关键词：钛及钛合金管氩弧焊；焊接保护罩；设计
引言
钛及钛合金是二十世纪四十年代末开始发展起来的一种优良的工业金属材料，其主要特点是密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温以及良好的低温性能，并且具有某些特殊的物理、化学特性，如超导、记忆、储氢等特殊功能，因此在宇航、航空、化工、石油、冶金、电力、医疗等领域得到了广泛的应用。
1钛及钛合金的焊接性分析
由上述钛的物理化学性质可知，钛的熔点高于不锈钢，比热容大于不锈钢，化学活性大于不锈钢，因此钛材的焊接相较不锈钢来说有更高的要求。
钛及其合金在高温下对氧、氮、氢和碳等具有极大的亲和力，液态的熔池和熔滴金属如得不到有效保护，则更容易受到空气等杂质的玷污，脆化程度更严重，给焊接带来困难。同时，钛合金导热性差，电阻系数大，焊接时产生的热量多，热容大，不容易散失，熔化焊时需要用惰性气体或在真空状态进行保护。
O，N，H，C等常作为杂质元素出现在钛合金中，这些元素本身以及它们的化合物的出现将会严重影响钛的力学和耐蚀性能。氢是影响钛性能的有害元素之一，它会导致钛的塑性与韧性降低，发生氢脆。在冷却时，焊缝中的氢来不及逸出会产生气孔，故一般要求钛材中氢的含量<0.15%。钛在高温下（600℃以上）还易与氧、氮化合，使得焊接接头的塑性韧性下降，引起气孔和裂纹。钛还极易与碳反应生成脆性的碳化物，降低塑性并影响焊接工艺可靠性。为了避免上述问题带来的危害，焊接过程中必须妥善保护那些受焊接热源影响而温度高于250℃的区域。
另外，Fe的存在会严重影响钛的耐腐蚀性能和综合力学性能。铁元素的分布不均匀现象会导致富Fe相区与贫Fe相区的出现，并且由此建立起自发电池，产生电偶腐蚀行为；此外，Fe会加速H的吸收，易产生氢致裂纹，造成氢脆破坏。因此，在焊接钛合金时要重视Fe的污染带来的影响。
钛的弹性模量较低，焊后很容易产生较大的焊接变形；钛的冷变形回弹能力强，容易给矫形带来困难。因此，在制订焊接工艺时，必须考虑到如何预防焊接变形。
为了避免出现常见的焊接缺陷，同时保证焊缝的力学性能和耐腐蚀性，在焊接钛及其合金时，必须制订合理的焊接工艺，以确保焊接质量。目前常用的焊接钛及钛合金的工艺有钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光束焊、钎焊等。钨极氩弧焊是焊接钛合金最常用的焊接方法，主要用于厚度在10mm以下的钛及钛合金的焊接。手工钨极氩弧焊适应性较广，焊接质量可靠，但对于厚板焊接效率较低、劳动强度较大。熔化极氩弧焊比钨极氩弧焊的效率高，主要用于焊接厚板，但焊接过程中对工艺参数和焊接环境要求较高，否则容易产生气孔。等离子弧焊接的厚度范围比较宽，从薄板到厚板都可以采用，但焊接时应注意喷嘴的损伤。真空电子束焊也越来越多的用于钛的焊接，由于在真空环境下，因此它能获得高质量的焊接接头，但同时由于需要在真空室中焊接，对工件的尺寸有所限制。与电子束、等离子束焊接相比，激光焊接具有熔池净化效应，能纯净焊缝金属，焊缝的机械性能等于或优于母材。对于某些微型、精密的零件也可以使用钎焊的方法来获得。
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2焊接气体保护罩的结构设计
2.1手持操作
因为目前焊接以人工操作为主，且需要跟随施焊作业对施焊部位实施实时保护，所以保护罩需具有手持功能。因此，为焊接气体保护罩设置了手柄。
2.2导入保护气体
根据该功能要求，在保护罩上设置氩气进口接头，可使焊接保护气体进入保护罩内部。根据不同管子壁厚对于保护气体流量的不同要求，氩气进口接头可设置成 1 个或多个。
2.3容纳焊枪及便于观察
在保护罩上设置开口时，还应兼顾这两个功能要求。综合考虑操作、冷却等问题，本文建议将开口设置在保护罩后部（移动方向的同向端为前部，反向端为后部），该开口可起如下作用：1）容纳焊接用焊枪伸入；2）引导罩内氩气有规律先后流出，形成稳定的气流流场，防止产生涡流，而产生的氩气尾流不但可以起到一定的阻隔空气的作用，还可以带走部分热量。
3钛及钛合金管氩弧焊焊接保护罩设计
3.1阻隔空气
要达到阻隔空气的目的，保护罩应具备一定的封闭功能，以使保护气体达到一定浓度，并阻挡空气进入。因此，保护障应具备以下特点。1）封闭性。保护罩保护空间的端部和两侧应尽量采用封闭设计。2）好的贴合度。保护罩下沿采用圆弧状设计，并加装弧形贴合板，可在操作时使保护罩和管路表面更好地贴合，以达到更好的封闭效果。应用于实际生产时，为保证保护罩与管子外壁的贴合度，应根据管路外径大小系列化制作保护罩，一般最多2～3种不同外径的管路可共用同一规格的保护罩。3）稳定的气流组织保护罩内设置孔板，将罩内空间隔离成储气空间和和保护空间。氩气先进入罩内的储气空间，然后通过孔板，再在保护空间将氩气喷到施焊部位。这种设计可使氩气气流更加均匀，并防止形成涡流，避免了空气从罩壳周边空隙被吸入而影响焊接质量。孔板上小孔的直径约为2mm～4mm，打孔时应均匀，并确保有效流通面积不小于进口面积的5倍。4）保持一定流量的保护气体应保持一定流量的保护气体在罩内流通，如此可防止气体被过度加热而失去降温作用。若要在保护罩内形成一定的气流场，除了导入保护气体外，还需要将其导出，所以应设置保护罩开口。开口尺寸以不小于进口面积的5倍为宜。
3.2焊缝保护新方法
综合分析钛焊缝背部保护不好的原因，主要是由于保护焊缝的背部罩移动速度过快，在焊缝还没有完全降温到300℃以下时，就失去了保护作用，所以要设计一种新的保护装置，确保氩气对钛焊缝的保护时间，提高焊接速度，从根本上解决此类问题。
3.3焊接气体保护罩的使用方法
焊接气体保护罩使用步骤如下：1）焊接前，先将氩气管接至保护罩进口接头，并有效固定；2）用手握住手柄，使保护罩尽量贴近管子外缘，罩住将要施焊的部位，在施焊前先打开氩气控制开关吹气；3）待形成稳定氩气气流后，焊枪从保护罩后部开口伸入，开始焊接；4）焊接时，保护罩跟随焊枪前行；5）焊接完成后，继续送保护气体，使保护罩保持保护状态，和宽度均不小于40mm。
结语
本文对钛焊缝保护装置进行优化设计，在企业钛材设备制作中使用本保护装置，焊接出的焊缝呈现银白色，这表明了焊缝的保护措施好，焊接质量高，充分说明了对钛焊缝保护措施的优化设计是可行的。
参考文献
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[3]陈祝年.焊接工程师手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2010.
论文作者:林海平,
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第18期
论文发表时间:2020/3/16
标签：护罩论文; 气体论文; 钛合金论文; 氩气论文; 厚板论文; 焊枪论文; 氩弧焊论文; 《科学与技术》2019年第18期论文;