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中图分类号：O213.1文献标识码：A 文章编号：
一、引言
大部份容器由钢材制造，只有在钢、铝、铜等材料的容器不能满足使用要求时,钛容器才作为选择方案.相对于钢制容器和其他金属的容器而言,钛容器的特点是由于钛的性能和其他金属的性能不同而形成的.钛在空气和氧化性、中性水溶液介质中,其表面很易产生致密的氧化钛钝化膜,钛的电极电位显著正移,大大提高了热力学稳定性.钛在许多介质中具有比不锈钢、铝等好得多的耐蚀性,固定式容器（包括换热器）采用钛容器基本上都是利用了钛优异的耐蚀性；另外移动式容器还利用了钛比重轻、比强度高的特性.民用工业用钛中约有3／4用于容器制造.
二、工程概述
十四冶建设集团云南安装工程有限公司压力容器厂先后承担制造了云铜电解七、八跨和九、十跨、云铜广东清远工程项目，共计21台钛换热器设备的制造。
⑴设备概况：该换热器用于饱和水蒸气和电解液介质间的能量转换，换热器高度4814mm，壳体直径φ800，管板直径φ975，壳体厚度5mm，管板厚度26mm，换热器内部安装有293根φ30×2mm的钛管，除折流板为1Cr18Ni9Ti外其余材料均用TA2工业纯钛制造。
⑵设计、制造与检验标准：该换热器为Ⅰ类压力容器，设计、制造与检验标准为GB151-1999《管壳式换热器》、JB/T4745-2002《钛制焊接容器》、《压力容器安全技术监察规程》。
图片一 钛换热器安装、使用现场
三、焊接
3.1钛的焊接特点
⑴钛的熔点高、导热性差、热容量小、电阻系数大,因而与钢、铝、铜等的焊接相比,钛的焊接熔池积累的热量多、尺寸大、高温停留时间长,冷却速度慢.在正常的焊接工艺下,刚焊完的焊缝在长度方向上超过600.C的区域要比不锈钢大1.5倍,比碳素钢大2.3倍,比铝大16倍,比铜大23倍.而温度在400.C以上的钛焊缝和热影响区均应要求置于氩气保护中,因此钛焊接时不但熔池要保护,焊后正在冷却中的焊接接头正面也要保护,焊接接头的背面也应当保护.采用保护拖罩是钛焊接的特点.
⑵钛焊件与焊丝表面的水分、油污、氧化物及其它有机污染物进入熔池会使熔池中的氢和一氧化碳增加，容易使焊缝产生气孔，且塑性降低。因此焊前对焊件坡口及附近区域以及焊丝应清理和清洗干净。
⑶选择较低的焊接热输入量，控制层间温度不高于150。C。
⑷焊后采用检验焊接接头表面颜色的方法来验证氩气保护效果，银白色或淡黄色说明400。C以上保护良好。
⑸焊前不需预热，焊后一般不需热处理。
3.2钛的焊接方法
钛的焊接不能采用气焊和二氧化碳保护焊。主要的焊接方法有钨极氩弧焊、等离子弧焊及电子束焊等，其中钨极氩弧焊应用较广。采用钨极氩弧焊焊接时要注意的问题有：
①焊接电源：采用直流正接电源。电极选用钍钨极较好。若为纯钨极时，电流密度一般不超过60A/㎜2,若用钍钨极可适当提高电流。焊接时应提前送氩气，结束时应延时断气，以保证尚未冷却的焊缝、近缝区和钨极得到继续保护而不被氧化。
②焊前清理：在焊前对钛板的焊缝及焊丝表面进行清理，除油脂工件和焊丝表面上有油漆或油污时，必须用汽油泡洗或用丙酮擦洗。清理后的焊件必须在4h内焊接完毕，否则应重新清理。
③坡口形式：采用惰性气体保护氩弧焊时，厚度为3㎜以下的钛板不开坡口，厚度为3㎜以上的须开坡口。坡口加工的好坏对焊接质量有很大影响。应选用刨、铣、磨等机加工方法加工坡口，并严格控制尺寸。
对接接头和坡口加工尺寸如下图：
3.3钛的焊接工艺
①在不影响观察的情况下，钨极伸出的长度和喷嘴距工件表面的距离要尽可能短。对于结构复杂的构件，焊枪不摆动，匀速前进。喷嘴和氩气流量要足够大，以获得良好的氩气保护。焊接时若使用填充焊丝，焊丝末端不得移出氩气保护区，中途不得停顿或熄弧，以免空气进入焊接区而污染金属。收弧时要采取衰减措施，以改善收弧质量。焊缝正、反面高于400。C的区域要用氩气保护。
②为避免金属过热和晶粒长大，热输入应尽可能小，以保证焊缝成形良好的情况下，选用小的焊接电流和快的焊接速度。厚板开坡口进行多层多道焊时，为放止焊件过热，应冷却后再焊下一道焊缝，也可采用背面加衬铜板的方法加快热量的散发，防止焊缝及热影响区晶粒长大。
③钛钨极氩弧焊的焊接工艺参数如下表:
3.4焊接区域的氩气保护措施
①要求氬气的纯度不低于99.98%，流量适当，过大或过小都会引起焊缝的塑性急剧下降。钛氩弧焊时主要是400。C的区域的保护问题。需要采用保护效果良好的焊枪，除在焊枪后面加拖罩对焊缝正面进行保护外，还应在焊件的背后采用氩气保护的专用气罩或气垫进行保护，防止接头背面在高温时氧化。
②焊缝正面后端的保护:对已脱离喷嘴保护区，但仍在350℃以上的焊缝和热影响区表面采用氩气气流的拖护罩进行保护，拖护罩结构及尺寸如图：
③焊缝背面的保护:平板对接焊采用背面通氩气的气流管实施保护，保护焊缝背面不受有害气体的侵害.如下图所示：
④管板焊接时,管板和管束表面应清理干净，不得留有影响焊接连接质量的毛刺、铁屑、油污等,采用弧形拖罩,拖罩结构示意图如下:
管板焊接顺序:按图示将管板中的管孔分为8区域，每个区域又以三个管孔为一个焊接单元，依次向管板外侧进行，直至区域全部焊完第一遍，具体顺序为1－5、3－7、2－6、4－8.接着，再重新从第一区域将错开的单元按上顺序依次焊完，完成整个焊接工作.
四、焊接质量控制
4.1对焊缝质量的影响因素：
钛材焊接，除杂质元素（铁、氢、氧、氮、碳）对焊缝质量的影响外，合金元素及热循环等也会影响到焊缝质量，在焊接过程中必须加以重视。
①杂质元素：钛中的铁杂质，在一定程度上能起晶粒细化作用，但在钛焊缝中的铁，由于生成TiFe2和TiFe的脆性相，使接头的综合力学性能降低，并降低钛的耐腐蚀性能；氢对焊缝的强度和塑性影响不太显著，但对冲击韧性影响较大，钛中含氢有害无益，焊接过程中必须防止吸氢；氧是强化元素之一，氧含量增大时强度增高，塑性降低；氮对钛的强化比氧高，随含氮量增加强度升高而塑性降低；碳在钛中也起强化作用，但比氮、氧的强化作用弱。
②合金元素；合金元素对焊接也有影响，在焊缝金属和钛合金近焊缝区域的结晶与组织转变时，晶体内的不均匀性往往加剧亚稳定相的形成与分解，造成焊缝脆化趋势。
③热循环：钛的熔化温度高，热导率小，因而焊缝金属在高温停留时间长，使高温β相晶粒易于过热而长大，导致塑性降低。
4.2焊缝缺陷及原因分析
①烧穿：装配间隙过大；背面保护气流过大而冲破熔融金属；电流过大，焊速过慢；焊缝处有灰尘或杂物，焊接过程中引起爆炸冲掉熔池金属液。
②未焊透：电流过小，焊速过快；电弧拉长，热能减小。
③咬边：焊接电流过大，产生正面咬边；背面保护气体冲力过大，会使焊缝上凹，产生背面咬边。
④断裂：焊缝吸氢量超过室温下的固溶度，同时又受氧、氮等污染严重时，就会出现氢脆断裂。
⑤气孔：母材及焊丝中氢氧含量过高，坡口过小而焊时熔质过多，形成内气孔；保护气体纯度不高，湿度过大；表面清理不干净。
4.3焊缝检验
钛焊缝常用的检验方法有外观检查、接头性能检查、着色探伤、射线检查等。
①外观检查：通过外观检查可发现的缺陷有表面气孔、夹渣、焊穿、未焊透、咬边、裂纹和表面颜色。根据焊接部位的表面颜色，可以判断焊接的质量，尤其是惰性气体的保护效果，其判断标准如下表：
②焊接接头性能检查：钛的焊接接头性能检查通常采用拉伸试验、弯曲试验和硬度测定。
③着色探伤：着色探伤是检查焊缝表面缺陷的有效手段，可用来显示微小的、肉眼难以观察的表面缺陷，如微裂纹、裂缝、气孔、针孔、熔合不良等。
④射线检验：射线（X光）拍片是检查焊缝内部缺陷最常用的方法，射线检验对焊缝内部及背面的气孔、夹渣、未焊透、夹钨、裂缝等缺陷的检查直观而有效。压力容器无损探伤的方法与评级按《压力容器无损检测》JB4730-1994中有关钛焊缝的内容，合格标准按《钛制焊接容器》JB/T4745-2002规定。
五、结束语
钛换热器焊接和焊接质量控制技术因工序的连续性,工艺的成熟性能有效的利用材料,降低成本,最大限度的消除对周围环境的影响,做到了质量有保障、环境无影响、职业健康安全有保证,为类似工程项目提供了可靠的依据及技术指标；先进的工艺将极大的推动技术的进步,取得更好的社会效益和环境效益；该技术对钛制设备的制造及钛材焊接等方面具有较强的指导意义,有利于先进技术的推广和应用,提高企业的竞争力。
一、引言
大部份容器由钢材制造，只有在钢、铝、铜等材料的容器不能满足使用要求时,钛容器才作为选择方案.相对于钢制容器和其他金属的容器而言,钛容器的特点是由于钛的性能和其他金属的性能不同而形成的.钛在空气和氧化性、中性水溶液介质中,其表面很易产生致密的氧化钛钝化膜,钛的电极电位显著正移,大大提高了热力学稳定性.钛在许多介质中具有比不锈钢、铝等好得多的耐蚀性,固定式容器（包括换热器）采用钛容器基本上都是利用了钛优异的耐蚀性；另外移动式容器还利用了钛比重轻、比强度高的特性.民用工业用钛中约有3／4用于容器制造.
二、工程概述
十四冶建设集团云南安装工程有限公司压力容器厂先后承担制造了云铜电解七、八跨和九、十跨、云铜广东清远工程项目，共计21台钛换热器设备的制造。
⑴设备概况：该换热器用于饱和水蒸气和电解液介质间的能量转换，换热器高度4814mm，壳体直径φ800，管板直径φ975，壳体厚度5mm，管板厚度26mm，换热器内部安装有293根φ30×2mm的钛管，除折流板为1Cr18Ni9Ti外其余材料均用TA2工业纯钛制造。
⑵设计、制造与检验标准：该换热器为Ⅰ类压力容器，设计、制造与检验标准为GB151-1999《管壳式换热器》、JB/T4745-2002《钛制焊接容器》、《压力容器安全技术监察规程》。
图片一 钛换热器安装、使用现场
三、焊接
3.1钛的焊接特点
⑴钛的熔点高、导热性差、热容量小、电阻系数大,因而与钢、铝、铜等的焊接相比,钛的焊接熔池积累的热量多、尺寸大、高温停留时间长,冷却速度慢.在正常的焊接工艺下,刚焊完的焊缝在长度方向上超过600.C的区域要比不锈钢大1.5倍,比碳素钢大2.3倍,比铝大16倍,比铜大23倍.而温度在400.C以上的钛焊缝和热影响区均应要求置于氩气保护中,因此钛焊接时不但熔池要保护,焊后正在冷却中的焊接接头正面也要保护,焊接接头的背面也应当保护.采用保护拖罩是钛焊接的特点.
⑵钛焊件与焊丝表面的水分、油污、氧化物及其它有机污染物进入熔池会使熔池中的氢和一氧化碳增加，容易使焊缝产生气孔，且塑性降低。因此焊前对焊件坡口及附近区域以及焊丝应清理和清洗干净。
⑶选择较低的焊接热输入量，控制层间温度不高于150。C。
⑷焊后采用检验焊接接头表面颜色的方法来验证氩气保护效果，银白色或淡黄色说明400。C以上保护良好。
⑸焊前不需预热，焊后一般不需热处理。
3.2钛的焊接方法
钛的焊接不能采用气焊和二氧化碳保护焊。主要的焊接方法有钨极氩弧焊、等离子弧焊及电子束焊等，其中钨极氩弧焊应用较广。采用钨极氩弧焊焊接时要注意的问题有：
①焊接电源：采用直流正接电源。电极选用钍钨极较好。若为纯钨极时，电流密度一般不超过60A/㎜2,若用钍钨极可适当提高电流。焊接时应提前送氩气，结束时应延时断气，以保证尚未冷却的焊缝、近缝区和钨极得到继续保护而不被氧化。
②焊前清理：在焊前对钛板的焊缝及焊丝表面进行清理，除油脂工件和焊丝表面上有油漆或油污时，必须用汽油泡洗或用丙酮擦洗。清理后的焊件必须在4h内焊接完毕，否则应重新清理。
③坡口形式：采用惰性气体保护氩弧焊时，厚度为3㎜以下的钛板不开坡口，厚度为3㎜以上的须开坡口。坡口加工的好坏对焊接质量有很大影响。应选用刨、铣、磨等机加工方法加工坡口，并严格控制尺寸。
对接接头和坡口加工尺寸如下图：
3.3钛的焊接工艺
①在不影响观察的情况下，钨极伸出的长度和喷嘴距工件表面的距离要尽可能短。对于结构复杂的构件，焊枪不摆动，匀速前进。喷嘴和氩气流量要足够大，以获得良好的氩气保护。焊接时若使用填充焊丝，焊丝末端不得移出氩气保护区，中途不得停顿或熄弧，以免空气进入焊接区而污染金属。收弧时要采取衰减措施，以改善收弧质量。焊缝正、反面高于400。C的区域要用氩气保护。
②为避免金属过热和晶粒长大，热输入应尽可能小，以保证焊缝成形良好的情况下，选用小的焊接电流和快的焊接速度。厚板开坡口进行多层多道焊时，为放止焊件过热，应冷却后再焊下一道焊缝，也可采用背面加衬铜板的方法加快热量的散发，防止焊缝及热影响区晶粒长大。
③钛钨极氩弧焊的焊接工艺参数如下表:
3.4焊接区域的氩气保护措施
①要求氬气的纯度不低于99.98%，流量适当，过大或过小都会引起焊缝的塑性急剧下降。钛氩弧焊时主要是400。C的区域的保护问题。需要采用保护效果良好的焊枪，除在焊枪后面加拖罩对焊缝正面进行保护外，还应在焊件的背后采用氩气保护的专用气罩或气垫进行保护，防止接头背面在高温时氧化。
②焊缝正面后端的保护:对已脱离喷嘴保护区，但仍在350℃以上的焊缝和热影响区表面采用氩气气流的拖护罩进行保护，拖护罩结构及尺寸如图：
③焊缝背面的保护:平板对接焊采用背面通氩气的气流管实施保护，保护焊缝背面不受有害气体的侵害.如下图所示：
④管板焊接时,管板和管束表面应清理干净，不得留有影响焊接连接质量的毛刺、铁屑、油污等,采用弧形拖罩,拖罩结构示意图如下:
管板焊接顺序:按图示将管板中的管孔分为8区域，每个区域又以三个管孔为一个焊接单元，依次向管板外侧进行，直至区域全部焊完第一遍，具体顺序为1－5、3－7、2－6、4－8.接着，再重新从第一区域将错开的单元按上顺序依次焊完，完成整个焊接工作.
四、焊接质量控制
4.1对焊缝质量的影响因素：
钛材焊接，除杂质元素（铁、氢、氧、氮、碳）对焊缝质量的影响外，合金元素及热循环等也会影响到焊缝质量，在焊接过程中必须加以重视。
①杂质元素：钛中的铁杂质，在一定程度上能起晶粒细化作用，但在钛焊缝中的铁，由于生成TiFe2和TiFe的脆性相，使接头的综合力学性能降低，并降低钛的耐腐蚀性能；氢对焊缝的强度和塑性影响不太显著，但对冲击韧性影响较大，钛中含氢有害无益，焊接过程中必须防止吸氢；氧是强化元素之一，氧含量增大时强度增高，塑性降低；氮对钛的强化比氧高，随含氮量增加强度升高而塑性降低；碳在钛中也起强化作用，但比氮、氧的强化作用弱。
②合金元素；合金元素对焊接也有影响，在焊缝金属和钛合金近焊缝区域的结晶与组织转变时，晶体内的不均匀性往往加剧亚稳定相的形成与分解，造成焊缝脆化趋势。
③热循环：钛的熔化温度高，热导率小，因而焊缝金属在高温停留时间长，使高温β相晶粒易于过热而长大，导致塑性降低。
4.2焊缝缺陷及原因分析
①烧穿：装配间隙过大；背面保护气流过大而冲破熔融金属；电流过大，焊速过慢；焊缝处有灰尘或杂物，焊接过程中引起爆炸冲掉熔池金属液。
②未焊透：电流过小，焊速过快；电弧拉长，热能减小。
③咬边：焊接电流过大，产生正面咬边；背面保护气体冲力过大，会使焊缝上凹，产生背面咬边。
④断裂：焊缝吸氢量超过室温下的固溶度，同时又受氧、氮等污染严重时，就会出现氢脆断裂。
⑤气孔：母材及焊丝中氢氧含量过高，坡口过小而焊时熔质过多，形成内气孔；保护气体纯度不高，湿度过大；表面清理不干净。
4.3焊缝检验
钛焊缝常用的检验方法有外观检查、接头性能检查、着色探伤、射线检查等。
①外观检查：通过外观检查可发现的缺陷有表面气孔、夹渣、焊穿、未焊透、咬边、裂纹和表面颜色。根据焊接部位的表面颜色，可以判断焊接的质量，尤其是惰性气体的保护效果，其判断标准如下表：
②焊接接头性能检查：钛的焊接接头性能检查通常采用拉伸试验、弯曲试验和硬度测定。
③着色探伤：着色探伤是检查焊缝表面缺陷的有效手段，可用来显示微小的、肉眼难以观察的表面缺陷，如微裂纹、裂缝、气孔、针孔、熔合不良等。
④射线检验：射线（X光）拍片是检查焊缝内部缺陷最常用的方法，射线检验对焊缝内部及背面的气孔、夹渣、未焊透、夹钨、裂缝等缺陷的检查直观而有效。压力容器无损探伤的方法与评级按《压力容器无损检测》JB4730-1994中有关钛焊缝的内容，合格标准按《钛制焊接容器》JB/T4745-2002规定。
五、结束语
钛换热器焊接和焊接质量控制技术因工序的连续性,工艺的成熟性能有效的利用材料,降低成本,最大限度的消除对周围环境的影响,做到了质量有保障、环境无影响、职业健康安全有保证,为类似工程项目提供了可靠的依据及技术指标；先进的工艺将极大的推动技术的进步,取得更好的社会效益和环境效益；该技术对钛制设备的制造及钛材焊接等方面具有较强的指导意义,有利于先进技术的推广和应用,提高企业的竞争力。