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钛及钛合金管氩弧焊焊接保护罩设计
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摘要：目前，随着社会的发展，我国的机械工程的发展也越来越迅速。钛合金由于其优异的综合性能而成为航空、航天以及化学工业等特殊装备制造的重要材料，称之为“太空金属”。但是，在高温下，钛合金强烈吸收氧气、氮气和氢气，钛会从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，随着温度不断升高，钛会吸收更多的气体。钛合金焊接过程中焊缝高温区气体的保护将直接影响到焊接后的材料性能，成为确定防护效果的关键。当焊缝高温区保护效果好时，焊缝表面呈银白色，随着高温区保护效果变差，焊缝表面会渐渐出现黄色、紫色和蓝色，当保护效果最差时甚至能够出现彩色。由此可见，在钛合金焊接过程中气体保护尤为重要。近些年，钛合金焊接气体保护技术获得国内外研究学者广泛关注，与此同时，有关钛合金焊接气体保护技术的专利申请数量也逐年增多。通过对钛合金焊接气体保护专利文献的阅读、分类、总结，发现主要通过以下途径来增强钛合金气体保护效果：改变喷嘴结构、加入托罩、使用真空箱或惰性气体箱、调整保护气体种类和含量、焊缝正反面气体保护，本文重点介绍其中三个方法的专利发展情况。
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。
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
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