天津化工廠離子膜工程根據(jù)工藝要求采用了大量的TA2工業(yè)純鈦管，直徑范圍φ18mm～φ500mm，壁厚1.5mm~6mm。TA2材料屬首次焊接鋼種。TA2工業(yè)純鈦比重小、比強(qiáng)度高、塑性及韌性良好、耐腐蝕性能好、高溫強(qiáng)度較高，但由于其導(dǎo)熱系數(shù)低、熱容量小、線膨脹系數(shù)大，在高溫下具有很高的活潑性，極易被氮、氫、氧等污染，引起金屬脆化，造成氣孔、裂紋等缺陷，可焊接性較差。在施工工期緊、焊接工作量大的條件下，為攻克鈦管焊接難題，做了如下試驗(yàn)，并取得成功。

1、TA2鈦管焊接工藝性試驗(yàn)

1.1 鈦管工藝方案的制訂

TA2 鈦管焊接中易形成冷裂紋、焊接接頭區(qū)易脆化、對氣孔較敏感，在制訂焊接試驗(yàn)方案中，針對其焊接特性進(jìn)行了認(rèn)真分析并做了必要的前期準(zhǔn)備。

1.1.1 由于鈦材在焊接時(shí)熔池溫度較高，且熔池在高溫停留時(shí)間較長，晶粒長大粗化嚴(yán)重，同時(shí)在焊縫中氧、氫、氮含量較多時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)的性能變脆，焊后易出現(xiàn)冷裂紋和延遲裂紋。為減少焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋的傾向，選用對焊件熱輸入量相對較小的鎢極氬弧焊。

1.1.2 為增強(qiáng)焊縫和熱影響區(qū)的抗脆化傾向，避免因填充焊絲帶入過量碳、氫、氧等元素，降低鈦材塑性和韌性指標(biāo)，在焊接過程中除加強(qiáng)保護(hù)措施外，應(yīng)采用與母材等成分的焊絲。

1.1.3 為減少焊縫在焊接中產(chǎn)生氣孔，應(yīng)當(dāng)在焊前對焊絲、焊件表面的氧化膜和其它雜質(zhì)進(jìn)行認(rèn)真清理、清洗，采用合理的焊接工藝參數(shù)。

1.1.4 根據(jù)離子膜工程鈦管的規(guī)格尺寸及有關(guān)資料介紹的參考工藝值，選擇了適當(dāng)?shù)墓軓郊氨诤?φ89×3)制訂出供鈦管焊接工藝規(guī)范參數(shù)，詳見表1。

1.2 焊接工藝方案的實(shí)施

根據(jù)制訂的焊接工藝方案，進(jìn)行了兩次焊接工藝試驗(yàn)，第一次焊接試驗(yàn)焊了2對鈦管(試件編號TA2一1、TA2一2)，第二次焊接試驗(yàn)焊了3對鈦管(試件編號TA2—3、TA2—4、TA2—5)，試件形式及尺寸見圖1。

1.2.1 第一次焊接試驗(yàn)因經(jīng)驗(yàn)不足焊后的焊縫質(zhì)量較差，試件填充焊絲材質(zhì)均為與試管同質(zhì)的TA2焊絲。焊接試驗(yàn)時(shí)采取的主要措施是施焊前對焊絲表面及管件坡口內(nèi)外和鄰近區(qū)域分別用不銹鋼絲刷、酸洗+丙酮的方式進(jìn)行清洗，酸洗配方為3％HF+3％HNo3+余量H2O，在酸洗液中浸泡15min，然后實(shí)施試件的組對及焊接。其中TA2一1、TA2一2試件實(shí)測的焊接參數(shù)見表2、表3。在焊接過程中每對試管均焊兩層，每層焊縫都采用填充焊絲法并在試件背面通氬氣保護(hù)，采用單面焊雙面成型工藝。

焊后對2對鈦管試件分別進(jìn)行了外觀檢驗(yàn)、x射線探傷檢驗(yàn)、力學(xué)性能檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果如下。

1.2.2外觀檢驗(yàn)

焊接TA2一1鈦管試件后發(fā)現(xiàn)焊縫氧化較嚴(yán)重，隨后在焊接TA2一2試件時(shí)加強(qiáng)了正面和背面的氬氣流量保護(hù)，但2對試件焊后焊縫表面顏色仍呈灰白色，氧化色彩較強(qiáng)，說明焊接過程中保護(hù)氣流挺度偏弱形成層流，使焊縫氧化現(xiàn)象較嚴(yán)重：TA2一1試件打底層有7個(gè)表面氣孔，經(jīng)修磨焊補(bǔ)后蓋面層有l(wèi)0個(gè)表面氣孔，無裂紋；TA2一2試件打底層有4個(gè)表面氣孔，經(jīng)修磨焊補(bǔ)后蓋面層有8個(gè)表面氣孔，無裂紋；焊縫背面均己焊透且成型良好。

1.2.3 焊縫X射線探傷檢驗(yàn)

在TA2一1、TA2—2試件的x射線探傷底片顯示焊縫內(nèi)存在多量氣孔，探傷級別均為Ⅳ級。

1.2.4 力學(xué)性能檢驗(yàn)

TA2一1試件壓扁試驗(yàn)，壓板間距(H)34mm合格，實(shí)測壓扁值為62mm時(shí)焊縫部位開始出現(xiàn)裂紋。TA2一2試件壓扁試驗(yàn)，實(shí)測壓扁值為69mm時(shí)焊縫部位開始出現(xiàn)裂紋。TA2一1、TA2一2試件的抗拉強(qiáng)度值都低于TA鈦材標(biāo)準(zhǔn)值440~620MPa(GB/T3624)。力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

1.2.5 原因分析

針對試件焊縫內(nèi)存在多氣孔、壓扁試驗(yàn)不合格、焊縫氧化等問題進(jìn)行了分析，初步結(jié)論為：氬氣保護(hù)流量偏低；保護(hù)托罩及保護(hù)措施不完善；試管清洗后焊接前的時(shí)間間隔過長，導(dǎo)致試管、焊絲在存放期形成新的氧化膜；試管表面清洗效果不佳影響焊縫質(zhì)量。

1.2.6 改進(jìn)措施

增加焊縫正面和背面氬氣保護(hù)流量，將焊縫正面氬氣保護(hù)流量由8～10L/min增加到12～16L／min，將焊縫背面氬氣保護(hù)流量由4~6L/min增加到7～10L/min：增加保護(hù)拖罩尺寸，做到拖罩外邊緣與試件外側(cè)緊密貼合且弧度一致，以增加焊接區(qū)的保護(hù)面積和延長焊接區(qū)的保護(hù)時(shí)間；改進(jìn)保護(hù)罩結(jié)構(gòu)，將保護(hù)拖罩的材質(zhì)由原來的鍍鋅鋼板改為柔性較好的紫銅板，通保護(hù)氣用管由單一向上的排孔改為在原有排孔基礎(chǔ)上同時(shí)在側(cè)面90。方向上各增加一排孔并用銅絲網(wǎng)包覆，避免因保護(hù)氣流增大后出現(xiàn)紊流。同時(shí)改進(jìn)焊縫背面保護(hù)措施，除增加保護(hù)氣流量以外，根據(jù)氬氣密度大于空氣的特點(diǎn)，試件背面通保護(hù)氣點(diǎn)選擇在低點(diǎn)，而排氣點(diǎn)選擇在試件高點(diǎn)，為減少背面保護(hù)氣體的損失和提高背面保護(hù)效果，對試件暫不焊接的坡口部位用膠帶紙封住；細(xì)化試件焊前清洗程序，適當(dāng)增加機(jī)械打磨深度，延長酸洗浸泡時(shí)間至20min，試件坡口酸洗后增加流動(dòng)水沖刷和烘干程序，清洗后試件放置時(shí)間最長不超過2h。

1.3 改進(jìn)工藝后的驗(yàn)證性焊接試驗(yàn)

為增加焊接試驗(yàn)的可比性，第二次試驗(yàn)共焊接了3對試件，其規(guī)格、接頭形式與第一次相同。

試件編號為TA2—3、TA2—4、TA2一5。試件坡口內(nèi)及兩側(cè)機(jī)械打磨深度不小于0.01mm，酸洗液中浸泡時(shí)間20min，水沖洗后用強(qiáng)力風(fēng)扇吹干。

1.3.1焊接試驗(yàn)

TA2—3、TA2—4、TA2—5試件的實(shí)測焊接參數(shù)見表5、表6、表7。

焊后對3組試件分別進(jìn)行了外觀檢驗(yàn)、x射線探傷檢驗(yàn)、力學(xué)性能檢驗(yàn)，各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果如下。

1.3.2外觀檢驗(yàn)

TA2一3、TA2一5試件的打底層及蓋面層均未發(fā)現(xiàn)氣孔及裂紋，TA2一4試件的打底層表面氣孔4個(gè)，蓋面層表面氣孔5個(gè)，打底層及蓋面層均未發(fā)

現(xiàn)裂紋；TA2一3、TA2一5試件焊縫背面顏色均為金黃色，蓋面層焊縫均呈銀白色，TA2一5試件的蓋面層焊縫顏色更白亮，TA2一4試件的焊縫背面為深藍(lán)色，蓋面層焊縫顏色呈淺藍(lán)色，說明保護(hù)氣流量不宜過大，過大易使保護(hù)氣流形成紊流，保護(hù)效果反而變差；3組試件焊縫背面均已焊透。

1.3.3焊縫x射線探傷檢驗(yàn)

TA2一3試件x射線探傷底片顯示焊縫內(nèi)有4個(gè)0.5～lmm氣孔(／I級片)；TA2一4試件x射線探傷底片顯示焊縫內(nèi)有9個(gè)氣孔，并在焊縫的起弧與收弧搭接處有1處密集氣孔(IV級片)。

TA2一5試件x射線探傷底片顯示焊縫內(nèi)有1個(gè)0.7mm氣孔(I級片)。

1.3.4 力學(xué)性能檢驗(yàn)

TA2—3、TA2—5試件壓扁試驗(yàn)合格，TA2—4試件壓扁試驗(yàn)不合格；TA2—3、TA2—4、TA2—5試件抗拉強(qiáng)度值均高于標(biāo)準(zhǔn)值440~620MPa(GB／T3624)，僅TA2—4試件抗拉強(qiáng)度值略高于其下限值。力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表8。

2、焊接試驗(yàn)結(jié)果分析

從兩次焊接試驗(yàn)對比不難看出，鈦管焊接中存在的主要問題是焊接接頭的氧化和氣孔，正常焊接條件下焊接裂紋產(chǎn)生的概率較小。如何減少焊接接頭的氧化和氣孔，避免產(chǎn)生焊接裂紋，是保證鈦管焊接質(zhì)量的關(guān)鍵所在。如焊絲、焊件焊前清理效果，保護(hù)氣體流量過小或過大，保護(hù)措施不當(dāng)?shù)龋紩?huì)將保護(hù)效果變差，使熔池金屬發(fā)生氧化并在冷卻凝固過程中吸收的氣體來不及逸出殘留在焊縫金屬中，導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)氧化和氣孔。

3、焊接工藝試驗(yàn)結(jié)論

3.1 焊絲、焊件焊前必須進(jìn)行機(jī)械及化學(xué)清洗，保證足夠的化學(xué)清洗時(shí)間，清洗后焊接前的問隔時(shí)間不宜超過2h。

3.2 焊前按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求組對焊件。

3.3 在焊縫的正面、背面選擇正確的保護(hù)措施和適當(dāng)?shù)臍鍤獗Ｗo(hù)流量。

3.4 選擇合適的焊接工藝參數(shù)。

4、工程應(yīng)用

鈦管焊接試驗(yàn)初步成功后，工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向離子膜工程鈦管現(xiàn)場焊接，以驗(yàn)證焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)的適用性。

4.1 首批TA2鈦管焊接

4.1.1 首批57X3mm鈦管對接共38道焊口，施焊中根據(jù)第二次焊接試驗(yàn)結(jié)果制訂的焊接工藝參數(shù)見表9。

4.1.2 對第一天焊接的8道焊口進(jìn)行了x射線探傷檢驗(yàn)，其中有3道焊口探傷底片上有多量超標(biāo)氣孔缺陷且焊縫表面呈淺藍(lán)色氧化色彩，現(xiàn)場分析認(rèn)為產(chǎn)生氣孔的原因有：管件化學(xué)清洗后與實(shí)際施焊時(shí)間間隔過長(超過4h)，因焊工忙于其它工作，造成酸洗后管件表面形成新的氧化薄膜。焊接工作臺(tái)面不清潔，導(dǎo)致酸洗后焊件被再次污染；焊接操作時(shí)距廠房門口較近，管的一端未加封堵，在對流風(fēng)作用下，電弧軸線中心發(fā)生偏移，空氣混入熔池，使熔池及背面保護(hù)效果變差，導(dǎo)致焊縫金屬中產(chǎn)生多量氣孔。

4.2 改進(jìn)措施

選擇封閉條件較好，通風(fēng)設(shè)施比較齊全的施工廠房，開辟專用鈦管焊接場地，并用橡膠鋪設(shè)地面，操作人員腳穿鞋套，帶潔凈手套，用于組焊的焊接工作臺(tái)面工作前必須進(jìn)行仔細(xì)擦拭，以減少污染；必須做到化學(xué)清洗后管件、焊絲放置時(shí)間不得超過2h,否則焊前必須重新清洗；焊接前首先在管內(nèi)通35min氪氣后再進(jìn)行焊接。對于管徑乏159mm的管件，為避免氪氣的浪費(fèi)并增加焊接區(qū)保護(hù)效果，采取局部隔離充氪氣保護(hù)措施，結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。為加強(qiáng)焊縫背面保護(hù)效果，對點(diǎn)固后尚未焊接的焊口表面粘貼膠帶紙。

4.3 實(shí)施

4.3.1 對剩余30道焊口按改進(jìn)后工藝進(jìn)行焊接，并分別進(jìn)行了X射線探傷檢驗(yàn)，探傷結(jié)果顯示除有1道焊口氣孔缺陷超標(biāo)CN級片）外，其余29道焊口的氣孔數(shù)量大大減少，均達(dá)到探傷合格標(biāo)準(zhǔn)，其中I級片7道，II級片18道，田級片5道。

4.3.2 現(xiàn)場實(shí)踐表明，改進(jìn)后的焊接工藝措施更貼近實(shí)際，更趨于合理，達(dá)到了較好效果，整個(gè)離子膜工程TA2鈦材管道長2700m共1154道焊縫，僅有7道焊口不合格。優(yōu)良的焊接質(zhì)益為離子膜工程按期完工，創(chuàng)造了必要的條件。

參考文獻(xiàn)

[1]李亞江，王娟，劉強(qiáng)有色金屬焊接及應(yīng)用[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006,112-116

[2]壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯編（第四版，上卷）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006,414.