第二章 文獻探討
2.8 TIG銲接原理及設備
一、 TIG原理
用鎢電極及氫氣作為遮護氣體，使在鎢電極與母材間產生電弧，
使母材加熱使其熔合在一起之方法，因使用遮護氣體為氦氣，故稱為 氦氣電弧銲(heliarc welding)或氦氣銲(heliwelding)，將氦氣改為氬氣又 稱為氬氣電弧銲(argon arc welding)，而鎢極棒消耗甚緩，故稱為非消 耗 電 極 式 (non-consuming) 之 惰 性 氣 鎢 極 電 弧 銲 (tungsten inert gas welding, TIG)或是氣體鎢極電弧銲(gas tungsten arc welding, GTAW)，一 般俗稱為氬銲[42]。如圖2.10[43]所示。
圖 2.10 TIG 示意圖[43]
氣體鎢極電弧在銲接時，可以看見熔池與電弧的狀況，銲渣不會 形成於銲道表面，不易產生銲濺物。且利用純氬氣或氬氣與氦氣之混 合氣體作為保護氣體，使用交(直)流電源，以增加電弧效應，同時也具 有清淨熔池之作用。在銲接過程中，非消耗性鎢電極與母材間產生電 弧，惰性氣體同時由銲槍送入銲口區域，包圍電極與熔池，阻隔與外 界空氣中氧氣與氮氣所造成的熔點污染，並送入填料使其與母材熔合。
此外由於鎢電極具有極高的熔點，若在其電流負載容量限度內使用，
幾乎不會消耗，可讓電極進行重複的使用。此方法最大特點在於減少 銲接時金屬的變質[44]。
二、 銲接設備
TIG的設備包含銲鎗頭、鎢極棒、電極手把、熔填銲條、保護氣體 裝置冷卻裝置等部分。如下圖2.11[43]所示。
圖 2.11 氣體鎢極電弧銲接設備[43]
三、 銲接電流特性
TIG銲接依所使用之電流特性可分為直流正電極（ direct current electrode positive，DCEP）、直 流負電極direct current electrode negative，（ DCEN）及交流電極（alternate current，AC）型式，如圖2.12[45]所示。
以下將分別敘述之：
圖 2.12 TIG 電弧極性之比較[45]
1. 直流正電極（Direct Current Electrode Positive，DCEP）
2. 直流負電極（Direct Current Electrode Negative，DCEN）
將鎢極棒接電源負極，母材接電源正極；由於電子流由鎢極快速
3. 交流電極（Alternate Current，AC）
交流電TIG銲法兼具有直流電極正及直流電極負TIG銲法之優點，
因交流電之極性係隨時間而交互變換，故母材與鎢極棒熱量之分佈各 為50％，其銲道滲透深度則介於直流電極正及直流電極負銲法之間，
同時此法亦具有清淨金屬表面氧化物之作用。為鋁及鋁合金氬銲應用 最廣的一種方法。
銲接時由於電流每1/120秒即歸零一次，亦即正負極每秒交換60次，
容易造成電弧不穩定，甚至較難引弧，因此都裝有高週波變壓器，使 高電壓(3000~8000V)高週波(0.5~30Hz)均與電弧同時存在，而能增加電 弧穩定性，並使擊碎氧化膜效果更加。表2.7[46]為鋁合金直流正極，直 流反極及交流氬銲特性的比較表。
表2.7 鋁合金直流正極，直流反極及交流氬銲特性的比較[5] (2-12.7mm/sec)
6. 手動或機動銲 接
兩者皆可，較 AC 更 適合於機動銲接 (Machine Welding)
適於手銲 兩者皆可
四、 電弧之原理
電弧的產生是一種低電壓(10~15伏特)及高電流(10~200安培)的放 電作用，而電弧的持續則是由於陰極受熱而釋放的熱電子活動的結果，
通常產生於電極與預銲接工件之間，母材連接到電線接地端，供電系 統(交直流均可)可藉電極順間碰觸母材金屬板而短路，引起一可受控制 而極大的電流，此時熱量增加，電極與母材金屬板接觸處即達到足夠 高溫度而釋出離子化熱電子，此時電極與金屬板間產生電位差而導致 電流中斷，產生電弧(arc)。一般而言，負極接於非消耗性之鎢電極，
正電極則接於銲接之工件；此種熔接法之熱量主要由電弧所供給，其 溫度可達到2000~5000℃；且由於氦氣活性不佳，常被用來遮蔽電弧以 防止高溫氧化之作用。
圖2.13[46]為電弧銲接方法之構成原 理，圖2.13(a)為熔極方式，即電 極會熔解當作銲條使用。通常以金屬電極 (銲條)及母材間所發生電弧 (稱為金屬電弧)之熱， 來熔解電極與母材。採用此方式銲接法有遮蔽金 屬電弧銲、潛弧銲、氣體金屬電弧銲、包藥電弧銲等等。圖2.13(b)為 非熔極方式，以碳化鎢或碳棒作電極，與母材間產生電弧熱量將母材 或加入之銲條熔解，採用此種方式之銲接法有氣體鎢極電弧銲與電漿 電弧銲。
圖 2.13 電弧銲接基本原理[46]
五、 電弧之結構
如圖 2.14[47]所示，為一惰氣鎢極電弧銲之電弧結構與電壓 降的關 係圖。由圖可看到銲接電弧之結構主要可分為陰極區(cathode zone)、
弧柱區(arc column zone)及陽極區(anode zone)等三大部分，茲將其重要 特性簡述如下：
圖 2.14 惰氣鎢極電弧銲之電弧結構與電壓 降的關係[47]
1. 陰極區
此區域的範圍約為 10-5~10-6cm 左右。由於陰極區之帶電 離子呈不 均勻的分佈狀態，因此會形成一陡峭的電壓降，此稱為陰極壓降 (cathode drop)。
2. 弧柱區
此區域介於陰極區與陽極區之間。一般所稱的電弧長 度(arc length) 其實就是指弧柱長度。由於弧柱區之帶電離子呈均勻的分佈狀態，因 此會形成一趨於線性的電壓 降，此稱為電漿壓降(plasma drop)。
3. 陽極區
此區域的範圍約為 10-3～10-4cm 左右。由於陽極工件區之帶電離子 亦呈不均勻的分佈狀態，因此也會形成一陡峭的電壓降，此稱為陽極 壓降(anode drop)，其溫度分佈如圖 2.15[47]所示。
電極與銲接工件間的電壓降統稱為電弧電壓（arc voltage）。其中，
電弧電壓即為陰極壓降、電漿壓降及陽極壓降三者之總合電壓降。值 得一提的是，當電極或銲條材料、電源種類、電流極性及保護氣體等 皆維持定值的情況下，電弧電壓值的高低主要係決定於電弧長度的大 小，亦即當電弧長度增加時其電弧電壓值將會隨之提高；反之當電弧 長度縮短時其電弧電壓值將會隨之降低。
圖 2.15 電弧溫度分佈圖[47]
六、 保護氣體
保護氣體的主要功用有二項[15]：(一)保護熔融金屬及溶池避免與空 氣接觸，造成銲縫的劣化，而導致銲接失敗；(二)銲接機將電能轉換成 熱能，此能量經由氣體傳遞到待銲件的表面，使熱能傳遞完成銲接動 作。
鋁及鋁合金銲接所用的保護氣體，主要為氬(Ar)氣、氦(He)氣及氬、
熱傳導係數(Cal/cm/℃/sec) 0.406×104 3.32×104
空氣中的純量(vol%) 0.9325 0.0005
流改變。
缺點：
1. 工件清潔度要求高。
2. 銲接速度與堆積率慢，對於厚斷面之銲接費時且昂貴。
3. 適用於銲接板厚在6mm以下的母材。
4. 電極容易沾上融池，更換費時。
5. 直流電焊機焊接時，因焊接導電通路、電焊條、焊件等因素，當大 電流通過此等導體，感應產生與導體方向垂直的磁場，而使電弧偏 離預定方向和路徑，迫使熔金離開焊縫，產生偏弧（Arc Blow，亦 稱弧吹）現象。