一种适用于钛金属现场焊接的氩弧焊枪的研制

刘永燕

（新疆新鑫矿业股份有限公司阜康冶炼厂 阜康 831500）

1 概述

钨极氩弧焊是采用钨棒作为电极，利用氩气作为保护气体进行焊接的一种气体保护焊方法。通过钨极与工件之间产生电弧，利用从焊枪喷嘴中喷出的氩气流在电弧区形成严密封闭的气层，使电极和金属熔池与空气隔离，以防止空气的侵入。同时利用电弧热来熔化基本金属和填充焊丝形成熔池，液态金属熔池凝固后形成焊缝。

由于氩气是一种惰性气体，不与金属起化学反应，能充分保护金属熔池不被氧化。同时氩气在高温时不溶于液态金属中，所以焊缝不易生成气孔，从而获得较高质量的焊缝。钨极氩弧焊的特性使其能使用于大多数的金属和合金的焊接，可采用钨极氩弧焊焊接的金属包括碳钢、合金钢、不锈钢、耐热合金、难熔金属、铝合金、镁合金、铍合金、铜合金、镍合金、钛合金和锆合金等等。

钛是一种活性元素，特别是在焊接高温下非常容易吸收氮、氢、氧，从而使焊缝的硬度、强度增加，塑性、韧性降低，引起脆化。碳也会与钛形成硬而脆的TiC，易引起裂纹。而钛合金焊接时由氢引起的冷裂纹也是钛合金焊接时应注意防止的，焊接时熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩散，引起热影响区含氢量增加，会造成热影响区出现延迟裂纹。因此钛及钛合金焊接一般只能采用氩气保护或在真空条件下焊接。

手操作钨极氩弧焊的焊枪必须坚实、重量轻且完全绝缘，必须有手把供持压且供输送保护气体至电弧区，且具有筒夹，夹头或其他方式能稳固的压紧钨电极棒且导引焊接电流至电极棒上。焊枪组合一般包括各种不同的缆线，软管和连接焊枪至电源、气体和水的配合件。钨极氩弧焊的焊枪分为气冷式和水冷式。气冷式焊枪通常重量轻、体积小且坚实，比水冷式焊枪便宜，但是，一般受限使用于约125A以下的焊接电流。水冷式焊枪是被设计用于持续的高电流焊接条件下使用的，能以高至200A的焊接电流做持续的操作，有些甚至可用于500A的最大焊接电流。

图1表示典型的水冷式手操作焊枪。在焊接过程中，氩气由进气皮管13输送，通过导流件3上的气孔进入喷嘴2，在钨极周围形成气体保护区域，确保焊缝达到要求。氩弧焊机采用的是8m2电缆，通过水冷，达到焊接期间冷却电缆、焊枪和钨极的作用。

图1 典型的水冷式手操作焊枪

保护气体通过的整个系统必须密封，软管中的接头处漏泄会使保护气体大量损失，使熔池无法得到充分的保护。空气吸入气体系统中是主要的问题，需小心的维护以确保气密的气体系统。焊枪连接水管和各接头，通常由电焊机携带电流至电极棒的电缆线是包在水冷却的出口管路内，容许使用小直径、重量轻可绕的导线，有时也包括配合件和流动开关、熔丝。但焊枪中漏水或气体系统含有湿气，会污染焊道且会导致操作不顺，使焊缝质量降低。

2 存在的问题

我厂是冶炼企业，生产现场中钛金属设备、管路应用广泛。在设备、设施维修中，水冷氩弧焊枪应用较多。

在焊修过程中，水冷氩弧焊枪逐渐暴露出一些问题，主要是：

（1）生产现场受水源限制，为设备紧急抢修中的焊接带来了诸多不便，一些紧急的任务不能很快完成；

（2）焊枪氩气护罩保护面积小，施焊时，需要有人用氩气拖罩保护，即：作业过程中，一个人施焊，一个人用拖罩在焊缝后边保护；该工艺适用于场地作业，而工业企业生产现场往往空间狭小，不便实施双人作业；

（3）焊枪出气孔少，喷嘴较小，焊接过程中，如气体流量过低，气流挺度差，排除周围空气的能力弱，保护效果不佳：流量太大，容易变成紊流，使空气卷入，也会降低保护效果，从而导致焊缝脆化，降低焊缝的抗腐蚀性能。

3 问题分析

针对水冷氩弧焊枪在使用中暴露出的诸多问题，结合我们已经掌握的氩弧焊焊接工艺，以及对焊枪结构和工作原理的分析，我们认为，可以在焊枪中部增加一个气室，作为氩气临时储存的缓冲，解决气量变化造成的保护效果不佳；为了增大气体保护面积，可以适当增大喷嘴护罩面积，从而达到加大氩气保护区域的目的。同时，为了解决现场水源受限问题，研究可替代水冷缆管的动力供应方案，降低电缆过热现象，省去水冷系统。

4 核心问题

要想增设气室，必须解决气室与枪体把手、钨极夹套的结合问题，以及供气方式问题；要增大护罩喷嘴直径，必须解决喷嘴与气室的连接和喷嘴的大小；要去除水冷系统，必须解决焊枪电缆过热现象；要实现焊接作业，还必须解决枪体导电和绝缘问题。

5 采取的措施

根据枪体构造，并充分考虑枪头大小和是否便于操作者抓握，我们确定，用导电性能良好的黄铜制作容积为1.3×104mm3的缓冲气室，气室中部车削成平面，便于钻削通气孔；前端为螺纹结构，便于连接喷嘴；后端用铜片密封，中间开孔，采用黄铜制作一个前端锥形的夹套，后部通过螺帽拉紧的夹紧套固定钨极，并实现气室密封；图2是缓冲气室和钨极夹套分体简图。

图2 钨极夹套和缓冲气室分体简图

通过考察，我们发现等离子切割机陶瓷割嘴的出口直径是16mm，为常用氩弧焊枪喷嘴的1.6倍，见图3。因此，我们将缓冲气室前端的螺纹车削成与等离子割嘴配合的尺寸，完成了气室、钨极、喷嘴的结合。

为了实现氩气供应，我们在气室（导流件）中部平面钻出均匀小孔；侧面开进气孔，接进气皮管。气体进入气室，通过中部均匀分布的小孔，进入喷嘴中，实现焊接过程中的气体保护，见图4。

图3 等离子割嘴（代用喷嘴）

图4 焊枪进气、供气示意图

据电缆特性，我们采用了增大电缆过电流截面面积，减小电缆阻值，来降低电缆过热现象。为了能够实现电缆和枪体的连接，我们对电工接线卡子进行了改造：切除电工接线卡前段部分，切口磨圆弧，焊接在气室的边缘，后部接电缆线，从而去除水冷系统！电缆连接见图5。

图5 电缆连接示意图

改造后焊枪结构见图6：

图6 改造后焊枪结构简图

上图给出了改造后焊枪内部的结构、钨极夹套连接方式、喷嘴与气室连接构造、进气方式、线缆连接方式。我们看到缆线管内只有进气皮管和电缆线两根线缆。

为了确保枪体绝缘，我们用绝缘胶带在组装完成的枪体外部进行紧密缠绕，同时连接把手、脉冲控制开关和缆管。

5 使用效果

改造后一次焊接焊缝长度提高了8倍，同一任务只需要一个人既能完成，平均单次任务节约工时30%，生产现场的钛金属钨极氩弧焊焊接不再受水源限制，焊缝质量完全满足要求,并实现了了水资源的节约。很明显，去除拖罩保护后，现场操作将不再受空间限制，作业范围明显扩大，实现了狭小空间的氩弧焊焊接作业。

需要说明的是，此改造并不破坏焊机原有的水冷系统，在焊接其他材料或在场地允许的情况下，仍可以采用原水冷焊枪进行焊接作业。

6 结束语

此项改造很好地解决了长期制约我厂生产系统现场钛金属焊修作业中存在的问题，使得现场储槽内部钛盘管等焊修作业在空间狭小、水源不足的前提下进行紧急抢修成为了可能，不仅降低了维修人员的劳动强度，节约了维修成本，更缩短了维修时间，为生产设备的连续运行提供了保障。

［1］祝燮权.实用金属材料手册，上海科学技术出版社，2008.9.

［2］【美】J.E.希格利，C.R.米什克.机械设计通用手册.河南大学机械学院译，1993.8.