工业纯钛焊接工艺试验及焊接接头质量控制

工业纯钛焊接工艺试验及焊接接头质量控制

齐鲁石化公司检修公司聂振海 1993.10

钛及钛合金具有比重小，强度髙及良好的髙、低温性能，它在湿氯气中，氧酸盐、尿素、硝酸、石酸、石炭酸等大多数酸、碱、盐介质中有优异的抗裂性能和耐腐蚀性能，使之成为一种前景广范的新型结构材料，越来越广泛地应用在石油化工、军工、宇航、制药等各个领域。

但是，由于钛在高温下，有很强的化学活泼性，熔点高，热熔量小，导热性差等特点，因此它的可焊性具有与碳钢、普通低合金钢、不锈钢、铝、铜等不同的显著特点°为了广开生产门路，适应我公司化工生产的需要，我们进行了工业纯钛焊接工艺试验及焊接接头质量控制的专题研修。现简述如下：

一、工业纯钛的种类及性能

工业纯钛的牌号用汉语拼音字母TAx表示。TAD是碘法钛，TA4-TA8. TB2. TC I-TC IO是钛合金。工业纯钛有TA】、TA2、TA3,其化学成分及常温机械性能见表1。

工业纯钛的化学成分及板材的室温机械性能表1

钛的机械性能与纯度有关，钛纯度越髙，强度越低，但塑性增加。杂质与钛形成脆性化合

物，使塑性、韧性急剧降低，因此，钛中杂质受到严格限制。钛与钢、铝、铜的部分物理性能比较见

表2。

钛与钢、铝、铜的部分物理性能比较表2

小，而且焊透性也较好。

二、工业纯钛的可焊性特点

1、高温下易氧化

工业纯钛的化工性质非常活泼，虽然常温下比较稳立，但在髙温下易吸收氢、氧、氮等气体而变脆，使塑性显著下降。

为了防止上述有害气体的污染，在焊接时需要采用特殊的工艺播施。

2、焊接线能量对焊接接头性能的影响

工业纯钛焊接接头的强度与母材相近，而塑性则明显比母材低，过热区最低。分析其原因有两个方而：

一方而由于钛材熔点高，导热性差，比热小，因此焊缝及过热区高温停留时间长，冷却速度慢，致使过热区出现粗大的晶粒，从而使塑性低。

另一方面，如果焊缝冷却速度很快时，会岀现B相—相无扩散型转变。这种转变类似钢中的马氏体转变。而u相又不同于钢中的马氏体，它的过饱和程度较低，冷却越快；过饱和程度越髙，a相越细密，塑性就越低。

因此，工业纯钛焊接时应选择适当的线能量，使热影响区的冷却速度既不过慢，又不过快，从而防止晶粒严重长大及过疑细小的a相存在。

3、焊接变形及冷裂纹倾向严重

由于钛材弹性模量比钢小，所以在同样的内应力情况下，钛的焊接变形大，而且回弹大，所以又难以矫正。

工业纯钛焊接时，有时会岀现延迟裂纹。氢是引起焊接裂纹的主要原因。裂纹多出现在热影响区，该区含氢量高，从而析岀TiH?量增加，使其脆性增加。另外，析岀氢化物时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向高应力区扩散及聚集，导致裂纹产生。

减少焊接变形，防止裂纹的办法是采用正确的焊接程序，减少焊接接头上氢的来源。

4、易产生气孔

气孔是工业纯钛焊接中较常见的一种工艺缺陷。主要是氢气孔。钛焊缝气孔往往分布在熔合线附近，这是钛气孔一个特点。

防止产生气孔主要是减少氢的来源。使用高纯度的氮气，焊件及焊丝表而要认真淸洗，去除水分、油污、氧化皮、有机纤维及吸附的气体杂质。此外，要配合适宜的焊接工艺，如焊接速度等。

三、工业纯钛的焊接工艺要点

1、焊接环境：焊接环境要求通风、干燥、无尘并与钢结构预制场所隔离。风速小于2m/秒，以室内（或棚内）作业为好。湿度小于90%0

2、焊接器材

焊丝的化学成分和力学性能要与母材相当，要求髙塑性时，纯度应比母材髙。

氮气纯度大于等于99.99%,水分小于等于50ml/m3,露点低。

焊机应有高頻引弧、电流衰减和气体延时保护装置。

氮气纯度对对接接头表而颜色及接头弯曲角的影响表3

TA3

采用软塑料管输氮气。喷嘴直径选用鋪鸽极（或牡鸨极），鸽极磨削成图1所示形状。

3、焊前准备

坡口采用机械方法加工。 坡口形状见图2。

坡口及焊丝的淸理。焊前应认真对焊丝及坡口进行淸理，这是工业纯钛焊接中重 要的一步。清理方法可采用机械淸理：用细锂、奥氏体不锈钢线刷或銃刀等，和化学 淸洗的方法。

化学淸洗方法见表4。 钛合金酸洗溶液配方及规范

表4

配方号 组

分

浸洗时间 冲洗 A HC1 350ml/L> HNO 3 60mI/L,NaF 50ml/L,H 2O

余量

室温1' 3 min 冷净水 B

HF 10%, HNO3 30%, H2O 60%

室温下 lmin

冷净水

将焊丝表面及坡口两侧25mm 以内的氧化皮、汕脂、毛刺和污物淸理干净.最后

I

”/zz 11 么 Zzl

T~jl

图2坡口形式

用绸布沾丙酮或乙醇擦洗，以彻底除去油污及水分。淸理完后必须在4小时内焊完，否则要重新淸理。淸理过的焊丝应在150~200°C下保温使用，取用时应戴淸洁手套。

4、定位焊

工业纯钛的泄位焊，一上要采用与正式焊接完全相同的焊接材料和焊接工艺，-- 点焊处不得有裂纹、气孔、夹渣及氧化变色等缺陷，一旦发现缺陷应及时消除重焊。泄位焊长度10mm左右，间距150~200mm,高度不超过壁厚的2/3。

5、焊接方法

工业纯钛采用手工钩极氮弧焊。手法采用左焊法，见图3、图4。直流正接。焊接位It 采用平

T

焊接方向

焊和管口的转动焊。在不妨碍观察的前提下，弧长越短越好，不摆动或少摆动。焊接层数越少越好，以免引起晶粒粗大。

6、焊接工艺参数焊接工艺参数见表5。焊接工艺参数表5

壁厚(m m) 焊接

层数

鸽极

直径

(m

m)

焊丝

直径

(m

m)

嘴

径

m 1

喷

直

<

m

层间

温度

(°C

)

焊接热输入量氮气流量(升/分)

焊接电

流 (A)

电弧

电压

(V

)

焊接速

度

(cm/mi

n)

喷嘴保

护

背

而

W2 1 1.6 2.0 12-1

6

W

200

40-70

10-1

2

7.5

15

8-12

16-2

5

6-10

3~4 2 2.0 2.0 16-2

W

200

80-110

12-1

4

12-1

5

25-3

8-15

5-7 3 2.4 3.0 16-2

(I

W

200

100-14

12-1

4

12-1

5

25-3

(1

8-15