CN107570849A - 一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩及保护方法，保护拖罩的拖罩主体为前面和底面开口的盒子结构，拖罩主体顶面的前端开设有焊枪喷嘴安装孔，顶面上设有通氩气上管，拖罩主体左侧面的下端连接有倾斜侧板，倾斜侧板向拖罩主体的外侧倾斜，拖罩主体右侧面上连接有腹板，腹板的侧面连接有通氩气侧管，倾斜侧板的下端以及右侧面的下端均为与支撑环的外圆焊接面曲率相同的圆弧结构。本发明的保护拖罩能够确保焊缝熔池以及零件温度超过400℃以上的热影响区域不被氧化。

Description

一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩及保护方法

【技术领域】

本发明属于航空发动机制造领域，具体涉及一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩及保护方法。

【背景技术】

钛合金的化学活性大，不仅在熔化状态极易和空气中的氮、氢、氧等元素发生氧化化学反应，当温度在400℃以上的高温固态区域时，也极易和空气中的氮、氢、氧等元素发生氧化化学反应。钛合金如果发生氧化现象，表面颜色会发生变化，当表面颜色呈黄色时，氧化物为TiO，表示有轻微氧化；当表面颜色呈蓝色时，氧化物为Ti₂O₃，表示氧化严重，当表面颜色呈灰色时，氧化物为TiO₂，表示氧化非常严重。氧化情况的轻重反映出保护效果的好坏。因此，焊接时，对熔池、焊缝及温度超过400℃以上的热影响区域都要进行妥善保护。在航空发动机制造领域，钛焊缝熔化区所允许的最大表面颜色程度为浅黄色(即浅麦秸色)，即：仅有银白色和浅黄色两种表面颜色可接受。钛焊缝热影响区所允许的最大表面变色程度为离合格焊缝边为1.58mm的一条间断的浅褐色线条。

目前，在将环形的两个“【”型，内、外两道环形对接焊缝，焊接而成的钛合金支撑环(见图1)，在熔焊加工过程中，需要在焊接位置进行局部气体保护。具体的，该支撑环由两件机加件对接焊接而成。两条焊缝周长各3000mm多，焊后形成封闭的死腔，焊接处厚度2.4mm，零件材料为Ti230。焊缝距外侧端面5mm，中间呈环状封闭腔体。在外圆对接环焊缝加工过程中，不仅外圆对接环焊缝和焊缝热影响区发生氧化现象，而且因支撑环外侧面距离焊缝仅仅5mm，在焊接过程中，在靠近电弧柱处，支撑环外侧面接近焊缝熔池处，由于温度较高，如果没有氩气保护或者保护不当，在没有进入保护区时，就已经发生了氧化现象，使得保护措施不起作用。因此，采用传统的局部气体保护拖罩，只能解决部分温度超过400℃以上的热影响区域不被氧化，支撑环外侧面热影响区域仍然存在氧化现象，无法保证产品质量，因而不能采用。传统充氩箱整体保护方法，受支撑环结构影响，支撑环的最大外轮廓直径达1043mm，需采用大型充氩箱整体保护，使得设备庞大，设备费用高昂。因此，不采用该方案。

【发明内容】

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩及保护方法，在钛合金支撑环在熔焊加工过程中，该保护拖罩能够确保焊缝熔池以及零件温度超过400℃以上的热影响区域不被氧化。

本发明的技术方案如下：

一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩，包括拖罩主体，拖罩主体为前面和底面开口的盒子结构，拖罩主体顶面的前端开设有焊枪喷嘴安装孔，顶面上设有通氩气上管，拖罩主体左侧面的下端连接有倾斜侧板，倾斜侧板向拖罩主体的外侧倾斜，拖罩主体右侧面上连接有腹板，腹板的侧面连接有通氩气侧管，倾斜侧板的下端以及拖罩主体右侧面的下端均为与支撑环的外圆焊接面曲率相同的圆弧结构。

通氩气侧管的出气端设有第一不锈钢丝网。

腹板的下端为与支撑环的外圆焊接面曲率相同的圆弧结构。

焊枪喷嘴安装孔开设于拖罩主体顶面的最前端，腹板的前端延伸出拖罩主体顶面的前端20～30mm。

腹板包括倾斜部和竖直部，倾斜部的下端与竖直部连接，上端朝向拖罩主体右侧面并与拖罩主体右侧面连接，竖直部与拖罩主体右侧面之间的距离为10～12mm。

腹板还包括内弯部，内弯部的一端与竖直部的下端连接，另一端朝向竖直部的内侧。

通氩气上管为L型，包括第一边和第二边，通氩气上管与拖罩主体顶面的连接部设置在拖罩主体顶面的后端，通氩气上管的第一边穿过拖罩主体顶面并伸入拖罩主体的内腔，通氩气上管的第二边处于拖罩主体的内腔，并从拖罩主体顶面的后端伸向拖罩主体顶面的前端，第二边朝向拖罩主体顶面的方向均匀开设有出气孔。

第二边的外周包覆有第二不锈钢丝网。

所述拖罩主体为长方形盒子，长度为180-220mm。

一种钛合金支撑环熔焊气体保护方法，包括如下步骤：

步骤1，将支撑环通过夹具本体安装在焊接变位器上；

步骤2，通过拖罩主体上的焊枪喷嘴安装孔将钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩与焊枪的喷嘴固定连接；

在拖罩主体与焊枪连接时：

拖罩主体处于支撑环外圆焊接面的对接环焊缝和焊缝热影响区的上方，倾斜侧板的下端通过倾斜侧板的圆弧结构与支撑环的外圆焊接面紧邻，并处于外圆焊接面上焊缝热影响区边缘外侧；或者倾斜侧板的下端通过倾斜侧板的圆弧结构与夹具本体的拖罩主体右侧面紧邻；

腹板的下端处于支撑环的外侧面的右侧，并与外侧面紧邻，腹板覆盖外侧面上受焊缝熔池影响的热影响区；

步骤3，给焊枪、通氩气上管和通氩气侧管供氩气，并调整好供氩气量，供氩气时，通氩气上管出气口的氩气吹在外圆焊接面的对接环焊缝和焊缝热影响区，通氩气侧管出气口的氩气吹在外侧面上受焊缝熔池影响的热影响区；

步骤4，按照焊接参数要求，启动焊接设备进行焊接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩通过在拖罩主体顶面的前端开设焊枪喷嘴安装孔，能够使整个装置与焊枪连接，通过在拖罩主体左侧面的下端连接倾斜侧板，在拖罩主体右侧面上连接腹板，因此，能够使得拖罩主体、倾斜侧板和腹板能够形成保护腔体，在支撑环熔焊过程中，通过在拖罩主体的顶面设置的通氩气上管、腹板的侧面连接的通氩气侧管和焊枪本身自带的氩气通路能够向保护腔体内部吹入氩气，进而对被保护腔体保护的支撑环外圆焊接面的对接环焊缝和焊缝热影响区，以及支撑环外侧面上受焊缝熔池影响的热影响区，形成氩气保护，由于倾斜侧板的下端以及右侧面的下端均设置为与支撑环的外圆焊接面曲率相同的圆弧结构，因此，在支撑环熔焊过程中，使得保护腔体内的气流稳定，不易受到外界气流的影响，本发明的保护拖罩能够确保焊缝熔池以及零件温度超过400℃以上的热影响区域不被氧化。

进一步的，通氩气侧管的出气端设有第一不锈钢丝网，通过第一不锈钢丝网能够使通氩气侧管的出气端的气流稳定，能够避免保护腔体内部出现紊流，造成外界空气混入焊接保护区，影响焊接质量。

进一步的，腹板的下端为与支撑环的外圆焊接面曲率相同的圆弧结构，有利于保证保护腔体内部的氩气压力、气流和温度的稳定，有助于提高焊接质量。

进一步的，焊枪喷嘴安装孔开设于顶面的最前端，腹板的前端延伸出顶面的前端20～30mm，腹板上20～30mm的延伸段能够对支撑环的外圆焊接面上焊枪的火焰前端的高温区域进行保护，避免该高温区域发生氧化现象。

进一步的，腹板的竖直部与拖罩主体右侧面之间的距离为10～12mm，在支撑环熔焊时，通过该距离，能够保证腹板与支撑环的外侧面形成有足够容量的保护腔体，使得该保护腔体内的氩气状态稳定，能够对支撑环外侧面上受焊缝熔池影响的热影响区形成良好的保护，保证焊接质量。

进一步的，腹板上的内弯部进一步保证了保护腔体内部的气氛环境稳定，使保护腔体不易受到外界气流的影响，保证焊接质量。

进一步的，通氩气上管为L型，出气口位于拖罩主体的前端，因此，使得该出气口的氩气能够直接作用于焊接点的高温区域附近，再从高温区流向低温区，最终溢出保护腔体，而且，第二边朝向拖罩主体顶面的方向均匀开设有出气孔，通过出气孔能够使氩气更均匀柔和地充满保护腔体，避免氩气流动过于剧烈而混入空气，影响焊接的质量。

进一步的，通氩气上管的第二边的外周还包覆有第二不锈钢丝网，因此，能够进一步保证保护腔体内部气流的稳定性，避免氩气流动过于剧烈而混入空气，影响焊接的质量。

进一步的，拖罩主体为长方形盒子，长度为180-220mm，因此，能够保证保护腔体具有足够的容积，保证保护腔体内部气流的稳定性，保证焊接质量。

【附图说明】

图1是支撑环的零件示意图；

图2是本发明的钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩的主视图；

图3是本发明的钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩的侧视图；

图4是本发明的钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩的俯视图；

图5是本发明的钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩工作时的安装示意图。

其中，1-通氩气上管，1-1-第一边，1-2-第二边，1-2-1-出气孔，2-拖罩主体，2-1-顶面，2-2-左侧面，2-3-右侧面，3-腹板，3-1-倾斜部，3-2-内弯部，3-3-竖直部，4-通氩气侧管，5-第一不锈钢丝网，5-1-第二不锈钢丝网，6-夹具本体，7-倾斜侧板，8-焊枪，9-支撑环，9-1-外圆焊接面，9-2-外侧面，10-焊枪喷嘴安装孔，11-圆柱管。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。

如图2至图4所示，结合图1和图5，本发明的钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩，包括拖罩主体2，拖罩主体2为前面和底面开口的盒子结构，拖罩主体2顶面2-1的前端开设有焊枪喷嘴安装孔10，焊枪喷嘴安装孔10开设于顶面2-1的最前端，顶面2-1上设有通氩气上管1，拖罩主体2左侧面2-2的下端连接有倾斜侧板7，倾斜侧板7向拖罩主体2的外侧倾斜，拖罩主体2右侧面2-3上连接有腹板3，腹板3的前端延伸出顶面2-1的前端20～30mm，腹板3包括倾斜部3-1、内弯部3-2和竖直部3-3，倾斜部3-1的下端与竖直部3-3连接，上端朝向右侧面2-3并与右侧面2-3连接，竖直部3-3与右侧面2-3之间的距离为10～12mm，内弯部3-2的一端与竖直部3-3的下端连接，另一端朝向竖直部3-3的内侧，内弯部3-2的该端为与支撑环9的外圆焊接面9-1曲率相同的圆弧结构，腹板3的侧面连接有通氩气侧管4，通氩气侧管4的出气端设有第一不锈钢丝网5，倾斜侧板7的下端以及右侧面2-3的下端均为与支撑环9的外圆焊接面9-1曲率相同的圆弧结构。

如图3所示，通氩气上管1为L型，通氩气上管1与顶面2-1的连接部设置在顶面2-1的后端，通氩气上管1的第一边1-1穿过顶面2-1并伸入拖罩主体2的内腔，通氩气上管1的第二边1-2处于拖罩主体2的内腔，并从顶面2-1的后端伸向顶面2-1的前端，第二边1-2朝向拖罩主体2顶面的方向均匀开设有φ1.5mm出气孔，第二边1-2的外周包覆有第二不锈钢丝网5-1。

如图2至图5所示，本发明的拖罩主体2为长方形盒子，用1mm的不锈钢板制成，轮廓尺寸为180-220mm×55mm×25mm；

腹板3用1mm的不锈钢板制成，腹板3与拖罩主体2焊接；。

通氩气侧管4的出气端与腹板3的竖直部3-3通过φ16mm的圆柱管焊接连接，φ16mm的圆柱管能够扩大保护区域，将第一不锈钢丝网5塞在φ16mm的圆柱管内，使保护气体能够均匀、柔和地的充满保护区域。

本发明的钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩对支撑环焊缝保护采用三路通气保护，一处为焊枪喷嘴，保护电弧柱区域；一处为焊缝正面(支撑环9的外圆焊接面9-1)，保护焊缝正面及其热影响区域；一处为支撑环外侧面焊枪电弧柱附近处，保护支撑环外侧面热影响区域。为使本发明的钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩的两股氩气流与焊枪喷嘴的氩气流不发生紊流现象，避免紊流造成空气混入焊接保护区，影响保护效果，保护拖罩上面的通氩气上管1的第二边1-2朝上钻有许多φ1.5mm的出气孔，第二边1-2外面还包裹二层第二不锈钢丝网5-1，第二不锈钢丝网5-1为细不锈钢丝网，保护拖罩正面(腹板3外侧)的通氩气侧管4的出气端通过φ16mm的圆柱管设计成台阶孔，φ16mm的圆柱管内塞有第一不锈钢丝网5，第一不锈钢丝网5为细不锈钢丝网，第一不锈钢丝网5能够使保护拖罩内正面的保护气均匀、柔和地充满保护区，因此能够避免三股氩气气流相互影响、干涉，产生紊流现象。

本发明的钛合金支撑环熔焊气体保护方法，包括如下步骤：

步骤1，将支撑环9通过夹具本体6安装在焊接变位器上；

步骤2，通过拖罩主体2上的焊枪喷嘴安装孔10将钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩与焊枪8的喷嘴固定连接；

在拖罩主体2与焊枪8连接时：

拖罩主体2处于支撑环9外圆焊接面9-1的对接环焊缝和焊缝热影响区的上方，倾斜侧板7的下端通过倾斜侧板7的圆弧结构与支撑环9的外圆焊接面9-1紧邻，并处于外圆焊接面9-1上焊缝热影响区边缘外侧；或者倾斜侧板7的下端通过倾斜侧板7的圆弧结构与夹具本体6的右侧面紧邻；

腹板3处于支撑环9的外侧面9-2的右侧，内弯部的端部与外侧面9-2紧邻，腹板3覆盖外侧面9-2上受焊缝熔池影响的热影响区；

步骤3，给焊枪8、通氩气上管1和通氩气侧管4供氩气，并调整好供氩气量，供氩气时，通氩气上管1出气口的氩气吹在外圆焊接面9-1的对接环焊缝和焊缝热影响区，通氩气侧管4出气口的氩气吹在外侧面9-2上受焊缝熔池影响的热影响区；

步骤4，按照焊接参数要求，启动焊接设备进行焊接。

实施例

如图1所示，该支撑环的材料为Ti230，对接处厚度为2.4mm，最大高度为55mm，最大轮廓直径为1043mm。

对该钛合金支撑环对接圆周环焊缝熔焊加工进行局部气体保护，其步骤为：

(1)焊前清理：

a)清理夹具本体6：

用干净纱布蘸丙酮清理干净夹具本体6表面的油污、水渍等有害物质；

b)清理焊丝：

用金相砂纸抛光，并露出金属光泽，以去除焊丝表面氧化膜；并用脱脂棉球蘸丙酮清理干净焊丝表面；

c)清理支撑环9：

由于支撑环9为机加表面，仅采用脱脂棉球蘸丙酮清理干净支撑环内外表面即可；特别要清理干净支撑环9内表面及V型坡口表面，否则，一旦定位焊接后，形成封闭的死腔，无法再进行清理返修；

(2)装夹具本体：将夹具本体6安装在焊接变位器上，并找正、压紧固定；

(3)装夹支撑环9：将支撑环9安装在夹具本体6上，并找正、压紧固定；

(4)装本发明的钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩：将焊枪喷嘴装入拖罩本体2的焊枪喷嘴安装孔10内，并将焊枪8与拖罩本体2固定，将拖罩本体2贴着夹具本体6和支撑环9的外圆焊接面9-1放置；

(5)接通两路氩气管道：将保护拖罩的通氩气上管1和通氩气侧管4对应的两路氩气管接通，并用铁丝将氩气管分别和通氩气上管1，通氩气侧管4拧紧，以防止漏气；

(6)接通焊枪氩气管道：将焊枪氩气管道接通；

(7)打开氩气瓶：依次将分别连接焊枪喷嘴、通氩气侧管4、通氩气上管1的三瓶氩气瓶打开，并按焊接参数要求，调整到位；

(8)启动焊接变位器：将焊接变位器的工作台调整至90°工作状态；

(9)启动焊接变位器工作台旋转：按焊接参数旋转速度要求，启动焊接变位器工作台旋转；

(10)启动焊接设备：按焊接参数要求，启动焊接设备(含送丝机构)；

(11)焊接：按焊接参数要求进行焊接。

本发明的保护拖罩针对支撑环不同区域的焊接超过400°热影响区，采用引入多路保护气体，结合新颖独特的结构设计，有效地保护了钛合金支撑环熔焊所有超过400°热影响区，焊后支撑环整个表面颜色为银白色和局部浅麦黄色，符合标准要求，保护效果良好。该气体保护拖罩具有结构简便、实用，制作经济，可操作性好的优点。产品完全满足设计图纸要求，零件合格率达100％。

Claims (10)

1.一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩，其特征在于，包括拖罩主体(2)，拖罩主体(2)为前面和底面开口的盒子结构，拖罩主体(2)顶面(2-1)的前端开设有焊枪喷嘴安装孔(10)，顶面(2-1)上设有通氩气上管(1)，拖罩主体(2)左侧面(2-2)的下端连接有倾斜侧板(7)，倾斜侧板(7)向拖罩主体(2)的外侧倾斜，拖罩主体(2)右侧面(2-3)上连接有腹板(3)，腹板(3)的侧面连接有通氩气侧管(4)，倾斜侧板(7)的下端以及拖罩主体(2)右侧面(2-3)的下端均为与支撑环(9)的外圆焊接面(9-1)曲率相同的圆弧结构。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩，其特征在于，通氩气侧管(4)的出气端设有第一不锈钢丝网(5)。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩，其特征在于，腹板(3)的下端为与支撑环(9)的外圆焊接面(9-1)曲率相同的圆弧结构。

4.根据权利要求1所述的一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩，其特征在于，焊枪喷嘴安装孔(10)开设于拖罩主体(2)顶面(2-1)的最前端，腹板(3)的前端延伸出拖罩主体(2)顶面(2-1)的前端20～30mm。

5.根据权利要求1所述的一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩，其特征在于，腹板(3)包括倾斜部(3-1)和竖直部(3-3)，倾斜部(3-1)的下端与竖直部(3-3)连接，上端朝向拖罩主体(2)右侧面(2-3)并与拖罩主体(2)右侧面(2-3)连接，竖直部(3-3)与拖罩主体(2)右侧面(2-3)之间的距离为10～12mm。

6.根据权利要求5所述的一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩，其特征在于，腹板(3)还包括内弯部(3-2)，内弯部(3-2)的一端与竖直部(3-3)的下端连接，另一端朝向竖直部(3-3)的内侧。

7.根据权利要求1所述的一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩，其特征在于，通氩气上管(1)为L型，包括第一边(1-1)和第二边(1-2)，通氩气上管(1)与拖罩主体(2)顶面(2-1)的连接部设置在拖罩主体(2)顶面(2-1)的后端，通氩气上管(1)的第一边(1-1)穿过拖罩主体(2)顶面(2-1)并伸入拖罩主体(2)的内腔，通氩气上管(1)的第二边(1-2)处于拖罩主体(2)的内腔，并从拖罩主体(2)顶面(2-1)的后端伸向拖罩主体(2)顶面(2-1)的前端，第二边(1-2)朝向拖罩主体(2)顶面的方向均匀开设有出气孔。

8.根据权利要求7所述的一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩，其特征在于，第二边(1-2)的外周包覆有第二不锈钢丝网(5-1)。

9.根据权利要求1所述的一种钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩，其特征在于，所述拖罩主体(2)为长方形盒子，长度为180-220mm。

10.一种钛合金支撑环熔焊气体保护方法，其特征在于，通过权利要求1-9任意一项所述的钛合金支撑环熔焊气体保护拖罩进行保护，包括如下步骤：

步骤1，将支撑环(9)通过夹具本体(6)安装在焊接变位器上；

步骤2，将拖罩主体(2)与焊枪(8)的喷嘴固定连接；

在拖罩主体(2)与焊枪(8)连接时：

拖罩主体(2)处于支撑环(9)外圆焊接面(9-1)的对接环焊缝和焊缝热影响区的上方，倾斜侧板(7)的下端通过倾斜侧板(7)的圆弧结构与支撑环(9)的外圆焊接面(9-1)紧邻，并处于外圆焊接面(9-1)上焊缝热影响区边缘外侧；或者倾斜侧板(7)的下端通过倾斜侧板(7)的圆弧结构与夹具本体(6)的拖罩主体(2)右侧面紧邻；

腹板(3)的下端处于支撑环(9)的外侧面(9-2)的右侧，并与外侧面(9-2)紧邻，腹板(3)覆盖外侧面(9-2)上受焊缝熔池影响的热影响区；

步骤3，给焊枪(8)、通氩气上管(1)和通氩气侧管(4)供氩气，并调整好供氩气量，供氩气时，通氩气上管(1)出气口的氩气吹在外圆焊接面(9-1)的对接环焊缝和焊缝热影响区，通氩气侧管(4)出气口的氩气吹在外侧面(9-2)上受焊缝熔池影响的热影响区；

步骤4，按照焊接参数要求，启动焊接设备进行焊接。