钛-钢复合板的焊接研究

钛-钢复合板的焊接研究摘要：钛钢复合板常应用于耐腐蚀性压力容器的制造，其制造技术在国内只有少数几家有成熟的经验。

该文对钛钢复合板焊接时存在的难度和特殊性做了比较全面的叙述。

对焊接用保护罩进行了精心的制作，分析了钛材在焊接过程中易产生的缺陷及处理方法。

尤其是对坡口形式、焊材选择、参数确定、气体保护方案和清洁措施进行了详细的说明。

关键词：关键容器钛-钢复合板 TIG焊前言：醋酸是石油化工生产过程中对容器造成腐蚀的主要介质，早期的一些容器都采用316L不锈钢，但在长期的生产过程中仍发生腐蚀。

某公司化工厂在装臵改造扩容时将一部分关键容器由不锈钢改用钛材。

考虑到该大型醋酸母液罐由于体积大，全部采用钛材成本太高，故而采用钛-钢复合板，这样不仅保证了优良的耐蚀性能，提高了设备的寿命和可靠性，还大大的节约了成本。

由于钛材的焊接本就存在一定的难度，而钛-钢复合板的焊接就更有其特殊性了。

本文比较系统的叙述了该设备在关键焊接部分所面临的难点，并作出了分析和解决方案，为制造同类产品提供了借鉴。

1产品结构及技术要求该大型醋酸母液罐体直径为5400mm，高为9600mm，材质为TA1+16MnR，厚度为14mm（12mm+2mm），介质为醋酸、水。

设备制造检验验收应符合《压力容器安全技术监察规程》；GB/T 150-1998《钢制压力容器》；GB/T13149-1991 《钛及钛合金复合板焊接技术条件》；JB/T 4745-2002 《钛制焊接容器》的规定，且必须满足本规定的要求。

2焊接技术要求2.1焊缝表面要求碳钢焊缝表面不得有气孔、咬边、裂纹等表面缺陷，钛焊缝（包括热影响区）表面以银白色、金黄色、局部少量蓝色为合格。

2.2焊缝检验要求焊缝、16MnR部分需进行20%射线探伤，按JB 4730-1994标准，Ⅱ级合格。

所有复合层及接管内焊接完毕，均需对焊缝全部长度进行着色检验。

本试验应用可靠的纯白色显影剂，同时在碳钢焊接的检漏孔通入294MPa的空气后氩气，用肥皂水进行泄露检查，所有钛焊缝都要进行氦气检漏试验，水压试验后钛衬里的盖板初焊缝还要进行着色检验，最终容器进行热气循环试验。

3钛材焊接所面临的影响3.1 气体及杂质污染的问题工业纯钛具有良好的耐蚀性、塑性、韧性、焊接性和较高的比强度，其熔点高达1672℃，在常温下，由于钛表面致密氧化膜的作用，使其性能很稳定。

但在高温下具有很强的化学活泼性，随着温度的升高，其化学活泼性会迅速增强。

在焊接过程中，液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。

随着温度的升高，钛吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升，大约在250℃左右开始吸收氢（生成的TiH2强度很低，对钛的机械性能产生严重影响），从400℃开始吸收氧（提高钛及钛合金的硬度和强度，使塑性却显著降低），从600℃开始吸收氮（形成脆硬的氮化钛（riN）而且氮与钛形成间隙固溶体时所引起的晶格歪挪程度，比氧引起的后果更为严重），这些气体被吸收后，将会直接引起焊接接头脆化，是影响焊接质量的极为重要的因素。

此外，碳也是钛及钛合金中常见的杂质。

实践证明，焊接时如果对钛与氧、氢、氮等气体的吸收和溶解不加以控制，最终将导致产品的报废。

所以，以上现象的产生，无疑给钛的施焊工作和焊接质量带来了极大的困难和影响。

防止气体及杂质污染的工艺措施主要有：（1）做好焊前准备。

严格清洗焊缝表面，杜绝氢、氧、氮的侵入。

（2）选用精确的氩气流量计以控制气流量。

气体流量的选择以达到良好的保护效果为准，氩气流量大小对保护有着相当的影响，过大的流量不容易形成稳定的气流层，反而在保护区内形成紊流，使有害气体浸入熔池，使焊缝表面容易出现微裂纹。

过小的气流使保护不到位，达不到保护效果，拖罩中的氩气流量不足时，焊缝呈现出不同的氧化色泽。

（3）加强焊缝保护。

焊接时，不得将焊丝端部移出氩气保护区；断弧及焊缝收尾时，要继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到100℃以下时方可移开焊枪。

3.2 焊接接头裂纹问题钛焊接时，焊接接头产生热裂纹的可能性很小，这是因为钛及钛合金中S、P、C等杂质含量很少，由S、P形成的低熔点共晶不易在晶界出现，加之有效结晶温度区间窄小，钛及钛合金凝固时收缩量小，焊缝金属不会产生热裂纹。

钛焊接时，热影响区可出现冷裂纹，其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间。

经研究表明这种裂纹主要是碳、氢的影响及过快的冷却速度所致。

防止这种延迟裂纹产生的办法，主要是减少焊接接头氢、碳的来源，焊前对焊缝区域进行保护清理，防止有害杂质玷污。

其次，应严格控制层间温度。

在保证熔合良好的前提下，尽可能采用低热输入量施焊，即降低熔合比。

采用小直径焊丝、低焊接电流、窄焊道技术、快速焊。

冷却速度控制在100℃∕s左右最好。

3.3 焊缝中的气孔问题气孔是钛材焊接是比较容易产生的缺陷，主要原因是由于氢影响的结果。

板材、焊材表面不干净，操作者手套上的水分、油脂，角磨机磨下的沙粒、飞尘等都是氢的来源。

焊缝金属形成气孔主要影响到接头的疲劳强度。

防止产生气孔的工艺措施主要有：（1）保护氖气要纯，纯度应不低于99.99%，导气管应用增强塑料管，不能用橡胶管。

（2）彻底清除焊件表面、焊丝表面上的氧化皮油污等有机物。

（3）对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果。

（4）正确选择焊接工艺参数，增加熔池焊缝金属停留时间，使气泡逸出，可有效地减少气孔。

（5）焊接时采用小的热输入，最好采用脉冲氩弧焊，既可改善接头塑性，减小过热和粗晶、减小变形，又可增加了熔深，减小了气孔的产生。

3.4 酸母液罐的特殊性1属于压力容器范畴醋酸母液罐不能像其他设备那样可随时停下检修。

如果突然停止运行，就会给一条生产线间接和直接的经济损失是非常大的。

由于储罐本身是化工厂的关键压力容器，工作要求很高，加上又是钢钛复合板的高难度焊接，这无疑对焊接的各个环节提出了相当高的要求，任何一点小小的疏忽，将会导致巨大的经济损失，甚至是人身伤亡。

因此，他对焊接的要求特别的严格，焊完的焊缝需满足下面几点要求：①与母材等强性②与母材等塑性③与母材等耐蚀性2工作条件恶劣①载荷。

除承受静载荷外，还承受低周疲劳载荷，局部区域受力情况比较复杂且容易超负载运行。

②环境温度。

在高温高压下工作③介质。

有水、腐蚀性的醋酸4钛-钢复合板对接接头的设计钛和钢是不能直接熔焊的，因为液态下钛与钢会产生金属间化合物而严重的脆化，因而无法焊接。

选用的钛-钢复合板的焊接接头形式坡口形式及尺寸如图1：图1为对接焊缝上加钛盖板，先焊16MnR的1、2、3部分，第4道焊完冷却后磨平，底层用碳弧气刨清根，再焊第5层(1-5用焊条电弧焊)。

在焊缝4上铺钛板b，保证压紧平整，最后铺焊钛盖板a。

5保护罩的制作钛材焊接时用的保护罩是十分重要的。

一个技能娴熟的焊工，没有一个好的保护罩，即使焊缝焊得再漂亮，焊后全部氧化变色，这道焊缝仍旧是不合格的，而且要报废。

筒体的A、B焊缝的保护罩如图2。

这个罩就是对常用的保护罩做了一些改进，在进气管的下面放进去一层不锈钢丝球（超市有售），将其展平，在下面用粗一些的铜丝将网拖住，与罩的边缘点固焊住即可。

不锈钢丝球层主要起气筛和分布的作用，使氩气流动更平稳，焊接保护效果更好。

然后将制作好的罩放在窗户的玻璃上用嘴在进气口吹一大口气，拿开罩子看玻璃上的蒸汽是否均匀，如不均匀或有出气多的地方要进行修整，直至整个蒸汽面均匀为止。

总之，不管做任何形式的托罩，罩子喷出的保护气体应该是层流，而不是束流。

6焊接6.1焊接工艺评定焊接工艺评定是保证醋酸母液罐筒体焊接质量的重要措施。

焊接工艺评定完成后，焊接工艺指导书或焊接工艺卡发给有关部门和焊工，焊工必须遵照实施，不得任意修改。

钛设备施焊前应按有关规范及规程要求进行焊接工艺评定。

然后根据此焊接工艺评定在正式施焊前组织参加焊接的焊工进行适应性试验，以保证正式焊接中获得较好的质量。

6.2 焊接材料的选择16MnR的焊接选用J507，焊前350℃烘干1小时，而后放在保温箱内随用随取；TA1的焊接材料选择，原则上采用与母材化学成分相同的纯钛材料，一般要求焊丝中有害杂质越少越好，以保证焊缝与母材等强。

由于从母材剪下的条宽窄有误，还有毛刺，容易氧化，同时给焊缝性能带来一定的影响，所以不能从母材上切取的方法来解决焊丝的问题。

选择相应的焊丝作为填充料，焊前将焊丝放在专用的酸洗槽内，严格按酸的比例进行酸洗，而后放在保温箱内随用随取，焊前用白丝绸渗入丙酮后擦洗。

酸洗到焊接的时间一般不超过2小时，否则要放到干燥洁净的环境中储存，储存时间不超过120小时。

6.3 焊前准备在钛材的焊接现场最好单独划分出一块区域，非专业人员不得入内，以保护该区域的洁净，所有施焊人员应穿干净工作服，戴针织手套或薄羊皮手套，不能戴棉线手套，进入罐内施焊，鞋要套上鞋套。

坡口及其两侧各50 mm以内的内外表面及焊丝表面应清除油污，并用细锉奥氏体不锈钢丝刷、铣刀等机械方法清除氧化膜、毛刺和表面缺陷，清理工具应专用，并保持清洁；经机械清理后的表面，焊接前应使用不含硫的丙酮或乙醇进行脱脂处理，严禁使用三氯乙烯、四氯化碳等氯化物溶剂，不得将棉质纤维附于坡口表面。

根据技术要求，焊前对施焊环境作了“菲绕琳”试验，在焊缝周围做了“铁离子”污染试验，经试验合格后才进行施焊。

6.4装配为了减少焊接变形，焊前需进行定位焊，定位焊缝应采用与正式焊接相同的焊接材料及焊接工艺，即所用的焊丝、焊接工艺参数及气体保护条件应与焊接接头焊接时相同。

焊前清除焊丝表面和焊接坡口及其两侧各20mm范围内的氧化层、油污、水分、锈蚀等，且应由合格焊工施焊，定位焊焊在基层焊缝上，焊缝长度宜为10一15mm，间距为100-150mm，高度不应超过壁厚的1／3。

间隙0-1mm，钝边0-1.0mm。

焊缝不得有裂纹、气孔、夹渣及氧化变色等缺陷，当发现缺陷时应及时消除。

6.5焊接顺序焊接顺序见图1：手工电弧焊（1、2、3、4）→打磨第4道焊缝→碳弧气刨清根第1道底部→手工电弧焊第5道→铺盖过渡层钛板b热压成型→铺盖过渡层钛板a→氩弧焊焊接钛盖板角焊缝6、7（第一层自熔焊，第二层加丝焊）6.6焊接工艺参数16MnR系列压力容器板具有良好的综合性能和低温冲击韧性，时效敏感性、缺口敏感性低，焊接性能优能优良（厚度在30mm以下时，焊前一般不预热，焊后可不热处理），可用手工电弧焊进行焊接，既容易保证焊缝质量，又能提高熔敷效率，在此对其焊接工艺参数不作详细说明。

钛的焊接考虑到板薄，焊接量小，用氩弧焊焊接能保证各方面的要求。

钛盖板角焊缝焊接工艺参数可见下表：钛盖板角焊缝焊接工艺参数板厚/mm 焊接层数焊接电流/A氩气流量/（L/min）喷嘴托罩背面2.0 2 130-140 10-11 12-13 3-5焊接电源焊丝直径钨极直径焊接速度mm/min焊接电压/v 喷嘴内径OTC-300直流氩弧焊2-3 3.0 160-170 14-16 16附：工艺参数的选择依据1）焊接电流如采用大电流，焊接时非常的顺畅，但焊缝的晶粒粗大，性能差，焊缝周围易产生较大的残余应力。