引言

鈦及鈦合金具有強度高、耐蝕性好和耐熱性高等特點，這種材料可用于制造船舶水管路系統或其他系統，使其具有耐海水腐蝕性強、壽命長的特點。但是鈦及鈦合金管路在實施氬弧焊焊接過程中極易吸入空氣中的氧、氮、氫等元素，導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罩的設計。

1、 鈦及鈦合金管的焊接特點

鈦及鈦合金除了具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點外，還具有導熱系數較低的特點，其導熱系數 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，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，一般使用手工氬弧焊，焊接時，使用純度不低于 99.99%的工業氬氣作為保護氣體。

焊接過程中，當溫度到達一定值時，焊縫會快速吸入氧、氮、氫等元素，溫度 300℃以上時快速吸氫，溫度 450℃以上時快速吸氧，溫度 600℃以上時快速吸氮。

鈦及鈦合金管路進行氬弧焊焊接時，焊接溫度較高，中心溫度可能高達 5 000℃～10 000℃。由于其導熱系數較低，如果不采取一定的方法阻隔空氣或對施焊部位進行降溫，極易引起氧、氮、氫等元素的快速吸入，從而影響焊接質量。

2 、解決途徑

2.1 需求分析

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

為保護鈦及鈦合金管焊接時的正面焊縫，需要穩定保護氣體的氣流組織，以保證氬氣達到一定的濃度和流量，從而起到將施焊部位與空氣進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、便利性和經濟性等要求，設計焊接用氣體保護罩是較為可行的辦法。

2.2 對焊接氣體保護罩的技術要求

焊接氣體保護罩主要應達到以下技術要求：1）可以阻隔空氣，并穩定保護氣體的氣流組織，防止產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）可在施焊時手持，并易于跟隨焊槍前行。

2.3 焊接氣體保護罩的結構設計

根據上述技術要求，結合目前鈦及鈦合金管實施的氬弧焊焊接工藝，本文設計了一種焊接氣體保護罩的典型結構，可滿足以下功能要求。

2.3.1 手持操作

因為目前焊接以人工操作為主，且需要跟隨施焊作業對施焊部位實施實時保護，所以保護罩需具有手持功能。因此，為焊接氣體保護罩設置了手柄。

2.3.2 導入保護氣體

根據該功能要求，在保護罩上設置氬氣進口接頭，可使焊接保護氣體進入保護罩內部。根據不同管子壁厚對于保護氣體流量的不同要求，氬氣進口接頭可設置成 1 個或多個。管子壁厚、氬氣流量和推薦接頭數量的對應關系可參見表 1。

2.3.3 阻隔空氣

要達到阻隔空氣的目的，保護罩應具備一定的封閉功能，以使保護氣體達到一定濃度，并阻擋空氣進入。因此，保護障應具備以下特點。

1）封閉性。

保護罩保護空間的端部和兩側應盡量采用封閉設計。

2）好的貼合度。

保護罩下沿采用圓弧狀設計，并加裝弧形貼合板，可在操作時使保護罩和管路表面更好地貼合，以達到更好的封閉效果。應用于實際生產時，為保證保護罩與管子外壁的貼合度，應根據管路外徑大小系列化制作保護罩，一般最多 2～3 種不同外徑的管路可共用同一規格的保護罩。

3）穩定的氣流組織。

保護罩內設置孔板，將罩內空間隔離成儲氣空間和和保護空間。氬氣先進入罩內的儲氣空間，然后通過孔板，再在保護空間將氬氣噴到施焊部位。這種設計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量。孔板上小孔的直徑約為 2 mm～4 mm，打孔時應均勻，并確保有效流通面積不小于進口面積的 5 倍。

4）保持一定流量的保護氣體。

應保持一定流量的保護氣體在罩內流通，如此可防止氣體被過度加熱而失去降溫作用。若要在保護罩內形成一定的氣流場，除了導入保護氣體外，還需要將其導出，所以應設置保護罩開口。開口尺寸以不小于進口面積的 5 倍為宜。

2.3.4 容納焊槍及便于觀察

在保護罩上設置開口時，還應兼顧這兩個功能要求。綜合考慮操作、冷卻等問題，本文建議將開口設置在保護罩后部（移動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）引導罩內氬氣有規律先后流出，形成穩定的氣流流場，防止產生渦流，而產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 覆蓋被保護區域

為保護焊接部位，保護罩至少應覆蓋融合區，其覆蓋面積應超過焊接熱影響區。根據鈦及鈦合金氬弧焊焊接熱影響區的寬度值，保護罩下方有效保護長度和寬度均不小于 40 mm。

2.4 保護罩的典型結構

綜合以上要求，本文設計了一種保護罩的典型結構，其型式圖解見圖 1，據此制作的樣品實物圖見圖 2。

2.5 焊接氣體保護罩的使用方法

焊接氣體保護罩使用步驟如下：1）焊接前，先將氬氣管接至保護罩進口接頭，并有效固定；2）用手握住手柄，使保護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吹氣；3）待形成穩定氬氣氣流后，焊槍從保護罩后部開口伸入，開始焊接；4）焊接時，保護罩跟隨焊槍前行；5）焊接完成后，繼續送保護氣體，使保護罩保持保護狀態，并使焊絲端頭處于氣體的有效保護之下；6）待焊接區域冷卻至 300℃以下后，停供保護氣體、移離保護罩。

3、 結束語

文章介紹了一種可用于鈦及鈦合金管焊接的保護罩，該保護障可穩定保護氣體的氣流組織、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量。本文提出的保護罩設計可供參照，實際作業時，應根據作業要求，靈活地設計或選用適合的焊接保護罩。

參考文獻：

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

[2] 戚運蓮, 洪權, 劉向, 等. 鈦及鈦合金的焊接技術[J]. 鈦工業進展, 2004(6): 25-29.

[3] 陳祝年. 焊接工程師手冊[M]. 2 版. 北京: 機械工業出版社, 2010.

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