引言

钛及钛合金具有强度高、耐蚀性好和耐热性高等特点，这种材料可用于制造船舶水管路系统或其他系统，使其具有耐海水腐蚀性强、寿命长的特点。但是钛及钛合金管路在实施氩弧焊焊接过程中极易吸入空气中的氧、氮、氢等元素，导致焊缝的塑性和韧性降低，易造成脆性断裂[1-3]。针对这一问题，本文提出了一种焊接保护罩的设计。

1、 钛及钛合金管的焊接特点

钛及钛合金除了具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点外，还具有导热系数较低的特点，其导热系数 λ=15.24 W/(m·K)，约为铁的 1/5、铝的 1/14。

焊接钛及钛合金材料时，可采用氩弧焊、埋弧焊、真空电子束焊等焊接方法。焊接钛及钛合金管路时，一般使用手工氩弧焊，焊接时，使用纯度不低于 99.99%的工业氩气作为保护气体。

焊接过程中，当温度到达一定值时，焊缝会快速吸入氧、氮、氢等元素，温度 300℃以上时快速吸氢，温度 450℃以上时快速吸氧，温度 600℃以上时快速吸氮。

钛及钛合金管路进行氩弧焊焊接时，焊接温度较高，中心温度可能高达 5 000℃～10 000℃。由于其导热系数较低，如果不采取一定的方法阻隔空气或对施焊部位进行降温，极易引起氧、氮、氢等元素的快速吸入，从而影响焊接质量。

2 、解决途径

2.1 需求分析

一般材质（如不锈钢、铜、铜合金）的管路进行氩弧焊焊接时，可在管路内部充注保护气体对焊缝背面进行保护，焊缝正面可通过焊枪前端喷出保护气体进行保护。

为保护钛及钛合金管焊接时的正面焊缝，需要稳定保护气体的气流组织，以保证氩气达到一定的浓度和流量，从而起到将施焊部位与空气进行阻隔和冷却的作用。

鉴于以上需求，综合考虑适用性、可行性、便利性和经济性等要求，设计焊接用气体保护罩是较为可行的办法。

2.2 对焊接气体保护罩的技术要求

焊接气体保护罩主要应达到以下技术要求：1）可以阻隔空气，并稳定保护气体的气流组织，防止产生涡流后吸收周围空气至焊接部位；2）可以通入要求流量的氩气，以对施焊部位进行快速降温，使焊接部位表面温度尽快冷却到 300℃以下；3）可以容纳焊枪伸入；4）可在施焊时手持，并易于跟随焊枪前行。

2.3 焊接气体保护罩的结构设计

根据上述技术要求，结合目前钛及钛合金管实施的氩弧焊焊接工艺，本文设计了一种焊接气体保护罩的典型结构，可满足以下功能要求。

2.3.1 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。

2.3.2 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。管子壁厚、氩气流量和推荐接头数量的对应关系可参见表 1。

2.3.3 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 2 mm～4 mm，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。

2.3.4 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，加速施焊部位的冷却；3）方便观察。

2.3.5 覆盖被保护区域

为保护焊接部位，保护罩至少应覆盖融合区，其覆盖面积应超过焊接热影响区。根据钛及钛合金氩弧焊焊接热影响区的宽度值，保护罩下方有效保护长度和宽度均不小于 40 mm。

2.4 保护罩的典型结构

综合以上要求，本文设计了一种保护罩的典型结构，其型式图解见图 1，据此制作的样品实物图见图 2。

2.5 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，并使焊丝端头处于气体的有效保护之下；6）待焊接区域冷却至 300℃以下后，停供保护气体、移离保护罩。

3、 结束语

文章介绍了一种可用于钛及钛合金管焊接的保护罩，该保护障可稳定保护气体的气流组织、有效阻隔空气，并能起到降温的作用，从而可以保证钛及钛合金管路的焊接质量。本文提出的保护罩设计可供参照，实际作业时，应根据作业要求，灵活地设计或选用适合的焊接保护罩。

参考文献：

[1] C 莱茵斯, M 皮特尔斯. 钛与钛合金[M]. 陈振华,译. 北京: 化学工业出版社, 2005.

[2] 戚运莲, 洪权, 刘向, 等. 钛及钛合金的焊接技术[J]. 钛工业进展, 2004(6): 25-29.

[3] 陈祝年. 焊接工程师手册[M]. 2 版. 北京: 机械工业出版社, 2010.

相关链接