引言

鈦是一種物理性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定的材料，具有比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)純鈦是指具有不同雜質(zhì)含量的非合金鈦，主要雜質(zhì)有Fe，Si，C，N，H，O。不同強(qiáng)度級(jí)別的工業(yè)純鈦主要區(qū)別在于雜質(zhì)的含量，尤其是O，N和Fe的含量。工業(yè)純鈦的強(qiáng)度在280～720MPa范圍內(nèi)，具有較高的塑性和優(yōu)良的工藝性能，并且具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，其長(zhǎng)期工作溫度為300℃，已在航空航天、船舶、石油化工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，近年來(lái)也越來(lái)越多地被應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域［1］。

在本公司承接的FPSO項(xiàng)目中，用于處理次氯酸鈉介質(zhì)的工藝管線系統(tǒng)使用了材料標(biāo)準(zhǔn)為ASTMB861Gr.2的鈦管材，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2，管線直徑:DN25mm～DN100mm，壁厚:1.5～3.8mm。文中首先對(duì)工業(yè)純鈦的焊接性進(jìn)行分析，然后對(duì)在工程實(shí)際中使用的焊接工藝進(jìn)行介紹，最后對(duì)生產(chǎn)中有利于保證焊接質(zhì)量的施工注意事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)。

1、工業(yè)純鈦焊接性分析

1.1間隙元素沾污引起脆化

鈦是一種活性金屬，常溫下能與氧生成致密的氧化膜而保持高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性。540℃以上生成的氧化膜則不致密，很容易被腐蝕。高溫下Ti與O，N，H反應(yīng)速度較快，在300℃以上快速吸H，600℃以上快速吸O，700℃以上快速吸N，在空氣中Ti的氧化過(guò)程很容易進(jìn)行［2－5］。

(1)O和N的影響

在O，N固溶于Ti，使Ti晶格畸變，變形抗力增大，強(qiáng)度、硬度提高，塑性和韌性下降。N比O的影響更甚。氬氣中雜質(zhì)含量對(duì)工業(yè)純鈦焊縫質(zhì)量的影響是不利的，應(yīng)設(shè)法避免。

(2)H的影響

H溶入工業(yè)純鈦焊縫接頭中，會(huì)生成鈦氫化合物，嚴(yán)重降低材料的韌性，在組織應(yīng)力作用下還會(huì)產(chǎn)生裂紋。

(3)C的影響

C在工業(yè)純鈦中的溶解度為0.13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。碳間隙固溶于鈦中，使強(qiáng)度提高、塑性下降，但作用不如N和O顯著。若C超過(guò)溶解度時(shí)，生成硬而脆的TiC呈網(wǎng)狀分布，易產(chǎn)生裂紋。

在鈦焊接時(shí)除材料本身應(yīng)嚴(yán)格控制這些雜質(zhì)外，在焊接前還須做嚴(yán)格細(xì)致的準(zhǔn)備工作，清除焊接部位的污染物。為了保證焊接質(zhì)量，焊接過(guò)程中還必須采取有效措施保護(hù)焊接熔池和高于400℃以上的焊接區(qū)域，使之免受空氣污染。焊接時(shí)，工件及焊絲上的油污能使焊縫中增碳，因此焊前應(yīng)注意清理。

1.2熱輸入對(duì)焊接接頭性能的影響

Ti的熔化溫度高，熱容量大，熱導(dǎo)率比Al，F(xiàn)e等金屬的低，冷卻速度慢，所以Ti的焊接熔池具有更高的溫度、較大的熔池尺寸，熱影響區(qū)金屬在高溫下的停留時(shí)間長(zhǎng)，因此，易引起焊接接頭的過(guò)熱傾向，使晶粒變得十分粗大，接頭的塑性顯著降低。

另一方面，如果焊縫冷卻速度過(guò)快時(shí)，容易產(chǎn)生針狀α組織，對(duì)接頭塑性也不利。在焊接施工中，為了確保焊接質(zhì)量，必須制訂合理的焊接工藝，嚴(yán)格控制熱輸入和冷卻速度。

1.3焊接裂紋

由于工業(yè)純鈦中S，P，C等雜質(zhì)很少，低熔點(diǎn)共晶很難出現(xiàn)在晶界上，有效結(jié)晶溫度區(qū)間窄，加之焊縫凝固收縮量小，因此很少產(chǎn)生焊接熱裂紋。

但若母材和焊絲質(zhì)量不合格，特別是焊絲有裂紋、夾層等缺陷，在裂紋、夾層處存在大量有害雜質(zhì)時(shí)，則有可能產(chǎn)生焊接熱裂紋，因此要特別注意焊絲質(zhì)量。

當(dāng)焊縫金屬中O，N含量較高時(shí)，焊縫變脆，在較大的焊接應(yīng)力作用下可能會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。工業(yè)純鈦焊接時(shí)，熱影響區(qū)可能也會(huì)產(chǎn)生延遲裂紋，這與H有關(guān)。焊接時(shí)由于熔池和低溫區(qū)母材中的H向熱影響區(qū)擴(kuò)散而形成集聚，析出的過(guò)程中形成化合物，增大脆性與組織應(yīng)力，從而導(dǎo)致延遲裂紋。

防止產(chǎn)生延遲裂紋的方法主要是減少焊接接頭處H的來(lái)源，選用H含量少的材料(包括焊絲、母材和氬氣)，注意焊前清理和焊接過(guò)程保護(hù)，以減少焊接接頭中的H含量。

1.4氣孔

氣孔是鈦及鈦合金焊接時(shí)最常見(jiàn)的焊接缺陷。原則上氣孔可以分為兩類，即焊縫中部氣孔和熔合線氣孔。在熱輸入較大時(shí)，氣孔一般位于熔合線附近;在熱輸入較小時(shí)，氣孔則位于焊縫中部。一般情況下，金屬中溶解的H不是產(chǎn)生氣孔的主要原因。焊絲和坡口表面的清潔度是影響氣孔的最主要因素。在拉絲時(shí)粘附在焊絲表面的潤(rùn)滑劑是產(chǎn)生氣孔的重要原因。打磨時(shí)殘留在坡口表面的顆粒、清洗時(shí)乙醇以及橡膠手套溶解的增塑劑及擦拭坡口時(shí)的殘留物都會(huì)產(chǎn)生氣孔。因此，焊前必須采取有效的措施將有害雜質(zhì)徹底清除。

2、焊接工藝

2.1焊接方法

根據(jù)工業(yè)純鈦的理化性能、冶金學(xué)特點(diǎn)，考慮到其導(dǎo)熱性差、比熱容小及焊接熱影響區(qū)容易過(guò)熱的問(wèn)題，以及焊接過(guò)程中Ti在高溫下化學(xué)活性高，易與H，O，N發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成焊縫區(qū)理化性能下降，不能滿足工程要求的問(wèn)題，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、條件等客觀因素，焊接方法選擇了直流鎢極氬弧焊，對(duì)應(yīng)電源極性應(yīng)采用直流正接(即鎢極接負(fù)極，焊件接正極)。鎢極采用直徑2.4mm的鈰鎢電極(含w(CeO₂)2%)，并應(yīng)符合SJ/T10743—1996標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2焊接材料

焊絲級(jí)別選擇AWSA5.16EＲTi－2，實(shí)際工程中選擇的焊材牌號(hào)為UTPTitanGr.2，焊絲直徑選擇2.0mm，適用于項(xiàng)目的母材厚度范圍為1.5～3.8mm。焊絲的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表3，焊絲中間隙元素的含量低于母材的。

2.3坡口形式

對(duì)接接頭的坡口形式選擇全熔透單V形坡口，坡口形式及尺寸如圖1所示。焊前組對(duì)時(shí)，要求對(duì)口錯(cuò)邊量不超過(guò)母材厚度的10%，且≤1mm。

2.4預(yù)熱和層間溫度

最低預(yù)熱溫度應(yīng)≥5℃，最高層間溫度應(yīng)≤175℃。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，或當(dāng)發(fā)現(xiàn)由于晝夜溫差或其他原因產(chǎn)生的濕氣，應(yīng)先對(duì)待焊接區(qū)域進(jìn)行除濕，常用電吹風(fēng)加熱。

2.5氣體保護(hù)

(1)采用焊槍、尾隨氣、背部三級(jí)氣體保護(hù)。保護(hù)氣體均采用高純氬氣，φ(Ar)≥99.999%，并應(yīng)滿足GB/T4842—2017《氬》的要求。

(2)考慮到保護(hù)效果，氬弧焊槍宜選用直徑為12～20mm的噴嘴，噴出的氬氣應(yīng)保持穩(wěn)定的層流狀態(tài)，氣體流量應(yīng)在15～25L/min范圍內(nèi)。

(3)為保護(hù)熱態(tài)焊縫，應(yīng)在焊槍上安裝匹配管徑的氬氣拖罩。拖罩中氣體流量為15～25L/min，并與噴嘴中的氣體流量基本保持一致。

(4)為防止焊縫背部氧化，應(yīng)在施焊前及焊接過(guò)程中進(jìn)行管內(nèi)部充氬保護(hù)。要求管內(nèi)部氧氣含量≤50×10^－6，背部氣體流量為15～25L/min，并與噴嘴中的氣體流量基本保持一致。

2.6焊接工藝參數(shù)

推薦使用的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

3、焊接施工要點(diǎn)

為了保證工業(yè)純鈦管材的焊接施工質(zhì)量，在施工過(guò)程中要從施焊環(huán)境、清潔、坡口加工及清理、定位焊、焊接操作、氣體保護(hù)、色澤檢查等多個(gè)方面進(jìn)行控制。

3.1施焊環(huán)境

施焊時(shí)，所處環(huán)境對(duì)焊接質(zhì)量有很大影響。由于煙塵中含有大量有害雜質(zhì)，這些雜質(zhì)易通過(guò)環(huán)境過(guò)渡到熔池和焊縫當(dāng)中，形成焊接缺陷。尤其作業(yè)區(qū)間存在鐵污染時(shí)，鈦焊縫中的鐵會(huì)生產(chǎn)TiFe和TiFe的脆性相，使焊接接頭的綜合力學(xué)性能降低，并降低鈦的耐腐蝕性。因此施工時(shí)應(yīng)對(duì)施工環(huán)境作如下要求:

(1)鈦焊接應(yīng)在空氣潔凈、無(wú)塵、無(wú)煙的環(huán)境下進(jìn)行;

(2)鈦材的焊接場(chǎng)所應(yīng)為獨(dú)立區(qū)域。若在有其他鋼材作業(yè)的車間內(nèi)，應(yīng)分割成一個(gè)獨(dú)立的、封閉的鈦材焊接區(qū);

(3)下列任一情況下，除非采取有效措施，應(yīng)禁止施焊:①風(fēng)速≥1.5m/s;②空氣相對(duì)濕度＞80%;③焊件溫度低于5℃;④無(wú)防雨、防雪措施的室外作業(yè)(有雨、雪時(shí))。

(4)施工過(guò)程中，要定期使用藍(lán)點(diǎn)測(cè)試法進(jìn)行鐵離子檢測(cè)，避免鐵元素的污染。對(duì)于變色區(qū)域，應(yīng)使用不銹鋼鋼絲刷清理。

3.2清潔

焊接施工過(guò)程中應(yīng)始終保證母材、焊材以及焊接環(huán)境的清潔，嚴(yán)禁被灰塵和油污污染。焊工應(yīng)穿著干凈的工作服、手套，并使用干凈的焊槍、氣帶及操作臺(tái)。焊絲在使用前應(yīng)用乙醇擦拭。

3.3坡口加工及清理

(1)下料切割和坡口加工應(yīng)使用機(jī)械加工方法，使用砂輪機(jī)時(shí)應(yīng)選擇鈦材專用的不銹鋼砂輪片，砂輪片厚度宜為1.6mm。

(2)坡口加工完成后，應(yīng)使用專用的不銹鋼蘑菇頭磨具將坡口及其兩側(cè)至少50mm的區(qū)域研磨光亮，然后使用丙酮或乙醇擦洗。擦洗時(shí)應(yīng)采用不含棉的布料，如綢布，不得有棉質(zhì)纖維附于坡口的表面。

(3)凡經(jīng)清理后的焊件應(yīng)在4h內(nèi)焊完，否則應(yīng)重新清理，以去除可能形成的氧化膜。

(4)清理后的焊件和焊絲應(yīng)注意保持干燥，焊前不允許用手直接觸碰。

3.4定位焊

定位焊應(yīng)采用與正式焊相同的焊接材料和焊接工藝，定位焊焊縫長(zhǎng)度宜為5～10mm，厚度不超過(guò)壁厚的2/3。另外，定位焊時(shí)應(yīng)注意施加管內(nèi)部的氣體保護(hù)，防止出現(xiàn)焊縫背部氧化，定位焊焊縫盡量保留。

3.5焊接操作要點(diǎn)

(1)引弧前應(yīng)提前送氣，確保焊槍、拖罩內(nèi)的空氣已排凈。

(2)在保證熔合的前提下應(yīng)盡量選擇小的焊接電流。焊接電弧燃燒過(guò)程中，應(yīng)保證焊絲端部始終處于焊槍保護(hù)氣的保護(hù)之下。

(3)焊接電弧中斷時(shí)，應(yīng)保持焊槍的位置不動(dòng)，使得剛完成的焊縫在溫度降至400℃之前仍然處在氬氣的良好保護(hù)之下。據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，直徑101.6mm(4in)管的焊縫在焊接電弧中斷后需至少通氣保護(hù)45s方可保證較好的焊縫表面顏色。具體的通氣時(shí)間可隨管材的尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

(4)焊接電弧中斷后，應(yīng)注意將焊絲端部繼續(xù)保留在焊槍保護(hù)氣中一段時(shí)間，防止直接取出后焊絲端部氧化發(fā)藍(lán)。如果保護(hù)不慎導(dǎo)致焊絲端部發(fā)藍(lán)，則繼續(xù)焊接之前，應(yīng)將發(fā)藍(lán)部分去除，去除長(zhǎng)度應(yīng)≥25mm。

3.6氣體保護(hù)

(1)氬氣輸送管應(yīng)采用塑料軟管，不應(yīng)使用橡膠軟管，防止焊口被橡膠顆粒污染。

(2)焊接開(kāi)始前及焊接過(guò)程中，應(yīng)使用測(cè)氧儀檢測(cè)管子內(nèi)部充氣區(qū)域的氧氣含量，保證氧氣含量始終＜50×10^－6。

(3)焊前應(yīng)根據(jù)焊件尺寸預(yù)先制作或采購(gòu)合適的氬氣拖罩，以保證焊縫及熱影響區(qū)在冷卻至400℃之前一直處于氬氣的良好保護(hù)下。實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)管材直徑選擇匹配的氬氣拖罩，具體見(jiàn)表5，實(shí)際應(yīng)用的拖罩如圖2所示。

3.7色澤檢驗(yàn)

在焊接過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)焊縫原始狀態(tài)的外觀顏色進(jìn)行自檢，如果出現(xiàn)顏色不符合要求的焊縫，應(yīng)及時(shí)將其清除重焊。鈦焊縫經(jīng)常出現(xiàn)的顏色及對(duì)應(yīng)的處理方法見(jiàn)表6，實(shí)際生產(chǎn)中良好焊縫的外觀如圖3所示。

4、結(jié)論

(1)采用文中介紹的焊接工藝，進(jìn)行TA2工業(yè)純鈦管材的焊接，能夠得到性能合格的焊接接頭。

(2)焊接施工過(guò)程中對(duì)文中所述的各環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，能夠保證工業(yè)純鈦管材的焊接質(zhì)量和焊接合格率。

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