钛制换热器焊接工艺研究.doc

钛制换热器板对接焊接工艺研究摘 要钛及其合金广泛应用于多种领域，如航空航天、汽车、化工及生物医学等产业。由于钛材自身的优良性能，已经被广泛的应用在压力容器制造领域中。但是钛作为有色金属，与常用的压力容器制造材料的焊接过程有所不同，所以应对钛材的焊接工艺过程进行研究。在工厂生产制造中，对工件焊接工艺的制定是一项基本工作，是对接下来实际产品生产的标准与指导，所以研究焊接工艺制定过程对即将工作的大学生是十分重要的。本篇文章以钛制换热器对接焊缝的焊接工艺为生产实例，进行焊接工艺的制定研究。在焊接工艺制定前应了解焊接材料性能，分析钛板的化学成分，物理性能，力学性能，焊接性。通过查阅焊接手册、国标等相关标准，制定初始焊接工艺。根据板材的厚度，热输入量，线能量等参数来制备合适的坡口尺寸。最终得出焊接工艺为电流直流正接，焊接电流为90A-115A，焊接电压为10V-13V，焊接速度为70mm/min，喷嘴直径为8mm，正面氩气保护气体流量为15L/min，背面氩气保护气体流量为10L/min。本文的研究对压力容器的制造具有指导意义。关键词：钛，换热器，焊接工艺Research on the welding process of Titanium plateheat exchangerAbstractTitanium and its alloys are widely used in a variety of application in aerospace,automotive,chemical and biomedical sciences. Due to the excellent properties of Titanium material itself,it has been widely used in pressure vessel manufacture field.But as non-ferrous metal Titanium,the welding process is different between Titanium and commonly used pressure vessel manufacture materials.So deal with Titanium welding process is studied.In factory production and manufacturing, the welding craft of the workpiece is a fundamental work and is the actual cautious guidance and standards of productions.Therefore the welding process is very important for the graduate.This article is about the examples of Titanium heat exchanger butt-jointed seam welding process,and is about research on the formulation of welding procedure.Before deciding the welding technology,we should know the character of welding materials,such as chemical composition of Titanium,mechanical properties,physical properties and weldability.By look up welding manual,GB and other related standards,formulate the initial welding process.According to the thickness of the plank,heat input,linear energy and other welding parameter to assure groove size.The finally welding process is as follows.DCSP welding current is 90-115A.Welding voltage is 10-13V.Welding rate is 70mm/min.Nozzle diameter is 8mm.Positive argon protection flowrate is 15L/min.The back argon ptotection flowrate is 10L/min.This article is meaningful to pressure container manufacturing.Keywords: Titanium, Pressure container , Welding technology目录1 绪论11.1 前言发展11.2 本课题的研究意义22 钛制化工设备33 钛材43.1 钛材概述43.2 钛材性能53.2.1 力学性能53.2.2 物理与化学性能63.2.3 耐腐蚀性能63.3 实验材料73.3.1 TA2的化学成分73.3.2 TA2的力学性能83.3.3 TA2的焊接特点84 焊接工艺154.1 工艺准备154.1.1 焊材准备154.1.2焊接设备及辅助装置154.2 工艺实施164.2.1 坡口制备164.2.2 焊接材料的选择184.2.3 钨极氩弧焊机184.2.4 气体保护措施264.2.5 焊接工艺参数274.2.6 焊接工艺304.2.7 焊后热处理315 结论32参考文献33致谢3433钛制换热器板对接焊接工艺研究1 绪论1.1 钛材的发展1795年德国化学家MH克拉普鲁斯发现了钛元素，命名为Titanium，意为希腊大力神Titans之意。后人花了一百多年的时间才最终分解出纯金属钛1,2。1908年挪威和美国开始用硫酸法生产钛白粉，1910年在试验室中第一次用钠法制得海绵钛。1940年卢森堡科学家WJ克劳尔采用镁还原TiCl4制取海绵钛以来，镁法一直为生产海绵钛的主导的工业生产法。1948年美国利用这一技术制出了数吨海绵钛，开始了钛的工业规模生产。1952年在日本，1953年在英国，1958年在苏联，20世纪60年代在中国都陆续开始海绵钛生产，产量由吨级逐渐跃升到万吨级。我国钛资源储量居世界首位，约4.8亿吨，占世界钛储量的一半，多为钛铁矿。我国钛加工业已有近半个世纪的历史发展。钛与钛合金8在航空、航天、海洋运输、化工、冶金、医疗卫生等行业中都是不可缺少的结构材料。由于钛的优异性能，常被大量作为压力容器设备材料4所使用，所以对钛制板材换热器焊缝的性能研究受到更多的关注。对钛制板材换热器3的焊接性能的研究越来越重要。本章编写目的在于为从事钛质板材及相关焊接人员提供参考资料。本章主要通过对钛材的物理性能、化学性能9进行分析钛材的焊接性能，研究钛制板材换热器对接焊接工艺性能。目前钛材焊接过程中气体杂质对焊缝金属性能的影响最为严重，在焊接中很难完全消除。通过对常用焊接方法的特点及存在问题结合钛材自身的性能钛材焊接过程中存在的问题进行实验分析阐述其原因进而改进焊接工艺。再结合换热器中对接焊接焊缝特点确定适合的焊接工艺来改善钛材焊接中的气体杂质对焊缝金属性能的影响、焊接金属和热影响区的组织变化的影响和气孔对焊缝性能的影响。为钛制换热器焊接提供参考数据。在本章撰写过程中参考了大量文献资料，但各章后面所附参考文献仅为其中部分资料，在此对本章引用参考资料的作者表示衷心感谢。1.2 本课题的研究意义随着工业的发展，钛与钛合金的应用越来越广泛。由于钛材的优良性能，越来越多的钛材被使用在压力容器制造领域中。钛材的高耐腐蚀性能常备应用在换热器中。但是钛作为有色金属2，与常用的压力容器制造材料的焊接过程有所不同，所以应对钛材的焊接工艺过程进行研究。2 钛制化工设备钛制化工容器设备3的应用一般会有两种情况。一种情况是，某些腐蚀条件下，不锈钢与铝、铜等常用耐蚀金属不能耐蚀，所以只能用钛等一些耐蚀材料才能耐蚀，这时只能用钛制化工设备3。另一种情况是，某种腐蚀条件下，可以用不锈钢或其他常用金属材料作为耐腐蚀材料，但腐蚀率较高，使用寿命较短，而钛的耐蚀性好，可靠性高，寿命长，这时必须对钛与不锈钢等较低价格金属在经济上进行比较与分析，在进行进一步选择。钛虽是一种耐腐蚀的金属，但也并不是适用于一切化工腐蚀介质。即使是同一介质，钛也和其他耐腐蚀金属一样，耐腐蚀程度随介质的温度和浓度不同而有区别3。钛制设备要求避免受铁的污染，很重要的一点是为了避免钛的氢化作用。一般来说，工业纯钛由于其耐腐蚀性比一般钛合金好，强度虽不如某些钛合金高，但价格比钛合金低，塑性好、易于加工成型，因此是钛制化工设备的常用材料。工业纯钛中的TA0和TA1一般用于要求变形量较大的场合，换热管多用TA2，要求耐磨擦及较高强度是用TA33。用钛作换热元件具有以下优点：在许多介质中，具有优良的耐腐蚀性能，因而管壁可以比较薄，提高了传热效果；表面光洁、无垢层，污垢系数大大降低；密度小、强度高，设备体积和重量小。3 钛材3.1 钛材概述钛有两种同素异构体结构。常温下的纯钛为密排六方晶格，称为相；纯钛在882以上为体心立方晶格，称为相。加入Al、Ga及O、N、C等元素能使相在较高的温度下能够稳定存在，这些元素称为相稳定元素；加入Mo、V、Nb、Cu、Ag、Au、Ni、Si等元素能使相稳定到较低温度、甚至室温以下，这些元素称为相稳定元素。按钛材生产成型的方式不同，钛材可以分为压力加工钛材、铸钛以及粉末冶金钛等。压力加工钛材成型方式包括轧制、拉拢、挤压、锻造等，产品形式包括板、带、管、棒、铂、丝、锻件等。一般情况下，将不含有外加合金成分而只含杂质成分的钛称为工业纯钛。工业纯钛按杂质成分含量的高低而有不同的牌号。钛的化学成分一般只分析合金与杂质的含量，而不分析钛含量，因而工业纯钛并不按钛含量确定牌号。考虑为了获得良好的塑形和焊接性能，容器用钛选用杂质含量较低的工业纯钛和低合金钛牌号；容器用钛的压力加工材料一般采用退火态，铸钛可用铸态。容器用钛一定要采用钛容器规范中指定的牌号和状态。3.2 钛材性能3.2.1 力学性能工业纯钛的拉伸曲线没有明显的物理屈服现象，这是有它的蠕变特性所决定。钛的屈服强度非常接近与抗拉强度。屈服强度与抗拉强度的比值随着强度的增加而增加。抗拉强度在400MPa左右时，屈强比为0.75。因此，工业纯钛的屈强比要好于相同强度级别的碳钢。图3.1 TA2的弹性模量与温度关系工业纯钛的抗拉强度及其他力学性能随温度的变化比碳素钢和低合金钢大。温度升高后，其抗拉强度和屈服强度都急剧降低。在250300左右，抗拉强度和屈服强度均约为常温下的一半。3.2.2 物理与化学性能纯净的钛是银白色金属，具有银灰色光泽。钛是难熔金属。钛的密度为4.51g/cm3，属于轻金属。钛的熔点较高，导电性差，热导率和线膨胀系数均较低。钛无磁性，在很强的磁场下也不会磁化。室温下纯钛的晶体结构为密排六方结构。钛同时兼有钢的高强度和铝的轻质地的优点。高纯净钛具有良好的塑性，但杂质含量超过一定值时，钛就会变得硬而脆。3.2.3 耐腐蚀性能钛在淡水和海水中有极高的抗蚀性。钛与氧形成高化学稳定性的致密氧化物保护膜，因而在低温和高温气体中都具有极高的抗腐蚀性。在室温条件下，钛不与氯气、稀硫酸、稀盐酸、硝酸、和铬酸作用。在碱溶液和大多数的有机酸和化合物中抗蚀性也很高，但能被氢氟酸、磷酸侵蚀。钛是一种非常活泼金属，其平衡点位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大4。因为钛和氧的亲和力大，在空气中甚至在含氧介质中，钛的表面会生成一层致密的、附着力强的、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使受到机械磨损，也会很快恢复或再生，这表明钛是具有强烈钝化倾向的金属。只要保持介质温度在315以下，钛的氧化膜始终会保持这一特性。3.3 实验材料3.3.1 TA2的化学成分工业纯钛TA2的含铁量为0.095%、氧含量为0.08%、氢含量为0. 0009%、氮含量为0.0062%时，它具有很好的低温韧性和高的低温强度，可用作-253以下的低温结构材料，所以常温压力容器材料6。3.3.2 TA2的力学性能表3.1 TA2板材的横向室温力学性能（GB/T36211994）牌号状态板材厚度，mm抗拉强度 b，N/mm2规定残余伸长应力r0.2，N/mm2伸长率 5（%）TA2M（退火）5.110.0 0.31.0 1.12.0 2.15.044062032030 30 35 30由上表可以看出，退火后的TA2的横向室温力学性能优越。表3.2 TA2板材的弯曲性能(GB/T3621-1994)牌号状态板材厚度，mm弯曲角，（）TA2M2.15.0 0.32.0 2.15.0130 100 80表3.3 TA2退火状态室温力学性能(GB/T3623-1998)牌号室温抗拉强度b，MPa伸长率（%）TA2440153.3.3 TA2的焊接特点（1）接头区脆化钛中杂质元素对其性能的影响钛中所含杂质如氮、氧、碳、氢、等金属间隙式杂质元素，铁、硅、等金属置换式杂质元素。杂质元素能提高钛的强度和硬度，降低塑形。间隙式杂质元素对力学性能的影响要比置换式杂质元素的影响大得多。在低浓度范围内（0.20%），每万分之一的氮、氧、碳可提高钛的强度分别为20MPa、1012.5MPa和7MPa。在低浓度范围内（0.5%质量），每万分之一的铁或硅，提高钛的强度性能值分别为2MPa和2.6MPa。钛的硬度随杂质含量的增加而增大。这些杂质元素对钛的性能的影响由下图可以直观看到。图3.2 氧元素对钛的力学性能的影响由图可以看出氧元素的加入使钛的塑性降低，硬度增加，使材料易发生脆性断裂。随着含氧量的增加，钛有可能失去塑性。图3.3 氮元素对钛的力学性能的影响由上图可以看出，随着氮元素的增多，对钛的性能的破坏越来越严重。图3.4 碳元素对钛的力学性能的影响氮和氧的加入使钛的塑性降低。研究表明含氮量超过0.2%，将造成脆性断裂，当含氧量大于0.7%时，钛就完全失去塑性变形的能力。碳，氮和氧相比，碳对钛的硬化作用要小一些。间隙杂质元素对纯钛性能的最有害的影响是降低韧性，而且这种有害影响随温度下降而增大。杂质使钛的冲击韧性急剧降低。在氮、氧和碳的含量分别为0.13%、0.07%和0.16%时，钛材出现冷脆倾向。图3.5 温度对钛的冲击性能的影响由上图可以看出，钛的冲击性能随着温度的增加冲击功值越来越大，断裂韧性增强。氢也是间隙溶入钛晶格的元素之一。与氧、氮和钛作用的过程不同，它和钛的作用过程是可逆的。在同一温度下，氢既溶于钛晶格中，也同时由钛晶格中析出，直至氢在钛中达到某一平衡浓度值。温度越高，氢在钛中平衡时的浓度也越大。随着温度降低，氢在钛中的溶解度也随之降低。超过溶解度的氢也会呈氢化钛析出，如果钛中氧含量大，钛中存在许多氢化钛质点，会降低钛的冲击韧性。氢在钛中的溶解度受钛的纯度、合金成分、变形、应力等的因素影响很大，室温溶解度实际上在0.002%0.02%范围内变化。铁为相稳定元素，在钛中的含量一般在0.5%以下。铁在钛中的溶解度为0.05%0.10%，铁在钛中的溶解度可达25%，因而铁有时也可用作合金元素。铁在钛中溶解属置换元素，铁溶入钛中并不足以影响钛的晶格，随着铁含量的增加超过在钛中的溶解度时，从高温冷却会得到铁在钛中的过饱和固溶体，在以后的热过程中会析出TiFe化合物。这些均会提高强度，降低塑形。（2）焊接裂纹钛的熔点高，热容量大，导热性差，因此焊接时易形成较大的熔池，并且熔池的温度更高。这使得焊缝及热影响区金属在高温停留的时间比较长，晶粒长大倾向较大，降低了接头的塑性和断裂韧性，易产生焊接裂纹。工业纯钛焊缝及热影响区粗大的晶粒难以用热处理方法恢复，且焊缝金属呈铸钛，焊后强度下降较大，焊接时应该严格控制焊接热输入。熔融化焊时应采用能量集中的热源，减小热影响区；或采用较小的焊接电流和较快的焊接速度，避免产生焊接裂纹。（3）焊接中的气孔图3.6 氢在高温钛中的溶解度氢在高温时溶入熔池，冷却结晶时过饱和的氢来不及从熔池逸出时，在焊缝中集聚形成气孔。氢在高温钛中的溶解度曲线如图。氢在钛中的溶解度随着液体温度的升高反而降低，并在凝固温度时发生溶解度突变。焊接时熔池中部比熔池边缘的温度高，使熔池中部的氢除向气泡核扩散外，同时也向熔合线扩散，因此在熔池边缘氢容易过饱和而生成氢气孔。由图可以看出，随着温度的升高，氢在钛中的溶解度逐渐降低，致使钛中的含氢量逐渐降低。焊接接头中的气孔不仅造成应力集中，而且使气孔周围金属的塑性降低，从而使整个焊接接头的力学性能下降，甚至导致接头的断裂破坏。焊前仔细清除焊丝。母材表面上的氧化膜及油污等有机物质；严格限制原材料中氢、氧、氮等杂质气体的含量；焊前对焊丝进行真空去氢处理来改善焊丝的含氢量和表面状态。尽量缩短焊件清理后到焊接的时间间隔，一般不要超过2h，否则要妥善保存，以防吸潮；采用机械方法加工坡口端面，并除去剪切痕迹。正确选择焊接工艺参数，延长熔池停留时间，以便于气泡的逸出；总之氩气的流量，防止紊流现象。可以采用真空电子束焊或等离子弧焊；采用低露点氩气，其纯度99.99%；焊炬上通氩气的管道不宜采用橡皮管，以尼龙管为好。采用脉冲氩弧焊时，可明显减少气孔，通断比以1:1为好。采用AlCl3、MnCl2和CaF2等涂于焊接坡口上，并控制对接坡口间隙0.20.5mm。4 焊接工艺4.1 工艺准备4.1.1 焊材准备焊条、焊丝应存放在干燥处、通风良好、温度大于5且相对空气湿度小于60%的库房内。焊条在使用前应按说明书进行烘焙，重复烘干不得超过两次。使用时应装入保温温度为80120的专用保温桶内。焊丝使用前应将水分、铁锈、油污清理干净，并露出金属光泽。4.1.2 焊接设备及辅助装置图4.1 氩弧焊机与辅助装置上图为WZM1-315c管板自动氩弧焊焊机与龙门结构。WZM1-315c全自动管-板焊机采用龙门结构操作架以及特殊设计的机头传动结构和冷却系统，并配置自主开发的基于PLC的控制系统，具有结构紧凑、功能完善、工作可靠、焊接质量好等特点。该焊机在换热设备焊接中，尤其是在管子与管板的焊接中取得了良好的应用效果，与国内外同类焊机相比，更适应我国国情，使焊接接头的质量得到可靠保证。4.2 工艺实施4.2.1 坡口制备为减少焊缝的累积吸气量，在选择坡口形式及尺寸时，应尽量减少焊接层数和填充金属量，以防止接头塑性的降低。搭接接头由于其背面保护困难，接头受力条件差，尽可能不采用，一般也不采用永久性垫板对接。对于母材厚度小于2.5mm的形坡口对接接头，可以不添加填充焊丝进行对接。对于厚度更大的母材，则需要开坡口并添加填充金属。一般应尽量采用平焊。采用机械方法加工的坡口，由于接头内可能留在空气，因而对接头装配要求高。在钛板1的坡口加工是最好采用刨、铣等冷加工工艺，以减少热加工时出现的坡口边缘硬度增加的现象，减少机械加工时的难度。表4.1 钛及钛合金钨极手工氩弧焊的坡口形式及尺寸坡口形式板厚/mm坡口尺寸间隙/mm钝边/mm角度/（）形0.252.300.83.200.1V形1.66.400.10.10.2530303.0133090X形6.4383090U形6.4251530双U形19511530图4.2 坡口尺寸可得到坡口尺寸如图，采用V形坡口，板厚为10mm，间隙为1mm，钝边为1mm，坡口角度为60。4.2.2 焊接材料的选择（1）氩气 适用于钛及钛合金焊接用的氩气为一级氩气，其纯度为99.99%，露点在-40以下，杂质总含量0.02%，相对湿度5%，水分0.001mg/L。焊接过程中如果氩气的压力降至1MPa时应停止使用，以保证焊接接头的质量。（2）焊丝 填充焊丝的成分一般应与母材金属成分相同。常用的牌号有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6及TC3等。为提高焊缝金属的塑性，可选用强度与母材金属相近的焊丝进行等强匹配。焊丝以真空退火状态供货，表面不得有烧皮、裂纹、氧化色、非金属夹杂等缺陷存在。焊丝在焊前必须进行彻底清理，否则焊丝表面的油污等可能成为焊缝金属的污染源。4.2.3 钨极氩弧焊机图4.3 手工氩弧焊设备系统示意图钨极氩弧焊系统由1-焊接电源、2-控制箱、3-氩弧焊、4-减压阀、5-流量计、6-焊接电缆、7-控制线、8-氩气管、9-进水管、10-出水管、11-焊枪、12-工件（1）TIG焊的优点：氩气能够隔绝空气保护钨极、熔池和焊缝不受氧化。氩气不溶于金属，不与金属发生反应，有良好的保护作用。而且，氩弧在采用直流反接或交流电源时对工件及熔池表面的氧化膜有清理作用，这种清理作用又称为阴极破碎或阴极雾化作用。因此，钨极氩弧焊可以成功地焊接易氧化、氮化、化学活泼性强的有色金属及合金，也可以焊接不锈钢等要求成分稳定的材料。钨极氩弧稳定性好，当焊接电流小于10A时电弧仍能稳定燃烧，因此特别适合薄板焊接。由于热源和填充焊丝分别控制，热量调节方便，使输入焊缝的线能量更容易控制，因此，适于各种位置的焊接，也容易实现单面焊双面成形。由于填充焊丝不通过焊接电流，所以不会产生因熔低过渡造成的电弧电压和电流变化引起的飞溅现象，为获得光滑的焊缝表面提供了良好的条件。（2）TIG焊的缺点：熔深浅、熔敷速度小、生产率低。钨极有少量的熔化蒸发，钨微粒进入熔池会造成夹钨，影响焊缝质量，尤其是电流过大时，钨极烧损严重，夹钨现象明显。生产成本比手弧焊、埋弧焊、CO2焊均高。（3）TIG焊的应用范围：钨极氩弧焊应用很广泛，它可以用于几乎所有金属和合金的焊接，最常用于铝、镁、钛、铜等有色金属及其合金焊接，也广泛用于不锈钢、耐热钢、高温合金钢和钼、铌、锆等难熔金属。以焊接3mm以下薄板为主，对于大厚板的重要结构，如压力容器、管道等可用于根部打底焊缝的焊接。（4）TIG焊正确操作：焊直缝时通常采用左焊法，焊丝与工件之间夹角在1015之间，角度太大会影响电弧和气流的稳定性。焊丝向焊接区送进有断续和连续两种方法，操作时应防止焊丝端部触及钨极和移出保护区，以免造成钨极烧损、破坏电弧稳定性和焊丝氧化等缺陷。环缝自动焊时，焊枪应逆工件旋转方向偏离中心线一定距离，以便于送丝和保证焊缝的成形。（5）加强保护措施：焊接镁、钛等对氧化、氮化特别敏感的材料，或焊接不锈钢等散热条件差、焊缝高温停留时间长的材料时，焊缝往往被氧化或氮化，使焊缝性能下降。氮化程度不同，焊缝表面呈现不同的颜色。表4.2 焊缝表面色泽与保护效果的关系被焊材料最好良好较好不良最坏不锈钢银白、金黄蓝红灰灰黑钛合金亮银白橙黄蓝紫青灰白色氧化钛粉末铝及铝合金亮白银白白色无光灰白灰黑紫铜金黄黄灰黄灰黑低碳钢灰白有色泽灰灰黑图4.4 受污染的焊接接头宏观图从焊缝外观形貌上即可以看出，焊缝的颜色不均匀，颜色产生明显的变化，焊缝的尺寸，焊缝宽度，焊缝余高同样不均匀。在施焊过程中没有做到良好的保护，导致过多的气体杂质侵入焊缝。在焊枪后面加辅助拖罩，使温度在400以上的焊缝仍处在保护气体中。图4.5 TA2焊后试件宏观图焊后焊缝宏观外貌均匀，颜色均一，焊缝尺寸差异不大，焊接气体保护效果良好。有以上两图对比可以看出，焊接拖罩保护对焊缝性能有很大的影响，所以拖罩的使用是必不可少。对拖罩的结构尺寸也有一定的要求。图4.6 拖罩示意图对接平焊用拖罩示意图1-焊枪 2-进气管 3-气体分布管 4-拖罩外壳 5-钢丝网 6-喷嘴 7-气体透镜 8-进气管 9-气体分布管 10-拖罩外壳 11-铜丝网 12-帽沿使用拖罩能够很好的保证焊缝的质量，有效减少焊缝内部气体杂质的含量，保证焊缝的强度及耐腐蚀性能的要求。图4.7 管环缝对接用拖罩1-焊枪 2-环形拖罩 3-管子 4-背面保护装置挡板图4.8 加强焊缝背面保护装置在焊缝背面加保护装置1-铜垫板 2-压板 3-紫铜冷却板 4-工件 5-出水管 6-进气管 L-压板间距图4.9 角焊缝背面保护1-焊枪 2-背面垫板 3-工件 4-保护气 5-铜压板上图是平时焊缝背面保护垫板图，铜垫板通水冷却，加快了冷却速度，增强了焊缝保护，同时通氩气保护焊缝背面免受氧化。图4.7是角焊缝背面保护垫板图，背面垫板通入氩气保护焊缝背面免受氧化，焊缝正面加铜压块增强散热，加速冷却，改善保护效果。图4.5是环焊缝加强背面保护的方法。将管子用隔板4隔断，在焊缝区通入氩气加强焊缝背面保护。图4.10 保护气流量与风速的关系施焊时应注意防风措施：气保焊在施工时应注意环境风速对保护作用和电弧稳定的影响。风速超过规定值时，造成保护气流紊乱，降低保护效果。适当增强保护气体流量有克服风速影响的作用。由图可见，当风速增大时，必须将保护气体的流量加大，以提供和足够的气体保护效果。4.2.4 气体保护措施由于钛及钛合金对空气中的氧、氮、氢、等气体具有很强的亲和力，因此必须在焊接区采取良好的保护措施，以确保焊接熔池及温度超过350的热影响区的正反面与空气隔绝。表4.3 钨极氩弧焊焊接钛及钛合金的保护措施类别保护位置保护措施用途及特点局部保护熔池及其周围温度400的焊缝及热影响区采用保护效果好的圆柱形或椭圆形的喷嘴，相应增加氩气流量1.附加保护罩或双层喷嘴2.焊缝两侧吹气3.适应焊接形状的各种限制氩气流的挡板适用于焊件形状规则、结构简单，操作方便，灵活性大温度400的焊缝背面及热影响区1.通氩气垫板2.局部通氩气3.紧靠金属板充氩气保护箱整个工件1.柔性箱体（尼龙薄膜、橡胶等），采用不抽真空多次冲氩的方法提高箱体内氩气的纯度。但焊接时仍需喷嘴保护2.刚性箱体或柔性箱体附加刚性罩，采用抽真空（10-210-4）再充氩的方法适用于形状结构复杂的焊件，焊接可达性差增强保护焊缝及热影响区1.冷却块（通水或不通水）2.用适合的焊件形状的工件导热3.减少热输入配合其他保护措施以增强保护效果焊缝的保护效果除了与氩气纯度、流量、喷嘴与焊件间距离、接头形式等因素有关外，还与焊炬、喷嘴的结构形式和尺寸有关。钛的热导率小、焊接熔池尺寸大，因此，喷嘴的孔径也应相应增大，以扩大保护区的面积。为了改善焊缝金属的组织，提高焊缝、热影响区的性能，可采用增强焊缝冷却速度的方法，即在焊缝两侧或焊缝反面设置空冷或水冷铜压块。对已脱离喷嘴保护区，但仍在350以上的焊缝热影响区表面，仍需继续保护。通常采用通有氩气流的拖罩。拖罩的长度为100180mm，宽3040mm，具体长度可根据焊件形状、板厚、焊接工艺参数等条件确定，但要使温度处于350以上的焊缝及热影响区金属得到充分的保护。拖罩外壳的四角应圆滑过渡，要尽量减少死角，同时拖罩应与焊件表面保持一定距离。4.2.5 焊接工艺参数焊接电流值类型及数值焊接电流类型有直流、交流两种。直流又有正接和反接两种不同的使用方法。电流种类和接法的选择主要取决于被焊材料的种类和对焊缝的要求。表4.4 不同直径和形状钨极电流使用范围钨极直径mm尖端直径mm 尖端角度直流正接使用电流/A恒定直流脉冲电流1.00.125122152250.25205305601.60.52085081000.8301070101402.40.8351290121801.14515150152503.21.16020200203001.5902525025350（1）钨极的选择钨极是TIG焊的重要部件，国产钨极型号有纯钨极W、钍钨极WTh-xx、铈钨极Wce-xx三大类，型号中W表示钨极，化学符号表示所加的微量元素，后面的数字表示含这种微量元素氧化物的千分之几以上。含微量元素的钨极逸出功小，发射电子能力强。正因为逸出功不同，所以用不同电极焊接同一种材料时，建立稳定焊接过程所需的焊机空载电压是不同的。（2）气体流量和喷嘴直径的选择未获得最佳保护效果，喷嘴内径和气体流量有一个最佳配合范围。对于手工氩弧焊一般喷嘴内径在520mm之间，气体流量在525L/min之间。流量太小，气流挺度差、排开空气的能力差，影响保护效果。流量太大，则造成紊流、卷入空气，使保护效果显著下降。喷嘴直径过大，不但影响焊缝而且使气流流速过低，造成挺度不足，保护效果下降。（3）焊接速度焊接速度主要取决于工件厚度、焊接电流和预热温度、配合适当的焊接速度可以获得要求的焊缝深度和宽度。在采用高速自动焊时，由于焊速过大会使熔池前沿保护气体不足，甚致使电弧、熔池前沿完全暴露在空气中，为克服焊速过大造成的影响，可以采用加大气体流量和将焊炬向前倾斜一定角度的办法。（4）喷嘴与工件的距离一般在814mm之间，小于此范围易使钨极与熔池接触，烧损钨极造成焊缝夹钨缺陷，并且影响对熔池的观察。大于此范围将严重影响气体保护效果。（5）焊接电流、喷嘴直径和气体流量之间的关系表4.5 焊接电流、喷嘴直径和气体流量之间的关系焊接电流直流焊接交流焊接喷嘴直径mm气体流量L/min喷嘴直径mm气体流量L/min1010049.54589.56810115049.5479.51171015120061368111371020130081389131681530150013169121619815钛及钛合金焊接有晶粒长大倾向，尤以钛合金最为显著，而晶粒长大难以用热处理方法加以调整。所以钛及钛合金焊接工艺参数的选择，既要防止焊缝在电弧作用下出现晶粒粗化的倾向，又要避免焊后冷却过程中形成脆硬组织。焊接应采用较小的焊接线能量，使温度刚好高于形成焊缝所需要的最低温度。如果线能量过大，则焊缝容易被污染而形成缺陷。钨极氩弧焊一般采用具有恒流特性的直流弧焊电源，并采用直流正接，以获得较大的熔深和较窄的熔宽。在多层焊时，第一层一般不加焊丝，从第二层再加焊丝。已加热的焊丝应处于气体的保护之下。多层焊时，应保持层间温度尽可能低，等到前一层冷却到室温后再焊下一道焊缝，以防止过热。4.2.6 焊接工艺坡口尺寸，板厚为10mm，间隙为1mm，钝边为1mm，坡口角度为60。采用直流正接，焊接电流为90A-115A，焊接电压为10V-13V，焊接速度为70mm/min，喷嘴直径为8mm，正面氩气保护气体流量为15L/mi