鈦作為結構材料?具有許多特點：比重小、抗拉強度高?即比強度大?在300～550℃高溫下?仍具有較高的強度?鈦在海水及大多數酸、堿、鹽介質中均具有較優良的抗腐蝕性能?此外?鈦材還具有良好的低溫沖擊韌性。

因此?鈦在宇航工業、石油化工等部門獲得日益廣泛的應用?但是鈦材焊接的低溫氧化和氣孔問題又給鈦材焊接帶來一定的難度?因此?要想提高鈦管的焊接質量?必須首先解決這兩個問題。

1、鈦材焊接性分析

1）由氧氣等雜質污染所引起的焊接接頭脆化在常溫下?鈦是比較穩定的?但隨著溫度的升高?鈦吸收氧、氮、氫的能力也隨之明顯上升。鈦從400℃開始吸收氧?從600℃開始吸收氮?而空氣中含有大量的氧和氮。

實驗證明?工業純鈦焊接時?隨焊縫［O］含量的上升?焊縫的抗拉強度及硬度明顯增加?而塑性則顯著下降?也就是說?焊縫因［O］的污染而變脆。

2）焊接線能量的變化對焊接接頭性能的影響

要使工業純鈦焊接 HAZ 區獲得良好的塑性?需選用合適的冷卻速度。而在板厚一定時?冷卻速度基本上是由焊接線能量來決定的。隨著焊接線能量的增大?HAZ 的高溫停留時間增長?過熱區面積增大?且晶粒因過熱而變粗大的現象更為嚴重?故用過大的焊接線能量來進行工業純鈦的焊接是不合適的?塑性將明顯下降。

3）氣孔問題

鈦材焊接時?容易在熔合線附近出現氣孔。試驗表明?這種氣孔特點的形成與［H］在 Ti 中的熔解度有關?從圖1中可以看出?［H］在 Ti 的熔解度隨溫度升高而降低?在凝固溫度有躍變。熔池中部比熔池邊緣溫度高?故熔池中部的［H］易向熔池邊緣擴散?故熔池邊緣為［H］過飽和而生成氣孔。

2、焊接工藝

1）焊接要求

通過上述對 Ti 材焊接特性的分析?為了保證鈦管焊接質量?必須解決Ti 材的低溫氧化和氣孔問題。而低溫氧化問題尤為關鍵。

所以?鈦管焊接必須做到下列幾點：

a） 采用高純度的 Ar 氣進行焊接?Ar 純度≥99?99％。

b） 焊前對鈦管及焊絲必須認真清理干凈。

c） 正確選用焊絲及嚴格按焊接規范操作。

d） 對處于400℃以上的熔池?后部焊縫及 HAZ 區?背面焊縫?均應用高純 Ar 保護。

2）鈦管焊接保護

鈦管焊接時?保護區分三部分：熔池、后部焊縫及 HAZ 區（400℃以上）和背面焊縫。

因鈦材導熱性差?焊接熔池大而冷卻慢?故焊槍噴嘴直徑應適當加大?以增大保護區域?噴嘴內徑一般取16～20mm。

對于400℃以上的后部焊縫及 HAZ 區的保護?有關資料中已經提供了很多方法?例如：真空室中焊接?充氬箱中焊接及整體保護罩焊接等等。但這些方法不僅成本高?而且

在操作上也多有不便?因此?成本低、操作方便的局部保護罩的設計?對鈦管的焊接來說是個重要突破。局部保護面積應根據400℃以上后部焊縫及 HAZ 區的面積來確定。

圖2為鈦材焊接時?溫度場分布示意圖?從圖中可以看出400℃以上區域范圍為80×60。因此?保護罩的保護面積可依此確定。

圖2中橢球形過濾球由銅網包扎鈦屑而成?其作用是使 Ar 氣能充滿拖罩?并形成穩定層流。

背面焊縫的保護分兩種情況?對管徑 DN≥500的 Ti 管?采取局部保護?對管徑 DN ＜500的 Ti 管?采取整體保護。

其結構和不銹鋼管線焊接時的內部保護結構相同。

3）鈦管焊前清理

為確保鈦管焊接質量?鈦管焊接禁止在露天現場?應設置一鈦管專用焊接操作間（空間大小以不影響施工為準）?室內應保持清潔（最好是鋪上黑膠皮）、干燥、室內溫度不應低

于10℃?不允許有空氣對流。

為了防止出現氣孔?必須杜絕一切氫的來源。因此?鈦管焊前?坡口附近表面及內壁必須認真進行清理?清理程序如下：

磨光機打磨------不銹鋼絲刷清理------拋光輪拋光------丙酮（乙醇）清洗、清理結束以后?立即對坡口進行封口保護?以防再次被污染。

4）工藝規范

根據前面對鈦材焊接特性的分析可知鈦管焊接一般應采用較小的線能量?因此?應選擇較小的焊接規范進行焊接?焊接規范詳見表1。

5）注意事項

A、在采用上述規范時?鎢極直徑宜為3mm。

B、由于 Ti 比重小?所以組對時?間隙G應嚴格控制在上述規范之內?否則?易出現內凹或焊瘤。

C、由于 Ti 熔點高?比重小?焊工在進行封底焊時?應熟練掌握送絲技巧?否則?易出現內凹或焊絲未熔。

D、對厚壁管?因表層焊道較寬?為防止氧化?在進行蓋面焊時?應采取排焊的方法?盡量避免采用焊槍擺動一次成形的方法。

3、 焊接檢驗

焊接結束?對所有的焊縫均應作100％的色澤檢查和射線檢測。

對國內工程?檢驗按 SHJ－502－86標準執行。

對由外方監理的工程?檢驗按 ASME 規范或其它國外相應標準執行。

4、 結語

我公司 PTA 工程中?共有 Ti 管320m?平均管徑為 DN200。在施工過程中?我們采用了前面所闡述的措施和工藝?經檢查?所有的焊縫色澤為保護最佳的銀白色?射線探傷一次合格率達98?07％。這一結果表明；局部保護罩的設計從根本上解決了鈦管焊接的低溫氧化問題?鈦管焊接施工工藝合理；但是?拖罩與焊槍的固定還存在一定的問題?這將有待于今后進一步改進。

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