鈦和鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐高低溫性能良好等特點，被廣泛應(yīng)用于石油化工及軍工、航天、制藥等多個領(lǐng)域。鈦列管式換熱器、鈦鎳儲罐、鈦盤管、鈦網(wǎng)藍(lán)等鈦及鈦合金的焊接性問題最主要的是存在氣孔以及接頭的脆化問題。

產(chǎn)生氣孔的主要原因是氫氣，因為焊接時鈦吸收氫的能力很強(qiáng)，且鈦元素是一種活潑元素，在溫度300℃以上就大量地吸收氫，隨著溫度的下降，氫的溶解度顯著下降，因此溶解于液態(tài)金屬中的氫氣來不及逸出就形成氫氣孔。

因鈦與氧反應(yīng)易形成致密的氧化膜，所以鈦材具有較高的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性，在焊接時，熔池溫度達(dá)5000℃左右，在這個溫度區(qū)間，鈦及合金與氧、氫、氮等快速發(fā)生反應(yīng)，在300℃以上時快速吸收氫，450℃以上快速吸收氧，600℃以上快速吸收氮。當(dāng)熔池吸收這些有害氣體后，焊接接頭的韌性和塑性都會發(fā)生較大變化。

當(dāng)溫度達(dá)到882℃以上時，焊接接頭的晶粒變得粗大，當(dāng)焊縫冷卻時會形成馬氏體組織，進(jìn)而使焊接接頭的強(qiáng)度、韌性、塑性、硬度下降，產(chǎn)生過熱傾向，焊接接頭脆化嚴(yán)重。因此，焊接鈦合金時，應(yīng)對熔池、熔滴及高溫區(qū)的正反面都進(jìn)行可靠的氬氣保護(hù)，這是保證焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵點。因氫易從高溫熔池向低溫?zé)嵊绊憛^(qū)擴(kuò)散，氫含量的增加導(dǎo)致析出的鈦氫化合物增加，熱影響區(qū)脆性增大。另外析出的氫化物體積膨脹時產(chǎn)生組織應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致延遲裂紋的產(chǎn)生。容器用鈦材的決定性指標(biāo)是塑性而不是強(qiáng)度，所以只有在退火狀態(tài)下才具有最好的塑性，同時具有最佳屈強(qiáng)比、焊接性能、耐腐蝕性能等。因此鈦材的供貨狀態(tài)應(yīng)為退火，以減少脆化的程度。

1、鈦設(shè)備的制造要點及提高焊接質(zhì)量的工藝措施

鈦設(shè)備應(yīng)放在橡膠皮上制作，不允許與碳鋼材料接觸，以免碰傷、擦傷鈦表面；切割或卷制成形設(shè)備應(yīng)清理干凈，卷板輥包薄膜，以免鈦設(shè)備表面劃傷或受鐵離子污染等；在鈦材上劃線應(yīng)盡量用金屬鉛筆劃線，不宜使用記號筆書寫，以免影響材料的耐腐蝕性能；坡口應(yīng)采用機(jī)械打磨，不宜使用火焰切割坡口。

焊接前應(yīng)仔細(xì)檢查焊縫坡口表面有無缺陷，宜采用滲透檢測，檢驗坡口及兩側(cè)部位是否有表面缺陷存在；打磨設(shè)備應(yīng)采用專用打磨工具（不銹鋼砂輪片打磨）；焊前坡口兩側(cè)25mm范圍內(nèi)、焊絲均應(yīng)清洗干凈，用丙酮清洗去除氧化膜。清洗后若超過4h應(yīng)重新清洗；選擇最合適的焊接工藝進(jìn)行焊接，嚴(yán)格控制焊接和氣體后保護(hù)措施；以保證焊出合格的焊縫。宜采用99.999%的氬氣保護(hù)，焊出來的焊縫顏色才是最理想的。鈦設(shè)備錯邊量，1/5t=1.2mm(t=6mm)，技術(shù)要求高于GB150；鈦焊接應(yīng)在空氣潔凈、無塵、無煙環(huán)境下進(jìn)行；盡量不要在下雨天施焊（因本公司鈦制造場地不是密封的場地，濕度較大）；焊縫和熱影響區(qū)焊后用10倍放大鏡進(jìn)行100%檢查，不應(yīng)有裂紋、氣孔、弧坑、夾渣、飛濺物等。鈦壓力容器不許有咬邊，焊縫表面顏色為銀白色為最好，金黃色均勻的為一般，藍(lán)色的為稍差，要去除藍(lán)色，若是其它顏色的均應(yīng)返修。

隨著溫度的不同，鈦設(shè)備表面的氧化而形成的化合價的氧化鈦，因此氧化膜的顏色也不相同。一般情況下，800~900℃之間為灰色；700~800℃之間為紅灰色；600~700℃之間為紫色；500~550℃之間為藍(lán)色；400~450℃之間為金黃色；300~400℃之間為淡黃色；200℃以下為銀白色。

2、設(shè)備技術(shù)要求及焊接工裝

設(shè)備總圖見圖1，管程部分均為鈦材（TA2/6mm）。殼程部分為普通低合金鋼（Q345R/8mm），換熱管材質(zhì)為TA2/φ25×2。

管程介質(zhì)為氯氣、氫氧化鈉（高度危害介質(zhì)），設(shè)計壓力為0.6MPa。管板為復(fù)合鈦板（TA2+16MnⅡ）。該換熱器需要帶產(chǎn)品焊接試板。

鈦容器焊接時不僅溶池要保護(hù)，焊后正在冷卻中的焊縫正面及焊縫背面也要保護(hù)。采用保護(hù)拖罩是鈦容器焊接的最大特點。對于此臺鈦設(shè)備的焊接，設(shè)計了多種類型焊縫的充氬保護(hù)工裝，換熱器縱縫焊接的氣體保護(hù)工裝如圖2所示，換熱器管箱封頭與筒體環(huán)縫的氣體保護(hù)工裝如圖3所示。換熱管與管板的氣體保護(hù)工裝如圖4所示。

3、焊縫型式

本設(shè)計的換熱器，焊接工藝制定的對接焊縫型式如圖5所示，角焊縫型式如圖6所示，換熱管與管板焊縫型式如圖7所示。

4、焊接要求及焊接工藝參數(shù)

4.1焊接要求

(1)鈦容器施焊前，應(yīng)經(jīng)焊接工藝評定合格并應(yīng)由具備相應(yīng)持證項目的焊工進(jìn)行施焊，焊接工藝規(guī)程應(yīng)按工藝評定結(jié)果及相應(yīng)圖樣技術(shù)要求進(jìn)行制定。設(shè)備儀表應(yīng)經(jīng)計量且設(shè)備狀態(tài)完好。

(2)鈦材焊接應(yīng)在無塵、無煙、空氣潔凈的環(huán)境下進(jìn)行，焊接區(qū)域應(yīng)為獨立的區(qū)域，當(dāng)遇下列情況時應(yīng)禁止焊接（風(fēng)速≥1.5m/s；相對濕度＞80%；焊件溫度低于5℃，在下雨和下雪時的室外作業(yè)）。超出此范圍時應(yīng)停止施焊。施焊環(huán)境應(yīng)嚴(yán)格遵守鈦材焊接環(huán)境要求。

(3)焊材的保存庫應(yīng)干燥，濕度不得大于60%，溫度不應(yīng)低于5℃。焊接坡口及兩側(cè)25mm處應(yīng)用機(jī)械方法去除表面氧化膜。放焊前用丙酮清洗，清洗后若超過4h沒有焊接，應(yīng)重新進(jìn)行清洗。定位焊接應(yīng)與設(shè)備主體焊縫采用相同的焊接工藝，而且應(yīng)使定位焊最后熔入永久焊縫中。

(4)焊縫表面的形狀尺寸和焊接要求應(yīng)符合JB/T4745-2002標(biāo)準(zhǔn)要求。焊縫表面應(yīng)用10倍放大鏡檢查，不應(yīng)有裂紋、未熔合、氣孔、弧坑、夾渣、飛濺物、打弧點等。焊縫不得有咬邊，并對所有焊縫和熱影響區(qū)的焊接結(jié)束原始狀態(tài)時的表面顏色進(jìn)行檢驗，并按表1判斷是否合格并進(jìn)行處理。

(5)換熱器管板焊接時，宜采用Z形跳焊法（詳見圖8），以控制焊接變形。換熱管雙側(cè)施焊時，不得同時焊接一根鈦管，單側(cè)施焊時，另一側(cè)嚴(yán)禁進(jìn)行割、脹、洗管工作；換熱管焊接時，起弧和收弧位置詳見圖9。從11點位置起弧，順時針旋轉(zhuǎn)焊接一周后在12點位置開始收弧。焊接結(jié)束，氬氣后保護(hù)3~5秒。

4.2焊接工藝參數(shù)

本文所示的換熱器，采用手工鎢極氬弧焊焊接方法（GTAW）。手工鎢極氬弧焊參數(shù)詳見表2。

焊縫應(yīng)采用小線能量焊接，焊接層間溫度手感溫?zé)幔圆怀^60℃為宜。焊接采用鈰鎢棒φ2.5，噴嘴直徑φ12。

5、鈦材產(chǎn)品焊接試板要求

當(dāng)設(shè)計壓力不小于1.6MPa的鈦制壓力容器及圖樣注明盛裝毒性程度為極度危害或高度危害介質(zhì)的低壓容器的圓筒A類縱向焊縫，應(yīng)按每臺制備產(chǎn)品焊接試板。鈦材焊接試板要求具有與筒體縱縫同材質(zhì)（牌號、狀態(tài)、規(guī)格）、同焊接工藝評定、同焊工、同焊材、同焊接工況進(jìn)行焊接，且連接在筒體縱縫延長部位。待焊接外觀檢驗合格后，進(jìn)行無損探傷，與筒體探傷搭接。拍片合格后取下產(chǎn)品試板。鈦制容器產(chǎn)品鈦焊接試驗的力學(xué)性能檢驗按JB/T4745-2002《鈦制焊接容器》附錄C進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)性能試驗。復(fù)合板式鈦制容器 被襯鈦容器的力學(xué)性能檢驗按GB150-2011《壓力容器》及NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)性能試驗。

鈦容器產(chǎn)品焊接試板的試樣類別和數(shù)量詳見表3。

彎曲試樣厚度為≤10mm（若＞10mm，則加工至10mm）試樣彎曲寬度為30mm，彎心直徑d為8a或10a，具體根據(jù)鈦材牌號，彎曲角度為180°。

鈦材的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。對此類設(shè)備制造應(yīng)當(dāng)更加謹(jǐn)慎，安全性要求應(yīng)適當(dāng)提高。制造單位應(yīng)高度重視鈦設(shè)備的制造工藝要求，杜絕因焊接問題而引發(fā)的質(zhì)量事故。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T151-2014，熱交換器[S]. 

[2]GB150-2011，壓力容器[S]. 

[3]NB/T47016-2011，承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗[S]. 

[4]JB/T4745-2002，鈦制焊接容器[S]. 

[5]陳保國主編.焊接技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009. 

[6]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會編.焊接手冊（第三版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

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