鈦材越來(lái)越廣泛用于化工醫(yī)藥等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備制造和安裝行業(yè)。鈦材特點(diǎn)是密度小、強(qiáng)度高?在海水和大多數(shù)酸、堿、鹽介質(zhì)中均具有優(yōu)良的耐腐蝕性。在尿素、硝酸、農(nóng)藥等生產(chǎn)中?其抗腐蝕性遠(yuǎn)高于超低碳奧氏體不銹鋼。大量用于化工過(guò)程設(shè)備。但由于鈦的焊接變形大?校形困難；鈦在冷加工時(shí)易產(chǎn)生裂紋；其冷作硬化傾向的強(qiáng)化程度隨變形速度而加劇；變形速度對(duì)加工零件的極限程度和質(zhì)量都有很大影響。更不利的是鈦制設(shè)備不容易返修好?有時(shí)會(huì)產(chǎn)生愈返修效果愈差的情況。針對(duì)鈦的這些特性?鈦儲(chǔ)罐、鈦反應(yīng)釜、鈦換熱器等鈦設(shè)備在施焊過(guò)程中需要采取一些特殊工藝措施和技術(shù)手段?才能保證焊接質(zhì)量。

1 、鈦材特性

設(shè)備常用鈦材按生產(chǎn)成型的方式不同?可分為壓力加工鈦材、鑄材及粉末冶金鈦等。其中壓力加工鈦材是化工設(shè)備用鈦中用量最多的類型。設(shè)備用鈦要求有更優(yōu)越的塑性和焊接性能?鈦材中雜質(zhì)含量會(huì)嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量?含氫會(huì)使鈦材產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象?并產(chǎn)生腐蝕針孔；鈦中氧含量增高會(huì)導(dǎo)致氣孔；鈦中含鐵量過(guò)高?容易在焊縫附近出現(xiàn)穩(wěn)定的富鐵相區(qū)?與鈦基形成腐蝕電池?使鈦發(fā)生電化腐蝕等。因此設(shè)備用鈦選用雜質(zhì)含量較低的工業(yè)純鈦和低合金鈦牌 號(hào)?如常用的有TA0、TA1、TA2、TA3、TA9、TA10等?它們具有良好的耐蝕性、塑性、韌性?主要用于化工設(shè)備的耐蝕結(jié)構(gòu)材料。表 1是鈦材在幾種介質(zhì)中的耐腐蝕情況。

2、 常見(jiàn)焊接缺陷分析

（1） 燒穿。燒穿多發(fā)生在薄板焊接。其原因是：裝配間隙過(guò)大?難以承托熔化金屬；背面保護(hù)氣流過(guò)大而沖破熔融金屬；電流過(guò)大?焊速過(guò)慢；焊縫外有灰塵或雜物?焊接過(guò)程中引起爆炸沖掉熔池金屬液。

（2） 斷裂。引起鈦材焊縫斷裂的因素相當(dāng)復(fù)雜?但最主要的是氫、氧、氮等雜質(zhì)的污染。焊縫吸氫量超過(guò)室溫下的固溶度?同時(shí)又受氧、氮等污染嚴(yán)重時(shí)?就會(huì)出現(xiàn)氫脆斷裂。該斷裂有的是在運(yùn)輸或使用過(guò)程出現(xiàn)?也有的是在焊后放置一段時(shí)間后出現(xiàn)。如某企業(yè)曾焊接一個(gè)材質(zhì)為工業(yè)純鈦的二氧化碳汽提塔?焊后質(zhì)檢合格?但放置一段時(shí)間后?焊縫出現(xiàn)裂紋。防止鈦焊縫斷裂?除采取適當(dāng)焊接措施及加入合金元素來(lái)增大氫的固溶度外?最主要是防止吸氫及氧、氮的污染?因此焊前清理及焊接過(guò)程中進(jìn)行保護(hù)極為重要。

（3） 氣孔。氣孔有內(nèi)、外兩種。外氣孔通常產(chǎn)生于焊縫表面；內(nèi)氣孔通常產(chǎn)生在熔合線附近。一般來(lái)說(shuō)?氫和氧及表面上存在的吸附水分和氣體是形成氣孔的一些因素。其來(lái)源主要有：母材及焊絲中氫氧含量過(guò)高?坡口過(guò)小而焊時(shí)熔質(zhì)過(guò)多?這主要形成內(nèi)氣孔；焊接時(shí)保護(hù)不善?大量吸氣；表面清理不凈?有油脂及其他有機(jī)物污染；保護(hù)氣體純度不高?濕度過(guò)大。

（4） 焊縫腐蝕。受鐵污染嚴(yán)重時(shí)?焊縫會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的富鐵相區(qū)?與鐵基形成腐蝕電池而發(fā)生電化腐蝕。所以機(jī)加工后的坡口?必須經(jīng)酸洗才能施焊。此外?氣孔也會(huì)引起針孔腐蝕。

除以上焊接缺陷外?筆者在多次對(duì)鈦設(shè)備焊接試驗(yàn)和焊接制作實(shí)踐中?發(fā)現(xiàn)一種新的裂紋?即焊縫處經(jīng)過(guò)多次反復(fù)加熱、冷卻形成的裂紋?暫稱為焊接循環(huán)溫變裂紋。

它多發(fā)生在厚板的多層多道焊縫區(qū)域。特征是：裂紋區(qū)材質(zhì)塑性、韌性降低?晶粒松弛?晶格歪扭?有局部硬化現(xiàn)象。有時(shí)裂紋旁伴有更微細(xì)裂紋。它發(fā)生的滯后性強(qiáng)?其隱蔽性危害性比延遲冷裂紋更大。筆者認(rèn)為?由于鈦材焊縫處多次反復(fù)加熱與冷卻?應(yīng)力不斷擴(kuò)張、收縮?致使焊縫疲勞開(kāi)裂；再者?加熱過(guò)程晶粒不斷長(zhǎng)大?使粗化晶粒間松弛、脆弱?出現(xiàn)裂紋等。因此?從焊接工藝角度看?適當(dāng)控制焊接最高加熱溫度、加熱速度、高溫停留時(shí)間和冷卻速度及盡量減少焊縫區(qū)的加熱與冷卻頻率和次數(shù)?是必須要注意的問(wèn)題。

3、 鈦設(shè)備焊接工藝的優(yōu)化

3?1焊接方法的選用

鈦和鈦合金的焊接方法主要有惰性氣體保護(hù)電弧焊、等離子焊、電子束焊等。一般情況采用惰性氣體保護(hù)焊?通常是氬氣保護(hù)焊。為獲得優(yōu)質(zhì)焊縫?對(duì)焊接熔池及400℃以上的熱影響區(qū)都必須采取保護(hù)措施?以免受空氣中的氣體污染。對(duì)大型工件及薄板 （3～12mm） 的焊接應(yīng)采用等離子焊?等離子焊速度快、焊縫窄、焊接熱影響區(qū)小?且由于鎢極縮于噴嘴內(nèi)?焊縫可避免鎢污染?焊縫成型美觀。但由于其線能量大?需加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)及冷卻效果。而對(duì)于小型、重要零件的焊接則應(yīng)選用電子束焊?并且必須在真空箱中進(jìn)行。

3?2焊絲

鈦設(shè)備要求焊后狀態(tài)的焊接接頭的強(qiáng)度不低于鈦材母材標(biāo)準(zhǔn)的下限?伸長(zhǎng)率不低于或至少接近于鈦材母材標(biāo)準(zhǔn)的下限?所以容器用鈦焊絲要求更低的雜質(zhì)含量才能使焊接接頭達(dá)到足夠的塑性要求。容器用鈦焊絲應(yīng)按JＢ4745－2000 “鈦制焊接容器 ” 中規(guī)定的容器用鈦焊絲?見(jiàn)表 2。

一般來(lái)說(shuō)?根據(jù)母材牌號(hào)選用相應(yīng)牌號(hào)的焊絲。對(duì)于容器用鈦焊絲?要求通過(guò)規(guī)定的焊接工藝評(píng)定。另外?由于焊縫強(qiáng)度與塑性受其他焊接工藝的影響?有可能采用相應(yīng)牌號(hào)的焊絲不一定能與母材有最好的匹配?這時(shí)可選用純度高一級(jí)或低一級(jí)的工業(yè)純鈦焊絲：如焊縫強(qiáng)度偏高太多?可改用純度高一級(jí)的焊絲；如焊縫強(qiáng)度偏低?可改用純度低一級(jí)的焊絲。焊絲的選用仍根據(jù)焊接工藝評(píng)定結(jié)果來(lái)確定。

3?3焊接工藝優(yōu)化

（1） 焊接前的準(zhǔn)備。鈦制設(shè)備在焊前的準(zhǔn)備工作極為重要?尤其是在焊接過(guò)程中焊縫的污染和熱影響問(wèn)題。焊縫只要受到小量的有害雜質(zhì)的污染?就會(huì)嚴(yán)重影響焊縫的質(zhì)量?影響設(shè)備使用甚至報(bào)廢。所以鈦和鈦合金在焊接前必須進(jìn)行嚴(yán)格的清理?并在焊接過(guò)程中采取有效措施防止有害雜質(zhì)的污染。焊接前的準(zhǔn)備工作包括下料、開(kāi)坡口、除氫、表面清理、工件裝夾。每道工序都要對(duì)焊件表面進(jìn)行清理。采用惰性氣體保護(hù)焊時(shí)厚度為 3㎜以下鈦板不開(kāi)坡口?3㎜以上必須開(kāi)坡口。并應(yīng)選刨、銑、磨等機(jī)加工方法加工坡口?嚴(yán)格控制尺寸。

由于氫含量過(guò)高?會(huì)使焊縫產(chǎn)生氣孔、微裂紋、氫脆等現(xiàn)象?因此必須在真空爐中進(jìn)行除氫處理?使氫含量降低到 0?002％以下。并在焊前對(duì)鈦板的焊邊及焊絲表面進(jìn)行除油脂、清除氧化皮及吸氣層處理。表面徹底清理完畢即可進(jìn)行工件裝夾。在裝夾過(guò)程中操作人員必須帶清潔手套?不要觸摸焊口和焊口附近。嚴(yán)禁用鐵器敲打焊口?以免焊口受鐵污染引起焊縫脆化及降低耐蝕性。工件裝夾好后還必須對(duì)焊口進(jìn)行一次檢查?油污或棉紗毛等物都要清除干凈才能施焊。

（2） 焊接工藝的優(yōu)化。為保證焊縫得到良好的力學(xué)性能?除了對(duì)鈦材及焊絲成分的純度要求不低于所規(guī)定的成分外?對(duì)保護(hù)氣體及溶劑成分的純度還要提出特殊要求。氬氣的純度不低于 99?99％?即雜質(zhì) Ｏ2 含量 ＜0?003％?Ｎ2含量 ＜0?01％?濕度 ＜0?03ｇ/ｍ³。焊接過(guò)程中?要選擇正確的焊接規(guī)程?并在保證焊縫成型良好的前提下?采用較小電流和較快速度進(jìn)行焊接?以防止熱影響區(qū)過(guò)大。對(duì)于手工氬弧焊?為得到良好的保護(hù)效果?噴嘴應(yīng)盡量垂直于焊件平面?并靠近焊件。焊絲要間斷加入熔池填充焊縫?但不能把焊絲端頭紅熱部分從噴嘴有效保護(hù)區(qū)內(nèi)拿出?以免焊絲氧化。焊絲不能在電弧區(qū)劇烈擺動(dòng)?否則會(huì)破壞噴嘴層流保護(hù)區(qū)。

（3） 焊接技術(shù)措施。① 薄板焊接。薄板容易變形?焊接裝夾必須采取壓板和墊板。壓板及墊板可用不銹鋼或紫銅。用導(dǎo)熱性能好的紫銅時(shí)?焊出的焊縫性能好。如果所選用的壓板為不銹鋼?墊板為紫銅時(shí)?在噴嘴處還應(yīng)加保護(hù)罩保護(hù)?否則焊縫和熱影響區(qū)就會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象。②厚板焊接。鈦厚板焊接也可以用銅壓板及銅壓塊?以便加速焊縫冷卻。由于厚板焊接熱影響區(qū)寬?散熱慢?需要用較寬和較長(zhǎng)的保護(hù)拖罩?最好拖罩通水冷卻。厚板焊接最好采用等離子焊或熔化極電弧焊。采用正極性焊時(shí)飛濺小?成型較好；用反極性焊時(shí)?焊絲熔化速度較快?適于大坡口的厚板焊接。③ 復(fù)合板焊接。由于鈦與鋼不能直接熔焊?所以對(duì)鈦－鋼復(fù)合板的焊接可選用間接式焊接接頭?即鈦面、鋼面各自焊接?復(fù)合層間互不熔合。

（4） 氬氣保護(hù)效果檢驗(yàn)與返修。氬氣保護(hù)方面應(yīng)加以重視。因鈦在 350℃以上會(huì)強(qiáng)烈吸氫、脆化?引起氣孔及裂紋?焊接時(shí)必須將焊接接頭及附近區(qū)保護(hù)到 200℃為止。每一焊縫要根據(jù)行業(yè)判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行表面顏色檢查（見(jiàn)表 3）。

對(duì)表面顏色不合格的焊縫和熱影響區(qū)?須用砂輪或風(fēng)鏟全部除去?然后重焊。補(bǔ)焊次數(shù)最多不能超過(guò)兩次。補(bǔ)焊位置應(yīng)在質(zhì)量證明書(shū)上注明。

總之?在鈦設(shè)備焊接制作中?只要有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施?嚴(yán)格把好各施焊環(huán)節(jié)質(zhì)量關(guān)?就可取得良好制作效果。

參考文獻(xiàn)：

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