化工造船用鈦管的特性與焊接工藝

鈦及鈦合金是一種優良的金屬結構材料，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、造船等工業部門日益獲得廣泛的應用。但是，鈦合金材料在焊接過程中出現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習。

1、鈦材料焊接性

1.1 氧氣等雜質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定的。但是，隨著溫度逐步升高，鈦吸收氧、氮、氫的反應速度加快，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、結晶過程中，在鈦材料正、反面得不到有效保護的狀況下，工業純鈦焊接以及熱影響區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

要使工業純鈦焊接HAZ區獲得良好的塑性，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，過熱區面積增大，且晶粒因加熱而變粗大的現象更為嚴重。用過大的焊接線能量進行工業純鈦的焊接是不合適的，將導致塑性明顯下降。

2、焊縫氣孔

鈦材料焊接時，在熔合線附近出現氣孔。試驗表明，氣孔特點和形式與H在Ti中的溶解度有關，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，延長熔池的高溫停留時間及規范。

·對鈦材處于400℃以上的熔池溫度根部焊縫及HAZ區均應用高純Ar氣保護，防止內壁氧化。

鈦管焊接時，保護區域分三部分：

熔池正部焊縫及HAZ區（350℃）背面焊縫均應用高純度充 保護與空氣隔絕。

鈦材料導熱性差，焊接熔池大而冷卻慢，故焊槍噴嘴內徑一般為16~20mm。

對于350℃以上的背面焊縫及HAZ區保護，在工程實踐中已經提供了很多方法，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計對鈦管的焊接來說是個重要突破。局部保護面積應根據350 ℃以上背面焊縫及HAZ區的面積確定。

橢球型過濾球由銅網包扎而成，其作用是使氬氣能充滿拖罩，形成穩定氣流層。

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壁應認真仔細進行清理，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、工藝規范

5.1 根據對鈦材焊接特性分析，鈦管焊接一般應采用較小的焊接線能量。

因此，選擇較小的焊接規范進行焊接,焊接規范詳見附表。

附表 鈦管焊接規范參數表

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 上述規范鎢極直徑為3mm。

6.3 鈦比重小，組對間隔應嚴格控制在規定范圍之內，否則易出現內凹或焊瘤。

6.4 鈦熔點高、比重小，焊工在進行管道封底焊時，應熟練掌握送絲技巧,否則易出現內凹、焊絲頭未熔等缺陷。

6.5 厚壁鈦管表層焊道較寬，為防止氧化應采用排焊方法效果最佳。

6.6 鈦管焊接結束，對所有的焊縫均應作100%的著色檢查和RT探傷，對國內工程檢驗按SHT-502-86標準執行。

7、結束語

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%,結果證明，局部保護罩的設計從根本上解決了鈦管焊接出現的低溫氧化難題，這要求我們在施工中應不斷總結經驗，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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