钛材管道氩弧焊拖罩保护装置及应用本装置的焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种钛材管道氩弧焊拖罩保护装置及应用本装置的焊接工艺，属于钛材管道焊接技术领域。

背景技术

钛及钛合金管(以下简称钛管)的性能与钢和其他金属材料的性能差异大，钛的化学活性高，是非常活泼的金属，高温下与许多气体有很强的亲和力。钛焊接过程中主要的杂质元素为氧、氮、碳、氢和铁，铁在常温下在钛中的溶解度仅为0.05％-0.10％，钛与钢不能直接熔焊。其危害作用一是杂质固溶于钛基体中，二是杂质与钛生成化合物。

在焊接过程应尽量减少这5中杂质的外来污染，特别是氢的侵入和尽量减少表面氧化。以使焊接接头的力学性能符合要求。对焊接工艺提出了特殊要求因而在控制母材、焊材杂质含量的基础上钛在高温下和空气中的氧亲和力非常强,在400℃以上的区域必须采用严格的惰性气体保护，以避免氧化。因此钛焊接时不但熔池要保护，焊接接头的背面也要保护，焊后正在冷却中的焊接接头正面也要保护。现有专利201520584431.7：一种新型焊接保护拖罩、201220044932.2一种锆及锆合金的管道焊接的气体保护拖罩，均是焊接时保护罩，但是使用时焊枪与保护罩不能统一动作，需要分别操作，较为不便，并且也不能较好的保证熔池处的惰性气体保护。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种钛材管道氩弧焊拖罩保护装置及应用本装置的焊接工艺，焊接时，拖罩保护装置能够对熔池和已完成的焊道进行有效保护，且焊接过程中拖动焊枪即可带动拖罩保护装置移动，因此单人操作即可完成焊接任务，简单方便；应用本装置的焊接工艺能够保证焊接产品的高质量。

本发明所述的钛材管道氩弧焊拖罩保护装置，包括拖罩保护壳体，拖罩保护壳体包括顶面板、前后两个侧面板和侧面板一端的端板，侧面板连接有柱形连接套筒；顶面板上设有进气单元，进气单元连通拖罩保护壳体内部；前后两个侧面板的底端为内凹弧形。

拖罩保护壳体与焊炬的距离应以最短为佳，与管壁接触的间隙力求最小，焊枪从连接套筒顶端插入处，焊头位于连接套筒内部，拖罩保护壳体随焊枪在一起移动；不同尺寸在焊接件选择不同尺寸的拖罩保护装置，保证拖罩保护壳体的内凹弧形处可以与焊件外形结构相吻合，能够确保对焊接接头高温区域的保护质量；连接套筒底端基本与内凹弧形的弧顶平齐，具体工作时，两个侧面板的内凹弧形处正好卡在焊件外壁外周，焊接前先通过进气单元向拖罩保护壳体内通氩气，气体通过已经连接焊枪的连接套筒底端排出，正好可以保证焊枪焊接处焊池位置也处于惰性气体的保护范围之内，有效避免钛焊接过程中氧、氮、碳、氢和铁等杂质影响焊接质量。拖罩保护壳体可以选用紫铜板制成，厚度在1mm左右；连接套筒可以选则黄铜材质，直接为32mm左右，与标准焊枪相配合。拖罩保护壳体外壁设有绝热高温锡纸，用于隔热，防止发生误伤操作工人的意外情况。

优选的，所述的拖罩保护壳体内设有气体分散单元，保证通过进气单元进入拖罩保护壳体内的惰性气体可以在拖罩保护壳体内均匀分布。

优选的，所述的气体分散单元包括不锈钢丝网层，不锈钢丝网层底面设有气体均匀分散网，气体均匀分散网承托不锈钢丝网层与拖罩保护壳体固定连接；且气体均匀分散网设置高度高于侧面板的底端内凹弧形的弧状顶端。顶面板与气体均匀分散网之间的区域内均填充有不锈钢丝网层，不锈钢丝网层使进入拖罩保护壳体内的惰性气体均匀分布；气体均匀分散网主要用于承托不锈钢丝网层，且可以进一步使惰性气体分散均匀，并且不锈钢丝网层和气体均匀分散网的设置不会影响拖罩保护壳体与焊接的紧密接触配合。不锈钢丝网层的厚度约10mm，气体均匀分散网可以选用80目不锈钢网。

优选的，所述的进气单元包括相连通的拖罩内氩气分布管和输送氩气连接管，拖罩内氩气分布管设置在拖罩保护壳体内部，且拖罩内氩气分布管的轴线沿拖罩保护壳体的长度方向布置，输送氩气连接管的进气口位于拖罩保护壳体外部；拖罩内氩气分布管上设有若干通气孔。拖罩内氩气分布管和输送氩气连接管可以选用紫铜材质；外接惰性气体通过输送氩气连接管进入拖罩内氩气分布管，然后通过通气孔进入拖罩保护壳体内，最后通过连接套筒处排出。

优选的，所述的连接套筒远离拖罩保护壳体的一侧设有贯通开口槽，方便焊接过程中实时观察焊池的情况，判断是否符合焊接要求；并且连接套筒可以发生一定的变形，满足安装焊枪的要求。

优选的，所述的连接套筒中部外周套装设置管箍紧固件，在安装焊枪后，可以通过紧固管箍将焊枪锁紧，保证焊枪的移动能够带动整套装置的移动，单人操作即可完成焊接工作和焊道的保护工作。

优选的，所述的连接套筒的轴线倾斜设置。连接套筒向拖罩保护壳体方向倾斜，连接套筒的轴线的倾斜角度为50°-80°，焊接时，焊头距离拖罩保护壳体更近，惰性气体的保护效果更好。

优选的，所述的连接套筒内壁呈倒锥形，更加方便焊枪的安装，倒锥形的连接套筒内壁与焊枪外形更加匹配，焊枪与连接套筒的组装更加可靠。

本发明所述的焊接工艺，包括以下具体步骤，

步骤一，坡口加工，对焊件的坡口进行处理，加工为小坡口角度和小的组对间隙以减少焊缝金属填充量和焊接层道数，减少焊接变形、减低焊缝气孔产生的机率同时防止焊接接头塑性的下降；V型坡口角度控制在55°-60°，间隙控制在1mm-2mm；

步骤二，坡口清理，先用硬质合金铰刀、专用不锈钢磨光机等机械方法对焊接坡口区域表面的氧化膜进行清理、打磨，加工时不得过热变色并注意将残留的砂粉沉末清理干净，工具专用并保持清洁，防止铁等污染；再用酸洗溶液对坡口区域进行酸洗，坡口表面呈现银白色；

步骤三，焊丝清理，用砂纸彻底打磨焊丝直至焊丝表面全部呈现银白色，最后用丙酮彻底清洗焊丝表面；

步骤四，铁离子污染检验，用铁离子污染检验试纸对坡口处进行铁离子污染检测；

步骤五，管口组对，管道焊口组对应在洁净作业环境下进行并避免在整个施焊过程中与铁离子接触，管道的运输、摆放、搬运、对口胎具等过程中均要采用专用设施，凡与钛材接触点均要避免与铁离子接触；一般采用不锈钢薄板及塑料薄膜等隔离；

步骤六，定位焊，对焊件的焊接位置先进行定位焊，定位焊焊接严格按正式焊接工艺执行，定位焊缝长度10mm-15mm，根据管径确定定位焊点；

步骤七，拖罩形式的确定，应根据焊件形状和尺寸确定与其匹配的拖罩保护壳体尺寸，在连接套筒顶端安装焊枪，焊枪头位于连接套筒内；

步骤八，正式焊接，焊工一人操作该装置完成送丝、焊枪及拖罩保护装置移动，使焊接完成位置位于拖罩保护装置内1min-2min，使熔池及高温焊接区域的外表面收到拖罩保护装置保护；且在焊接过程中清除定位焊点。

步骤八正式焊接前，焊口内外的充氩置换完成后，施焊前将加热的焊丝伸到坡口根部，观察焊丝色泽变化判断充氩置换和气体保护的效果，只有在确认充氩置换和气体保护质量达到合格要求后，才能进行正式焊接。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

本发明设计合理，焊接时，拖罩保护装置能够对熔池和已完成的焊道进行有效保护，且焊接过程中拖动焊枪即可带动拖罩保护装置移动，因此单人操作即可完成焊接任务，简单方便；应用本装置的焊接工艺能够保证焊接产品的高质量。

附图说明

图1、钛材管道氩弧焊拖罩保护装置结构示意图；

图2、钛材管道氩弧焊拖罩保护装置主视图；

图3、钛材管道氩弧焊拖罩保护装置使用状态图；

图4、钛材管道氩弧焊拖罩保护装置剖视图。

图中：1、侧面板；2、进气单元；3、顶面板；4、连接套筒；5、箍紧固件；6、贯通开口槽；7、内凹弧形；8、端板；9、拖罩保护壳体；10、焊件；11、输送氩气连接管；12、拖罩内氩气分布管；13、通气孔；14、气体均匀分散网；15、不锈钢丝网层；16、喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1-图4，本发明所述的钛材管道氩弧焊拖罩保护装置，包括拖罩保护壳体9，拖罩保护壳体9包括顶面板3、前后两个侧面板1和侧面板1一端的端板8，侧面板1连接有柱形连接套筒4；顶面板3上设有进气单元2，进气单元2连通拖罩保护壳体9内部；前后两个侧面板1的底端为内凹弧形7。

本实施例中：

拖罩保护壳体9内设有气体分散单元，保证通过进气单元2进入拖罩保护壳体9内的惰性气体可以在拖罩保护壳体9内均匀分布。气体分散单元包括不锈钢丝网层15，不锈钢丝网层15底面设有气体均匀分散网14，气体均匀分散网14承托不锈钢丝网层15与拖罩保护壳体9固定连接；且气体均匀分散网14设置高度高于侧面板1的底端内凹弧形7的弧状顶端。顶面板3与气体均匀分散网14之间的区域内均填充有不锈钢丝网层15，不锈钢丝网层15使进入拖罩保护壳体9内的惰性气体均匀分布；气体均匀分散网14主要用于承托不锈钢丝网层15，且可以进一步使惰性气体分散均匀，并且不锈钢丝网层15和气体均匀分散网14的设置不会影响拖罩保护壳体9与焊接的紧密接触配合。不锈钢丝网层15的厚度约10mm，气体均匀分散网14可以选用80目不锈钢网，气体分散性好。

进气单元2包括相连通的拖罩内氩气分布管12和输送氩气连接管11，拖罩内氩气分布管12设置在拖罩保护壳体9内部，且拖罩内氩气分布管12的轴线沿拖罩保护壳体9的长度方向布置，输送氩气连接管11的进气口位于拖罩保护壳体9外部；拖罩内氩气分布管12上设有若干通气孔13。拖罩内氩气分布管12和输送氩气连接管11可以选用紫铜材质；外接惰性气体通过输送氩气连接管11进入拖罩内氩气分布管12，然后通过通气孔13进入拖罩保护壳体9内，最后通过连接套筒4处排出。

连接套筒4远离拖罩保护壳体9的一侧设有贯通开口槽6，方便焊接过程中实时观察焊池的情况，判断是否符合焊接要求；并且连接套筒4可以发生一定的变形，满足安装焊枪的要求。贯通开口槽6的宽度为10mm-16mm；焊枪的喷嘴16与连接套筒4连接。

连接套筒4中部外周套装设置管箍紧固件5，在安装焊枪后，可以通过紧固管箍将焊枪锁紧，保证焊枪的移动能够带动整套装置的移动，单人操作即可完成焊接工作和焊道的保护工作。

连接套筒4的轴线倾斜设置。连接套筒4向拖罩保护壳体9方向倾斜，连接套筒4的轴线的倾斜角度为50°-80°，焊接时，焊头距离拖罩保护壳体9更近，惰性气体的保护效果更好。

连接套筒4内壁呈倒锥形，更加方便焊枪的安装，倒锥形的连接套筒4内壁与焊枪外形更加匹配，焊枪与连接套筒4的组装更加可靠。

本发明所述的焊接工艺，包括以下具体步骤，

步骤一，坡口加工，对焊件10的坡口进行处理，加工为小坡口角度和小的组对间隙，以减少焊缝金属填充量和焊接层道数，减少焊接变形、减低焊缝气孔产生的机率同时防止焊接接头塑性的下降；V型坡口角度控制在55°-60°，间隙控制在1mm-2mm；

步骤二，坡口清理，先用硬质合金铰刀、专用不锈钢磨光机等机械方法对焊接坡口区域表面的氧化膜进行清理、打磨，加工时不得过热变色并注意将残留的砂粉沉末清理干净，工具专用并保持清洁，防止铁等污染；再用酸洗溶液对坡口区域进行酸洗，坡口表面呈现银白色；

步骤三，焊丝清理，用砂纸彻底打磨焊丝直至焊丝表面全部呈现银白色，最后用丙酮彻底清洗焊丝表面；

步骤四，铁离子污染检验，用铁离子污染检验试纸对坡口处进行铁离子污染检测；

步骤五，管口组对，管道焊口组对应在洁净作业环境下进行并避免在整个施焊过程中与铁离子接触，管道的运输、摆放、搬运、对口胎具等过程中均要采用专用设施，凡与钛材接触点均要避免与铁离子接触；一般采用不锈钢薄板及塑料薄膜等隔离；

步骤六，定位焊，对焊件10的焊接位置先进行定位焊，定位焊焊接严格按正式焊接工艺执行，定位焊缝长度10mm-15mm，根据管径确定定位焊点；

步骤七，拖罩形式的确定，应根据焊件10形状和尺寸确定与其匹配的拖罩保护壳体9尺寸，在连接套筒4顶端安装焊枪，焊枪头位于连接套筒4内；

步骤八，正式焊接，焊工一人操作该装置完成送丝、焊枪及拖罩保护装置移动，使焊接完成位置位于拖罩保护装置内1min-2min，使熔池及高温焊接区域的外表面收到拖罩保护装置保护；且在焊接过程中清除定位焊点。

步骤八正式焊接前，焊口内外的充氩置换完成后，施焊前将加热的焊丝伸到坡口根部，观察焊丝色泽变化判断充氩置换和气体保护的效果，只有在确认充氩置换和气体保护质量达到合格要求后，才能进行正式焊接。

拖罩保护壳体9与焊炬的距离应以最短为佳，与管壁接触的间隙力求最小，焊枪从连接套筒4顶端插入处，焊头位于连接套筒4内部，拖罩保护壳体9随焊枪在一起移动；不同尺寸在焊接件选择不同尺寸的拖罩保护装置，保证拖罩保护壳体9的内凹弧形7处可以与焊件10外形结构相吻合，能够确保对焊接接头高温区域的保护质量；连接套筒4底端基本与内凹弧形7的弧顶平齐，具体工作时，两个侧面板1的内凹弧形7处正好卡在焊件10外壁外周，焊接前先通过进气单元2向拖罩保护壳体9内通氩气，气体通过已经连接焊枪的连接套筒4底端排出，正好可以保证焊枪焊接处焊池位置也处于惰性气体的保护范围之内，有效避免钛焊接过程中氧、氮、碳、氢和铁等杂质影响焊接质量。拖罩保护壳体9可以选用紫铜板制成，厚度在1mm左右；连接套筒4可以选则黄铜材质，直接为32mm左右，与标准焊枪相配合。拖罩保护壳体9外壁设有绝热高温锡纸，用于隔热，防止发生误伤操作工人的意外情况。

钛及钛合金要在无污染、无灰尘、无烟、无金属粉尘和无铁离子污染的洁净专用环境内组装、施焊。若在有钢材作业的区间内，应分割成一个独立的封闭的钛材焊接区。

施焊场地要设置在室内或专用的焊接工作间，室内严禁吸烟，环境应保持清洁、干燥，室温不应低于5℃，并严格控制空气的对流。焊接平台板面、被焊接头的焊接区域除污用的丝刷等材质都应采用不锈钢材料制成，不能采用碳钢等其它有污染的材质。施焊人员应穿着清洁的工作服，不能有油污存在。焊接手套应选用白细纱布手套，不得佩戴棉线及其它面料的手套。钛管不得直接存放在地面上，应该放置于垫块上面。管材表面要用锡箔纸包覆存放。钛合金配件不得存放于潮湿环境中，不得与碳钢材料接触。较小的配件应在库房内货架上存放，露天存放时应上盖下垫，以防杂物及雨水进入，如果暂时用不到的配件不要进行开封。若要进行材料检查，检查完后要及时复原。

焊接操作要点：

1、拖罩保护壳体9的结构尺寸必须与焊件10的外形、结构相吻合并在焊接过程中使用准确，确保对焊接接头高温区域的保护质量。

2、起弧时，焊炬应提前送气，并采用高频引弧；熄弧时，应使用电流衰减装置和气体延时保护装置，弧坑应填满。

3、氩弧焊填丝时焊丝距熔池应有一定高度，使焊丝熔化后不直接进入熔池，而是在电弧区下落，起到熔滴净化去气作用，可明显减少气孔。焊接过程中填充焊丝的加热端始终要在氩气的保护之下，熄弧后焊丝端部还应在氩气保护下直至减到常温。若焊丝被污染或氧化变色时，将被污染或氧化变色部分切除，切除长度≮25mm。

4、焊接过程中电弧要保持稳定避免焊缝夹钨。出现夹钨立即停止焊接，待接头冷却消除后方可继续施焊。

5、打底焊缝宜一次性连续焊完。

6、道间温度应不高于60℃。

色泽检查及处理方式：

色泽检查应在道间及焊后清理之前进行。焊道色泽检查标准及处理方式见下表：

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