TA2工业纯钛管焊接性分析与工艺试验

引言

钛及钛合金是一种优良的结构材料，具有密度小、比强度高、耐热耐腐蚀性好、可加工性好等特点，是很好的热强合金材料，因此，钛及钛合金在航空航天、化工、造船、冶金、仪器仪表等领域得到了广泛的应用，是很有发展前途的有色金属材料，在很多有腐蚀性的场合都可以用到该材料。

山东烟台氯碱项目某装置的工作介质是纯度很高的碱性溶液。由于生产条件要求比较高，工艺复杂，且介质具有很强的腐蚀性，故选用TA2工业纯钛制作这种腐蚀性介质的输送设施。

1、TA2工业纯钛的焊接性分析

为正确制订TA2的焊接工艺，提高焊接质量，必须深入了解TA2的化学成分和特殊焊接性。

1.1TA2工业纯钛的化学成分分析

工业纯钛中的杂质有H，O，Fe，Si，C，N等，TA2工业纯钛的化学成分见表1。其中O，N，C与Ti形成间隙固溶体，Fe，Si等元素与Ti形成置换固溶体，起固溶强化的作用，显著提高钛的强度和硬度，降低其塑性和韧性。H以置换方式固溶于Ti中，微量的H可以使Ti韧性急剧降低，增大缺口敏感性，并引起氢脆［1］。

1.2焊接接头区的脆化

TA2工业纯钛焊接区易受气体等杂质的污染而脆化，造成脆化的主要元素有O，N，H，C等。TA2常温下比较稳定，但是随着温度的升高，吸收O，N，H的能力也明显提升，Ti从250℃开始吸收H，从400℃开始吸收O，从600℃开始吸收N。因此在焊前和焊接过程中严格清理和保护焊材以及母材，对温度超过250℃的区域进行惰性气体保护，因为Ti从250℃开始吸收H，而H对焊缝的影响最大。在选用焊材时要严格控制O，N，H，C等元素的含量。

1.3焊接区的裂纹倾向

钛在焊接过程中一般出现的焊接裂纹主要是热裂纹、冷裂纹和延迟裂纹。由于工业纯钛中含C杂质较少，在晶界处很少有低熔点共晶生成，而且结晶温度区间窄，焊缝收缩量小，因此，工业纯钛对热裂纹的敏感性低。但当母材和焊丝质量差时会导致焊缝产生热裂纹。

当焊缝金属中含O，N较高时，焊缝变脆，在较大的焊接应力作用下会出现冷裂纹。焊接钛时，热影响区有时也会出现延迟裂纹，而H是引起延迟裂纹的主要原因。防止产生延迟裂纹的方法主要是减少焊接接头处H的来源，按照GB/T3624—2010《钛及钛合金无缝管》和GB/T3623—2007《钛及钛合金丝》的技术标准中的要求选用真空退火处理态（M）的母材和焊丝，且进行严格的焊前清理和焊接过程保护操作，以减少焊接接头中的H含量。

1.4焊缝气孔

气孔是钛及钛合金焊接时比较容易出现的缺陷，O2，N2，H2，CO2，H2O都有可能引起气孔。引起产生气孔的主要因素包括母材材质和焊接工艺两个方面。为了防止焊接区产生气孔，减少气体的来源，一般采取以下措施：

①严格限制原材料中H，N，O等杂质的含量，保护气体采用纯度不低于99.99%的氩气，采用机械方法加工坡口，焊前仔细清理母材及焊材表面的氧化膜、油污以及水分等杂质。

②焊件清理后焊接的时间间隔一般不要超过4h，否则要妥善保存焊件，清理后的坡口和焊丝表面不要用手直接触摸，以防吸潮。

③正确选用焊接工艺参数，延长熔池停留时间，以便气泡逸出，控制氩气流量的均匀性。

2、TA2工业纯钛的焊接工艺

2.1焊接方法及焊接材料

考虑TA2的特殊焊接性，焊接方法选用钨极氩弧焊，采用直流电源，正接法；根据母材TA2的化学成分（表1）［2］和力学性能（表2），结合NB/T47018.7—2011《承压设备用焊接材料订货技术条件-钛及钛合金焊丝和填充丝》标准的要求，焊接材料选用真空退火状态（M）的ERTA2ELI的焊丝，规格准2.0mm，其化学成分和力学性能分别见表3及表4［3］；保护气体选用纯度高于99.99%的氩气；为了防止保护拖罩受热时元素扩散而污染焊缝及热影响区，焊接拖罩采用铜质拖罩，在拖罩的内部隔一层铜网如图1所示，以使保护气体形成均匀的气流。

2.2焊前准备

（1）坡口加工

采用机械加工方法，加工后的坡口表面应平整、光滑，不能有毛刺、分层及氧化色，坡口表面应呈现银白色金属光泽，坡口形式及尺寸如图2所示。

（2）焊前清理

用不锈钢砂轮和不锈钢丝刷清除坡口表面及其两侧各25mm范围内的内外表面和焊丝的油污、水分、氧化膜、表面缺陷、有机杂质等，清洁工具专用并保持清洁。经机械清理后的表面，焊接前使用不含硫丙酮或乙醇进行脱脂处理，不得使用氯化物溶剂，不得将棉质纤维附于坡口表面。清理后的焊件和焊丝应保持干燥，焊前不得用手直接触摸，若用手触摸或清理后超过4h未焊接应重新清理［4］。

2.3焊接操作及焊接工艺参数

焊接组对时错边量不超过母材厚度的10%，且不高于1mm。

钛焊接时容易形成较大的熔池，而且熔池的温度高，在高温停留的时间比较长，晶粒长大的倾向大，导致产生裂纹，因此，在焊接时严格控制焊接热输入；采用较小的焊接电流和较快的焊接速度，焊接工艺参数见表5；层间温度保持在70℃以下；焊接时应对温度超过250℃的区域进行气体保护，采用氩气三级保护：焊枪中Ar流量10～15L/min，拖罩和背面20～25L/min。焊接时环境风速不能超过1m/s，空气相对湿度不能超过70%。中途停焊后重新进行焊接时应重叠5～10mm，避免冷却过快，形成弧坑裂纹以及一部分气体来不及逸出而形成气孔缺陷。

钛及钛合金焊接时根据表面形成的氧化膜颜色判断焊缝及热影响区的优劣，一般焊后表面颜色银白色为最优，其次为金黄色，蓝色最差。

2.4无损检测

焊后24h进行100%RT检测，按NB/T47013.2—2015标准，Ⅱ级合格。

2.5力学性能试验

焊后通过2个拉伸试样和4个弯曲试样试验，结果符合NB/T47014—2011标准要求。

3、结论

（1）TA2工业纯钛的焊接性良好。

（2）母材和焊材选用退火态（M），化学成分及力学性能必须符合相关标准要求。

（3）焊接热输入≤13kJ/cm。

（4）焊前清理和焊接操作过程中的保护非常重要，按照上述工艺规程进行操作，可以有效地避免裂纹、气孔等缺陷。

（5）露天作业时必须搭建防风棚。

（6）焊接时提前送气保护、滞后停止送气。

（7）温度超过250℃的区域进行氩气保护；焊接时采用氩气三级保护：焊枪、拖罩、背面充氩。

（8）焊后表面银白色良好，金黄色合格，蓝色不合格。

参考文献：

［1］李亚江.焊接冶金学材料焊接性［M］.北京：机械工业出版社，2006：184.

［2］中国国家标准化管理委员会.GB/T3624—2010钛及钛合金无缝管［S］.

［3］中国国家标准化管理委员会.GB/T3623—2007钛及钛合金无缝管［S］.

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50236—2011现场设备，工业管道焊接施工规范［S］.北京：中国计划出版社，2011：33.