一種適用于鈦金屬現(xiàn)場(chǎng)焊接的氬弧焊槍的研制

劉永燕

（新疆新鑫礦業(yè)股份有限公司阜康冶煉廠 阜康 831500）

1 概述

鎢極氬弧焊是采用鎢棒作為電極，利用氬氣作為保護(hù)氣體進(jìn)行焊接的一種氣體保護(hù)焊方法。通過鎢極與工件之間產(chǎn)生電弧，利用從焊槍噴嘴中噴出的氬氣流在電弧區(qū)形成嚴(yán)密封閉的氣層，使電極和金屬熔池與空氣隔離，以防止空氣的侵入。同時(shí)利用電弧熱來熔化基本金屬和填充焊絲形成熔池，液態(tài)金屬熔池凝固后形成焊縫。

由于氬氣是一種惰性氣體，不與金屬起化學(xué)反應(yīng)，能充分保護(hù)金屬熔池不被氧化。同時(shí)氬氣在高溫時(shí)不溶于液態(tài)金屬中，所以焊縫不易生成氣孔，從而獲得較高質(zhì)量的焊縫。鎢極氬弧焊的特性使其能使用于大多數(shù)的金屬和合金的焊接，可采用鎢極氬弧焊焊接的金屬包括碳鋼、合金鋼、不銹鋼、耐熱合金、難熔金屬、鋁合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鎳合金、鈦合金和鋯合金等等。

鈦是一種活性元素，特別是在焊接高溫下非常容易吸收氮、氫、氧，從而使焊縫的硬度、強(qiáng)度增加，塑性、韌性降低，引起脆化。碳也會(huì)與鈦形成硬而脆的TiC，易引起裂紋。而鈦合金焊接時(shí)由氫引起的冷裂紋也是鈦合金焊接時(shí)應(yīng)注意防止的，焊接時(shí)熔池和低溫區(qū)母材中的氫向熱影響區(qū)擴(kuò)散，引起熱影響區(qū)含氫量增加，會(huì)造成熱影響區(qū)出現(xiàn)延遲裂紋。因此鈦及鈦合金焊接一般只能采用氬氣保護(hù)或在真空條件下焊接。

手操作鎢極氬弧焊的焊槍必須堅(jiān)實(shí)、重量輕且完全絕緣，必須有手把供持壓且供輸送保護(hù)氣體至電弧區(qū)，且具有筒夾，夾頭或其他方式能穩(wěn)固的壓緊鎢電極棒且導(dǎo)引焊接電流至電極棒上。焊槍組合一般包括各種不同的纜線，軟管和連接焊槍至電源、氣體和水的配合件。鎢極氬弧焊的焊槍分為氣冷式和水冷式。氣冷式焊槍通常重量輕、體積小且堅(jiān)實(shí)，比水冷式焊槍便宜，但是，一般受限使用于約125A以下的焊接電流。水冷式焊槍是被設(shè)計(jì)用于持續(xù)的高電流焊接條件下使用的，能以高至200A的焊接電流做持續(xù)的操作，有些甚至可用于500A的最大焊接電流。

圖1表示典型的水冷式手操作焊槍。在焊接過程中，氬氣由進(jìn)氣皮管13輸送，通過導(dǎo)流件3上的氣孔進(jìn)入噴嘴2，在鎢極周圍形成氣體保護(hù)區(qū)域，確保焊縫達(dá)到要求。氬弧焊機(jī)采用的是8m2電纜，通過水冷，達(dá)到焊接期間冷卻電纜、焊槍和鎢極的作用。

圖1 典型的水冷式手操作焊槍

保護(hù)氣體通過的整個(gè)系統(tǒng)必須密封，軟管中的接頭處漏泄會(huì)使保護(hù)氣體大量損失，使熔池?zé)o法得到充分的保護(hù)?？諝馕霘怏w系統(tǒng)中是主要的問題，需小心的維護(hù)以確保氣密的氣體系統(tǒng)。焊槍連接水管和各接頭，通常由電焊機(jī)攜帶電流至電極棒的電纜線是包在水冷卻的出口管路內(nèi)，容許使用小直徑、重量輕可繞的導(dǎo)線，有時(shí)也包括配合件和流動(dòng)開關(guān)、熔絲。但焊槍中漏水或氣體系統(tǒng)含有濕氣，會(huì)污染焊道且會(huì)導(dǎo)致操作不順，使焊縫質(zhì)量降低。

2 存在的問題

我廠是冶煉企業(yè)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中鈦金屬設(shè)備、管路應(yīng)用廣泛。在設(shè)備、設(shè)施維修中，水冷氬弧焊槍應(yīng)用較多。

在焊修過程中，水冷氬弧焊槍逐漸暴露出一些問題，主要是：

（1）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)受水源限制，為設(shè)備緊急搶修中的焊接帶來了諸多不便，一些緊急的任務(wù)不能很快完成；

（2）焊槍氬氣護(hù)罩保護(hù)面積小，施焊時(shí)，需要有人用氬氣拖罩保護(hù)，即：作業(yè)過程中，一個(gè)人施焊，一個(gè)人用拖罩在焊縫后邊保護(hù)；該工藝適用于場(chǎng)地作業(yè)，而工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)往往空間狹小，不便實(shí)施雙人作業(yè)；

（3）焊槍出氣孔少，噴嘴較小，焊接過程中，如氣體流量過低，氣流挺度差，排除周圍空氣的能力弱，保護(hù)效果不佳：流量太大，容易變成紊流，使空氣卷入，也會(huì)降低保護(hù)效果，從而導(dǎo)致焊縫脆化，降低焊縫的抗腐蝕性能。

3 問題分析

針對(duì)水冷氬弧焊槍在使用中暴露出的諸多問題，結(jié)合我們已經(jīng)掌握的氬弧焊焊接工藝，以及對(duì)焊槍結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，我們認(rèn)為，可以在焊槍中部增加一個(gè)氣室，作為氬氣臨時(shí)儲(chǔ)存的緩沖，解決氣量變化造成的保護(hù)效果不佳；為了增大氣體保護(hù)面積，可以適當(dāng)增大噴嘴護(hù)罩面積，從而達(dá)到加大氬氣保護(hù)區(qū)域的目的。同時(shí)，為了解決現(xiàn)場(chǎng)水源受限問題，研究可替代水冷纜管的動(dòng)力供應(yīng)方案，降低電纜過熱現(xiàn)象，省去水冷系統(tǒng)。

4 核心問題

要想增設(shè)氣室，必須解決氣室與槍體把手、鎢極夾套的結(jié)合問題，以及供氣方式問題；要增大護(hù)罩噴嘴直徑，必須解決噴嘴與氣室的連接和噴嘴的大小；要去除水冷系統(tǒng)，必須解決焊槍電纜過熱現(xiàn)象；要實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)，還必須解決槍體導(dǎo)電和絕緣問題。

5 采取的措施

根據(jù)槍體構(gòu)造，并充分考慮槍頭大小和是否便于操作者抓握，我們確定，用導(dǎo)電性能良好的黃銅制作容積為1.3×104mm3的緩沖氣室，氣室中部車削成平面，便于鉆削通氣孔；前端為螺紋結(jié)構(gòu)，便于連接噴嘴；后端用銅片密封，中間開孔，采用黃銅制作一個(gè)前端錐形的夾套，后部通過螺帽拉緊的夾緊套固定鎢極，并實(shí)現(xiàn)氣室密封；圖2是緩沖氣室和鎢極夾套分體簡(jiǎn)圖。

圖2 鎢極夾套和緩沖氣室分體簡(jiǎn)圖

通過考察，我們發(fā)現(xiàn)等離子切割機(jī)陶瓷割嘴的出口直徑是16mm，為常用氬弧焊槍噴嘴的1.6倍，見圖3。因此，我們將緩沖氣室前端的螺紋車削成與等離子割嘴配合的尺寸，完成了氣室、鎢極、噴嘴的結(jié)合。

為了實(shí)現(xiàn)氬氣供應(yīng)，我們?cè)跉馐遥▽?dǎo)流件）中部平面鉆出均勻小孔；側(cè)面開進(jìn)氣孔，接進(jìn)氣皮管。氣體進(jìn)入氣室，通過中部均勻分布的小孔，進(jìn)入噴嘴中，實(shí)現(xiàn)焊接過程中的氣體保護(hù)，見圖4。

圖3 等離子割嘴（代用噴嘴）

圖4 焊槍進(jìn)氣、供氣示意圖

據(jù)電纜特性，我們采用了增大電纜過電流截面面積，減小電纜阻值，來降低電纜過熱現(xiàn)象。為了能夠?qū)崿F(xiàn)電纜和槍體的連接，我們對(duì)電工接線卡子進(jìn)行了改造：切除電工接線卡前段部分，切口磨圓弧，焊接在氣室的邊緣，后部接電纜線，從而去除水冷系統(tǒng)！電纜連接見圖5。

圖5 電纜連接示意圖

改造后焊槍結(jié)構(gòu)見圖6：

圖6 改造后焊槍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

上圖給出了改造后焊槍內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、鎢極夾套連接方式、噴嘴與氣室連接構(gòu)造、進(jìn)氣方式、線纜連接方式。我們看到纜線管內(nèi)只有進(jìn)氣皮管和電纜線兩根線纜。

為了確保槍體絕緣，我們用絕緣膠帶在組裝完成的槍體外部進(jìn)行緊密纏繞，同時(shí)連接把手、脈沖控制開關(guān)和纜管。

5 使用效果

改造后一次焊接焊縫長度提高了8倍，同一任務(wù)只需要一個(gè)人既能完成，平均單次任務(wù)節(jié)約工時(shí)30%，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的鈦金屬鎢極氬弧焊焊接不再受水源限制，焊縫質(zhì)量完全滿足要求,并實(shí)現(xiàn)了了水資源的節(jié)約。很明顯，去除拖罩保護(hù)后，現(xiàn)場(chǎng)操作將不再受空間限制，作業(yè)范圍明顯擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)了狹小空間的氬弧焊焊接作業(yè)。

需要說明的是，此改造并不破壞焊機(jī)原有的水冷系統(tǒng)，在焊接其他材料或在場(chǎng)地允許的情況下，仍可以采用原水冷焊槍進(jìn)行焊接作業(yè)。

6 結(jié)束語

此項(xiàng)改造很好地解決了長期制約我廠生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)鈦金屬焊修作業(yè)中存在的問題，使得現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)槽內(nèi)部鈦盤管等焊修作業(yè)在空間狹小、水源不足的前提下進(jìn)行緊急搶修成為了可能，不僅降低了維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了維修成本，更縮短了維修時(shí)間，為生產(chǎn)設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行提供了保障。

［1］祝燮權(quán).實(shí)用金屬材料手冊(cè)，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2008.9.

［2］【美】J.E.希格利，C.R.米什克.機(jī)械設(shè)計(jì)通用手冊(cè).河南大學(xué)機(jī)械學(xué)院譯，1993.8.