真空等离子焊机在钛行业中的应用

赵小强

(西科沃克瑞泰克热处理设备制造(天津)有限公司,天津 300385)

真空等离子焊机在钛行业中的应用

赵小强

(西科沃克瑞泰克热处理设备制造(天津)有限公司,天津 300385)

由于钛的特有金属特性,使得纯钛和钛合金在军工和民用行业中的应用越来越广泛,这也使得真空等离子焊机成为纯钛和钛合金生产过程中的一个重要环节,文章主要介绍真空等离子焊机的组成、工作原理和实际应用过程中的优越性。

目前纯钛和钛合金在真空自耗炉熔炼提纯之前需要由海绵钛经过混料机搅拌后，经过油压机将海绵钛挤压成若干海绵钛块并堆叠在一起成为一个海绵钛电极，然后进入到下一个工序，真空等离子焊机。由于钛是活性金属，在200摄氏度以上即发生氧化反应，使得纯钛或钛合金受到污染，等离子焊机的作用就是把这些若干段海绵钛块在真空环境下焊接成一根长的电极整体，在进行下一道工序(真空自耗炉)进行熔炼，从而节省时间，提高效率。

1 真空等离子焊机组成

真空等离子焊机主要包括：焊接室、真空系统、水系统、等离子焊枪、电源系统、动力系统、控制系统等几部分组成，见图1。

1.1 焊接室

焊接室是等离子焊机进行焊接的一个密闭容器，焊接室由不锈钢板和碳钢板焊接组成，两层板中间的水套用来冷却焊接室。离子焊枪通过法兰安装在焊接室上部，通常焊接室在焊枪安装位置的纵向方向安装有用于观察焊接情况的观察口。焊接室有前后两个门，不同等离子焊机的生产厂家对两个门的使用情况不同，有的将进料方向的门作为活动门，用于运送海绵钛电极，另一端用螺栓固定密封好，通常这种密封门上会安装用于驱动海绵钛电极的驱动部件。有的厂家把前后两个门都作为活动门，这种设计方法，海绵钛电极的驱动部件安装在焊接室内部，便于将来对焊接室内部的维护。

1.2 真空系统

真空系统是等离子焊机的一个重要组成部分，真空系统通常由机械泵和罗茨泵组成，根据不同的要求，有不同的组合方式。机械泵是用来对焊接室进行粗抽真空，当焊接室内的真空度达到罗茨泵的启动压力时，再启动罗茨泵。通过真空系统对焊接室进行抽空，一方面将焊接室内的空气抽走，另一方面将焊接室内部和海绵钛电极上的水汽抽走，防止焊接过程中发生氧化。为了提高生产效率，降低抽真空的时间，尽量保证焊接室内部和真空管道干燥、清洁。如果焊接室内存在水汽，管道内有锈，对于真空泵抽气能力会产生很大的影响。为了保证焊接室内干燥，如果等离子焊机停机，尽量对焊接室进行抽空，使焊接室和管道保持在一个真空的状态[1]。

1.3 水系统

水系统用来冷却等离子焊机工作时各个发热部件，通常水系统包括普通水水系统和去离子水水系统。普通水水系统用来冷却焊接室、真空泵系统、液压系统等。去离子水用来冷却等离子焊枪。水系统作为等离子焊机的一个系统安全保障的部分，在等离子焊机工作时会设定很多互锁关系，保证系统在工作时不会因为某个部件温度过高导致事故发生。

1.4 等离子焊枪

等离子焊枪作为真空等离子焊机的一个关键部件，也是等离子焊机厂家的一个核心技术。通常等离子焊枪由电极、水套、喷嘴、气环等零部件组成。等离子枪的工作原理是通过等离子焊枪启动时的高电压将气体进行电离，前提是在焊接室处于真空状态下进行，因为在真空下气体容易被电离成正离子、负离子及电子等离子，在热场及电场的作用下，这些粒子会有序的流动形成电流，并会不断地轰击负极，使负极产生高温[2]。海绵钛电极为负极，带电粒子轰击产生的高温将海绵钛融化，从而焊接在一起。

1.5 电源

电源作为等离子焊枪进行焊接的能量来源。电源的大小也决定了等离子焊机的焊接速度。

1.6 动力系统

不同厂家生产的等离子焊机采用不同的动力系统，所谓动力系统是指用来驱动焊接小车在焊接室内的前后移动、驱动海绵钛电极在焊接小车上转动、等离子焊枪的上下移动。有的厂家采用液压系统作为动力源来驱动液压缸、液压马达来实现直线运动和转动，有的厂家采用电机和相关的机构来实现等离子焊机工作时需要的直线运动和转动。

1.7 控制系统

控制系统作为等离子焊机实现人机交互的介质。通过控制系统来设置不同海绵钛电极的焊接工艺参数，焊接模式等。

2 真空等离子焊机的工作原理

根据不同的焊接要求，真空等离子焊机能够实现纵焊和环焊两种方式。通常情况下纵焊是必不可少的，所谓纵焊就是等离子焊枪启功后，海绵钛电极在焊接小车的驱动下，从焊接的起始位置开始根据设定的速度向前移，使海绵钛电极的表面形成一条纵向的焊缝。环焊是等离子枪启动后，海绵钛电极在电机或液压马达的驱动下转动，是海绵钛电极表面形成环向的焊缝，见图2。

通常真空等离子焊机的工作步骤为：将海绵钛电极通过焊接小车运送到焊接室内，关闭焊接室门，开启水系统，对真空室进行抽空，将焊接室抽到20pa左右，向焊接室内回填惰性气体-氩气，焊接室内的压力达到一个设定值，且焊接室内的压力保持在低于大气压的一个负压状态。设定焊接模式，启动等离子焊枪，进行自动焊接。焊接结束后，海绵钛电极要在焊接室内冷却1到2个小时，防止焊完后的电极过早移到焊接室外和空气接触导致焊口发生氧化，冷却时间根据电极的大小而定。打开焊接室门前，需要通过真空泵将焊接室内的氩气排到室外，防止对室内的人员造成伤害。

3 真空等离子焊机的优越性

以前焊接海绵钛电极采用手持式等离子焊枪或氩弧焊机通过氩气保护对海绵钛压块的接口处进行焊接，焊接前还需要对接口处进行开破口处理，这种老式的焊接方法由于将海绵钛电极暴露在大气中进行焊接，很容易在焊接过程中使海绵钛电极发生氧化，而且焊接的效率非常的低。采用真空等离子焊机焊接，能够大大提高生产效率，而且焊接质量能够得到保证。

[1]达到安.《真空设计手册》[M].3版.北京：国防工业出版社,2004.

[2]李少华.《真空等离子焊箱的研制》[J].有色设备,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】钛 组成 原理

赵小强(1983—),男,天津市人,工程师,硕士研究生,主要从事冶金设备的项目管理工作,现任项目工程师。