化工造船用鈦管的特性與焊接工藝

鈦及鈦合金是一種優(yōu)良的金屬結(jié)構(gòu)材料，與鋼相比具有密度小（約4.5g/cm³）、抗拉強度高、比強度大等特點，在300~500℃高溫下鈦合金仍具有足夠高的強度和良好的高溫性能，在航空、航天、石油化工、造船等工業(yè)部門日益獲得廣泛的應(yīng)用。但是，鈦合金材料在焊接過程中出現(xiàn)的低溫氧化和氣孔問題又給其焊接帶來一定的難度，本文將介紹其焊接工藝與同行們探討和互相學(xué)習(xí)。

1、鈦材料焊接性

1.1 氧氣等雜質(zhì)造成焊接接頭污染而引起脆化，其中還包括氮、氫、碳等元素。

在表面氧化膜的作用下，鈦在常溫下是比較穩(wěn)定的。但是，隨著溫度逐步升高，鈦吸收氧、氮、氫的反應(yīng)速度加快，以300℃開始吸收氫，600℃開始吸收氧，而700℃開始吸收氮。實驗證明，在焊接接頭凝固、結(jié)晶過程中，在鈦材料正、反面得不到有效保護的狀況下，工業(yè)純鈦焊接以及熱影響區(qū)的金屬很容易吸收氮、氫。

1.2 焊接線能量的變化對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，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的高溫停留時間增 長，過熱區(qū)面積增大，且晶粒因加熱而變粗大的現(xiàn)象更為嚴重。用過大的焊接線能量進行工業(yè)純鈦的焊接是不合適的，將導(dǎo)致塑性明顯下降。

2、焊縫氣孔

鈦材料焊接時，在熔合線附近出現(xiàn)氣孔。試驗表明，氣孔特點和形式與H在Ti中的溶解度有關(guān)，H在Ti的溶解度隨溫度升高而降低，熔池中部比熔池邊緣溫度高，故熔池中部 易向熔池邊緣擴散，熔池邊緣的H過飽和而產(chǎn)生氣孔。

3、焊接工藝

針對上述鈦及鈦合金焊接特點，為保證鈦管焊接質(zhì)量，要解決鈦材料的低溫氧化及熔池邊緣H過飽和而形成熔合線氣孔問題，防止低溫氧化問題尤為關(guān)鍵。鈦管焊接必須做到：

·采用高純度低露點Ar氣≥99.99%,焊炬上通Ar氣管道不宜采用橡皮管，以尼龍軟管為好。

·焊前清除焊絲、工件表面上的氧化膜和油污等有機物。

·選擇正確焊接工藝參數(shù)，延長熔池的高溫停留時間及規(guī)范。

·對鈦材處于400℃以上的熔池溫度根部焊縫及HAZ區(qū)均應(yīng)用高純Ar氣保護，防止內(nèi)壁氧化。

鈦管焊接時，保護區(qū)域分三部分：

熔池正部焊縫及HAZ區(qū)（350℃）背面焊縫均應(yīng)用高純度充 保護與空氣隔絕。

鈦材料導(dǎo)熱性差，焊接熔池大而冷卻慢，故焊槍噴嘴內(nèi)徑一般為16~20mm。

對于350℃以上的背面焊縫及HAZ區(qū)保護，在工程實踐中已經(jīng)提供了很多方法，如真空室焊接、充氬箱中焊接、整體保護罩焊接等。但是上述方法不僅成本高，而且在操作上也有許多不便，因此，成本低、操作方便的局部保護罩的設(shè)計對鈦管的焊接來說是個重要突破。局部保護面積應(yīng)根據(jù)350 ℃以上背面焊縫及HAZ區(qū)的面積確定。

橢球型過濾球由銅網(wǎng)包扎而成，其作用是使氬氣能充滿拖罩，形成穩(wěn)定氣流層。

背面焊縫的保護分兩種情況：對管徑DN≥500mm的鈦管，采取局部保護；對管徑DN＜500mm的鈦管，采取整體保護。

4、鈦管焊前清理

為了防止出現(xiàn)氣孔，必須保持室溫不低于10℃，以防止空氣對流，因此鈦管焊前坡口附近表面及內(nèi)壁應(yīng)認真仔細進行清理，可以用細砂布或不銹鋼絲刷擦，用丙酮或乙醇清洗焊絲 表面的油污等。

5、工藝規(guī)范

5.1 根據(jù)對鈦材焊接特性分析，鈦管焊接一般應(yīng)采用較小的焊接線能量。

因此，選擇較小的焊接規(guī)范進行焊接,焊接規(guī)范詳見附表。

附表 鈦管焊接規(guī)范參數(shù)表

5.2 坡口要求見附圖。

6、注意事項

6.1 提前送氣為30~60s，滯后停氣30~60s。

6.2 上述規(guī)范鎢極直徑為3mm。

6.3 鈦比重小，組對間隔應(yīng)嚴格控制在規(guī)定范圍之內(nèi)，否則易出現(xiàn)內(nèi)凹或焊瘤。

6.4 鈦熔點高、比重小，焊工在進行管道封底焊時，應(yīng)熟練掌握送絲技巧,否則易出現(xiàn)內(nèi)凹、焊絲頭未熔等缺陷。

6.5 厚壁鈦管表層焊道較寬，為防止氧化應(yīng)采用排焊方法效果最佳。

6.6 鈦管焊接結(jié)束，對所有的焊縫均應(yīng)作100%的著色檢查和RT探傷，對國內(nèi)工程檢驗按SHT-502-86標準執(zhí)行。

7、結(jié)束語

在施工過程中，班組采用了上述的工藝要求和防護措施，經(jīng)外觀檢查,所有的焊縫色澤都為銀白色，證明氬氣保護最佳。RT一次合格率達到98%,結(jié)果證明，局部保護罩的設(shè)計從根本上解決了鈦管焊接出現(xiàn)的低溫氧化難題，這要求我們在施工中應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗，以有利于今后進一步改進和提高鈦管的焊接工藝。

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