浅谈钛管的手工钨极氩弧焊焊接工艺

③背面保护装置的准备。对于 ＤＮ＜５００ｍｍ 的钛管道来 说，可采用由不锈钢堵板、密封胶皮等组成的临时封堵装置 （见图 ２ 所示）。焊接前，先在管道内隔出不小于 ２００ｍｍ 的空 间，然后再向该空间充入氩气（因氩气比空气重，进气口应装 在下部、出气口则安排在上部），待该区域完全处于氩气的保 护之下时，方可开始施焊。须注意的是：应使管内的氩气呈流 动状态、保持微弱的正压，且持续到焊接完成、焊缝金属冷却 到 ２００℃以下才能停止。如果钛管 ＤＮ≥５００ｍｍ，则应安排焊 接跟罩人员进入管内，拿着保护气罩（可参照辅助保护的拖 罩进行制作，长度不少于 ３００ｍｍ、方便手持即可）对接头的高 温区进行跟踪保护。焊接跟罩人员（宜为焊工）应经相应的培 训，合格后方可上岗。
２ 手工钨极氩弧焊工艺
２．１ 焊前准备 ２．１．１ 预制车间准备
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第 4 期（总第 156 期）
施工技术■
钛管的预制应在洁净的专用场所内进行，施工过程中还要经 常用吸尘器将场所内的灰尘吸干净。预制车间要求布局合 理、设备齐全，一般分成原材料存放区、预制区、半成品堆放 区等三个区。 ２．１．２ 焊工准备
本不使用；钍钨极：虽降低了空载电压、增大了许用电流范 保护装置，延时时间为 ３０～６０ｓ；更重要的是，应按规范要求
围，但有微量放射性；铈钨极比钍钨极更易引弧，钨极损耗更 进行焊接工艺评定，严格执行经验证合格的工艺参数。表 １
小，放射性剂量也较低。通过比选，推荐选用 Ф２．４ｍｍ 的铈钨 列出了三种不同规格钛管的工艺参数，壁厚相同或相近的可
４ 结语
通过在某化工厂醋酸管线的 ＴＡ２ 钛管施工实践，证明了 采用技术改进后的“钛管手工氩弧焊焊接工艺”进行施焊，焊 缝合格率达到 １００％，一次性 Ｘ 射线探伤合格率大于 ９６％ 。 经总结分析形成的钛管焊接改进工艺已趋于成熟，可以有效 提高工程施工质量。该方法为今后同类工程施工技术的提高 奠定了基础。同时，也有利于培养造就一大批钛管焊接的技 术人才。
关键词 工业纯钛；焊接性；手工钨极氩弧焊
０ 引言
钛是一种非磁性材料，具有密度小（约 ４．５ｇ／ｃｍ３）、强度高 （比铁约高 １ 倍）、较好的高温强度和低温韧性以及良好的耐 腐蚀性等特点，按照其合金化程度可分为工业纯钛和钛合金 两种。钛及其合金具有较大的化学活性，高温下易与氢、氧、 氮、碳等发生剧烈的化学反应，这无疑给钛及其合金的焊接 带来极大的挑战。结合某化工厂醋酸管线的 ＴＡ２ 钛管安装工 程实践，提出采用手工钨极氩弧焊进行钛管焊接的施工工 艺，可以有效解决钛管的现场施焊问题，其它种类的钛及其 合金的焊接亦可参照实施。
■施工技术
2014 年
浅谈钛管的手工钨极氩弧焊焊接工艺
戴来生 （福建四海建设有限公司，福建 厦门 361009）
摘 要 本文在阐述分析工业纯钛焊接性的基础上，针对工业纯钛高温下易发生化学反应，进而使焊接接头塑 性和韧性降低的问题，从焊前准备、工艺要求、焊后检验及返修等方面予以论述，总结出一套采用手工钨极氩弧焊 施焊方法，保证了钛管的焊接质量。
（①—焊接方向；②—焊枪；③—充氩接口；④—拖罩；⑤—钛管； ⑥—不锈钢堵板⑦—进气接口；⑧—焊缝；⑨—密封胶皮；⑩—排气接口）
图 ２ 辅助保护装置及 ＤＮ＜５００ｍｍ 的背面保护装置示意图
２．２ 工艺要求 ２．２．１ 坡口的制备与定位焊
坡口型式及尺寸的制定，以尽量减少焊接层数和填充金 属量为宜。对于壁厚在 ３～１５ｍｍ 之间的，推荐采用单边 Ｖ 型 坡口。钛管的切割和坡口加工，宜采用机械方法。使用角向磨 光机时要选择无铁钛材专用砂轮片；打磨时应间断进行，进 度和力度要适当，不得使钛金属表面因过热而变色，打磨后 表面呈银白色或黄色金属光泽为合格。组对前，应用钿锉或 奥氏体不锈钢丝刷、铣刀等机械方法清除坡口及其两侧不小 于 ５０ｍｍ 范围内的油污、氧化膜、毛刺等杂质；焊接前，还需 使用不含硫的丙酮或乙醇，对经机械清理干净后的表面进行 脱脂处理，待管道表面干燥后及时进行组焊，以减少空气、灰 尘的再次污染。组对时，注意确保内壁平齐，对口错边量符合 规范要求。组对合格后，进行相应的定位焊：定位焊由合格焊 工进行，采用与正式施焊相同的焊接材料及工艺，焊缝长度
边的空气。 ②辅助保护装置的准备。已凝固的焊缝金属以及热影响
区在冷却至 ４００℃前也须加以保护。常规做法是在焊枪上加 一个拖罩来提供保护气体（如图 ２ 所示）。拖罩的材质应选用 奥氏体不锈钢或紫铜，规格可按内弧长为 １００～２００ｍｍ、宽度 为 ６０～８０ｍｍ、厚度为 ３０ｍｍ 进行制作。为了减轻拖罩的重 量，可将拖罩制作成月牙形；同时，拖罩气室内设置 ３ 层 １２０ 目的不锈钢丝网或铜丝网，以确保向接头区提供均匀、稳定 的层流保护。
棒。
参照执行。
（３）焊丝。焊丝成分一般应与母材金属相同，可选用 ＥＲ
表 １ 钛管手工钨极氩弧焊工艺参数表
３ 焊后检验及返修要求
３．１ 焊后检验 （１）外观检查。 ①焊缝外观检查。焊缝表面不得有裂纹、气孔、夹渣、咬
边、焊瘤等缺陷存在，不得低于《现场设备、工业管道焊接工 程施工质量验收规范》（ＧＢ５０６８３）关于外观质量Ⅰ级规定的 要求［３］。
钛管、焊接材料等到货后，应组织业主、监理、施工等相 关方的责任人员对其规格、数量、质量以及有关证明文件进 行查验；必要时，还应进行材料的复验。验收合格后，办理相 关的入库手续、分类存放，发放时须做好相应的领用手续。 ２．１．４ 焊接设备
焊机应选用具有高频引弧和电流衰减装置且性能稳定 的直流氩弧焊机。例如：ＷＳ－４００Ｂ 型氩弧焊机。焊机摆放位置 应合理、稳固，电源连接可靠，接地良好。 ２．１．５ 对口夹具和气保护装置的准备
（２）焊接冷裂纹分析。当接头中因氢、氧、氮等杂质含量 较多时，性能会变脆，在焊接应力作用下易出现冷裂纹；其 次，由于熔池和母材金属低温区中的氢会向热影响区扩散， 引起该区域的氢含量增加，致使热影响区可能出现延迟裂 纹。由此可知，为了从根本上降低焊接接头的氢含量，就必须 选用含氢量低的母材和焊接材料。
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■施工技术
2014 年
为 １０～１５ｍｍ，高度不超过壁厚的 ２／３，焊点数不少于 ３ 处；定 ＴＡ－２ 焊丝。焊丝使用前应参照坡口清理方式进行机械清理
位焊缝应杜绝裂纹、气孔、夹渣及氧化变色等缺陷的存在。
和脱脂处理。焊接过程中，应确保焊丝加热端始终处在氩气
２．２．２ 焊接材料的选择
的保护之中，熄弧后焊丝也不能立即暴露在大气中，待焊缝
①主保护装置的准备。主保护气体由焊枪的喷嘴提供 的。为了增强保护效果并获得稳定的层流气体，喷嘴的直径 要适当加大，通常为 １２～２０ｍｍ；喷嘴首选陶瓷材质，截面宜 为圆柱形。较圆锥形而言，圆柱形喷嘴有一段不变截面的气 流通道，气体的喷出速度均匀，层流厚度较大，保护效果更 好。在不影响可见度和方便填充焊丝的情况下，喷嘴到工件 的距离要适当缩短（一般取 ８～１０ｍｍ），以防气体紊流卷入周
②焊缝表面色泽检查。钛管焊缝表面以呈现银白色金属 光泽为最佳、呈现金黄色金属光泽为次之，两者均为合格。出 现其它色泽的，均视为不合格。
（２）Ｘ 射线检测。由于钛管的接头有延迟裂纹倾向，至少 应在焊接完成 ２４ｈ 后才能进行 Ｘ 射线检测。 ３．２ 返修
对于经外观检查或无损检测不合格的部位，应采用细 锉、不锈钢丝刷或旋转锉等机械方法将其清除；需要补焊的， 按照正式焊接工艺要求进行；同一部位的返修次数不得超过 两次。
（２）氧和氮的影响。钛金属在高温状态下吸收的氧或氮， 将产生固溶强化，从而导致焊接接头的强度和硬度增加、塑 性和韧性下降。另外，氮和钛会发生剧烈作用，形wk.baidu.com脆硬的氮 化钛（ＴｉＮ），它引起的不良后果比氧更为严重。
（３）碳的影响。碳在钛的溶解度范围内（常温下约为 ０．１３％） 时，会使钛的强度提高、塑性下降，但影响程度不如氧、氮显 著；超过溶解度时会析出脆硬的 ＴｉＣ，其数量随碳含量的增高 而增多，焊接时将使接头的塑性迅速下降，在应力作用下容 易产生裂纹。可见，必须严格限制焊件中碳的含量（≤０．１％）。 １．２ 焊接气孔分析
１ 焊接性分析
焊接性［１］是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设 计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性受材料、 焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。就用于石 油化工设备的工业纯钛而言，主要是指其力学性能和耐腐蚀 性能。 １．１ 焊接接头区脆化分析
纯钛是一种银白色、化学性质活泼的金属。资料显示［２］， 高 温 下 钛 与 氢 、氧 、氮 、碳 等 的 亲 和 力 很 强 ，无 保 护 的 钛 在 ３００℃以上开始吸氢，６００℃以上开始吸氧，７００℃以上开始吸 氮。钛的这种吸气作用将导致焊接接头塑性、韧性下降，甚至 脆化开裂，给焊接带来了很大困难。为了使焊件的高温部位 免遭氢、氧、氮、碳等杂质的污染，焊接时须采取必要的保护 措施。
（１）氢的影响。氢是气体杂质中对钛的力学性能影响最 严重的因素。这是因为过量的氢溶于钛中，不仅导致气孔，而 且冷却时会以钛的氢化物 （ＴｉＨ２） 的形式沿晶界析出。由于 ＴｉＨ２ 的强度很低，在钛金属中的作用有如微小的缺口或裂 纹，会大大降低钛的冲击韧度，导致所谓的“氢脆”。为防止氢 造成的脆化，焊接时要严格控制氢的来源，尤其要严格限制 母材和焊接接头的含氢量，通常不得超过 ０．０１５％。
气的橡皮软管。
不作摆动；焊丝与工件的夹角保持 １０～１５°；多层多道焊时，
（２）钨极。常用的钨极材料有纯钨极、钍钨极和铈钨极三 层间或道间的温度应低于 １００℃；起弧（使用高频引弧）时，焊
种。纯钨极：要求的空载电压较高、承载电流能力较小，已基 枪提前送气 ３０～６０ｓ。熄弧时，使用电流衰减装置和延时气体
（１）氩气。钛管焊接用的氩气应为一级氩气。还须注意两 脱离保护时一并取出，否则，应将受污染的部位予以裁除。
件事项：一是压力降至 １．０ＭＰａ 时，应停止使用氩气；二是氩
（４）焊接工艺要点。焊接过程中，要做到电源极性采用直
气的输送，应选用环氧基或乙烯基塑料软管，不能采用会吸 流正接；焊枪与工件表面夹角宜为 ７０～８０°、移动要均匀且
参考文献 ［1] 徐初雄. 焊接工艺 500 问 [M]. 北京：机械工业出版社,
2004：227. [2] 陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社,
2006：1156. [3] GB50683-2011.现场设备、工业管道焊接工程施工质量
验收规范[S].
产生气孔的因素很多，既有熔池冶金因素，又有焊接工 艺因素，同时还受到环境介质的影响，任何一个环节的疏忽 都可能导致出现气孔。尽管气孔产生的条件存在差异，但正 确选用焊接工艺、采取必要的保护措施，以及提高焊工操作 技能，是可以有效防止气孔产生的。 １．３ 焊接裂纹分析
（１）焊接热裂纹分析。钛金属由于高温塑性较好、液相线 与固相线的温度区间窄、凝固时的收缩量也比较小，加上 Ｓ、 Ｐ、Ｃ 等杂质少，一般不易出现焊接热裂纹。但当母材或焊丝 质量不合格，特别是焊丝有裂纹、夹层等缺陷时，则会促使热 裂纹的产生。因此，控制母材和焊接材料的质量合乎标准是 一个关键因素。
（１）对口夹具的准备。为了更好地保证组对质量，需要制 作专用的活动对口夹具进行辅助对口（见图 １ 所示）。如此做 法，既可避免组对过程中因使用铁质连接固定板，造成铁离 子对钛管道的污染，也可在组对时通过调节丝杠来保证焊口 同心，防止对口错边现象的产生。
（１—丝杆 ２—钛管） 图 １ 对口夹具示意图
（２）气保护装置的准备。钛管焊接过程中须保护的部位 包括：熔池及其邻近的母材（主保护）、已凝固的高温焊缝金 属和热影响区（辅助保护）、接头的背面（背面保护）等。故应 准备好适用的气保护装置。
参加施焊的焊工应进行专项技术培训，掌握钛金属的材 料特性、焊接工艺要求和操作要领，并按照《特种设备焊接操 作人员考核细则》要求，取得相应的资格，持证上岗；参加焊 接跟罩人员，同样要具备较强的责任心和丰富的焊接经验 （对于 ＤＮ≥５００ｍｍ 的钛管，可安排一人在管内拿着气保护 罩，对接头的背部进行保护）。 ２．１．３ 材料准备