工艺管线施工钛材焊接探讨

工艺管线施工钛材焊接探讨

张万明

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摘要：钦 材 的 比 强 度 高 ， 高温 和 低 温 力 学性 能 好 ， 在 大 多数 酸 、 碱 、 盆 介 质 中具 有优 良的 耐 庸 蚀 性 能 。 但钦 材 的 坪接性 能 不 好 ， 焊接 中易产 生 氧化 、 氮化 、 气孔 和 裂纹 等缺 陷 该 文 对秋 材 坪接 时 易产 生 的 缺 陷 做 了较 详 细 的 论述 和 分析 ， 并提 出 了校全 面 的 防 护 措施 。

关键词：管线施工；钛材焊接；探讨

引言

根据工艺要求及钛本身良好的性能，在国内很多的 化纤工程，特别是在PTA装置中钛材管道被广泛地应用。 但是钛在固熔状态下250℃开始吸收氢，从400℃开始吸 收氧，从600℃开始吸收氮，且随着温度的提高，其吸 收能力也随之增强。当钛金属在吸收了一定数量的氧、 氮、氢等气体杂质之后，其屈服极限和延伸率等力学性 能将急剧下降。因此对钛的焊接要求很高，本文对钛焊 接时常见的缺陷进行分析，制定了合理的焊接工艺，从 而提高了钛管的焊接质量，保证了工程质量与进度。

1 钛材的性质及特点

1．1 钛材的性质

钛材材质为 TA2， 是工业纯钛板材， 其杂质含量很少， Fe， Si， C， N， H， O 及其他杂质含量的总和约占 总合金元素的 0．9％左右。 钛材 TA2 无磁性， 其热导率为 16．3 W/（m·℃）， 仅为钢的 1/5， 铝的 1/13， 铜的 1/25。 其熔点为 1 665 ℃， 线膨胀系数为 8．2×10－6 mm/（mm·℃） （20～100 ℃）。 其力学性 能 为： 抗 拉 强 度 Rm： 450～620 MPa， 伸长率 A： 35％～25％， 冲击吸收功 AKV： 13．7～20．65 J （室温）。

1．2 钛材的特点

钛材的熔点高、 热熔大、 导热性差， 具有高的活性， 焊缝金属热影响区在高温下易被 O， H， Cl， C 等元 素污染。 钛材设备制造必须设有专门的场地， 不能被铁离子污染。

2钛材管道焊接的缺陷分析

2.1气体等杂质污染倾向分析

常温下工业纯钛比较稳定，与氧生成致密的氧化膜 具有高的耐腐性能。但在高温下其化学活性急剧增大， 具有极强的吸收空气中氧、氢、氮等杂质的能力，降低 焊接接头的塑性和韧性。在熔化状态下尤其严重。因 此，焊接时对温度超过250℃的焊缝和热影响金属（包括熔池背面）都要加以妥善保护。

2.2粗晶倾向分析

由于工业纯钛的熔点高、导热性差，导热系数低， 热容量小，电阻系数大，在焊接过程中，液态熔池金属 具有尺寸大、高温停留时间长和冷却速度慢等特点。这 种情况容易使焊接接头产生过热组织，晶粒变得粗大， 脆化倾向明显。

2.3焊接气孔倾向分析

气孔是较为常见的缺陷。形成的因素很多，也很 复杂，O2 、N2 、H2 、CO和H2 O都可能引起气孔。但一般认 为氢气是引起气孔的主要原因，气孔多集中在熔合线 附近，有时也发生在焊缝中心线附近。氢在钛中的溶 解度随温度升高而降低，在凝固温度处有跃变。熔池 中部比溶池边缘温度高，故熔池中部的氢易相熔池边 缘扩散富集。防止焊缝气孔的关键是杜绝有害气体的 一切来源。

2.4过热与性 能 劣化 钦 的熔点 高 一 ℃ ， 属难熔金 属 ， 在 焊接时需 要 高温 热 源 。 钦 的 导 热 系数 低 ， 仅 为 碳 钢 的一 半 ， 热 量 不 易 散 失 ， 过 热 倾 向严 重 。 铁 在 ℃ 时产 生 同素 异 构转 变 ， 由 一 钦 密 集 六 方 晶格 转 变 为 一 钦 体 心 立 方 晶格 ， 若 温 度 再 高 ， 日一 钦 的 晶粒便会 急 剧 地 跳 跃 式 地 长 大 ， 使 性 能迅 速 变坏 。 当结 构 刚 性 大 时 ， 在 焊 接 残 余拉 应 力作用 下 ， 还 会 导致 产生 裂纹 。 此外 ， 铁 一 旦 沾染 了铁 离 子 即会 变 脆 。 这 也 是 导致钦材设 备与管道 产生焊接裂纹 的重要 原 因 之一。

3 钛材焊接过程中应注意的问题

焊接时除上所述的尽可能清除杂质外， 还必须严格做好氩气保护措施， 如果保护不好， 焊缝就会严重氧 化。 氩气保护主要决定于焊枪的气体流量或保护罩、 喷嘴直径、 钨极与工件之间的距离、 焊枪角度等参数， 必 须严格控制这些参数才能得到优良的焊接接头。 从实际中摸索出的经验是： 采用较大直径的喷嘴较为适宜， 喷 嘴直径为 16 mm 较好， 氩气流量为 9～11 L/min， 钨极伸出长为 8～10 mm， 操作的最佳焊枪角度可根据工件的 几何形状和接头形式由操作焊工根据经验来决定。

为保证焊缝质量， 正、 背面焊接还需同时采用跟踪保护， 因钛在 400 ℃以上极易被大气中的杂质污染， 通 常的一些拖罩， 在很多部位不适用， 且焊工劳动强度大， 制作复杂， 因此笔者自己设计制造了以下几种保护罩。

保护罩材质必须采用铜板， 这样一方面可避免铁污染， 另一方面可使焊缝快速散热， 使用氩气流量正面为 15～18 L/min， 背面为 18～20 L/min。 通过实践证明， 此保护罩制作方便， 易操作， 又能收到良好的保护效果。 保护罩的形状应根据工件形状结构而改变， 在焊接钛设备接管与平焊法兰焊接的角焊缝时， 因焊环宽度一般＜ 20 mm， 又是角焊缝， 制作保护罩难度较大， 为此设计了多种形式的保护罩， 在生产中通过多次试验， 最后确 定了一种保护罩， 外为弧形内为圆板状的保护罩， 焊环下放置厚 3 mm 的铜板， 保护焊缝并加速焊缝冷却速 度， 保证了焊缝质量。 对盘管直径为 45 mm、 弯曲直径为 1 800 mm 管口焊接时， 由于在管子煨制过程中， 采用灌金属砂粒填充， 在焊接时采用整体充气进行保护， 背面氧化十分严重， 试焊多次均失败。 因此， 经过分 析， 认为问题产生的根源是管子较长 （710 mm）， 氩气的密度比空气的小， 金属砂粒中有杂质气体， 充气时不 易将管内空气置换干净， 从而就失去了保护作用， 针对以上原因制作了内保护罩， 保护罩靠近金属砂面， 并用 餐巾纸来隔断砂粒中杂质气体对焊接的影响。 铜挡板间距为 100～140 mm， 直径比管子内径小 5～6 mm， 以保证 焊后能顺利取出。 以上是在焊接实践过程中根据构件形状改进和制作保护罩的情况。

4钛材焊接过程中产生气孔、 裂纹的主要原因及预防措施

钛材在焊接中产生的气孔主要是氢气孔， 钛在 250 ℃时开始吸收氢， 所以熔池中含有较多的氢气， 亦有其 他氧和碳产生的气孔， 但是， 气孔的形成必须经过气体的扩散、 脱熔、 气泡的形成和长大， 以及气泡的逸出过 程， 其需要一定时间， 如果气体的脱熔到气泡的形成在熔池结晶前来不及进行， 或者形成气泡但在熔池结晶前 有充分时间逸出熔池， 也不会形成气孔。 只有熔池内含有较多气体已形成气泡， 在熔池活动前未逸出熔池才能 形成气孔， 所以焊接工艺参数是决定熔池存在时间、 影响气孔产生的重要因素。 因此要减少熔池金属中的 H， O， C 的含量， 必须确定合理的焊接工艺参数， 才能防止或控制气孔的产生。 采用小电流快速焊、 小热输入的 焊接工艺参数， 能使熔池存在时间短， 而且有充分时间逸出气体， 又能缩短在高温停留时间， 防止产生气孔， 保证了焊接质量。 裂纹也是钛材焊接过程中可能产生的主要缺陷， 因为 Ti 对热裂纹不敏感， 故钛材焊接产生的裂纹属于冷裂 纹， 产生的原因主要是 H 的作用。 H 与 Ti 在反应中生成 TiH2， 由于 TiH2 断裂强度较低， 使焊缝的韧性下降， 另一方面产生晶间应力。 因此， 在很大晶间应力作用下， 低断裂强度处就产生微裂缝并逐步扩展。 H 是产生裂 纹的根源， O， N， C 是促进裂纹形成的因素， 因此， 在焊前需做好充分的准备工作， 保证焊接时减少杂质， 同 时严格控制一次焊接填充高度＜5 mm， 在组对中采取避免强力组对等减小内应力的措施， 就可以有效地防止裂 纹的产生。

结语

铁虽 是 一种新 型 材料 ， 具有 许多 优 良性 能 ， 但 由于其焊接性 较 差 ， 因而 给钦 设 备 的制 造 安 装 工 艺 等方 面提 出 了更 高要 求 。 只要 充 分 了解 、 掌 握 它 的基本特性 ， 设 备与管道 制作安装 过程 中 ， 有针 对性 地采取 相应 技 术 措 施 ， 严 格 把 好 各 个 施 工 环 节质量 关 ， 就 可 以 生 产 出优 质 、 满 意 的产 品

参考文献

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