一種適用于鈦金屬現場焊接的氬弧焊槍的研制

劉永燕

（新疆新鑫礦業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，利用氬氣作為保護氣體進行焊接的一種氣體保護焊方法。通過鎢極與工件之間產生電弧，利用從焊槍噴嘴中噴出的氬氣流在電弧區形成嚴密封閉的氣層，使電極和金屬熔池與空氣隔離，以防止空氣的侵入。同時利用電弧熱來熔化基本金屬和填充焊絲形成熔池，液態金屬熔池凝固后形成焊縫。

由于氬氣是一種惰性氣體，不與金屬起化學反應，能充分保護金屬熔池不被氧化。同時氬氣在高溫時不溶于液態金屬中，所以焊縫不易生成氣孔，從而獲得較高質量的焊縫。鎢極氬弧焊的特性使其能使用于大多數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、強度增加，塑性、韌性降低，引起脆化。碳也會與鈦形成硬而脆的TiC，易引起裂紋。而鈦合金焊接時由氫引起的冷裂紋也是鈦合金焊接時應注意防止的，焊接時熔池和低溫區母材中的氫向熱影響區擴散，引起熱影響區含氫量增加，會造成熱影響區出現延遲裂紋。因此鈦及鈦合金焊接一般只能采用氬氣保護或在真空條件下焊接。

手操作鎢極氬弧焊的焊槍必須堅實、重量輕且完全絕緣，必須有手把供持壓且供輸送保護氣體至電弧區，且具有筒夾，夾頭或其他方式能穩固的壓緊鎢電極棒且導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、體積小且堅實，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。水冷式焊槍是被設計用于持續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，氬氣由進氣皮管13輸送，通過導流件3上的氣孔進入噴嘴2，在鎢極周圍形成氣體保護區域，確保焊縫達到要求。氬弧焊機采用的是8m2電纜，通過水冷，達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

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

2 存在的問題

我廠是冶煉企業，生產現場中鈦金屬設備、管路應用廣泛。在設備、設施維修中，水冷氬弧焊槍應用較多。

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）生產現場受水源限制，為設備緊急搶修中的焊接帶來了諸多不便，一些緊急的任務不能很快完成；

（2）焊槍氬氣護罩保護面積小，施焊時，需要有人用氬氣拖罩保護，即：作業過程中，一個人施焊，一個人用拖罩在焊縫后邊保護；該工藝適用于場地作業，而工業企業生產現場往往空間狹小，不便實施雙人作業；

（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，保護效果不佳：流量太大，容易變成紊流，使空氣卷入，也會降低保護效果，從而導致焊縫脆化，降低焊縫的抗腐蝕性能。

3 問題分析

針對水冷氬弧焊槍在使用中暴露出的諸多問題，結合我們已經掌握的氬弧焊焊接工藝，以及對焊槍結構和工作原理的分析，我們認為，可以在焊槍中部增加一個氣室，作為氬氣臨時儲存的緩沖，解決氣量變化造成的保護效果不佳；為了增大氣體保護面積，可以適當增大噴嘴護罩面積，從而達到加大氬氣保護區域的目的。同時，為了解決現場水源受限問題，研究可替代水冷纜管的動力供應方案，降低電纜過熱現象，省去水冷系統。

4 核心問題

要想增設氣室，必須解決氣室與槍體把手、鎢極夾套的結合問題，以及供氣方式問題；要增大護罩噴嘴直徑，必須解決噴嘴與氣室的連接和噴嘴的大?。灰コ湎到y，必須解決焊槍電纜過熱現象；要實現焊接作業，還必須解決槍體導電和絕緣問題。

5 采取的措施

根據槍體構造，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；前端為螺紋結構，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，并實現氣室密封；圖2是緩沖氣室和鎢極夾套分體簡圖。

圖2 鎢極夾套和緩沖氣室分體簡圖

通過考察，我們發現等離子切割機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、噴嘴的結合。

為了實現氬氣供應，我們在氣室（導流件）中部平面鉆出均勻小孔；側面開進氣孔，接進氣皮管。氣體進入氣室，通過中部均勻分布的小孔，進入噴嘴中，實現焊接過程中的氣體保護，見圖4。

圖3 等離子割嘴（代用噴嘴）

圖4 焊槍進氣、供氣示意圖

據電纜特性，我們采用了增大電纜過電流截面面積，減小電纜阻值，來降低電纜過熱現象。為了能夠實現電纜和槍體的連接，我們對電工接線卡子進行了改造：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！電纜連接見圖5。

圖5 電纜連接示意圖

改造后焊槍結構見圖6：

圖6 改造后焊槍結構簡圖

上圖給出了改造后焊槍內部的結構、鎢極夾套連接方式、噴嘴與氣室連接構造、進氣方式、線纜連接方式。我們看到纜線管內只有進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行緊密纏繞，同時連接把手、脈沖控制開關和纜管。

5 使用效果

改造后一次焊接焊縫長度提高了8倍，同一任務只需要一個人既能完成，平均單次任務節約工時30%，生產現場的鈦金屬鎢極氬弧焊焊接不再受水源限制，焊縫質量完全滿足要求,并實現了了水資源的節約。很明顯，去除拖罩保護后，現場操作將不再受空間限制，作業范圍明顯擴大，實現了狹小空間的氬弧焊焊接作業。

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

6 結束語

此項改造很好地解決了長期制約我廠生產系統現場鈦金屬焊修作業中存在的問題，使得現場儲槽內部鈦盤管等焊修作業在空間狹小、水源不足的前提下進行緊急搶修成為了可能，不僅降低了維修人員的勞動強度，節約了維修成本，更縮短了維修時間，為生產設備的連續運行提供了保障。

［1］祝燮權.實用金屬材料手冊，上?？茖W技術出版社，2008.9.

［2］【美】J.E.希格利，C.R.米什克.機械設計通用手冊.河南大學機械學院譯，1993.8.