一种以二氧化碳作为环境气氛的钛合金焊接系统和焊接方法

摘要

本发明属于焊接技术领域，公开了一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统和焊接方法，该焊接系统包括具有顶部窗口的环境室，环境室密封连接CO2进气管道，带孔隔板将环境室内部空间分为上半部分和下半部分，下半部分铺洒有干冰层，上半部分设置有焊接工作台；焊接方法为焊接前利用CO2进气管道通入CO2置换环境室内部空气，焊接过程干冰层持续向环境室内部提供CO2。本发明充分利用CO2气体密度大、比热容大以及比空气氧化性弱等特点，实现在充满CO2气体的半开放环境中进行钛合金高效熔化极电弧焊；能够简化设备并降低保护成本，提高焊接过程的安全性；并且提高焊接保护形式的空间灵活性，实现复杂结构件的空间焊缝保护。

权利要求

1.一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统，其特征在于，包括：环境室，所述环境室具有顶部敞口；

防对流盖板，所述防对流盖板闭合状态下对所述环境室的顶部敞口部分遮挡，未遮挡部分形成所述环境室的顶部窗口；

CO2进气管道，所述CO2进气管道与所述环境室密封连接并且与所述环境室内部相连通，用于向所述环境室内部通入CO2气体；

带孔隔板，所述带孔隔板均匀分布有通孔，并且设置在所述环境室底部，将所述环境室内部空间分为上半部分和下半部分，所述通孔将所述环境室的上半部分和下半部分相连通；

干冰层，所述干冰层铺洒在所述环境室的下半部分，用于持续升华提供CO2至所述环境室的上半部分；

焊接工作台，所述焊接工作台设置在所述环境室的上半部分。

2.根据权利要求1所述的一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统，其特征在于，所述环境室设置有CO2浓度检测仪。

3.根据权利要求1所述的一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统，其特征在于，所述CO2进气管道的出口端开口方向朝下且位于所述带孔隔板上方0.5m处。

4.根据权利要求1所述的一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统，其特征在于，所述带孔隔板与所述环境室的底板之间设置有若干支撑钢筋。

5.根据权利要求1所述的一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统，其特征在于，所述焊接工作台上安装有变位机。

6.根据权利要求1所述的一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统，其特征在于，所述环境室外部配置有搬运吊车。

7.一种基于如权利要求1‑6中任一项所述钛合金焊接系统的钛合金焊接方法，其特征在于，该方法按照如下步骤进行：(1)打开所述防对流盖板，将焊接工件及焊接设备吊入所述环境室内；

(2)关闭所述防对流盖板，利用所述CO2进气管道通入CO2置换所述环境室内部空气，直至所述环境室内部CO2气体的体积浓度大于90％；

(3)焊接操作人员由所述环境室的顶部窗口进入所述环境室内进行焊接作业；焊接过程中，所述干冰层持续向所述环境室内部提供CO2；若监测到所述环境室内部CO2气体浓度低于设定值，则增大所述CO2进气管道的流量，直至所述环境室内部CO2气体的体积浓度大于

90％。

8.根据权利要求1所述的一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中所述环境室内部CO2气体的体积浓度大于90％后，将所述CO2进气管道的流量调整为10‑15L/min。

9.根据权利要求7或8所述的一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统，其特征在于，置换所述环境室内部空气过程中所述CO2进气管道的流量为50‑80L/min。

10.根据权利要求7或8所述的一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统，其特征在于，若监测到所述环境室内部CO2气体浓度低于设定值，则增大所述CO2进气管道的流量至30‑

40L/min。

说明书

一种以二氧化碳作为环境气氛的钛合金焊接系统和焊接方法

技术领域

[0001] 本发明属于焊接技术领域，具体的说，是涉及一种适用于钛合金的焊接系统和焊接方法。

背景技术

[0002] 钛及钛合金高温活性较强，250℃开始吸氢，400℃开始吸氧，600℃开始吸氮。在焊接过程中保护措施不当时，焊缝会吸收这些有害气体造成接头性能恶化。其中氧气的影响最为严重，会造成高温焊缝金属的严重氧化，故必须对400℃以上的焊接区域采取适当的保护措施，避免其接触空气。

[0003] 目前工程上普遍采用的技术是使高温焊缝处于惰性气体氛围中，这种保护方式分为整体保护方式和局部保护方式两种。

[0004] 整体保护方式为焊接过程中整个焊件都处于一个完全密封的整体充满氩气的环境箱 (针对小尺寸工件，人在外部操作)或环境室(针对大型工件，人和设备都在其内部)中进行整体保护。整体保护方式为了使得整个环境室保持较高浓度的氩气，通常需要复杂的排气和充气系统，需要持续通入氩气来保持环境中的氩气浓度，气体消耗量大，成本较高。并且，由于焊接操作人员也要进入全封闭的惰性气体环境室，因此一旦发生安全事故，需要打开舱门这一步骤，焊接操作人员才能被援救出来，消耗时间较长，对焊接操作人员生命威胁较大。

[0005] 局部保护方式为采用传统焊接尾罩通惰性保护气的方式，使高温焊缝及其附近母材持续处于惰性气体氛围中而受到保护。这种尾罩只对长直焊缝和环形焊缝等几种较规则的焊缝具有较好的保护效果；针对不同结构形式和尺寸构件的焊缝，都需要针对性的设计制造尾罩。而且尾罩的保护效果还受装配的贴合效果和操作技巧的影响，难以保证焊缝质量稳定性。更重要的是对于复杂的全钛合金结构件上大量存在的空间焊缝，尾罩保护方式将不再适用。

发明内容

[0006] 本发明着力于解决钛合金焊接过程中由于焊缝金属冷却速度慢，高温停留时间长，焊缝金属会被空气中氧气严重氧化进而影响焊缝质量的技术问题，提供了一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统和焊接方法，充分利用了CO2气体具有密度大、比热容大以及比空气氧化性弱等特点，实现在一个充满CO2气体的半开放环境中进行钛合金的高效熔化极电弧焊；相对于整体保护方式，能够简化设备并降低保护成本，提高焊接过程的安全性；相对于局部保护方式，能够提高其保护形式的空间灵活性，实现复杂结构件的空间焊缝保护。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

[0008] 根据本发明的一个方面，提供了一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统，包括：

[0009] 环境室，所述环境室具有顶部敞口；

[0010] 防对流盖板，所述防对流盖板闭合状态下对所述环境室的顶部敞口部分遮挡，未遮挡部分形成所述环境室的顶部窗口；

[0011] CO2进气管道，所述CO2进气管道与所述环境室密封连接并且与所述环境室内部相连通，用于向所述环境室内部通入CO2气体；

[0012] 带孔隔板，所述带孔隔板均匀分布有通孔，并且设置在所述环境室底部，将所述环境室内部空间分为上半部分和下半部分，所述通孔将所述环境室的上半部分和下半部分相连通；

[0013] 干冰层，所述干冰层铺洒在所述环境室的下半部分，用于持续升华提供CO2至所述环境室的上半部分；

[0014] 焊接工作台，所述焊接工作台设置在所述环境室的上半部分。

[0015] 进一步地，所述环境室设置有CO2浓度检测仪。

[0016] 更进一步地，所述CO2进气管道的出口端开口方向朝下且位于所述带孔隔板上方0.5m 处。

[0017] 进一步地，所述带孔隔板与所述环境室的底板之间设置有若干支撑钢筋。

[0018] 进一步地，所述焊接工作台上安装有变位机。

[0019] 进一步地，所述环境室外部配置有搬运吊车。

[0020] 根据本发明的另一个方面，提供了一种基于上述钛合金焊接系统的钛合金焊接方法，该方法按照如下步骤进行：

[0021] (1)打开所述防对流盖板，将焊接工件及焊接设备吊入所述环境室内；

[0022] (2)关闭所述防对流盖板，利用所述CO2进气管道通入CO2置换所述环境室内部空气，直至所述环境室内部CO2气体的体积浓度大于90％；

[0023] (3)焊接操作人员由所述环境室的顶部窗口进入所述环境室内进行焊接作业；焊接过程中，所述干冰层持续向所述环境室内部提供CO2；若监测到所述环境室内部CO2气体浓度低于设定值，则增大所述CO2进气管道的流量，直至所述环境室内部CO2气体的体积浓度大于90％。

[0024] 进一步地，步骤(1)和步骤(2)中所述环境室内部CO2气体的体积浓度大于90％后，将所述CO2进气管道的流量调整为10‑15L/min。

[0025] 更进一步地，置换所述环境室内部空气过程中所述CO2进气管道的流量为50‑80 L/min。

[0026] 更进一步地，若监测到所述环境室内部CO2气体浓度低于设定值，则增大所述CO2进气管道的流量至30‑40L/min。

[0027] 本发明的有益效果是：

[0028] 本发明的以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统和焊接方法，将CO2气体作为钛合金高温焊缝的保护气体，相比于惰性气体Ar，CO2气体具有密度大、比热容大、成本低的特点；具体包括以下优点：

[0029] 第一，简化焊接保护设备：通过向环境室底部通入多路CO2气体，密度大的特点可使得CO2缓慢下沉并排尽环境室中空气，在顶部防对流盖板的半开放条件下逐渐充满整个环境室，无需传统真空充氩的整体保护方式所需的复杂封闭压力系统。

[0030] 第二，加速高温焊缝冷却过程：CO2所具有的大比热容的特点可以加速高温焊缝的冷却，相比传统惰性气体Ar，CO2气体可以对高温焊缝起到更好的冷却效果。

[0031] 第三，降低保护气体成本：焊接相同长度的焊缝，本发明的气体成本低于传统的整体充氩保护方式。

[0032] 第四，提高焊接过程的安全系数：发生安全事故时焊接人员可以快速转移至安全区域，保障焊接人员的安全。

附图说明

[0033] 图1为本发明提供的以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统的结构示意图；

[0034] 图2为CO2和空气氛围中不同温度节点下的钛合金氧化试样表面SEM形貌；其中， (a)900℃‑CO2，(b)900℃‑空气，(c)1100℃‑CO2，(d)1100℃‑空气；

[0035] 图3为900℃时CO2和空气两种氛围中钛合金氧化试样表面XRD图谱；

[0036] 图4为高温焊缝脱离焊枪氩气保护范围后的各道次的最高温度。

[0037] 上述图中：1‑环境室；2‑CO2进气管道；3‑焊接工作台；4‑带孔隔板；5‑支撑钢筋；6‑ 干冰层；7‑带呼吸系统的防护服；8‑搬运吊车；9‑防对流盖板；10‑CO2浓度检测仪。

具体实施方式

[0038] 本发明的焊枪保护气仍采用氩气作为熔池保护气体，熔池凝固后的高温焊缝采用CO2来进行保护。在焊接过程中可能接触的气体里，空气的密度为1.30g/L，CO2的密度为 1.97g/L，O2的密度为1.46g/L，Ar的密度为1.78g/L；可以看出，CO2的密度约为空气的 1.52倍。本发明根据CO2的这一性质，设计顶部开口的半开放结构环境室1，然后向环境室1底部持续通入CO2，利用CO2与空气的密度关系即可实现CO2充满整个环境室1，从而在保持环境室
1内部CO2浓度的同时省去复杂的充气排气系统，方便大尺寸零件的焊接。并且环境室1的半开放结构下，操作人员可以免去进入和离开工作环境时复杂的送气、排气、穿戴保护设施等过程；一旦发生事故，也可迅速脱离环境，大大提高了焊接过程的安全系数。

[0039] 如图1所示，本实施例提供了一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统，包括顶部敞口的环境室1，环境室1的整体尺寸设计为4m*4m*3m(高为3m)。环境室1顶部通过铰链连接有防对流盖板9，防对流盖板9能够通过铰链实现打开状态和关闭状态。防对流盖板9关闭状态下对环境室1的顶部敞口部分遮挡，未遮挡部分形成环境室1的顶部窗口，使环境室1成为半开放结构。除顶部窗口外，环境室1和防对流盖板9的整体结构应当具有气密性。

[0040] 环境室1密封连接有CO2进气管道2，CO2进气管道2的入口端在环境室1外部连接 CO2气体工作站，CO2进气管道2的出口端与环境室1内部相连通，并且其出口端位于带孔隔板4以上0.5m左右高度处，开口方向以朝下为佳。CO2进气管道2用于在初始充气阶段向环境室
1持续通入较大流量的CO2气体，以满足环境室1较大的容量需求。

[0041] 环境室1内部靠近底板设置有钢制的带孔隔板4，即带孔隔板4与防对流盖板9距离大于带孔隔板4与环境室1底板距离，带孔隔板4均匀分布有通孔。带孔隔板4与环境室 1底板之间设置有若干支撑钢筋5，支撑钢筋5能够为带孔隔板4提供一定的刚度，提高结构的安全性。

[0042] 带孔隔板4将环境室1内部空间分为上下两部分，带孔隔板4均匀分布的通孔能够将环境室1的下半部分和上半部分。

[0043] 下半部分的较小空间用于铺洒干冰层6，干冰层6持续升华提供CO2，可以维持环境室1较高的CO2浓度。一方面，干冰层6升华过程产生的CO2较为均匀，且不会对环境氛围产生较大的扰动；另一方面，干冰层6升华过程可以吸收环境热量，增加焊缝冷却速度。

[0044] 上半部分的较大空间为焊接作业空间，主要容纳焊接工作台3和焊接操作人员，焊接工作台3可以放置在带孔隔板4上，焊接操作人员通常穿着带呼吸系统的防护服7，带呼吸系统的防护服7为焊接操作人员提供生命支持。

[0045] 环境室1外部配置有搬运吊车8，搬运吊车8用于搬运焊接操作人员和设备以辅助焊接作业。

[0046] 施焊中CO2保护环境的浓度直接影响保护的效果。如果在焊接过程中，环境室1内的 CO2环境遭到破坏，而焊接操作人员在不知情的情况下继续焊接，意味着保护的失败，将直接导致焊接产品的报废。因而焊接中任何时刻CO2浓度的维持是焊接保护的关键因素，必须保证在焊接的全过程中，在不同的使用环境和各种操作的扰动下，焊接室内的CO2不被空气污染。因此，在保护箱内建立CO2浓度检测系统是保障焊接保护效果的重要措施，将环境室1建在室内无风的环境中和防对流盖板9的设计是维持CO2气体纯度比较经济有效的方法，并且应当采用CO2浓度检测仪10实时监测其浓度。CO2浓度检测仪10采用工业级分体式CO2浓度实时检测仪，其中主机安装位于环境室1外部以供实时观察，探头安装在环境室1内壁距离顶部0.5m左右高度处。由于CO2和空气的密度关系，使得CO2可以优先充满环境室1下部空间，因此仅在所述高度处安装一个探头即可对环境室CO2整体浓度进行实时监测。在整个焊接过程中应当使CO2体积浓度维持在90％以上，才能对高温焊缝实现良好的保护效果。

[0047] 本发明的钛合金焊接系统相较于传统的整体保护方式，得到极大的简化，所耗气体CO2成本低，可提高焊接过程的安全系数；相比传统拖罩的局部保护方式，则解决了钛合金复杂空间结构焊缝的焊接保护问题。

[0048] 基于上述钛合金焊接系统，本发明还提供了一种基于上述以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统的钛合金焊接方法，包括如下步骤：

[0049] (1)焊前准备

[0050] 进行钛合金焊接时，根据焊接工件大小和形式在焊接工作台3上安装合适的变位机。通过铰链打开防对流盖板9，并用搬运吊车8将焊接工件及焊接设备等材料吊入环境室1 内。

[0051] (2)充入CO2

[0052] 关闭防对流盖板9，利用CO2进气管道2以大流量通入CO2来快速置换环境室1内部空气，流量范围为50‑80L/min，待环境室1内部CO2气体的体积浓度大于90％后，可减小CO2进气流量为10‑15L/min。

[0053] (3)CO2环境的维持

[0054] 焊接过程中干冰层6向环境室1内部持续提供CO2。干冰层6的升华能保证环境室1 内较高的CO2浓度，技术人员在环境室1外监测CO2浓度检测仪10示数，当CO2体积浓度值小于等于90％时，表明干冰层6升华作用不足，应当适当增大CO2进气管道2流量至 30‑40L/min，直至CO2体积浓度值大于90％，可以再减小CO2进气管道2流量为 10‑15L/min。

[0055] (4)焊接作业

[0056] 焊接操作人员穿戴好带有带呼吸系统的防护服7后，通过顶部窗口进入环境室1内进行正常的焊接作业。

[0057] 在焊接过程中，焊枪喷嘴处持续喷出层流氩气，因此焊接熔池直接处于氩气气氛保护下。除焊枪保护气形成的局部氩气保护气氛外，周围的环境气氛为高浓度的CO2，焊后凝固的高温焊缝处于CO2气氛的保护下，实现对钛合金焊接过程的有效保护。焊接过程如果出现生命维持系统被破坏等安全事故，焊接操作人员可通过顶部窗口及时脱离危险。

[0058] 在焊接操作中为了可以随时调整工件的空间位置，降低焊接人员的劳动强度，方便焊接操作，设置了变位机，变位机的工作台可以回转、倾翻和升降。

[0059] 可见，通过本发明提供的一种以CO2作为环境气氛的钛合金焊接系统和焊接方法，采用CO2气体代替Ar作为高温焊缝金属自然冷却时的保护气体，利用CO2密度大的特点，设计具有顶部窗口的半开放环境室1，简化了整体保护设备并降低了成本，且保证了人员和工件进出的便利性。

[0060] 本发明的理论依据为：通过申请人设计的焊接氧化试验平台对钛合金氧化问题进行试验研究后发现，随温度上升，钛合金在CO2和空气氛围中冷却后氧化程度均加剧。但与空气氛围相比，钛合金在CO2气体氛围中具有较小的氧化倾向，钛合金与CO2的临界反应温度近似为900℃。因此采用CO2作为钛合金高温焊缝的保护气体具有一定的可行性。而钛合金脉冲熔化极多层多道焊接接头各道次进行的焊接热循环测定结果表明，脱离了焊枪氩气保护下的高温焊缝的最高温度均低于900℃。

[0061] (1)模拟焊接的非等温氧化试验

[0062] 为了探究CO2作为钛合金高温焊缝保护气体的可行性，申请人自行设计了钛合金在 CO2氛围下的非等温氧化试验，并与空气氛围进行了对比。该试验实现以下条件：①钛合金试样经历类似于实际焊接过程中的焊接热循环，即焊接热过程的瞬时性，加热速度快，高温停留时间短以及冷却速度快的特点：②熔池凝固阶段和初始冷却阶段处于惰性气氛氩气保护下，冷却至一定温度时能迅速转移至CO2氛围中。

[0063] 为此搭建了钛合金的非等温氧化试验平台，主要由非熔化极惰性气体保护(Tungsten Inert Gas,TIG)焊枪，气氛箱体，红外高温计组成。试样尺寸为20*20*9mm，用400目砂纸将表面磨至光亮，采用电流为120A的TIG电弧在试样中心位置进行10s的定点自熔焊接，同时采用红外高温计实时观测试样中心温度，待熔池凝固冷却至一定温度节点后，抽出支撑试样的钢板，使得试样迅速转移至气氛箱中，并在气氛箱中自然冷却至室温。在研究钛合金与CO2的非等温氧化行为时，外部CO2气瓶通过箱体底部接口向氛围箱中持续通入CO2气体，并通过CO2浓度检测仪实时监测其浓度，保证CO2浓度高于90％；在进行空气氛围下的对比试验时，氛围箱中无需通入气体。

[0064] 图2为CO2和空气两种氛围下不同温度节点的钛合金氧化试样的表面氧化物SEM形貌图片，可以发现随着温度节点从900℃提高到1100℃，钛合金试样在CO2和空气两种氛围下的氧化试样的表面氧化物颗粒尺寸均上升，即氧化程度加剧。但无论是整体氧化程度还是随温度上升氧化程度加剧的显著程度，均是空气氛围下的钛合金氧化试样更加明显。注意到温度节点为900℃时，CO2氛围下的钛合金氧化试样表面氧化物颗粒尺寸极小，几乎无明显氧化情况；而900℃时空气氛围下的氧化试样表面出现了平均尺寸为0.12μm的交叉杆状氧化物，其氧化程度显著。可以认为900℃为钛合金与CO2的临界反应温度节点，而此温度下钛合金已经与空气发生了较为严重的氧化反应。因此相比空气，钛合金与CO2具有更小的氧化倾向，CO2可以作为900℃以下的高温焊缝的保护气体。

[0065] 对CO2和空气两种氛围下不同温度节点的氧化试样表面进行X射线衍射(X‑Ray Diffraction,XRD)测试分析，结果如图3所示。可以发现900℃时，在空气氛围下的钛合金氧化试样的XRD衍射图谱中的TiO2衍射峰强度高于Ti的衍射峰强度，因此该温度节点下发生了较为严重的表面氧化，主要氧化产物为TiO2；而900℃时，在CO2氛围下的钛合金氧化试样的XRD衍射图谱中主要表现为Ti单质的衍射峰位，可以认为未发生表面氧化，即900℃时钛合金未与CO2发生氧化反应。

[0066] (2)多层多道焊接接头焊接热循环曲线测定

[0067] 为了确定不在焊枪保护气保护下的高温焊缝的最高温度，对钛合金脉冲熔化极多层多道焊接接头各道次进行了焊接热循环测定。测定过程为：采用脉冲熔化极焊接方法对15mm 厚度规格的钛合金厚板进行多层多道焊接，各道次的实际焊接电流均为120A左右，采用红外高温计测定焊道上某点的焊接热循环曲线。熔池凝固后离开焊枪氩气保护范围所需时长为2s，因此通过读取每条焊接热循环温度曲线峰值温度延后2s后的温度值，作为脱离焊枪保护气保护下的高温焊缝的最高温度，如图4所示。可以发现其温度值均小于900℃，即高温焊缝脱离焊枪氩气保护范围时，最高温度均低于900℃，可以被CO2气体有效保护。

[0068] 综合上述试验结果表明，与空气氛围相比，钛合金在CO2氛围中的氧化倾向显著降低，并且试样表面氧化物SEM形貌分析和表面XRD分析结果均表明，钛合金与CO2的临界反应温度近似为900℃。而钛合金脉冲熔化极多层多道焊接接头各道次进行的焊接热循环测定结果表明，脱离了焊枪氩气保护下的高温焊缝的最高温度均低于900℃。因此认为CO2可以作为该环境室1气氛条件下的钛合金高温焊缝的保护气体。

[0069] 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。