A cademic Research
技术交流
钛及钛合金管氩弧焊焊接保护罩设计
施方乐，黄 雷
（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）
摘 要：钛及钛合金管路在实施氩弧焊焊接时，在一定温度下易吸入空气中的氧、氮、氢等元素，导致焊缝处塑性和韧性降低。研究了钛及钛合金材质本身的特点和焊接特点，设计了一种焊接保护罩，可起到了稳定焊接保护气体气流组织、隔断施焊部位空气和降温的作用，从而保证了钛及钛合金管的焊接质量。
关键词：氩弧焊；焊接保护罩；保护气体
中图分类号：TV547.6 文献标志码：A DOI：10.143/j.cnki.31-1420.2019.01.008
Design of Argon Arc Welding Protective Cover for Titanium and
Titanium Alloy Pipelines
SHI Fangle, HUANG Lei
(Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)
Abstract: Titanium and titanium alloy pipelines are easy to inhale oxygen, nitrogen, hydrogen
and other elements in the air at a certain temperature during argon arc welding, resulting in a decrease in plasticity and toughness at the weld. The characteristics of the titanium and titanium alloy materials and the welding characteristics are studied. A special welding protective cover is designed to stabilize the welding gas flow structure, block the air and cool the welding parts, thus ensuring the welding quality of titanium and titanium alloy pipelines. Key words: argon arc welding; welding protective cover; protective gas
0 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。
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
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 作者简介：施方乐（1974—），女，本科。研究方向：舰船轮机设计。
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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）可以容纳焊伸入；4）可在施焊时手持，并易于跟随焊前行。 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。
表1 管子壁厚、氩气流量和推荐接头数量的对应关系 管子壁厚/mm
氩气流量/(ml/min)
推荐接头数量
<10 5～10 1 10～15 8～12 1或2
15～20 10～15 2
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，
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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。
图1 钛及钛合金管氩弧焊保护罩典型结构示意图
图2 钛及钛合金管氩弧焊保护罩样品图
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，焊从保护罩后部开口伸入，开始焊接；4）焊接时，保护罩跟随焊前行；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。
R3 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.
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