鈦?zhàn)鳛榻Y(jié)構(gòu)材料?具有許多特點(diǎn)：比重小、抗拉強(qiáng)度高?即比強(qiáng)度大?在300～550℃高溫下?仍具有較高的強(qiáng)度?鈦在海水及大多數(shù)酸、堿、鹽介質(zhì)中均具有較優(yōu)良的抗腐蝕性能?此外?鈦材還具有良好的低溫沖擊韌性。

因此?鈦在宇航工業(yè)、石油化工等部門獲得日益廣泛的應(yīng)用?但是鈦材焊接的低溫氧化和氣孔問題又給鈦材焊接帶來一定的難度?因此?要想提高鈦管的焊接質(zhì)量?必須首先解決這兩個(gè)問題。

1、鈦材焊接性分析

1）由氧氣等雜質(zhì)污染所引起的焊接接頭脆化在常溫下?鈦是比較穩(wěn)定的?但隨著溫度的升高?鈦吸收氧、氮、氫的能力也隨之明顯上升。鈦從400℃開始吸收氧?從600℃開始吸收氮?而空氣中含有大量的氧和氮。

實(shí)驗(yàn)證明?工業(yè)純鈦焊接時(shí)?隨焊縫［O］含量的上升?焊縫的抗拉強(qiáng)度及硬度明顯增加?而塑性則顯著下降?也就是說?焊縫因［O］的污染而變脆。

2）焊接線能量的變化對(duì)焊接接頭性能的影響

要使工業(yè)純鈦焊接 HAZ 區(qū)獲得良好的塑性?需選用合適的冷卻速度。而在板厚一定時(shí)?冷卻速度基本上是由焊接線能量來決定的。隨著焊接線能量的增大?HAZ 的高溫停留時(shí)間增長(zhǎng)?過熱區(qū)面積增大?且晶粒因過熱而變粗大的現(xiàn)象更為嚴(yán)重?故用過大的焊接線能量來進(jìn)行工業(yè)純鈦的焊接是不合適的?塑性將明顯下降。

3）氣孔問題

鈦材焊接時(shí)?容易在熔合線附近出現(xiàn)氣孔。試驗(yàn)表明?這種氣孔特點(diǎn)的形成與［H］在 Ti 中的熔解度有關(guān)?從圖1中可以看出?［H］在 Ti 的熔解度隨溫度升高而降低?在凝固溫度有躍變。熔池中部比熔池邊緣溫度高?故熔池中部的［H］易向熔池邊緣擴(kuò)散?故熔池邊緣為［H］過飽和而生成氣孔。

2、焊接工藝

1）焊接要求

通過上述對(duì) Ti 材焊接特性的分析?為了保證鈦管焊接質(zhì)量?必須解決Ti 材的低溫氧化和氣孔問題。而低溫氧化問題尤為關(guān)鍵。

所以?鈦管焊接必須做到下列幾點(diǎn)：

a） 采用高純度的 Ar 氣進(jìn)行焊接?Ar 純度≥99?99％。

b） 焊前對(duì)鈦管及焊絲必須認(rèn)真清理干凈。

c） 正確選用焊絲及嚴(yán)格按焊接規(guī)范操作。

d） 對(duì)處于400℃以上的熔池?后部焊縫及 HAZ 區(qū)?背面焊縫?均應(yīng)用高純 Ar 保護(hù)。

2）鈦管焊接保護(hù)

鈦管焊接時(shí)?保護(hù)區(qū)分三部分：熔池、后部焊縫及 HAZ 區(qū)（400℃以上）和背面焊縫。

因鈦材導(dǎo)熱性差?焊接熔池大而冷卻慢?故焊槍噴嘴直徑應(yīng)適當(dāng)加大?以增大保護(hù)區(qū)域?噴嘴內(nèi)徑一般取16～20mm。

對(duì)于400℃以上的后部焊縫及 HAZ 區(qū)的保護(hù)?有關(guān)資料中已經(jīng)提供了很多方法?例如：真空室中焊接?充氬箱中焊接及整體保護(hù)罩焊接等等。但這些方法不僅成本高?而且

在操作上也多有不便?因此?成本低、操作方便的局部保護(hù)罩的設(shè)計(jì)?對(duì)鈦管的焊接來說是個(gè)重要突破。局部保護(hù)面積應(yīng)根據(jù)400℃以上后部焊縫及 HAZ 區(qū)的面積來確定。

圖2為鈦材焊接時(shí)?溫度場(chǎng)分布示意圖?從圖中可以看出400℃以上區(qū)域范圍為80×60。因此?保護(hù)罩的保護(hù)面積可依此確定。

圖2中橢球形過濾球由銅網(wǎng)包扎鈦屑而成?其作用是使 Ar 氣能充滿拖罩?并形成穩(wěn)定層流。

背面焊縫的保護(hù)分兩種情況?對(duì)管徑 DN≥500的 Ti 管?采取局部保護(hù)?對(duì)管徑 DN ＜500的 Ti 管?采取整體保護(hù)。

其結(jié)構(gòu)和不銹鋼管線焊接時(shí)的內(nèi)部保護(hù)結(jié)構(gòu)相同。

3）鈦管焊前清理

為確保鈦管焊接質(zhì)量?鈦管焊接禁止在露天現(xiàn)場(chǎng)?應(yīng)設(shè)置一鈦管專用焊接操作間（空間大小以不影響施工為準(zhǔn)）?室內(nèi)應(yīng)保持清潔（最好是鋪上黑膠皮）、干燥、室內(nèi)溫度不應(yīng)低

于10℃?不允許有空氣對(duì)流。

為了防止出現(xiàn)氣孔?必須杜絕一切氫的來源。因此?鈦管焊前?坡口附近表面及內(nèi)壁必須認(rèn)真進(jìn)行清理?清理程序如下：

磨光機(jī)打磨------不銹鋼絲刷清理------拋光輪拋光------丙酮（乙醇）清洗、清理結(jié)束以后?立即對(duì)坡口進(jìn)行封口保護(hù)?以防再次被污染。

4）工藝規(guī)范

根據(jù)前面對(duì)鈦材焊接特性的分析可知鈦管焊接一般應(yīng)采用較小的線能量?因此?應(yīng)選擇較小的焊接規(guī)范進(jìn)行焊接?焊接規(guī)范詳見表1。

5）注意事項(xiàng)

A、在采用上述規(guī)范時(shí)?鎢極直徑宜為3mm。

B、由于 Ti 比重小?所以組對(duì)時(shí)?間隙G應(yīng)嚴(yán)格控制在上述規(guī)范之內(nèi)?否則?易出現(xiàn)內(nèi)凹或焊瘤。

C、由于 Ti 熔點(diǎn)高?比重小?焊工在進(jìn)行封底焊時(shí)?應(yīng)熟練掌握送絲技巧?否則?易出現(xiàn)內(nèi)凹或焊絲未熔。

D、對(duì)厚壁管?因表層焊道較寬?為防止氧化?在進(jìn)行蓋面焊時(shí)?應(yīng)采取排焊的方法?盡量避免采用焊槍擺動(dòng)一次成形的方法。

3、 焊接檢驗(yàn)

焊接結(jié)束?對(duì)所有的焊縫均應(yīng)作100％的色澤檢查和射線檢測(cè)。

對(duì)國(guó)內(nèi)工程?檢驗(yàn)按 SHJ－502－86標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

對(duì)由外方監(jiān)理的工程?檢驗(yàn)按 ASME 規(guī)范或其它國(guó)外相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4、 結(jié)語(yǔ)

我公司 PTA 工程中?共有 Ti 管320m?平均管徑為 DN200。在施工過程中?我們采用了前面所闡述的措施和工藝?經(jīng)檢查?所有的焊縫色澤為保護(hù)最佳的銀白色?射線探傷一次合格率達(dá)98?07％。這一結(jié)果表明；局部保護(hù)罩的設(shè)計(jì)從根本上解決了鈦管焊接的低溫氧化問題?鈦管焊接施工工藝合理；但是?拖罩與焊槍的固定還存在一定的問題?這將有待于今后進(jìn)一步改進(jìn)。

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