引言

鈦及鈦合金具有強(qiáng)度高、耐蝕性好和耐熱性高等特點(diǎn)，這種材料可用于制造船舶水管路系統(tǒng)或其他系統(tǒng)，使其具有耐海水腐蝕性強(qiáng)、壽命長的特點(diǎn)。但是鈦及鈦合金管路在實(shí)施氬弧焊焊接過程中極易吸入空氣中的氧、氮、氫等元素，導(dǎo)致焊縫的塑性和韌性降低，易造成脆性斷裂[1-3]。針對這一問題，本文提出了一種焊接保護(hù)罩的設(shè)計(jì)。

1、 鈦及鈦合金管的焊接特點(diǎn)

鈦及鈦合金除了具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)外，還具有導(dǎo)熱系數(shù)較低的特點(diǎn)，其導(dǎo)熱系數(shù) λ=15.24 W/(m·K)，約為鐵的 1/5、鋁的 1/14。

焊接鈦及鈦合金材料時(shí)，可采用氬弧焊、埋弧焊、真空電子束焊等焊接方法。焊接鈦及鈦合金管路時(shí)，一般使用手工氬弧焊，焊接時(shí)，使用純度不低于 99.99%的工業(yè)氬氣作為保護(hù)氣體。

焊接過程中，當(dāng)溫度到達(dá)一定值時(shí)，焊縫會(huì)快速吸入氧、氮、氫等元素，溫度 300℃以上時(shí)快速吸氫，溫度 450℃以上時(shí)快速吸氧，溫度 600℃以上時(shí)快速吸氮。

鈦及鈦合金管路進(jìn)行氬弧焊焊接時(shí)，焊接溫度較高，中心溫度可能高達(dá) 5 000℃～10 000℃。由于其導(dǎo)熱系數(shù)較低，如果不采取一定的方法阻隔空氣或?qū)κ┖覆课贿M(jìn)行降溫，極易引起氧、氮、氫等元素的快速吸入，從而影響焊接質(zhì)量。

2 、解決途徑

2.1 需求分析

一般材質(zhì)（如不銹鋼、銅、銅合金）的管路進(jìn)行氬弧焊焊接時(shí)，可在管路內(nèi)部充注保護(hù)氣體對焊縫背面進(jìn)行保護(hù)，焊縫正面可通過焊槍前端噴出保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)。

為保護(hù)鈦及鈦合金管焊接時(shí)的正面焊縫，需要穩(wěn)定保護(hù)氣體的氣流組織，以保證氬氣達(dá)到一定的濃度和流量，從而起到將施焊部位與空氣進(jìn)行阻隔和冷卻的作用。

鑒于以上需求，綜合考慮適用性、可行性、便利性和經(jīng)濟(jì)性等要求，設(shè)計(jì)焊接用氣體保護(hù)罩是較為可行的辦法。

2.2 對焊接氣體保護(hù)罩的技術(shù)要求

焊接氣體保護(hù)罩主要應(yīng)達(dá)到以下技術(shù)要求：1）可以阻隔空氣，并穩(wěn)定保護(hù)氣體的氣流組織，防止產(chǎn)生渦流后吸收周圍空氣至焊接部位；2）可以通入要求流量的氬氣，以對施焊部位進(jìn)行快速降溫，使焊接部位表面溫度盡快冷卻到 300℃以下；3）可以容納焊槍伸入；4）可在施焊時(shí)手持，并易于跟隨焊槍前行。

2.3 焊接氣體保護(hù)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述技術(shù)要求，結(jié)合目前鈦及鈦合金管實(shí)施的氬弧焊焊接工藝，本文設(shè)計(jì)了一種焊接氣體保護(hù)罩的典型結(jié)構(gòu)，可滿足以下功能要求。

2.3.1 手持操作

因?yàn)槟壳昂附右匀斯げ僮鳛橹鳎倚枰S施焊作業(yè)對施焊部位實(shí)施實(shí)時(shí)保護(hù)，所以保護(hù)罩需具有手持功能。因此，為焊接氣體保護(hù)罩設(shè)置了手柄。

2.3.2 導(dǎo)入保護(hù)氣體

根據(jù)該功能要求，在保護(hù)罩上設(shè)置氬氣進(jìn)口接頭，可使焊接保護(hù)氣體進(jìn)入保護(hù)罩內(nèi)部。根據(jù)不同管子壁厚對于保護(hù)氣體流量的不同要求，氬氣進(jìn)口接頭可設(shè)置成 1 個(gè)或多個(gè)。管子壁厚、氬氣流量和推薦接頭數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系可參見表 1。

2.3.3 阻隔空氣

要達(dá)到阻隔空氣的目的，保護(hù)罩應(yīng)具備一定的封閉功能，以使保護(hù)氣體達(dá)到一定濃度，并阻擋空氣進(jìn)入。因此，保護(hù)障應(yīng)具備以下特點(diǎn)。

1）封閉性。

保護(hù)罩保護(hù)空間的端部和兩側(cè)應(yīng)盡量采用封閉設(shè)計(jì)。

2）好的貼合度。

保護(hù)罩下沿采用圓弧狀設(shè)計(jì)，并加裝弧形貼合板，可在操作時(shí)使保護(hù)罩和管路表面更好地貼合，以達(dá)到更好的封閉效果。應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，為保證保護(hù)罩與管子外壁的貼合度，應(yīng)根據(jù)管路外徑大小系列化制作保護(hù)罩，一般最多 2～3 種不同外徑的管路可共用同一規(guī)格的保護(hù)罩。

3）穩(wěn)定的氣流組織。

保護(hù)罩內(nèi)設(shè)置孔板，將罩內(nèi)空間隔離成儲(chǔ)氣空間和和保護(hù)空間。氬氣先進(jìn)入罩內(nèi)的儲(chǔ)氣空間，然后通過孔板，再在保護(hù)空間將氬氣噴到施焊部位。這種設(shè)計(jì)可使氬氣氣流更加均勻，并防止形成渦流，避免了空氣從罩殼周邊空隙被吸入而影響焊接質(zhì)量。孔板上小孔的直徑約為 2 mm～4 mm，打孔時(shí)應(yīng)均勻，并確保有效流通面積不小于進(jìn)口面積的 5 倍。

4）保持一定流量的保護(hù)氣體。

應(yīng)保持一定流量的保護(hù)氣體在罩內(nèi)流通，如此可防止氣體被過度加熱而失去降溫作用。若要在保護(hù)罩內(nèi)形成一定的氣流場，除了導(dǎo)入保護(hù)氣體外，還需要將其導(dǎo)出，所以應(yīng)設(shè)置保護(hù)罩開口。開口尺寸以不小于進(jìn)口面積的 5 倍為宜。

2.3.4 容納焊槍及便于觀察

在保護(hù)罩上設(shè)置開口時(shí)，還應(yīng)兼顧這兩個(gè)功能要求。綜合考慮操作、冷卻等問題，本文建議將開口設(shè)置在保護(hù)罩后部（移動(dòng)方向的同向端為前部，反向端為后部），該開口可起如下作用：1）容納焊接用焊槍伸入；2）引導(dǎo)罩內(nèi)氬氣有規(guī)律先后流出，形成穩(wěn)定的氣流流場，防止產(chǎn)生渦流，而產(chǎn)生的氬氣尾流不但可以起到一定的阻隔空氣的作用，還可以帶走部分熱量，加速施焊部位的冷卻；3）方便觀察。

2.3.5 覆蓋被保護(hù)區(qū)域

為保護(hù)焊接部位，保護(hù)罩至少應(yīng)覆蓋融合區(qū)，其覆蓋面積應(yīng)超過焊接熱影響區(qū)。根據(jù)鈦及鈦合金氬弧焊焊接熱影響區(qū)的寬度值，保護(hù)罩下方有效保護(hù)長度和寬度均不小于 40 mm。

2.4 保護(hù)罩的典型結(jié)構(gòu)

綜合以上要求，本文設(shè)計(jì)了一種保護(hù)罩的典型結(jié)構(gòu)，其型式圖解見圖 1，據(jù)此制作的樣品實(shí)物圖見圖 2。

2.5 焊接氣體保護(hù)罩的使用方法

焊接氣體保護(hù)罩使用步驟如下：1）焊接前，先將氬氣管接至保護(hù)罩進(jìn)口接頭，并有效固定；2）用手握住手柄，使保護(hù)罩盡量貼近管子外緣，罩住將要施焊的部位，在施焊前先打開氬氣控制開關(guān)吹氣；3）待形成穩(wěn)定氬氣氣流后，焊槍從保護(hù)罩后部開口伸入，開始焊接；4）焊接時(shí)，保護(hù)罩跟隨焊槍前行；5）焊接完成后，繼續(xù)送保護(hù)氣體，使保護(hù)罩保持保護(hù)狀態(tài)，并使焊絲端頭處于氣體的有效保護(hù)之下；6）待焊接區(qū)域冷卻至 300℃以下后，停供保護(hù)氣體、移離保護(hù)罩。

3、 結(jié)束語

文章介紹了一種可用于鈦及鈦合金管焊接的保護(hù)罩，該保護(hù)障可穩(wěn)定保護(hù)氣體的氣流組織、有效阻隔空氣，并能起到降溫的作用，從而可以保證鈦及鈦合金管路的焊接質(zhì)量。本文提出的保護(hù)罩設(shè)計(jì)可供參照，實(shí)際作業(yè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)要求，靈活地設(shè)計(jì)或選用適合的焊接保護(hù)罩。

參考文獻(xiàn)：

[1] C 萊茵斯, M 皮特爾斯. 鈦與鈦合金[M]. 陳振華,譯. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

[2] 戚運(yùn)蓮, 洪權(quán), 劉向, 等. 鈦及鈦合金的焊接技術(shù)[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2004(6): 25-29.

[3] 陳祝年. 焊接工程師手冊[M]. 2 版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

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