鈦設(shè)備焊接工藝的優(yōu)化

王靈果　韓衛(wèi)榮

[摘 要]本文結(jié)合鈦材特性和施工現(xiàn)場(chǎng)分析了鈦設(shè)備常見(jiàn)焊接缺陷、施工特點(diǎn)及焊接方法,提出了防止和消除焊接缺陷的方法,并給出了鈦設(shè)備焊接工藝和優(yōu)化。

[關(guān)鍵詞]鈦設(shè)備;焊接缺陷;焊接優(yōu)化工藝

[中圖分類(lèi)號(hào)]TG457.19 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1005-6432(2009)18-0012-03

鈦材越來(lái)越廣泛用于化工醫(yī)藥等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備制造和安裝行業(yè)。鈦材特點(diǎn)是密度小、強(qiáng)度高,在海水和大多數(shù)酸、堿、鹽介質(zhì)中均具有優(yōu)良的耐腐蝕性。在尿素、硝酸、農(nóng)藥等生產(chǎn)中,其抗腐蝕性遠(yuǎn)高于超低碳奧氏體不銹鋼。大量用于化工過(guò)程設(shè)備。但由于鈦的焊接變形大,校形困難;鈦在冷加工時(shí)易產(chǎn)生裂紋;其冷作硬化傾向的強(qiáng)化程度隨變形速度而加劇;變形速度對(duì)加工零件的極限程度和質(zhì)量都有很大影響。更不利的是鈦制設(shè)備不容易返修好,有時(shí)會(huì)產(chǎn)生愈返修效果愈差的情況。針對(duì)鈦的這些特性,鈦制設(shè)備在施焊過(guò)程中需要采取一些特殊工藝措施和技術(shù)手段,才能保證焊接質(zhì)量。

1 鈦材特性

設(shè)備常用鈦材按生產(chǎn)成型的方式不同,可分為壓力加工鈦材、鑄材及粉末冶金鈦等。其中壓力加工鈦材是化工設(shè)備用鈦中用量最多的類(lèi)型。設(shè)備用鈦要求有更優(yōu)越的塑性和焊接性能,鈦材中雜質(zhì)含量會(huì)嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量,含氫會(huì)使鈦材產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象,并產(chǎn)生腐蝕針孔;鈦中氧含量增高會(huì)導(dǎo)致氣孔;鈦中含鐵量過(guò)高,容易在焊縫附近出現(xiàn)穩(wěn)定的富鐵相區(qū),與鈦基形成腐蝕電池,使鈦發(fā)生電化腐蝕等。因此設(shè)備用鈦選用雜質(zhì)含量較低的工業(yè)純鈦和低合金鈦牌號(hào),如常用的有TA0、TA1、TA2、TA3、TA9、TA10等,它們具有良好的耐蝕性、塑性、韌性,主要用于化工設(shè)備的耐蝕結(jié)構(gòu)材料。表1是鈦材在幾種介質(zhì)中的耐腐蝕情況。

2 常見(jiàn)焊接缺陷分析

(1)燒穿。燒穿多發(fā)生在薄板焊接。其原因是:裝配間隙過(guò)大,難以承托熔化金屬;背面保護(hù)氣流過(guò)大而沖破熔融金屬;電流過(guò)大,焊速過(guò)慢;焊縫外有灰塵或雜物,焊接過(guò)程中引起爆炸沖掉熔池金屬液。

(2)斷裂。引起鈦材焊縫斷裂的因素相當(dāng)復(fù)雜,但最主要的是氫、氧、氮等雜質(zhì)的污染。焊縫吸氫量超過(guò)室溫下的固溶度,同時(shí)又受氧、氮等污染嚴(yán)重時(shí),就會(huì)出現(xiàn)氫脆斷裂。該斷裂有的是在運(yùn)輸或使用過(guò)程出現(xiàn),也有的是在焊后放置一段時(shí)間后出現(xiàn)。如某企業(yè)曾焊接一個(gè)材質(zhì)為工業(yè)純鈦的二氧化碳汽提塔,焊后質(zhì)檢合格,但放置一段時(shí)間后,焊縫出現(xiàn)裂紋。防止鈦焊縫斷裂,除采取適當(dāng)焊接措施及加入合金元素來(lái)增大氫的固溶度外,最主要是防止吸氫及氧、氮的污染,因此焊前清理及焊接過(guò)程中進(jìn)行保護(hù)極為重要。

(3)氣孔。氣孔有內(nèi)、外兩種。外氣孔通常產(chǎn)生于焊縫表面;內(nèi)氣孔通常產(chǎn)生在熔合線(xiàn)附近。一般來(lái)說(shuō),氫和氧及表面上存在的吸附水分和氣體是形成氣孔的一些因素。其來(lái)源主要有:母材及焊絲中氫氧含量過(guò)高,坡口過(guò)小而焊時(shí)熔質(zhì)過(guò)多,這主要形成內(nèi)氣孔;焊接時(shí)保護(hù)不善,大量吸氣;表面清理不凈,有油脂及其他有機(jī)物污染;保護(hù)氣體純度不高,濕度過(guò)大。

(4)焊縫腐蝕。受鐵污染嚴(yán)重時(shí),焊縫會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的富鐵相區(qū),與鐵基形成腐蝕電池而發(fā)生電化腐蝕。所以機(jī)加工后的坡口,必須經(jīng)酸洗才能施焊。此外,氣孔也會(huì)引起針孔腐蝕。

除以上焊接缺陷外,筆者在多次對(duì)鈦設(shè)備焊接試驗(yàn)和焊接制作實(shí)踐中,發(fā)現(xiàn)一種新的裂紋,即焊縫處經(jīng)過(guò)多次反復(fù)加熱、冷卻形成的裂紋,暫稱(chēng)為焊接循環(huán)溫變裂紋。它多發(fā)生在厚板的多層多道焊縫區(qū)域。特征是:裂紋區(qū)材質(zhì)塑性、韌性降低,晶粒松弛,晶格歪扭,有局部硬化現(xiàn)象。有時(shí)裂紋旁伴有更微細(xì)裂紋。它發(fā)生的滯后性強(qiáng),其隱蔽性危害性比延遲冷裂紋更大。筆者認(rèn)為,由于鈦材焊縫處多次反復(fù)加熱與冷卻,應(yīng)力不斷擴(kuò)張、收縮,致使焊縫疲勞開(kāi)裂;再者,加熱過(guò)程晶粒不斷長(zhǎng)大,使粗化晶粒間松弛、脆弱,出現(xiàn)裂紋等。因此,從焊接工藝角度看,適當(dāng)控制焊接最高加熱溫度、加熱速度、高溫停留時(shí)間和冷卻速度及盡量減少焊縫區(qū)的加熱與冷卻頻率和次數(shù),是必須要注意的問(wèn)題。

3 鈦設(shè)備焊接工藝的優(yōu)化

3.1 焊接方法的選用

鈦和鈦合金的焊接方法主要有惰性氣體保護(hù)電弧焊、等離子焊、電子束焊等。一般情況采用惰性氣體保護(hù)焊,通常是氬氣保護(hù)焊。為獲得優(yōu)質(zhì)焊縫,對(duì)焊接熔池及400℃以上的熱影響區(qū)都必須采取保護(hù)措施,以免受空氣中的氣體污染。對(duì)大型工件及薄板(3~12㎜)的焊接應(yīng)采用等離子焊,等離子焊速度快、焊縫窄、焊接熱影響區(qū)小,且由于鎢極縮于噴嘴內(nèi),焊縫可避免鎢污染,焊縫成型美觀(guān)。但由于其線(xiàn)能量大,需加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)及冷卻效果。而對(duì)于小型、重要零件的焊接則應(yīng)選用電子束焊,并且必須在真空箱中進(jìn)行。

3.2 焊絲

鈦制設(shè)備要求焊后狀態(tài)的焊接接頭的強(qiáng)度不低于鈦材母材標(biāo)準(zhǔn)的下限,伸長(zhǎng)率不低于或至少接近于鈦材母材標(biāo)準(zhǔn)的下限,所以容器用鈦焊絲要求更低的雜質(zhì)含量才能使焊接接頭達(dá)到足夠的塑性要求。容器用鈦焊絲應(yīng)按JB4745-2000“鈦制焊接容器”中規(guī)定的容器用鈦焊絲,見(jiàn)表2。

一般來(lái)說(shuō),根據(jù)母材牌號(hào)選用相應(yīng)牌號(hào)的焊絲。對(duì)于容器用鈦焊絲,要求通過(guò)規(guī)定的焊接工藝評(píng)定。另外,由于焊縫強(qiáng)度與塑性受其他焊接工藝的影響,有可能采用相應(yīng)牌號(hào)的焊絲不一定能與母材有最好的匹配,這時(shí)可選用純度高一級(jí)或低一級(jí)的工業(yè)純鈦焊絲:如焊縫強(qiáng)度偏高太多,可改用純度高一級(jí)的焊絲;如焊縫強(qiáng)度偏低,可改用純度低一級(jí)的焊絲。焊絲的選用仍根據(jù)焊接工藝評(píng)定結(jié)果來(lái)確定。

3.3 焊接工藝優(yōu)化

(1) 焊接前的準(zhǔn)備。鈦制設(shè)備在焊前的準(zhǔn)備工作極為重要,尤其是在焊接過(guò)程中焊縫的污染和熱影響問(wèn)題。焊縫只要受到小量的有害雜質(zhì)的污染,就會(huì)嚴(yán)重影響焊縫的質(zhì)量,影響設(shè)備使用甚至報(bào)廢。所以鈦和鈦合金在焊接前必須進(jìn)行嚴(yán)格的清理,并在焊接過(guò)程中采取有效措施防止有害雜質(zhì)的污染。焊接前的準(zhǔn)備工作包括下料、開(kāi)坡口、除氫、表面清理、工件裝夾。每道工序都要對(duì)焊件表面進(jìn)行清理。采用惰性氣體保護(hù)焊時(shí)厚度為3㎜以下鈦板不開(kāi)坡口,3㎜以上必須開(kāi)坡口。并應(yīng)選刨、銑、磨等機(jī)加工方法加工坡口,嚴(yán)格控制尺寸。

由于氫含量過(guò)高,會(huì)使焊縫產(chǎn)生氣孔、微裂紋、氫脆等現(xiàn)象,因此必須在真空爐中進(jìn)行除氫處理,使氫含量降低到0.002%以下。并在焊前對(duì)鈦板的焊邊及焊絲表面進(jìn)行除油脂、清除氧化皮及吸氣層處理。表面徹底清理完畢即可進(jìn)行工件裝夾。在裝夾過(guò)程中操作人員必須帶清潔手套,不要觸摸焊口和焊口附近。嚴(yán)禁用鐵器敲打焊口,以免焊口受鐵污染引起焊縫脆化及降低耐蝕性。工件裝夾好后還必須對(duì)焊口進(jìn)行一次檢查,油污或棉紗毛等物都要清除干凈才能施焊。

(2) 焊接工藝的優(yōu)化。為保證焊縫得到良好的力學(xué)性能,除了對(duì)鈦材及焊絲成分的純度要求不低于所規(guī)定的成分外,對(duì)保護(hù)氣體及溶劑成分的純度還要提出特殊要求。氬氣的純度不低于99.99%,即雜質(zhì)O2含量<0.003%,N2含量<0.01%,濕度<0.03g/m3。焊接過(guò)程中,要選擇正確的焊接規(guī)程,并在保證焊縫成型良好的前提下,采用較小電流和較快速度進(jìn)行焊接,以防止熱影響區(qū)過(guò)大。

對(duì)于手工氬弧焊,為得到良好的保護(hù)效果,噴嘴應(yīng)盡量垂直于焊件平面,并靠近焊件。焊絲要間斷加入熔池填充焊縫,但不能把焊絲端頭紅熱部分從噴嘴有效保護(hù)區(qū)內(nèi)拿出,以免焊絲氧化。焊絲不能在電弧區(qū)劇烈擺動(dòng),否則會(huì)破壞噴嘴層流保護(hù)區(qū)。

(3) 焊接技術(shù)措施。① 薄板焊接。薄板容易變形,焊接裝夾必須采取壓板和墊板。壓板及墊板可用不銹鋼或紫銅。用導(dǎo)熱性能好的紫銅時(shí),焊出的焊縫性能好。如果所選用的壓板為不銹鋼,墊板為紫銅時(shí),在噴嘴處還應(yīng)加保護(hù)罩保護(hù),否則焊縫和熱影響區(qū)就會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象。② 厚板焊接。鈦厚板焊接也可以用銅壓板及銅壓塊,以便加速焊縫冷卻。由于厚板焊接熱影響區(qū)寬,散熱慢,需要用較寬和較長(zhǎng)的保護(hù)拖罩,最好拖罩通水冷卻。厚板焊接最好采用等離子焊或熔化極電弧焊。采用正極性焊時(shí)飛濺小,成型較好;用反極性焊時(shí),焊絲熔化速度較快,適于大坡口的厚板焊接。③ 復(fù)合板焊接。由于鈦與鋼不能直接熔焊,所以對(duì)鈦—鋼復(fù)合板的焊接可選用間接式焊接接頭,即鈦面、鋼面各自焊接,復(fù)合層間互不熔合。

(4) 氬氣保護(hù)效果檢驗(yàn)與返修。氬氣保護(hù)方面應(yīng)加以重視。因鈦在350℃以上會(huì)強(qiáng)烈吸氫、脆化,引起氣孔及裂紋,焊接時(shí)必須將焊接接頭及附近區(qū)保護(hù)到200℃為止。每一焊縫要根據(jù)行業(yè)判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行表面顏色檢查(見(jiàn)表3)。

對(duì)表面顏色不合格的焊縫和熱影響區(qū),須用砂輪或風(fēng)鏟全部除去,然后重焊。補(bǔ)焊次數(shù)最多不能超過(guò)兩次。補(bǔ)焊位置應(yīng)在質(zhì)量證明書(shū)上注明。

總之,在鈦設(shè)備焊接制作中,只要有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施,嚴(yán)格把好各施焊環(huán)節(jié)質(zhì)量關(guān),就可取得良好制作效果。

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[3]張裝生.鈦合金焊接工藝的探討[J].化工裝備技術(shù),2002(2):36-37.

[收稿日期]2009-04-17

[作者簡(jiǎn)介]王靈果(1968—),女,副教授,研究方向:化工設(shè)備與機(jī)械。