真空等離子焊機在鈦行業中的應用

趙小強

(西科沃克瑞泰克熱處理設備制造(天津)有限公司,天津 300385)

真空等離子焊機在鈦行業中的應用

趙小強

(西科沃克瑞泰克熱處理設備制造(天津)有限公司,天津 300385)

由于鈦的特有金屬特性,使得純鈦和鈦合金在軍工和民用行業中的應用越來越廣泛,這也使得真空等離子焊機成為純鈦和鈦合金生產過程中的一個重要環節,文章主要介紹真空等離子焊機的組成、工作原理和實際應用過程中的優越性。

目前純鈦和鈦合金在真空自耗爐熔煉提純之前需要由海綿鈦經過混料機攪拌后，經過油壓機將海綿鈦擠壓成若干海綿鈦塊并堆疊在一起成為一個海綿鈦電極，然后進入到下一個工序，真空等離子焊機。由于鈦是活性金屬，在200攝氏度以上即發生氧化反應，使得純鈦或鈦合金受到污染，等離子焊機的作用就是把這些若干段海綿鈦塊在真空環境下焊接成一根長的電極整體，在進行下一道工序(真空自耗爐)進行熔煉，從而節省時間，提高效率。

1 真空等離子焊機組成

真空等離子焊機主要包括：焊接室、真空系統、水系統、等離子焊槍、電源系統、動力系統、控制系統等幾部分組成，見圖1。

1.1 焊接室

焊接室是等離子焊機進行焊接的一個密閉容器，焊接室由不銹鋼板和碳鋼板焊接組成，兩層板中間的水套用來冷卻焊接室。離子焊槍通過法蘭安裝在焊接室上部，通常焊接室在焊槍安裝位置的縱向方向安裝有用于觀察焊接情況的觀察口。焊接室有前后兩個門，不同等離子焊機的生產廠家對兩個門的使用情況不同，有的將進料方向的門作為活動門，用于運送海綿鈦電極，另一端用螺栓固定密封好，通常這種密封門上會安裝用于驅動海綿鈦電極的驅動部件。有的廠家把前后兩個門都作為活動門，這種設計方法，海綿鈦電極的驅動部件安裝在焊接室內部，便于將來對焊接室內部的維護。

1.2 真空系統

真空系統是等離子焊機的一個重要組成部分，真空系統通常由機械泵和羅茨泵組成，根據不同的要求，有不同的組合方式。機械泵是用來對焊接室進行粗抽真空，當焊接室內的真空度達到羅茨泵的啟動壓力時，再啟動羅茨泵。通過真空系統對焊接室進行抽空，一方面將焊接室內的空氣抽走，另一方面將焊接室內部和海綿鈦電極上的水汽抽走，防止焊接過程中發生氧化。為了提高生產效率，降低抽真空的時間，盡量保證焊接室內部和真空管道干燥、清潔。如果焊接室內存在水汽，管道內有銹，對于真空泵抽氣能力會產生很大的影響。為了保證焊接室內干燥，如果等離子焊機停機，盡量對焊接室進行抽空，使焊接室和管道保持在一個真空的狀態[1]。

1.3 水系統

水系統用來冷卻等離子焊機工作時各個發熱部件，通常水系統包括普通水水系統和去離子水水系統。普通水水系統用來冷卻焊接室、真空泵系統、液壓系統等。去離子水用來冷卻等離子焊槍。水系統作為等離子焊機的一個系統安全保障的部分，在等離子焊機工作時會設定很多互鎖關系，保證系統在工作時不會因為某個部件溫度過高導致事故發生。

1.4 等離子焊槍

等離子焊槍作為真空等離子焊機的一個關鍵部件，也是等離子焊機廠家的一個核心技術。通常等離子焊槍由電極、水套、噴嘴、氣環等零部件組成。等離子槍的工作原理是通過等離子焊槍啟動時的高電壓將氣體進行電離，前提是在焊接室處于真空狀態下進行，因為在真空下氣體容易被電離成正離子、負離子及電子等離子，在熱場及電場的作用下，這些粒子會有序的流動形成電流，并會不斷地轟擊負極，使負極產生高溫[2]。海綿鈦電極為負極，帶電粒子轟擊產生的高溫將海綿鈦融化，從而焊接在一起。

1.5 電源

電源作為等離子焊槍進行焊接的能量來源。電源的大小也決定了等離子焊機的焊接速度。

1.6 動力系統

不同廠家生產的等離子焊機采用不同的動力系統，所謂動力系統是指用來驅動焊接小車在焊接室內的前后移動、驅動海綿鈦電極在焊接小車上轉動、等離子焊槍的上下移動。有的廠家采用液壓系統作為動力源來驅動液壓缸、液壓馬達來實現直線運動和轉動，有的廠家采用電機和相關的機構來實現等離子焊機工作時需要的直線運動和轉動。

1.7 控制系統

控制系統作為等離子焊機實現人機交互的介質。通過控制系統來設置不同海綿鈦電極的焊接工藝參數，焊接模式等。

2 真空等離子焊機的工作原理

根據不同的焊接要求，真空等離子焊機能夠實現縱焊和環焊兩種方式。通常情況下縱焊是必不可少的，所謂縱焊就是等離子焊槍啟功后，海綿鈦電極在焊接小車的驅動下，從焊接的起始位置開始根據設定的速度向前移，使海綿鈦電極的表面形成一條縱向的焊縫。環焊是等離子槍啟動后，海綿鈦電極在電機或液壓馬達的驅動下轉動，是海綿鈦電極表面形成環向的焊縫，見圖2。

通常真空等離子焊機的工作步驟為：將海綿鈦電極通過焊接小車運送到焊接室內，關閉焊接室門，開啟水系統，對真空室進行抽空，將焊接室抽到20pa左右，向焊接室內回填惰性氣體-氬氣，焊接室內的壓力達到一個設定值，且焊接室內的壓力保持在低于大氣壓的一個負壓狀態。設定焊接模式，啟動等離子焊槍，進行自動焊接。焊接結束后，海綿鈦電極要在焊接室內冷卻1到2個小時，防止焊完后的電極過早移到焊接室外和空氣接觸導致焊口發生氧化，冷卻時間根據電極的大小而定。打開焊接室門前，需要通過真空泵將焊接室內的氬氣排到室外，防止對室內的人員造成傷害。

3 真空等離子焊機的優越性

以前焊接海綿鈦電極采用手持式等離子焊槍或氬弧焊機通過氬氣保護對海綿鈦壓塊的接口處進行焊接，焊接前還需要對接口處進行開破口處理，這種老式的焊接方法由于將海綿鈦電極暴露在大氣中進行焊接，很容易在焊接過程中使海綿鈦電極發生氧化，而且焊接的效率非常的低。采用真空等離子焊機焊接，能夠大大提高生產效率，而且焊接質量能夠得到保證。

[1]達到安.《真空設計手冊》[M].3版.北京：國防工業出版社,2004.

[2]李少華.《真空等離子焊箱的研制》[J].有色設備,2012(2)：10-13.

Because of the special metallic character, the pure titanium and titanium alloy is used widely in the military and civil industry. And it makes the vacuum plasma welder to be an important segment in the productive process of pure titanium and titanium alloy, this article will introduce vacuum plasma welder’s composition, working principle and superiority during the actual application.

Titanium composition Principle

【摘 要】鈦 組成 原理

趙小強(1983—),男,天津市人,工程師,碩士研究生,主要從事冶金設備的項目管理工作,現任項目工程師。