引言

鈦及鈦合金是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、耐熱耐腐蝕性好、可加工性好等特點(diǎn)，是很好的熱強(qiáng)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是很有發(fā)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(tái)氯堿項(xiàng)目某裝置的工作介質(zhì)是純度很高的堿性溶液。由于生產(chǎn)條件要求比較高，工藝復(fù)雜，且介質(zhì)具有很強(qiáng)的腐蝕性，故選用TA2工業(yè)純鈦制作這種腐蝕性介質(zhì)的輸送設(shè)施。

1、TA2工業(yè)純鈦的焊接性分析

為正確制訂TA2的焊接工藝，提高焊接質(zhì)量，必須深入了解TA2的化學(xué)成分和特殊焊接性。

1.1TA2工業(yè)純鈦的化學(xué)成分分析

工業(yè)純鈦中的雜質(zhì)有H，O，F(xiàn)e，Si，C，N等，TA2工業(yè)純鈦的化學(xué)成分見表1。其中O，N，C與Ti形成間隙固溶體，F(xiàn)e，Si等元素與Ti形成置換固溶體，起固溶強(qiáng)化的作用，顯著提高鈦的強(qiáng)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(qū)的脆化

TA2工業(yè)純鈦焊接區(qū)易受氣體等雜質(zhì)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(wěn)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(yán)格清理和保護(hù)焊材以及母材，對(duì)溫度超過250℃的區(qū)域進(jìn)行惰性氣體保護(hù)，因?yàn)門i從250℃開始吸收H，而H對(duì)焊縫的影響最大。在選用焊材時(shí)要嚴(yán)格控制O，N，H，C等元素的含量。

1.3焊接區(qū)的裂紋傾向

鈦在焊接過程中一般出現(xiàn)的焊接裂紋主要是熱裂紋、冷裂紋和延遲裂紋。由于工業(yè)純鈦中含C雜質(zhì)較少，在晶界處很少有低熔點(diǎn)共晶生成，而且結(jié)晶溫度區(qū)間窄，焊縫收縮量小，因此，工業(yè)純鈦對(duì)熱裂紋的敏感性低。但當(dāng)母材和焊絲質(zhì)量差時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生熱裂紋。

當(dāng)焊縫金屬中含O，N較高時(shí)，焊縫變脆，在較大的焊接應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)冷裂紋。焊接鈦時(shí)，熱影響區(qū)有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)延遲裂紋，而H是引起延遲裂紋的主要原因。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(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的要求選用真空退火處理態(tài)（M）的母材和焊絲，且進(jìn)行嚴(yán)格的焊前清理和焊接過程保護(hù)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(shí)比較容易出現(xiàn)的缺陷，O2，N2，H2，CO2，H2O都有可能引起氣孔。引起產(chǎn)生氣孔的主要因素包括母材材質(zhì)和焊接工藝兩個(gè)方面。為了防止焊接區(qū)產(chǎn)生氣孔，減少氣體的來源，一般采取以下措施：

①嚴(yán)格限制原材料中H，N，O等雜質(zhì)的含量，保護(hù)氣體采用純度不低于99.99%的氬氣，采用機(jī)械方法加工坡口，焊前仔細(xì)清理母材及焊材表面的氧化膜、油污以及水分等雜質(zhì)。

②焊件清理后焊接的時(shí)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(shù)，延長熔池停留時(shí)間，以便氣泡逸出，控制氬氣流量的均勻性。

2、TA2工業(yè)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(jù)母材TA2的化學(xué)成分（表1）［2］和力學(xué)性能（表2），結(jié)合NB/T47018.7—2011《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件-鈦及鈦合金焊絲和填充絲》標(biāo)準(zhǔn)的要求，焊接材料選用真空退火狀態(tài)（M）的ERTA2ELI的焊絲，規(guī)格準(zhǔn)2.0mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表3及表4［3］；保護(hù)氣體選用純度高于99.99%的氬氣；為了防止保護(hù)拖罩受熱時(shí)元素?cái)U(kuò)散而污染焊縫及熱影響區(qū)，焊接拖罩采用銅質(zhì)拖罩，在拖罩的內(nèi)部隔一層銅網(wǎng)如圖1所示，以使保護(hù)氣體形成均勻的氣流。

2.2焊前準(zhǔn)備

（1）坡口加工

采用機(jī)械加工方法，加工后的坡口表面應(yīng)平整、光滑，不能有毛刺、分層及氧化色，坡口表面應(yīng)呈現(xiàn)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(cè)各25mm范圍內(nèi)的內(nèi)外表面和焊絲的油污、水分、氧化膜、表面缺陷、有機(jī)雜質(zhì)等，清潔工具專用并保持清潔。經(jīng)機(jī)械清理后的表面，焊接前使用不含硫丙酮或乙醇進(jìn)行脫脂處理，不得使用氯化物溶劑，不得將棉質(zhì)纖維附于坡口表面。清理后的焊件和焊絲應(yīng)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(yīng)重新清理［4］。

2.3焊接操作及焊接工藝參數(shù)

焊接組對(duì)時(shí)錯(cuò)邊量不超過母材厚度的10%，且不高于1mm。

鈦焊接時(shí)容易形成較大的熔池，而且熔池的溫度高，在高溫停留的時(shí)間比較長，晶粒長大的傾向大，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋，因此，在焊接時(shí)嚴(yán)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(shù)見表5；層間溫度保持在70℃以下；焊接時(shí)應(yīng)對(duì)溫度超過250℃的區(qū)域進(jìn)行氣體保護(hù)，采用氬氣三級(jí)保護(hù)：焊槍中Ar流量10～15L/min，拖罩和背面20～25L/min。焊接時(shí)環(huán)境風(fēng)速不能超過1m/s，空氣相對(duì)濕度不能超過70%。中途停焊后重新進(jìn)行焊接時(shí)應(yīng)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(shí)根據(jù)表面形成的氧化膜顏色判斷焊縫及熱影響區(qū)的優(yōu)劣，一般焊后表面顏色銀白色為最優(yōu)，其次為金黃色，藍(lán)色最差。

2.4無損檢測

焊后24h進(jìn)行100%RT檢測，按NB/T47013.2—2015標(biāo)準(zhǔn)，Ⅱ級(jí)合格。

2.5力學(xué)性能試驗(yàn)

焊后通過2個(gè)拉伸試樣和4個(gè)彎曲試樣試驗(yàn)，結(jié)果符合NB/T47014—2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

3、結(jié)論

（1）TA2工業(yè)純鈦的焊接性良好。

（2）母材和焊材選用退火態(tài)（M），化學(xué)成分及力學(xué)性能必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(hù)非常重要，按照上述工藝規(guī)程進(jìn)行操作，可以有效地避免裂紋、氣孔等缺陷。

（5）露天作業(yè)時(shí)必須搭建防風(fēng)棚。

（6）焊接時(shí)提前送氣保護(hù)、滯后停止送氣。

（7）溫度超過250℃的區(qū)域進(jìn)行氬氣保護(hù)；焊接時(shí)采用氬氣三級(jí)保護(hù)：焊槍、拖罩、背面充氬。

（8）焊后表面銀白色良好，金黃色合格，藍(lán)色不合格。

參考文獻(xiàn)：

［1］李亞江.焊接冶金學(xué)材料焊接性［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：184.

［2］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T3624—2010鈦及鈦合金無縫管［S］.

［3］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).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(xiāng)建設(shè)部.GB50236—2011現(xiàn)場設(shè)備，工業(yè)管道焊接施工規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2011：33.

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