论文部分内容阅读
【摘 要】 本文首先介绍了钛的焊接性，然后分析了钛管焊接技术措施，最后探讨了钛管焊接工艺控制要点。
【关键词】 钛管焊接；技术措施；工艺控制；要点
钛及钛合金是一种优良的金属结构材料，与钢相比具有密度小（约4.5g/cm2）、抗拉强度高、比强度大等特点，在300～500℃高温下钛合金仍具有足够高的强度和良好的高温性能，在航空、航天、石油化工、造船等工业部门日益获得广泛的应用。在化工烧碱项目中就有TA2管道安装。
1 钛的焊接性
1.1钛的熔点为1668℃，密度小，导热系数低。焊接时，焊缝区易产生粗大晶粒，形成过热组织而使塑性下降；焊接冷却较快又易产生不稳定的脆性钛马氏体，同样使得焊接接头的塑性下降，焊接施工中，对线能量和冷却速度要严格控制。
1.2钛的弹性模量小，焊接变形大；冷变形的回弹能力大成形困难。要采取措施预防变形。
1.3常温下钛的化学性质稳定，耐腐蚀性强。当达到熔融状态时，钛能够与周围气态元素氢、氧、氮、碳发生剧烈的化学反应，生成化合物，从而严重地影响焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能。必须采取钨极氩弧焊，并充分氩保护。
1.4铁的存在，会在富铁相区与A相区建立自发电池，产生电偶腐蚀，特别在是焊缝和热影响区会产生“优先腐蚀”；同时铁污染会导致加速吸氢，形成氢脆裂纹。因此，在焊接中要避免铁的污染。
1.5钛不能与其它金属熔焊，且易形成脆性的金属间化合物，引起焊缝脆化。
2 钛管焊接技术措施
为了使钛管焊接能够顺利进行，现场焊接施工中采取的主要技术措施有：妥善的防污染措施、严格的清理措施及有效的惰性气体保护措施。
2.1防污染措施
2.1.1准备好实施条件
在钛管预制加工和焊接前，就要准备好下列实施条件。
2.1.1.1设置专用场所
事先为钛管预制加工与焊接准备好专用场所。专用场所应设在封闭良好的厂房内，严禁碳钢、低合金钢材料混入，更不许在同一场所加工、焊接。加工场地应保持清洁、干燥且通风良好。
焊接作业尽量安排在室内进行，需要在室外焊接时应安装接口，要搭设好防风、防雨、防雪设施，以避免自然环境的不利影响。焊接环境温度不应低于0℃，相对湿度不应大于90%。
2.1.1.2安排专业人员
参加钛管预制加工和焊接的人员，应有一定的钛材加工和焊接知识，对从事钛材加工和焊接的人员，要进行专业培训，经考核合格后方能上岗操作。施工人员的衣着要清洁、操作时应带上防护罩，穿绝缘鞋及戴防护手套。
2.1.1.3使用专用工具
用于钛管预制加工和焊接的工具应为专用工具，并要妥善保管，保持清洁干净。
2.1.2采取有效的防范措施
在具备上述实施条件的基础上，在钛管预制加工中还要采取有效的防范措施，控制各种杂质的污染。
2.1.2.1防止杂质污染
在钛管预制加工中，要防止各种杂质的污染，尤其在采用气割方法切割管子和加工坡口时要及时清除表面污染层。
2.1.2.2防止铁污染
为防止铁污染，应尽量避免使用铁制、碳钢和低合金钢制工具加工钛管道，严禁使用碳钢钢丝刷，需要时可以使用奥氏体不锈钢钢丝刷。采用机械方法切割管子和开坡口时，应使用碳化硅或氧化铝砂轮机清除铁污染层。在钛管上做标记时，为防止铁污染，严禁打钢印，而用油漆做标记。
2.1.2.3防止过热
采用机械方法切割钛管和加工坡口时，被切割表面温度不得超过300℃，为防止过热变色，可采用喷水的方法进行冷却。
2.1.3保护措施
在施工和存放保管中，还要注意下述事项。
2.1.3.1待加工和加工完的钛管，均应用塑料布覆盖好，以防尘土、油污和杂物等的污染。
2.1.3.2对钛管进行分类存放，并摆放在清洁的垫木上。严禁与碳钢材料混堆，并不準与碳钢材料、机具接触和碰撞。
2.2采取严格的清理措施
在钛管焊接中，熔池中有氢、氧、氮、碳时，是形成焊接气孔的前提条件。焊前坡口表面与焊丝的清理程度对焊接质量的影响非常大。如果坡口及焊丝的表面吸附有湿气、水份、油污、灰尘、指纹，以及表面清理时残留的棉纱和清洗剂，都会造成焊接气孔。特别是在对接焊口的端面，如果存在以上脏物，影响尤其严重。为确保焊接质量，焊前对焊件的焊接保护区和焊丝必须进行严格、仔细的清理。现场采用的是“五步清理法”。具体的清理步骤如下。
2.2.1清理表面污物
钛管焊接接头的坡口端面、管壁内外表面及在距管端面40mm的范围内母材表面上的一切氧化皮、鳞片、漆膜、残留的污物、金属碎屑、磨料粉尘、灰尘及可与钛材发生化学作用的其它杂质，均要用奥氏体不锈钢丝刷和干净的新棉纱将其清除干净。粗切坡口表面毛刺及其它缺陷均要用细拉锉磨光。所有清理工具必须是专用的，不得使用砂纸和碳钢钢丝刷。
2.2.2脱脂处理
在表面污物被清理完后，进行碱洗做脱脂处理，除掉表面上的油脂和碳氢化合物。碱洗后，用脱脂棉擦干碱洗过的表面，不得使用普通的棉纱、棉布和破布等。脱脂时用Na0H水溶液进行碱洗，Na0H浓度为20-30%，温度在50～60℃之间，清洗时间为5-10min。
2.2.3酸洗处理
脱脂处理后，为了除掉表面的氧化膜，需要对表面进行酸洗处理。酸洗液是由盐酸、硝酸、氟化钠配制成的水溶液。其配方比例是：盐酸（比重1.19）270mL+硝酸（比重1.4）55mL十氟化钠40克，三者混合后加温水（40℃）至1000mL。
酸洗时，待表面呈现银白色为合格。酸洗时间也不能太长，否则容易造成酸洗时钛材吸氢。 2.2.4酸洗后的表面，立即用温度为60℃的清水彻底冲洗，除去残留在焊件表面上的酸液，然后用洁净的白布擦干。
2.2.5丙酮清洗
在施焊前，对钛管焊缝区表面还要用丙酮做最后一次清洗，以便彻底清除残留在焊件表面上的各种杂质。
完成“五步清理”的焊件，要立即进行施焊，不得停留时间过长，以免再次被污染。
2.2.6对于焊丝，按上述同样程序进行清理。
2.3惰性气体保护措施
由于钛在焊接热源作用下，从熔融状态到凝固态都会与空气中的氧、氮、氢、碳发生作用，因此要获得优良的焊接质量，对焊接区域采取惰性气体保护是至关重要的。现场用于钛管焊接的保护气体选择高纯氩气。具体措施如下。
2.3.1氩气纯度。氩气质量是确保焊接质量的重要因素之一，主要控制指标是纯度和含水量。氩气的纯度不得小于99.99%，水份含量不得大于50mg/m3（或露点在-40℃以下）。
2.3.2保护方法。采用双面保护法，管子的外面设保护罩，管子内面用密封隔板（法兰焊接时的保护方法与此大同小异）。
2.3.3保护范围。氩气保护分三个部分，同时进行，缺一不可。一是利用焊炬喷咀保护熔池区，二是利用保护罩保护温度在300℃以上的焊缝区和热影响区，三是利用密封隔板在管内充氮气保护温度高于300℃的内表面。
2.3.4外部保护罩。保护罩用0.5mm厚的铜板或不锈钢板制作。布气管用?5×1的钢管弯制，在布气管朝向外壳侧钻两排?1小孔，孔距5～6mm。加丝孔（观察孔）在不影响观察和焊丝进给的情况下，要尽量开得小些，并靠近顶部。保护罩各部件用铜焊或锡焊连接。保护罩与管子外径之间的间隙须严格控制，作到保护可靠、操作方便。
2.3.5内部密封隔板。管内密封隔板，由可溶于水的材料制成，并贴接在内壁上，焊后不用清除，待做水压试验时，自行溶解排除。氩气输送管采用铜管，用上述相同的方法与密封隔板粘接在一起。
2.3.6为防止在输送过程中对氩气的污染，现场采用新塑料管输送氩气，而不用橡胶或其它吸湿性材料。
2.3.7焊接起弧前充氩气，将输气管内、保护罩内、密封隔板隔离出的空间内的空气置换干净，并保持正微压和呈流动状态。
2.3.8在焊炬喷咀前加细铜丝网，以便使喷咀喷出的氩气不发生紊流。
3 钛管焊接工艺控制要点
3.1焊接设备的选择
根据钛的焊接性，为保证用小电流快速施焊，选用可以提前供气，熄弧时有电流衰减、延时通气功能的ZX7-315IGBT逆变式焊机。
3.2焊接材料
电极选用直径2mm的铈钨极，填充金属用2mm的TA2焊丝或4mm×4mm的TA2切条，保护气体采用纯度为99.9%的工业氩气。
3.3焊前准备
3.3.1坡口加工。现场用角向磨光机打磨，打磨时严格控制坡口表面的温度，防止坡口表面过热产生有害气体污染。
3.3.2坡口和焊丝的表面处理。在焊接前，打磨坡口表面，露出金属光泽后，用刮刀和锉刀将已打磨好的表面的氧化物、杂质等清除干净，用砂布将焊丝和坡口边缘40～60mm范围内的氧化物清除干净，再用丙酮清洗已处理好的表面，防止酸洗后产生残留物。将用丙酮清洗后的焊丝和管子坡口浸入（2%～4%）HF+（30%～40%）HNO3+H2O酸洗液中历时2～3min，酸洗后立即用水冲洗干净，自然干燥后用白布将已处理好的表面包好，以防二次污染。
3.4焊接
将管口外的保护白布拆下，用丙酮重新清洗坡口和焊丝表面。在焊接接头的管道两端加上橡胶堵头，通入氩气，将管内空气排净后，进行点固焊。点固焊长度10～15mm，先点焊2点，从第3点处开始焊接，每一焊点熄弧时，焊炬要保证30s的延时通气，确保焊点不被氧化。焊接时，由两名民工配合，一名负责氩气瓶的开关，另一名负责转动管子或手持保护罩，对焊缝和热影响区进行跟踪保护。
为了增大氩气对焊缝和温度较高的热影响区的保护，选用<12mm的喷嘴，直流正接，起弧前提前通气，高频引弧，焊接过程中，焊丝被加热的端部自始至终保持在氩气的保护之下，熄弧后继续对焊缝和热影响区400℃以上区域和焊丝被加热的端部进行保护，直至焊缝和热影响区温度降至400℃以下。焊接第二层前，认真检查焊缝和热影响区的色泽，将蓝色或灰色的氧化物清理干净。为了防止因接头过热引起塑性降低，层间温度应保证在200℃以下。钛在熔化状态下的粘度和流动性和奥氏体不锈钢相当，焊接时的操作手法和焊接奥氏体不锈钢基本相同。
3.5法兰与管接头的焊接
焊接法兰与管接头时，由于法蘭散热条件好，无保护罩也可以取得良好的效果。焊接时，先焊管外焊缝，管内通氩保护；焊接内焊缝时，管外可不通氩保护，管内间断焊接，利用焊炬内通入的氩气对焊缝和热影响区进行保护。
4 结语
钛材焊接的关键问题是选用正确的焊接方法，采用有效的保护措施，焊前焊接区域必须清理干净，选用适当的焊接工艺参数。只要掌握了这几点，就会使钛材的焊接质量得到保证。
参考文献：
[1]李亚江，王娟，刘强.有色金属焊接及应用[M].北京：化学工业出版社，2006
[2]张文钺.焊接冶金金属焊接性[M].北京：机械工业出版社.2008
[3]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社.2009
【关键词】 钛管焊接；技术措施；工艺控制；要点
钛及钛合金是一种优良的金属结构材料，与钢相比具有密度小（约4.5g/cm2）、抗拉强度高、比强度大等特点，在300～500℃高温下钛合金仍具有足够高的强度和良好的高温性能，在航空、航天、石油化工、造船等工业部门日益获得广泛的应用。在化工烧碱项目中就有TA2管道安装。
1 钛的焊接性
1.1钛的熔点为1668℃，密度小，导热系数低。焊接时，焊缝区易产生粗大晶粒，形成过热组织而使塑性下降；焊接冷却较快又易产生不稳定的脆性钛马氏体，同样使得焊接接头的塑性下降，焊接施工中，对线能量和冷却速度要严格控制。
1.2钛的弹性模量小，焊接变形大；冷变形的回弹能力大成形困难。要采取措施预防变形。
1.3常温下钛的化学性质稳定，耐腐蚀性强。当达到熔融状态时，钛能够与周围气态元素氢、氧、氮、碳发生剧烈的化学反应，生成化合物，从而严重地影响焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能。必须采取钨极氩弧焊，并充分氩保护。
1.4铁的存在，会在富铁相区与A相区建立自发电池，产生电偶腐蚀，特别在是焊缝和热影响区会产生“优先腐蚀”；同时铁污染会导致加速吸氢，形成氢脆裂纹。因此，在焊接中要避免铁的污染。
1.5钛不能与其它金属熔焊，且易形成脆性的金属间化合物，引起焊缝脆化。
2 钛管焊接技术措施
为了使钛管焊接能够顺利进行，现场焊接施工中采取的主要技术措施有：妥善的防污染措施、严格的清理措施及有效的惰性气体保护措施。
2.1防污染措施
2.1.1准备好实施条件
在钛管预制加工和焊接前，就要准备好下列实施条件。
2.1.1.1设置专用场所
事先为钛管预制加工与焊接准备好专用场所。专用场所应设在封闭良好的厂房内，严禁碳钢、低合金钢材料混入，更不许在同一场所加工、焊接。加工场地应保持清洁、干燥且通风良好。
焊接作业尽量安排在室内进行，需要在室外焊接时应安装接口，要搭设好防风、防雨、防雪设施，以避免自然环境的不利影响。焊接环境温度不应低于0℃，相对湿度不应大于90%。
2.1.1.2安排专业人员
参加钛管预制加工和焊接的人员，应有一定的钛材加工和焊接知识，对从事钛材加工和焊接的人员，要进行专业培训，经考核合格后方能上岗操作。施工人员的衣着要清洁、操作时应带上防护罩，穿绝缘鞋及戴防护手套。
2.1.1.3使用专用工具
用于钛管预制加工和焊接的工具应为专用工具，并要妥善保管，保持清洁干净。
2.1.2采取有效的防范措施
在具备上述实施条件的基础上，在钛管预制加工中还要采取有效的防范措施，控制各种杂质的污染。
2.1.2.1防止杂质污染
在钛管预制加工中，要防止各种杂质的污染，尤其在采用气割方法切割管子和加工坡口时要及时清除表面污染层。
2.1.2.2防止铁污染
为防止铁污染，应尽量避免使用铁制、碳钢和低合金钢制工具加工钛管道，严禁使用碳钢钢丝刷，需要时可以使用奥氏体不锈钢钢丝刷。采用机械方法切割管子和开坡口时，应使用碳化硅或氧化铝砂轮机清除铁污染层。在钛管上做标记时，为防止铁污染，严禁打钢印，而用油漆做标记。
2.1.2.3防止过热
采用机械方法切割钛管和加工坡口时，被切割表面温度不得超过300℃，为防止过热变色，可采用喷水的方法进行冷却。
2.1.3保护措施
在施工和存放保管中，还要注意下述事项。
2.1.3.1待加工和加工完的钛管，均应用塑料布覆盖好，以防尘土、油污和杂物等的污染。
2.1.3.2对钛管进行分类存放，并摆放在清洁的垫木上。严禁与碳钢材料混堆，并不準与碳钢材料、机具接触和碰撞。
2.2采取严格的清理措施
在钛管焊接中，熔池中有氢、氧、氮、碳时，是形成焊接气孔的前提条件。焊前坡口表面与焊丝的清理程度对焊接质量的影响非常大。如果坡口及焊丝的表面吸附有湿气、水份、油污、灰尘、指纹，以及表面清理时残留的棉纱和清洗剂，都会造成焊接气孔。特别是在对接焊口的端面，如果存在以上脏物，影响尤其严重。为确保焊接质量，焊前对焊件的焊接保护区和焊丝必须进行严格、仔细的清理。现场采用的是“五步清理法”。具体的清理步骤如下。
2.2.1清理表面污物
钛管焊接接头的坡口端面、管壁内外表面及在距管端面40mm的范围内母材表面上的一切氧化皮、鳞片、漆膜、残留的污物、金属碎屑、磨料粉尘、灰尘及可与钛材发生化学作用的其它杂质，均要用奥氏体不锈钢丝刷和干净的新棉纱将其清除干净。粗切坡口表面毛刺及其它缺陷均要用细拉锉磨光。所有清理工具必须是专用的，不得使用砂纸和碳钢钢丝刷。
2.2.2脱脂处理
在表面污物被清理完后，进行碱洗做脱脂处理，除掉表面上的油脂和碳氢化合物。碱洗后，用脱脂棉擦干碱洗过的表面，不得使用普通的棉纱、棉布和破布等。脱脂时用Na0H水溶液进行碱洗，Na0H浓度为20-30%，温度在50～60℃之间，清洗时间为5-10min。
2.2.3酸洗处理
脱脂处理后，为了除掉表面的氧化膜，需要对表面进行酸洗处理。酸洗液是由盐酸、硝酸、氟化钠配制成的水溶液。其配方比例是：盐酸（比重1.19）270mL+硝酸（比重1.4）55mL十氟化钠40克，三者混合后加温水（40℃）至1000mL。
酸洗时，待表面呈现银白色为合格。酸洗时间也不能太长，否则容易造成酸洗时钛材吸氢。 2.2.4酸洗后的表面，立即用温度为60℃的清水彻底冲洗，除去残留在焊件表面上的酸液，然后用洁净的白布擦干。
2.2.5丙酮清洗
在施焊前，对钛管焊缝区表面还要用丙酮做最后一次清洗，以便彻底清除残留在焊件表面上的各种杂质。
完成“五步清理”的焊件，要立即进行施焊，不得停留时间过长，以免再次被污染。
2.2.6对于焊丝，按上述同样程序进行清理。
2.3惰性气体保护措施
由于钛在焊接热源作用下，从熔融状态到凝固态都会与空气中的氧、氮、氢、碳发生作用，因此要获得优良的焊接质量，对焊接区域采取惰性气体保护是至关重要的。现场用于钛管焊接的保护气体选择高纯氩气。具体措施如下。
2.3.1氩气纯度。氩气质量是确保焊接质量的重要因素之一，主要控制指标是纯度和含水量。氩气的纯度不得小于99.99%，水份含量不得大于50mg/m3（或露点在-40℃以下）。
2.3.2保护方法。采用双面保护法，管子的外面设保护罩，管子内面用密封隔板（法兰焊接时的保护方法与此大同小异）。
2.3.3保护范围。氩气保护分三个部分，同时进行，缺一不可。一是利用焊炬喷咀保护熔池区，二是利用保护罩保护温度在300℃以上的焊缝区和热影响区，三是利用密封隔板在管内充氮气保护温度高于300℃的内表面。
2.3.4外部保护罩。保护罩用0.5mm厚的铜板或不锈钢板制作。布气管用?5×1的钢管弯制，在布气管朝向外壳侧钻两排?1小孔，孔距5～6mm。加丝孔（观察孔）在不影响观察和焊丝进给的情况下，要尽量开得小些，并靠近顶部。保护罩各部件用铜焊或锡焊连接。保护罩与管子外径之间的间隙须严格控制，作到保护可靠、操作方便。
2.3.5内部密封隔板。管内密封隔板，由可溶于水的材料制成，并贴接在内壁上，焊后不用清除，待做水压试验时，自行溶解排除。氩气输送管采用铜管，用上述相同的方法与密封隔板粘接在一起。
2.3.6为防止在输送过程中对氩气的污染，现场采用新塑料管输送氩气，而不用橡胶或其它吸湿性材料。
2.3.7焊接起弧前充氩气，将输气管内、保护罩内、密封隔板隔离出的空间内的空气置换干净，并保持正微压和呈流动状态。
2.3.8在焊炬喷咀前加细铜丝网，以便使喷咀喷出的氩气不发生紊流。
3 钛管焊接工艺控制要点
3.1焊接设备的选择
根据钛的焊接性，为保证用小电流快速施焊，选用可以提前供气，熄弧时有电流衰减、延时通气功能的ZX7-315IGBT逆变式焊机。
3.2焊接材料
电极选用直径2mm的铈钨极，填充金属用2mm的TA2焊丝或4mm×4mm的TA2切条，保护气体采用纯度为99.9%的工业氩气。
3.3焊前准备
3.3.1坡口加工。现场用角向磨光机打磨，打磨时严格控制坡口表面的温度，防止坡口表面过热产生有害气体污染。
3.3.2坡口和焊丝的表面处理。在焊接前，打磨坡口表面，露出金属光泽后，用刮刀和锉刀将已打磨好的表面的氧化物、杂质等清除干净，用砂布将焊丝和坡口边缘40～60mm范围内的氧化物清除干净，再用丙酮清洗已处理好的表面，防止酸洗后产生残留物。将用丙酮清洗后的焊丝和管子坡口浸入（2%～4%）HF+（30%～40%）HNO3+H2O酸洗液中历时2～3min，酸洗后立即用水冲洗干净，自然干燥后用白布将已处理好的表面包好，以防二次污染。
3.4焊接
将管口外的保护白布拆下，用丙酮重新清洗坡口和焊丝表面。在焊接接头的管道两端加上橡胶堵头，通入氩气，将管内空气排净后，进行点固焊。点固焊长度10～15mm，先点焊2点，从第3点处开始焊接，每一焊点熄弧时，焊炬要保证30s的延时通气，确保焊点不被氧化。焊接时，由两名民工配合，一名负责氩气瓶的开关，另一名负责转动管子或手持保护罩，对焊缝和热影响区进行跟踪保护。
为了增大氩气对焊缝和温度较高的热影响区的保护，选用<12mm的喷嘴，直流正接，起弧前提前通气，高频引弧，焊接过程中，焊丝被加热的端部自始至终保持在氩气的保护之下，熄弧后继续对焊缝和热影响区400℃以上区域和焊丝被加热的端部进行保护，直至焊缝和热影响区温度降至400℃以下。焊接第二层前，认真检查焊缝和热影响区的色泽，将蓝色或灰色的氧化物清理干净。为了防止因接头过热引起塑性降低，层间温度应保证在200℃以下。钛在熔化状态下的粘度和流动性和奥氏体不锈钢相当，焊接时的操作手法和焊接奥氏体不锈钢基本相同。
3.5法兰与管接头的焊接
焊接法兰与管接头时，由于法蘭散热条件好，无保护罩也可以取得良好的效果。焊接时，先焊管外焊缝，管内通氩保护；焊接内焊缝时，管外可不通氩保护，管内间断焊接，利用焊炬内通入的氩气对焊缝和热影响区进行保护。
4 结语
钛材焊接的关键问题是选用正确的焊接方法，采用有效的保护措施，焊前焊接区域必须清理干净，选用适当的焊接工艺参数。只要掌握了这几点，就会使钛材的焊接质量得到保证。
参考文献：
[1]李亚江，王娟，刘强.有色金属焊接及应用[M].北京：化学工业出版社，2006
[2]张文钺.焊接冶金金属焊接性[M].北京：机械工业出版社.2008
[3]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社.2009