中进行弧长调节。

由于导轨安装精度和坡口机加工精度的限制，导轨与环缝不可能处处平行，焊接过程中钨极的摆动中心常偏离焊缝中心，使钨极摆动中有一端点离焊道侧壁过近，按照电弧电压最小原理，将在钨极尖端和侧壁之间建立电弧，电弧电压下降，此时若以峰值时电弧电压参量控制弧长，焊枪将上提，但由于上提中钨极尖端与焊道侧壁间的距离几乎不变，使焊枪持续上提直至钨极回摆。其后果是无法实现钨极摆动过程中两端电弧短、中间电弧长的工艺性能；弧长的大范围变化使焊丝不能送入熔池，熔池难以保持；焊枪的上下剧烈运动，使熔滴易飞溅到钨极尖端，钨极失去尖端放电的特性，弧长控制紊乱。如果钨极摆动在两端停留时间短，钨极在两端沿焊道的移动距离很小，弧长几乎不会变化，则峰值电流不调弧长，即可防止电弧爬壁现象出现。这样在钨极摆动过程中，弧长将保持一致，虽失去变弧长TIG焊的优点，但坡口内焊接对焊缝成形美观要求不高，仍可保证焊缝的填充质量。

弧长控制模式有如下两个选择：一是仅在基值电流控制弧长；二是依据两个电流值来控制弧长。第1种方式应用于坡口内，可避免电弧爬壁现象。由图4-41可以看出，电流基值区间钨极尖端在焊道表面的位移一般大于峰值区间的位移，仅依据基值电流来控制弧长相对合理且实用。但这种控制方式忽略了峰值电流区间的弧长控制，所以峰值电流区间钨极沿焊道的位移不可过大，即钨极摆动在两端的停留时间不能过长且焊接速度不宜过大。如果钨极摆动选择两端停留时间与中间摆动时间相同，当钨极摆动频率大于0.5Hz，此方法能保证焊接过程中弧长稳定。

坡口盖面焊时通过控制两个电压参量的差别，可实现变弧长调节。实际焊接时，在坡口盖面焊中，峰值电流时的电弧短，基值电流时的电弧长，长弧与短弧差控制在1mm以内，焊接效果较好。为了实现有节奏的变弧长调节，钨极摆到两端时，焊枪要有足够的时间下调至短弧，钨极在摆动中，焊枪要有足够的时间上拉至长弧。如果钨极在两端点的停留时间与中间的摆动时间相同，当摆动频率大于2Hz时，难以实现有节奏的变弧长调节。

4.单道焊全位置的分区

图4-44所示为全位置焊时的分区示意图，图中的1、2区处于下坡焊位置，熔化的液态金属位于钨极前方向下流淌，此时峰值电流应比平焊时稍大，以利于电弧吹开液态金属去熔化其下的钝边部分母材，电压适中；3、4区属于仰焊位置，由于重力作用，送丝速度应比平、立焊时小一些，以利于熔滴过渡；5、6区段处于上坡焊位置，熔化的液态金属向下流淌，位于钨极后方，钝边直接暴露在电弧之下，为防止烧穿，这两个区的电流应比其他各区都小，且送丝速度应加大，以填补电弧熔化钝边后向下流淌的母材金属，此时电压也应比3、4区有所提高；7、8区基本处于水平位置，电压、电流均可比5、6区稍大，送丝正常即可。各区可按需要设定焊接参数，但为了保持焊缝成形的连续性，使其波纹均匀美观，相邻各区之间的参数不宜过大，即区与区之间的过渡应平滑。

图4-44 全位置焊时的分区示意图

5.送丝

在全位置焊中，为了进一步加强对熔池的控制，采用送丝与脉冲电流和钨极摆动同步控制技术，即脉冲电流峰值与钨极摆动左右端点停留时间、送丝速度峰值同步，脉冲电流基值与钨极摆动中间运行时间、送丝速度基值同步。通过机械装置使送丝与钨极摆动同步，即钨极在摆动过程中不送丝，钨极停留在窄间隙两侧时送丝，保证焊丝充分熔化，避免送丝干扰电弧电压，影响弧长调节的精度。

保证焊丝熔化充分，避免送丝干扰电弧电压，影响弧长调节精度。送丝速度对焊缝成形影响很大，当送丝速度过大时，会使送丝速度大于熔化速度，未熔化的焊丝会穿过焊接弧拄区，成段烧断，破坏焊缝成形，影响焊接质量，同时也干扰电弧电压，造成弧长调节紊乱，影响焊接过程正常进行。当送丝速度过慢时，造成填充金属量不足，易形成咬边，当送丝速度不稳定时，易使焊缝高低不平、宽度不均，波纹粗劣。在全位置焊中送丝速度的及时变化至关重要，在下坡焊和仰焊时送丝速度应比平焊时略小，在上坡焊时送丝速度应比平焊时略大，填充熔池下淌金属。焊接时要求焊枪、焊丝和焊件之间保持正确的相对位置示意图，如图4-45所示，防止焊丝与高温的钨极接触而烧损钨极，影响钨极发射电子的能力和电弧稳定性，若送丝角度太大，焊丝端部可能会有一部分插入熔池中，使焊丝熔化速度比原有给定送丝速度慢，焊丝端部会插入熔池底部，影响焊丝正常送进，破坏焊缝成形和焊接质量。若送丝角度太小，钨极摆动时焊丝会和熔池前端焊道刮擦，使焊丝发生颤动，造成熔滴飞溅，影响焊接过程正常工作和焊接质量。

图4-45 焊丝送入熔池的位置示意图