發布日期：2023-10-26 17:25:50
引言
鈦及鈦合金是一種優良的結構材料，具有密度小、比強度高、耐熱耐腐蝕性好、可加工性好等特點，是很好的熱強合金材料，因此，鈦及鈦合金在航空航天、化工、造船、冶金、儀器儀表等領域得到了廣泛的應用，是很有發展前途的有色金屬材料，在很多有腐蝕性的場合都可以用到該材料。
山東煙臺氯堿項目某裝置的工作介質是純度很高的堿性溶液。由于生產條件要求比較高，工藝復雜，且介質具有很強的腐蝕性，故選用TA2工業純鈦制作這種腐蝕性介質的輸送設施。
1、TA2工業純鈦的焊接性分析
為正確制訂TA2的焊接工藝，提高焊接質量，必須深入了解TA2的化學成分和特殊焊接性。
1.1TA2工業純鈦的化學成分分析
工業純鈦中的雜質有H，O，Fe，Si，C，N等，TA2工業純鈦的化學成分見表1。其中O，N，C與Ti形成間隙固溶體，Fe，Si等元素與Ti形成置換固溶體，起固溶強化的作用，顯著提高鈦的強度和硬度，降低其塑性和韌性。H以置換方式固溶于Ti中，微量的H可以使Ti韌性急劇降低，增大缺口敏感性，并引起氫脆［1］。
1.2焊接接頭區的脆化
TA2工業純鈦焊接區易受氣體等雜質的污染而脆化，造成脆化的主要元素有O，N，H，C等。TA2常溫下比較穩定，但是隨著溫度的升高，吸收O，N，H的能力也明顯提升，Ti從250℃開始吸收H，從400℃開始吸收O，從600℃開始吸收N。因此在焊前和焊接過程中嚴格清理和保護焊材以及母材，對溫度超過250℃的區域進行惰性氣體保護，因為Ti從250℃開始吸收H，而H對焊縫的影響最大。在選用焊材時要嚴格控制O，N，H，C等元素的含量。
1.3焊接區的裂紋傾向
鈦在焊接過程中一般出現的焊接裂紋主要是熱裂紋、冷裂紋和延遲裂紋。由于工業純鈦中含C雜質較少，在晶界處很少有低熔點共晶生成，而且結晶溫度區間窄，焊縫收縮量小，因此，工業純鈦對熱裂紋的敏感性低。但當母材和焊絲質量差時會導致焊縫產生熱裂紋。
當焊縫金屬中含O，N較高時，焊縫變脆，在較大的焊接應力作用下會出現冷裂紋。焊接鈦時，熱影響區有時也會出現延遲裂紋，而H是引起延遲裂紋的主要原因。防止產生延遲裂紋的方法主要是減少焊接接頭處H的來源，按照GB/T3624—2010《鈦及鈦合金無縫管》和GB/T3623—2007《鈦及鈦合金絲》的技術標準中的要求選用真空退火處理態（M）的母材和焊絲，且進行嚴格的焊前清理和焊接過程保護操作，以減少焊接接頭中的H含量。
1.4焊縫氣孔
氣孔是鈦及鈦合金焊接時比較容易出現的缺陷，O2，N2，H2，CO2，H2O都有可能引起氣孔。引起產生氣孔的主要因素包括母材材質和焊接工藝兩個方面。為了防止焊接區產生氣孔，減少氣體的來源，一般采取以下措施：
①嚴格限制原材料中H，N，O等雜質的含量，保護氣體采用純度不低于99.99%的氬氣，采用機械方法加工坡口，焊前仔細清理母材及焊材表面的氧化膜、油污以及水分等雜質。
②焊件清理后焊接的時間間隔一般不要超過4h，否則要妥善保存焊件，清理后的坡口和焊絲表面不要用手直接觸摸，以防吸潮。
③正確選用焊接工藝參數，延長熔池停留時間，以便氣泡逸出，控制氬氣流量的均勻性。
2、TA2工業純鈦的焊接工藝
2.1焊接方法及焊接材料
考慮TA2的特殊焊接性，焊接方法選用鎢極氬弧焊，采用直流電源，正接法；根據母材TA2的化學成分（表1）［2］和力學性能（表2），結合NB/T47018.7—2011《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件-鈦及鈦合金焊絲和填充絲》標準的要求，焊接材料選用真空退火狀態（M）的ERTA2ELI的焊絲，規格準2.0mm，其化學成分和力學性能分別見表3及表4［3］；保護氣體選用純度高于99.99%的氬氣；為了防止保護拖罩受熱時元素擴散而污染焊縫及熱影響區，焊接拖罩采用銅質拖罩，在拖罩的內部隔一層銅網如圖1所示，以使保護氣體形成均勻的氣流。
2.2焊前準備
（1）坡口加工
采用機械加工方法，加工后的坡口表面應平整、光滑，不能有毛刺、分層及氧化色，坡口表面應呈現銀白色金屬光澤，坡口形式及尺寸如圖2所示。
（2）焊前清理
用不銹鋼砂輪和不銹鋼絲刷清除坡口表面及其兩側各25mm范圍內的內外表面和焊絲的油污、水分、氧化膜、表面缺陷、有機雜質等，清潔工具專用并保持清潔。經機械清理后的表面，焊接前使用不含硫丙酮或乙醇進行脫脂處理，不得使用氯化物溶劑，不得將棉質纖維附于坡口表面。清理后的焊件和焊絲應保持干燥，焊前不得用手直接觸摸，若用手觸摸或清理后超過4h未焊接應重新清理［4］。
2.3焊接操作及焊接工藝參數
焊接組對時錯邊量不超過母材厚度的10%，且不高于1mm。
鈦焊接時容易形成較大的熔池，而且熔池的溫度高，在高溫停留的時間比較長，晶粒長大的傾向大，導致產生裂紋，因此，在焊接時嚴格控制焊接熱輸入；采用較小的焊接電流和較快的焊接速度，焊接工藝參數見表5；層間溫度保持在70℃以下；焊接時應對溫度超過250℃的區域進行氣體保護，采用氬氣三級保護：焊槍中Ar流量10～15L/min，拖罩和背面20～25L/min。焊接時環境風速不能超過1m/s，空氣相對濕度不能超過70%。中途停焊后重新進行焊接時應重疊5～10mm，避免冷卻過快，形成弧坑裂紋以及一部分氣體來不及逸出而形成氣孔缺陷。
鈦及鈦合金焊接時根據表面形成的氧化膜顏色判斷焊縫及熱影響區的優劣，一般焊后表面顏色銀白色為最優，其次為金黃色，藍色最差。
2.4無損檢測
焊后24h進行100%RT檢測，按NB/T47013.2—2015標準，Ⅱ級合格。
2.5力學性能試驗
焊后通過2個拉伸試樣和4個彎曲試樣試驗，結果符合NB/T47014—2011標準要求。
3、結論
（1）TA2工業純鈦的焊接性良好。
（2）母材和焊材選用退火態（M），化學成分及力學性能必須符合相關標準要求。
（3）焊接熱輸入≤13kJ/cm。
（4）焊前清理和焊接操作過程中的保護非常重要，按照上述工藝規程進行操作，可以有效地避免裂紋、氣孔等缺陷。
（5）露天作業時必須搭建防風棚。
（6）焊接時提前送氣保護、滯后停止送氣。
（7）溫度超過250℃的區域進行氬氣保護；焊接時采用氬氣三級保護：焊槍、拖罩、背面充氬。
（8）焊后表面銀白色良好，金黃色合格，藍色不合格。
參考文獻：
［1］李亞江.焊接冶金學材料焊接性［M］.北京：機械工業出版社，2006：184.
［2］中國國家標準化管理委員會.GB/T3624—2010鈦及鈦合金無縫管［S］.
［3］中國國家標準化管理委員會.GB/T3623—2007鈦及鈦合金無縫管［S］.
［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50236—2011現場設備，工業管道焊接施工規范［S］.北京：中國計劃出版社，2011：33.