CN113414475B - 一种氩气和二氧化碳双保护气钛合金焊接拖罩和焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接技术领域，公开了一种氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩和焊接方法；拖罩外壳内部设置中间隔板，中间隔板将拖罩外壳分隔为第一区段和第二区段，第一区段更靠近于焊枪；第一区段内部设置氩气分布管，氩气分布管连接氩气进气管，用于使氩气均匀分布于第一区段内部；第二区段内部设置CO₂分布管，CO₂分布管连接CO₂进气管，用于使CO₂气体均匀分布于第二区段内部。本发明采用两段式的焊接拖罩，在保证对钛合金焊缝金属良好保护效果的前提下，能够最大限度地降低保护气成本，缩短焊接拖罩长度，提升了其在钛合金高效焊接中的灵活性。

Description

一种氩气和二氧化碳双保护气钛合金焊接拖罩和焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体的说，是涉及一种适用于钛合金的焊接拖罩和焊接方法。

背景技术

钛及钛合金高温活性较强，250℃开始吸氢，400℃开始吸氧，600℃开始吸氮。在焊接过程中保护措施不当时，焊缝会吸收这些有害气体造成接头性能恶化。其中氧气的影响最为严重，会造成高温焊缝金属的严重氧化，故必须对400℃以上的焊接区域采取适当的保护措施，避免其接触空气。

目前工程上和研究中一般采用氩气作为保护气体，通过采用氩气拖罩的方法来对高温焊缝进行保护，避免400℃以上的高温焊缝和热影响区接触空气。现有技术中用氩气作为钛合金中厚板大功率焊接的惰性保护气，在合适的拖罩结构和氩气流量下具有较好的保护效果，但该法的氩气消耗量较大，保护气成本较高。此外，氩气散热能力弱，需配备较长的拖罩才能取得良好的保护效果，降低了焊接设备的空间灵活度。

发明内容

本发明着力于解决钛合金中厚板大功率焊接过程中高温焊缝区的氧化防护难题，提供了一种氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩和焊接方法，采用两段式的焊接拖罩，其前半部分通入常用的惰性气体Ar，后半部分通入CO₂气体，比单纯用氩气作为保护气有效降低焊接保护气成本的同时缩短焊接拖罩的长度。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩，包括连接于焊枪的拖罩外壳，所述拖罩外壳内部设置有中间隔板，所述中间隔板将所述拖罩外壳分隔为第一区段和第二区段，所述第一区段更靠近于所述焊枪；

所述第一区段内部设置有氩气分布管，所述氩气分布管用于使氩气均匀分布于所述第一区段内部；所述氩气分布管连接有氩气进气管，所述氩气进气管用于向所述氩气分布管通入氩气；

所述第二区段内部设置有CO₂分布管，所述CO₂分布管用于使CO₂气体均匀分布于所述第二区段内部；所述CO₂分布管连接有CO₂进气管，所述CO₂进气管用于向所述CO₂分布管通入CO₂气体；

所述中间隔板能够隔绝所述第一区段的氩气和所述第二区段的CO₂气体。

进一步地，所述气筛网距离焊缝表面10-15mm。

进一步地，所述第一区段用于保护900℃以上的焊缝高温区域，所述第二区段用于保护900℃以下、400℃以上的焊缝中高温区域。

进一步地，所述第一区段长度为30-60mm；所述第二区段长度为实际焊接速度(mm/s) 与冷却时间(s)的乘积，其中冷却时间为20-30s。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩的焊接方法，焊接前，通过所述氩气进气管和所述氩气分布管向所述第一区段通入氩气，直至氩气置换所述第一区段内部的空气；并且通过所述CO₂进气管和所述CO₂分布管向所述第二区段通入CO₂气体，直至CO₂气体置换所述第二区段内部的空气；

焊接过程中，通过所述氩气进气管和所述氩气分布管向所述第一区段不断供给氩气，并且通过所述CO₂进气管和所述CO₂分布管向所述第二区段不断供给CO₂气体；

待焊缝冷却后停止向所述第一区段供给氩气和向所述第二区段供给CO₂气体。

本发明的有益效果是：

本发明的氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩和焊接方法，将CO₂气体作为钛合金高温焊缝的保护气体，相比于惰性气体Ar，CO₂气体具有比热容大、密度大、成本低的特点；具体包括以下优点：

第一，加速高温焊缝冷却过程：CO₂所具有的大比热容的特点可以加速高温焊缝的冷却，相比传统惰性气体Ar，CO₂气体可以对高温焊缝起到更好的冷却效果。

第二，有效增强散热能力：CO₂所具有的大比热容的特点能够在一定程度上减少焊接拖罩长度，便于焊接拖罩在大功率焊接中的装配和应用。

第三，增强保护气的覆盖能力：CO₂密度较大的特点，可以更好地覆盖在焊缝表面，取得更好的保护效果。

第四，降低保护气体成本：焊接相同长度的焊缝，本发明的气体成本低于传统的整体充氩保护方式。

综上，本发明在保证对钛合金焊缝金属良好保护效果的前提下，最大限度地降低保护气成本，缩短焊接拖罩长度，提升了其在钛合金高效焊接中的灵活性。

附图说明

图1为本发明提供的氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩的等轴测示意图；

图2为本发明提供的氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩的正视示意图；

图3为本发明提供的氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩的俯视示意图；

图4为钛合金脉冲熔化极单层单道堆焊焊缝温度曲线；

图5为CO₂和空气氛围中不同温度节点下的钛合金氧化试样表面SEM形貌；其中，(a)900℃-CO₂，(b)900℃-空气，(c)1100℃-CO₂，(d)1100℃-空气；

图6为900℃时CO₂和空气两种氛围中钛合金氧化试样表面XRD图谱；

上述图中：1-焊枪；2-中间隔板；3-拖罩外壳；4-气筛网；5-氩气进气管；6-氩气分布管；7-CO₂分布管；8-CO₂进气管。

具体实施方式

本发明基于非等温氧化试验结果分析，与空气相比，CO₂与钛合金更难反应，CO₂在900°以下接触钛合金几乎不引起明显的氧化问题。因此CO₂可以作为钛合金高温焊缝的一种保护气体，并且CO₂比氩气具有更强的导热能力和热容量。在不影响气体保护效果的前提下，本发明探索CO₂气体在钛合金焊接保护中的应用，研究出氩气和CO₂双保护气的拖罩结构形式，即在原有焊接拖罩的基础上进行改进，拖罩头部(紧邻焊枪1的部分) 仍通入氩气进行保护，拖罩尾部通入CO₂气体进行保护，形成氩气和CO₂气体的双保护气钛合金焊接拖罩，主要应用于钛合金中厚板大功率焊接，可以比单纯用氩气作为保护气有效降低焊接保护气成本的同时缩短拖罩的长度。

如图1至图3所示，本发明提供的氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩包括拖罩外壳 3、中间隔板2、气筛网4、氩气进气管5、氩气分布管6、CO₂分布管7、CO₂进气管8。

拖罩外壳3为刚性壳体，固定于焊枪1的喷嘴上，拖罩外壳3下沿位于喷嘴末端下方10-15mm处，以使拖罩外壳3的下沿与被焊工件贴合良好。焊枪1执行焊接操作，主要进行焊接过程中的导电和导丝。拖罩外壳3结构边缘处尽量圆滑过渡不留死角，以使保护气体完全置换内部的空气；并且，交接处需要做好密封，防止在细小的缝隙内流速过大形成紊流卷入空气。

中间隔板2设置在拖罩外壳3内部，与拖罩外壳3形成密封连接，将拖罩外壳3分隔为第一区段和第二区段，其中第一区段更靠近于焊枪1。第一区段和第二区段均满足气密性要求，中间隔板2隔绝第一区段和第二区段的气体。第一区段用于保护900℃以上的焊缝高温区域，第二区段用于保护900℃以下，400℃以上的焊缝中高温区域。

进一步地，第一区段的长度为30-50mm。第二区段的长度为实际焊接速度(mm/s)与冷却时间(s)的乘积，其中冷却时间为焊缝从900℃冷却至400℃所需时间，常规焊接热输入下其数值范围为20-30s。

气筛网4设置在拖罩外壳3底部，材质通常为高目数铜网或不锈钢网。气筛网4距离焊缝表面10-15mm，距离过小则从上部腔室流出的气体还未形成稳定层流即到达焊缝表面，距离过大时容易产生紊流，因此距离过小或过大均不能起到较好的保护效果。气筛网 4为焊接拖罩常用耗材，例如可采用400目市售铜网。

氩气分布管6设置在拖罩外壳3的第一区段内部，用于使氩气均匀分布于第一区段内部。氩气进气管5一端与氩气分布管6连通，一端连接氩气供气装置，用于向氩气分布管 6持续通入氩气。

CO₂分布管7设置在拖罩外壳3的第二区段内部，用于使氩气均匀分布于第二区段内部。CO₂进气管8一端与CO₂分布管7连通，一端连接CO₂供气装置，用于向CO₂分布管 7持续通入CO₂气体。

基于上述氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩的焊接方法，其工作过程如下：

(1)焊前准备：

固定被焊工件，并清理工件表面的油污、水分；如有必要，进行开坡口处理。

装配焊接拖罩至焊枪1喷嘴上，适当调节其装配高度，使得焊接拖罩下沿与被焊工件表面贴合良好。

焊前预热：如有必要，对被焊工件进行焊前预热处理。

提前送气：氩气通过氩气进气管5，进入氩气分布管6，从而均匀覆盖在焊缝表面；同时CO₂气体通过CO₂进气管8，进入CO₂分布管7，排去焊缝表面的空气，保护焊缝。

(2)焊接过程：

操作人员进行正常焊接作业。

焊接过程中，氩气和CO₂气体分别通过氩气进气管5和CO₂进气管8进行不断供给，使电弧、熔池及其附近的母材金属免受周围空气的有害作用。

(3)焊后处理

滞后送气：待焊缝冷却后停止送气。

氧化情况检查及处理：观察焊缝表面氧化颜色，若呈现银白色金属光泽，则表明保护效果良好无明显氧化；若焊缝呈现淡黄色，则表明出现轻微氧化，采用不锈钢丝轮进行打磨至去除表面氧化色即可；若焊缝呈蓝紫色甚至出现明显易脱落氧化膜，则表明保护效果较差，则需检查焊接拖罩与被焊工件的贴合情况，并适当调整焊接拖罩的保护气流量，一般需要适当增大保护气流量。

基于焊接试验的拖罩相关数据计算如下：

a.原始拖罩长度：

以脉冲熔化极(Gas Metal Arc Welding-Pulse,GMAW-P)焊接工艺下的钛合金单层单道堆焊焊缝为例，说明焊接参数对焊接拖罩的影响。图4所示为GMAW-P焊接工艺下的钛合金单层单道堆焊焊缝的温度曲线，母材试板为3mm厚的双相钛合金，焊丝为Φ1.2mm 的TC4钛合金焊丝，其焊接工艺参数为：焊接电流I＝150A；焊接电压U＝17V；焊接速度 Vw＝8mm/s。一般认为钛合金在400℃时开始吸收氧气，因此对400℃以上的高温焊缝区域都要进行保护。从图4中可以看出熔池凝固后从最高温度冷却至400℃约需要30s，结合焊接速度，可以简易计算出所需原始拖罩长度为：

L₁＝t_c*v_w＝29s*8mm/s＝232mm

其中，L₁为采用传统通氩气焊接拖罩所需长度，t_c为熔池凝固后从最高温度冷却至400℃所需时间，v_w为焊接速度。

b.本发明的两段式焊接拖罩与原始拖罩结构对比：

本发明采用两段式的焊接拖罩，针对900℃以下的高温区间采用CO₂代替Ar进行保护。这样可以缩短焊接拖罩的长度并降低保护气体成本，针对这两方面进行了定量计算。

(一)首先进行焊接拖罩长度缩短的定量计算：

焊接拖罩流出的保护气可以使高温焊缝处于惰性气体氛围中受到保护；并且层流保护气吹向高温焊缝表面，产生的强制对流作用可以带走一部分热量。该强制对流冷却模型下，气体的冷却效果正比于保护气的热导率和比热容。CO₂和Ar的相关热物理性质列于表1。

表1 CO₂和Ar的相关热物理性质对比

因此当900℃以下温度区间内焊缝采用CO₂替代Ar进行保护和冷却时，二者冷却时间之比为：

其中，t_CO2为其他条件相同情况下尾罩通入CO₂时焊缝的冷却时间，t_Ar为其他条件相同情况下尾罩通入Ar时焊缝的冷却时间，C_P(CO₂)为CO₂的定压比热容，λ_CO2为CO₂的导热系数，C_P(Ar)为Ar的定压比热容，λ_Ar为Ar的导热系数。

采用本发明的两段式焊接拖罩长度为：

ΔL＝L₁-L₂＝232mm-162.7mm＝69。3mm

其中，L₂为本发明的两段式焊接拖罩长度，t₁为焊缝从峰值温度冷却至900℃所需时间，t₂为焊缝从900℃冷却至400℃所需时间，t_CO2为其他条件相同情况下尾罩通入CO₂时焊缝的冷却时间，t_Ar为其他条件相同情况下尾罩通入Ar时焊缝的冷却时间，v_w为焊接速度；ΔL为本发明的两段式焊接拖罩与原始拖罩的拖罩长度之差，L₁为原始拖罩长度，L₂为本发明的两段式焊接拖罩长度。

因此本发明的两段式焊接拖罩可以将传统的原始拖罩长度缩短约70mm，与原始拖罩长度相比缩短了31.5％。

除了缩短焊接拖罩长度外，采用本发明技术方案还可以显著降低保护气成本。

(二)基于以上结果对降低保护气成本进行简易定量计算：

目前市售CO₂价格为80元/40L，Ar价格为150元/40L。假设焊接拖罩的单位长度所需保护气流量一定，本发明的两段式焊接拖罩与原始拖罩结构所耗气体成本之比为：

其中，C₁为传统通氩气拖罩所耗气体成本，C₂为本发明的两段式焊接拖罩所耗气体成本。

因此，本发明的两段式焊接拖罩与原始拖罩通气方式相比，本发明的两段式焊接拖罩可以将保护气成本降低56.2％。

上述例子表明，本发明的两段式焊接拖罩，靠近焊缝的第一区段对焊缝900℃以上的高温区域进行保护，其区段长度为焊缝峰值温度冷却至900℃所需时间与焊接速度的乘积，常规焊接热输入下焊缝从峰值温度冷却至900℃所需时间较短，约为3-6s，本焊接实例下第一区段长度为32mm，因此适当扩大Ar保护范围后将第一区段长度优选范围定为 30-60mm；第二区段用于保护900℃以下，400℃以上的焊缝区域，其区段长度为焊缝从 900℃冷却至400℃所需时间与焊接速度的乘积，常规焊接热输入下该冷却时间为20s-30s。

可见，通过本发明提供的一种氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩和焊接方法，采用 CO₂气体代替部分Ar作为高温焊缝金属自然冷却时的保护气体，利用CO₂密度大的特点，设计CO₂气体和氩气双气体钛合金焊接保护。由于CO₂和Ar的导热系数相近，但是CO₂具有较大的比热容，因此在拖罩保护气冷却高温焊缝时，采用CO₂替代部分的Ar能够起到更好的冷却效果，从而缩短拖罩长度。CO₂价格远低于Ar，因此还能后显著降低焊接保护气成本。另外在25℃的标准大气压下，氩气的密度为1.634g/L，CO₂的密度为1.808g/L，而同等条件下空气密度为1.169g/L，因此，CO₂气体的密度更大，覆盖性更好，能取得更好的保护效果。

下面通过两种焊接实例对本发明的氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩和焊接方法进一步说明：

(1)长直焊缝的焊接实例：

针对钛合金单层单道长直焊缝焊接，其典型工艺参数见表2，应当采用的焊接拖罩相关技术参数列于表3。

表2长直焊缝的焊接工艺参数

表3长直焊缝的两段式焊接拖罩技术参数表

其中，焊接拖罩中的氩气分布管6和CO₂分布管7用φ6×1mm的不锈钢管制成，氩气分布管6和CO₂分布管7上均钻有上下两排直径0.8～1.0mm的小孔,孔距8～10mm；气筛网4采用单层或者多层200目左右的铜网构成。

(2)环型焊缝的焊接实例：

环形焊缝与长直焊缝的焊接拖罩结构类似，但需要根据管径设计具有相应弧度的环形拖罩外壳3结构。为了防止焊枪1拖动焊接拖罩和被焊管件发生相对转动过程中被卡住，通常拖罩外壳3下沿弧度的曲率半径稍大于管子外径，可取为管子外径的1.2倍左右。即可实现良好贴合效果的同时，又不会被管子的转动干涉。

环形焊缝的拖罩外壳3在焊缝长度方向的尺寸可采用拖罩外壳3下沿的圆弧弧长表示，对于规格为Φ219×8.8mm的中厚壁钛合金管道，可采用的环形焊接拖罩的相关技术参数见表4。

表4环形焊缝的前后两段式拖罩技术参数表

由于焊枪中通入的保护气体有一部分也会进入到焊接拖罩中来。因此，在某些情况下本发明所设计的两段式焊接拖罩的第一区段也可以不再通入氩气，即这部分的氩气流量可以设为0L/min，进一步降低了气体的消耗。

本发明的理论依据为：通过申请人设计的焊接氧化试验平台对钛合金氧化问题进行试验研究后发现，随温度上升，钛合金在CO₂和空气氛围中冷却后氧化程度均加剧。但与空气氛围相比，钛合金在CO₂气体氛围中具有较小的氧化倾向，钛合金与CO₂的临界反应温度近似为900℃。因此采用CO₂作为钛合金高温焊缝的保护气体具有一定的可行性，可采用CO₂对900℃以下的钛合金高温焊缝进行保护。

申请人通过自行设计的非等温试验平台，进行了模拟焊接的非等温氧化试验。

为了探究CO₂作为钛合金高温焊缝保护气体的可行性，申请人自行设计了钛合金在 CO₂氛围下的非等温氧化试验，并与空气氛围进行了对比。该试验实现以下条件：①钛合金试样经历类似于实际焊接过程中的焊接热循环，即焊接热过程的瞬时性，加热速度快，高温停留时间短以及冷却速度快的特点：②熔池凝固阶段和初始冷却阶段处于惰性气氛氩气保护下，冷却至一定温度时能迅速转移至CO₂氛围中。

为此搭建了钛合金的非等温氧化试验平台，主要由非熔化极惰性气体保护(Tungsten Inert Gas,TIG)焊枪，气氛箱体，红外高温计组成。试样尺寸为20*20*9mm，用400目砂纸将表面磨至光亮，采用电流为120A的TIG电弧在试样中心位置进行10s的定点自熔焊接，同时采用红外高温计实时观测试样中心温度，待熔池凝固冷却至一定温度节点后，抽出支撑试样的钢板，使得试样迅速转移至气氛箱中，并在气氛箱中自然冷却至室温。在研究钛合金与CO₂的非等温氧化行为时，外部CO₂气瓶通过箱体底部接口向氛围箱中持续通入CO₂气体，并通过CO₂浓度检测仪实时监测其浓度，保证CO₂浓度高于90％；在进行空气氛围下的对比试验时，氛围箱中无需通入气体。

图5为CO₂和空气两种氛围下不同温度节点的钛合金氧化试样的表面氧化物SEM形貌图片，可以发现随着温度节点从900℃提高到1100℃，钛合金试样在CO₂和空气两种氛围下的氧化试样的表面氧化物颗粒尺寸均上升，即氧化程度加剧。但无论是整体氧化程度还是随温度上升氧化程度加剧的显著程度，均是空气氛围下的钛合金氧化试样更加明显。注意到温度节点为900℃时，CO₂氛围下的钛合金氧化试样表面氧化物颗粒尺寸极小，几乎无明显氧化情况；而900℃时空气氛围下的氧化试样表面出现了平均尺寸为0.12μm的交叉杆状氧化物，其氧化程度显著。可以认为900℃为钛合金与CO₂的临界反应温度节点，而此温度下钛合金已经与空气发生了较为严重的氧化反应。因此相比空气，钛合金与CO₂具有更小的氧化倾向，CO₂可以作为900℃以下的高温焊缝的保护气体。

对CO₂和空气两种氛围下不同温度节点的氧化试样表面进行X射线衍射(X-RayDiffraction,XRD)测试分析，结果如图6所示。可以发现900℃时，在空气氛围下的钛合金氧化试样的XRD衍射图谱中的TiO₂衍射峰强度高于Ti的衍射峰强度，因此该温度节点下发生了较为严重的表面氧化，主要氧化产物为TiO₂；而900℃时，在CO₂氛围下的钛合金氧化试样的XRD衍射图谱中主要表现为Ti单质的衍射峰位，可以认为未发生表面氧化，即900℃时钛合金未与CO₂发生氧化反应。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩，包括连接于焊枪的拖罩外壳，其特征在于，所述拖罩外壳内部设置有中间隔板，所述中间隔板将所述拖罩外壳分隔为第一区段和第二区段，所述第一区段更靠近于所述焊枪；

所述第一区段内部设置有氩气分布管，所述氩气分布管用于使氩气均匀分布于所述第一区段内部；所述氩气分布管连接有氩气进气管，所述氩气进气管用于向所述氩气分布管通入氩气；

所述第二区段内部设置有CO₂分布管，所述CO₂分布管用于使CO₂气体均匀分布于所述第二区段内部；所述CO₂分布管连接有CO₂进气管，所述CO₂进气管用于向所述CO₂分布管通入CO₂气体；

所述中间隔板能够隔绝所述第一区段的氩气和所述第二区段的CO₂气体。

2.根据权利要求1所述的一种氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩，其特征在于，所述拖罩外壳底部设置有气筛网，所述气筛网距离焊缝表面10-15mm。

3.根据权利要求1所述的一种氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩，其特征在于，所述第一区段用于保护900℃以上的焊缝高温区域，所述第二区段用于保护900℃以下、400℃以上的焊缝中高温区域。

4.根据权利要求1所述的一种氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩，其特征在于，所述第一区段长度为30-60mm；所述第二区段长度为实际焊接速度(mm/s)与冷却时间(s)的乘积，其中冷却时间为20-30s。

5.一种基于权利要求1-4中任一项所述氩气和CO₂双保护气钛合金焊接拖罩的焊接方法，其特征在于，焊接前，通过所述氩气进气管和所述氩气分布管向所述第一区段通入氩气，直至氩气置换所述第一区段内部的空气；并且通过所述CO₂进气管和所述CO₂分布管向所述第二区段通入CO₂气体，直至CO₂气体置换所述第二区段内部的空气；

焊接过程中，通过所述氩气进气管和所述氩气分布管向所述第一区段不断供给氩气，并且通过所述CO₂进气管和所述CO₂分布管向所述第二区段不断供给CO₂气体；

待焊缝冷却后停止向所述第一区段供给氩气和向所述第二区段供给CO₂气体。

Images