航天材料——大口径钛管的焊接工艺应用航天材料——大口径钛管的焊接工艺应用莉莉说车百家号1前言钛金属是一种耐腐蚀性能强，塑性、低温冲击韧性、热稳定性能突出的有色金属，在航天、造船和石化等行业被广泛应用。钛金属具有较强的高温化学活性，在高温固态下就有很强的吸收空气中多种气体的能力，所以在钛金属焊接过程中，加强焊缝区及钛管道内外高温部位的保护是保证钛金属焊接质量的关键。2钛金属的基本特性工业纯钛为不含合金元素的α型钛，共有TA1、TA2、TA3三个牌号，呈银白色，具有比重小、熔点高、导电性差、线膨胀系数小、电阻率大等特点。钛金属的化学性能活泼，与氧有很强的亲和力，室温下表面会迅速形成稳定而坚韧的氧化膜。由于氧化膜的作用，钛及钛合金在海水及大多数酸、碱、盐的介质中具有优良的耐腐蚀性能。钛金属在常温下的化学性能比较稳定，但随着环境温度的升高，其化学活性急剧增加，对空气中氧、氮、氢等杂质的吸收能力也随之急剧增强，在高温固态下就有很强的吸收某些气体的能力。钛从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，且随着温度的升高，其吸收能力也随之增强。当钛金属在吸收了一定数量的氧、氮、氢等气体杂质后，其屈服极限和延伸率等力学性能将急剧下降。3钛金属的焊接性能特点3.1 易受气体等杂质污染而脆化由于钛金属在高温下的特殊性能，在焊接过程中焊缝极易吸收空气中的氧、氮、氢等气体杂质，从而使焊接接头的塑韧性下降，脆性增大。因此，钛金属焊接过程中应对温度超过250℃的焊缝和热影响区金属（包括熔池背面）加强保护。3.2 焊接接头晶粒易粗化由于工业纯钛的熔点高、导热系数低、比热小、电阻系数大，在焊接过程中，熔池液态金属具有尺寸大、高温停留时间长和冷却速度慢等特点。所以其焊接接头容易产生过热组织、晶粒粗大、脆性增加。3.3 焊缝易形成气孔气孔是较为常见焊接缺陷，钛金属管道焊接过程中容易产生的气孔多为氢气孔，气孔多集中在熔合线附近，有时也见于焊缝中心线附近。焊接过程中防止氢气孔产生的关键就是加强钛管道内、外焊缝区的气体保护，控制保护气体中杂质的含量。3.4 有焊接裂纹倾向由于纯钛中硫、磷、碳等杂质很少，低熔点共晶物不易在晶界中形成，而且结晶温度区窄、线胀系数小焊缝凝固时收缩量小等，所以不易产生热裂纹。当在焊接过程中吸收了较多数量的氧、氢、氮气体杂质时，焊缝或热影响区的性能将变脆，在较大的焊接应力作用下，将产生焊接冷裂纹。同时，氢原子具有很强的向较低温度的热影响区内的高应力部位扩散、聚集的能力，促使这些部位形成薄弱环节，从而导致焊接延迟裂纹的产生。4钛管道的焊接试验及焊接工艺评定为了解钛管道的焊接性能，保证大管径钛管道的焊接质量，工程开始以前，我们进行了焊接试验及焊接工艺评定。4.1 焊接方法的选择由于工业纯钛化学性能非常活跃，与氧、氮、氢的亲和力大，普通焊条电弧焊、气焊及CO2气体保护焊都不适用于钛及钛合金的焊接。我们选用手工钨极氩弧焊进行钛管道的焊接，利用焊枪喷嘴和内、外气体保护托罩喷出的氩气，把焊缝区和焊接热影响区金属与空气隔开，以防止空气侵入。4.2 焊接材料的选择4.2.1 填充焊丝的选用钛管道焊接用的焊丝成分应与母材金属相同，其表面不得有烧皮、裂纹、氧化色或金属、非金属夹杂物等缺陷存在；焊丝在焊接前应进行烘干。在绍兴30万吨/年PTA装置中，管道材质是Ti—2，我们选用的焊丝牌号为ER—Ti2。4.2.2 保护气体的选用钨极氩弧焊时氩气必须选用纯度在≥99.999%以上的高纯度氩气。在大管径钛管道焊接过程中，由于要求连续充气，中途不允许中断停气，所以，大管井钛管焊接时可采用纯度高、容量大的液态氩气（1瓶液氩约相当于30余瓶气态氩气的容量）。每个液态氩气瓶需做一个分气缸，分气缸上安装4~5个分气嘴，分别接上氩气表，可供4~5人同时使用。液态氩气使用装置如图1所示。4.3 钛管道破口形式的选择及坡口的清理4.3.1 坡口形式的选择在选择钛管道的焊接坡口形式时，应尽量考虑减少焊接层数和金属填充量，以降低焊缝的累积吸气量，防止焊接接头塑性下降。绍兴30万t/a PTA装置DN1000mm的钛管道厚度为10.2mm，我们选择的V型坡口形式及尺寸如图2所示。4.3.2 坡口的清理钛管道焊接前，应采用机械或化学方法清洗，对焊接破口及其两侧各50mm范围内的氧化皮、油脂和污物等进行彻底的清理。4.3.2.1 机械清理用不锈钢丝刷或硬质合金铰刀等机械方法，对焊接坡口表面的氧化膜进行、油污等进行清除。清理工具应专用并保持清洁，防止铁污染等问题出现。4.3.2.2 化学清洗用酸洗溶液对焊接坡口进行酸洗，清除其表面的氧化膜，酸洗后，用清水冲洗并用丝布擦干。酸洗后的焊接坡口表面应呈银白色。4.4 焊丝的清理钛管道焊接前应采用同样的方法和要求对焊丝进行清理。4.5 焊缝的组对和点固焊4.5.1 焊缝的组对为了避免在钛管道焊缝组对过程中铁离子对已完成清理的坡口的污染，保证焊口的组对质量，应特制专用的活动对口卡具进行辅助对口。这既可避免因在组对过程中使用铁质件而造成的铁离子对焊接坡口的污染，也可在焊口组对时通过调节丝杠使管口保证同心，防止对口错边现象的产生。活动对口卡具如图3所示。4.5.2 焊缝的点固焊钛管口组对点固焊焊点的间距为100~150mm，点固焊点长度以10~15mm为宜。点固焊所用的焊丝、焊接工艺参数及保护气体等条件应与正式焊接相同。4.6 焊接管口内、外部气体的置换和保护4.6.1 焊接管口内部气体的置换和保护管口组对完成后，应先对管口内部的气体进行置换。对于管径DN1000mm的大管径钛管道，为加快内部气体置换速度、保证气体置换质量且又能降低气体使用成本，我们使用的气体置换方式是：人进入管道内部手持一个内部气体保护托罩（由输氩管、不锈钢丝网、托罩外壳和手持把手组成），在开始施焊的部位形成一个与周围空气隔开的半封闭空间，然后通过输氩管输送氩气使其托罩内部的半封闭空间扩散，并逐渐将托罩内部的空气完全排空、置换干净。使处在气体托罩范围内的高温焊道和焊接热影响区，在整个焊接过程中始终处于氩气的充分保护之下，并持续到焊缝及热影响区金属冷却到200℃以下。在焊接过程中，人手持托罩随着外部的焊接电弧同步移动，使管道内部的焊缝及热影响区金属始终处于氩气的保护之中。在进行管道内部气体保护时，为了加快焊缝及热影响金属的冷却速度，提高保护效果同时也为了加快焊接速度，焊接过程中应尽量使用出口流量大、温度低、储存量大的液氩进行内、外部托罩内的气体的置换和保护。4.6.2 焊接管口外部气体的置换和保护由于钛金属具有较强的高温化学活泼特性，在焊接过程中仅靠氩弧焊焊枪喷嘴喷射出的氩气对熔池和高温焊道及其热影响区的保护，是无法保证焊接质量的。为了增大钛管焊接过程中的氩气保护面积、延长氩气保护时间、保证焊接质量，必须特制管道外部气体置换保护装置，对在高温状态下的焊接熔池和高温焊道及其热影响区进行焊接辅助保护。我们使用外保护气体托罩进行管口外部气体保护，焊接管口外部托罩由输氩管、不锈钢丝网、托罩外壳、焊炬等构成。焊接管口外部空气置换过程与内部气体置换过程完全一致。常用的外部气体保护托罩操作见图4。4.7 焊接管口内、外部气体的保护质量检测焊接管口内、外托罩充氩置换工作完成后，应进行试焊，通过观察焊道色泽来判断充氩置换和气体保护的效果，只有在确认充氩置换和气体保护的质量已经达到合格要求后，方可进行正式焊接。钛焊口的色泽检查见表1。4.8 钛管道焊接工艺参数的选择为了防止焊缝在高温过热区停留时间过长并避免在焊后冷却过程中形成脆硬组织，钛管到焊接过程中应选用小规范进行焊接，钛及其合金管道的焊接工艺参数选择见表2。表1 焊缝和热影响区的表面颜色焊缝级别焊 缝一级银白、淡黄深黄金紫深蓝银白、淡黄深黄金紫深蓝二级允许不允许不允许不允许允许不允许不允许不允许三级允许允许允许不允许允许允许允许不允许4.9 焊接工艺评定焊接试验完成后，为了选择合适的焊接工艺参数，我们对DN1000mm大管径钛管道进行了焊接工艺评定。焊接工艺评定使用的手段和工具等与焊接试验使用的完全一致。管件焊接完成后，其内部、外部焊缝及热影响区金属全部为银白色，没有任何氧化现象，说明气体保护使用的手段完全可以满足大管径钛管道的焊接要求。表2 钛管道焊接工艺参数管径φ×δmm坡口形式V型钨极直径mm2.5喷嘴孔径mm25氩气流量L/min主喷嘴15~20外部托罩25~35内部托罩30~40封底焊焊丝直径mm2.0电流A90~110电压V14~15焊接速度mm/min8~14填充焊焊丝直径mm2.4电流A100~120电压V14~15焊接速度mm/min8~14盖面焊焊丝直径mm2.4电流A100~120电压V14~15焊接速度mm/min8~16我们对焊接试件进行了力学性能试验，试验结果表明，其焊接试件的力学性能完全达到了标准规定的力学性能。其力学性能试验结果见表3。表3 钛管道力学性能试验结果钛管牌号抗拉强度σb（MPa）弯曲试验面弯背弯Ti--2500180°180°510180°180°5 大管径钛管道的焊接钛管道的焊接施工，必须编制焊接工艺卡并严格按照焊接工艺卡规定的焊接工艺进行施工，严格控制焊接线能量，以减少焊接热输入，缩短焊缝及其热影响区在高温过热区的停留时间，防止形成脆硬组织和晶粒粗大现象的产生，焊接层间温度不得高于200℃。焊接过程中必须制作并正确使用内、外气体保护拖罩，以确保在焊接过程中对焊道、焊接热影响区的保护质量。为使焊接区域处于良好的保护状态，焊枪喷嘴直径应选择20~25mm为宜；焊枪喷嘴喷出的氩气应保持稳定层流。起弧时焊枪必须提前送气，并采用高频引弧；息弧时，应使用焊接电流衰减装置和保护气体延时装置；焊接弧坑必须填满；粘贴在焊缝破口处的高温胶带应随焊接随揭开。焊接过程中填充焊丝的加热端应始终处于氩气的保护之中，熄弧后应在焊缝脱离氩气保护时方可取出；焊丝如被污染或氧化变色时，其污染或氧化变色部分应予切除。焊接过程中应随时注意观察焊道色泽变化，以确认气体保护效果和焊接质量。如在焊接过程中发现有明显的焊缝氧化现象时，应立即停止焊接，待查明原因并实施纠正处置后方能继续焊接。现场施焊时，必须采取防风措施，以确保氩气对焊接区域的保护效果。6. 焊缝返修经无损检测发现的焊缝不合格部位，必须进行返修处理。焊缝返修前，应对不合格焊缝进行原因分析，针对不合格原因编制焊接返修工艺卡，并阿爸、按照焊接返修工艺卡规定的焊接返修工艺进行返修焊接。焊缝同一部位的返修不得超过两次。本文由百家号作者上传并发布，百家号仅提供信息发布平台。文章仅代表作者个人观点，不代表百度立场。未经作者许可，不得转载。莉莉说车百家号最近更新：简介:莉莉说车，带你行万里路，看万千车作者最新文章相关文章此时有人在和您一起浏览筑龙优搜库
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钛管有较高的强度、良好的塑性韧性和耐蚀性，在航天、造船、化工中的应用越来越广泛。要想更好的利用钛管，必须掌握其焊接性。以下阐述了钛管的焊接工艺，为今后钛管的焊接提供了有益的借鉴。1 &焊接材料焊丝：ERTi-2 焊接方法：GTAW（手工钨极氩弧焊）保护气：用纯度为99.995%,含水量不应大于50Mg%m3的氩气，对焊接熔池及焊接接头内外表面温度高于400℃的区域均采用氩气保护。2 &焊前准备（1）坡口加工钛管切割后，采用氧化铝砂轮机打磨出坡口，如下图所示，加工坡口不允许使母材产生过热变色。 &（2）坡口及焊丝清理a.坡口及其两侧各50mm以内的内外表面进行清理，清理程序如下：磨光机打磨→砂纸轮抛光→丙酮清洗。清洗后不能直接进行焊接作业，待坡口端面晾干后方可以作业。如果放置时间超过2小时，须重新清理一遍或者采用自粘胶带及塑料布对坡口予以保护。b.焊丝也用沾丙酮的海绵擦拭干净,并存放在专用的焊丝盒内。c.操作人员在焊接过成中必须戴洁净的手套。3 &焊接工艺规范（1）焊接规范：如下表 （2）焊接时应在合格的工艺参数范围内选用小线能量焊接，一般控制在6~35KJ/cm，宜采用小电流，慢速焊。（3）层间温度不得高于200℃，防止高温时间过长晶粒长大。（4）为保护断弧后收弧处的表面，应待焊接点温度在300℃以下，（时间在15~60s，可根据管径由小到大而逐渐延长）后再停止送气保护。（5）充氩保护：具体措施如下：a．对于DN大于等于450的管子焊接时，管内工作人员戴上防毒面具，手持保护罩对焊接熔池背面进行保护。b．对于DN小于450的管子或固定口焊接时，整体充氩保护，在管子内表面距离坡口150—300mm处采用可溶纸密封，再塞入一团可溶纸防止管内气压过大将密封可溶纸破坏，然后充入氩气将管内空气排净。焊接前必须充分预充氩气，焊后应延时充氩，以使高温区充分冷却，防止表面氧化。（6）焊接过程中填充焊丝应始终保持在氩气的保护之下。熄弧后焊丝不得立即暴露在大气中，应在焊缝脱离保护时取出。焊丝如被污染、氧化变色时，污染部分应予以切除。（7）不得在焊件表面引弧或试验电弧；收弧时应将弧坑填满，多层焊的层间接头相互错开。（8）除有特殊要求外，每条焊缝应一次连续焊完，如因故被迫中断，再焊时必须进行检查，确认无裂纹后方可继续施焊。（9）如果焊接作业时不慎出现夹钨时，应停止焊接作业，用磨光机清除钨点，钨级端部重新打磨，达到要求后方可重新进行焊接作业。以上所述工艺要点保证了钛管焊接的正常进行，也达到了钛管的焊接质量要求。但在实际操作中还有很多问题需要注意，比如：保护装置的制作，焊接检验的要求，焊接缺陷的产生及预防等。秘笈二 & &充氩保护钛在250℃以上吸氢，400℃以上吸氧，600℃以上吸氮，这些元素的渗入将大大降低钛的力学性能。因此氩气对热态焊缝的保护是焊接接头质量优劣的关键因素。钛材管道的焊接保护都是通过管内通氩，管外用专门的保护罩来进行的。保护罩的形式一般有整罩结构、半罩结构和弯头罩结构。a、整罩结构为避免铁离子污染，所有保护用的结构材料采用铜材制作。整罩结构形式如图所示：结构由氩气导管、缓冲器、保护罩、密封口等组成。氩气导管采用φ6mm铜管，进人混合室有一横管上钻有一排φ1～1.5mm小孔，孔方向前上壁，主要使氩气入口减少冲力，分布均匀，再通过二层20～40目的铜丝网进入保护区罩。保护罩的直径要比钛管直径大40mm左右，长度一般在80～120mm，密封口长20mm左右，要与钛管外径保持均匀的1～2mm的间隙。这样一方面避免氩气流失太多，另一方面又可保证保护区内正压，可防止外部空气混入。喷嘴焊丝插入口在25～40mm左右，如太小则影响视线看不清焊缝，难以保证质量，太大则氩气流失严重，影响效益。b、半罩结构半罩结构的原理基本同全罩结构，在口径较大DN150以上采用此种结构。半罩的长度一般在230～250mm，宽90～100mm，高40mm，密封口长40mm。半罩的结构如图所示：对半罩以外部分，为减少氩气流失，增加保护效果，并且为固定半罩，适合全位置焊接需要，须制作一条弧形的，宽度30～50mm，中间带凹形的保护带，该带两端连接在保护罩上，一端固定，一端采用活扣连接。在实际施焊中可达到理想的保护效果，也解决了全位置焊接中一些技术难题。c、弯头罩结构为达到氩气保护弯头焊缝的目的，必须增加一个弯头形状的附加罩。在固定焊时，弯头附加罩不动，直管保护罩与弯头附加罩活动配合，可绕弯头附加罩旋转，达到氩气保护的目的。d、 管内充氩保护均采用分段充氩的方法。在焊口的两侧200~300mm的地方，作好密封装置，封好充氩。密封装置采用胶皮和不锈钢夹板封口。出气口采用φ4mm孔径，进气口采用φ8mm孔径，这样可保证将管内空气驱赶干净，达到氩气保护的目的，防止外部空气进入，有利于焊缝成形。进气口应密封严密，防止进氩气时从缝隙处带入空气而导致氩气保护被破坏。对全位置焊接的焊口，充氩比较困难，因为焊口两端距离都较长，还有弯头件等。充氩采用分段充氩方法，在该道焊缝组对前，就将密封垫片（由不锈钢夹板与胶皮组成，充氩管为软胶管，并联一根有一定强度的不锈钢丝）放置在管道内距焊口200～300mm处。待焊缝组对焊接完成后，将密封垫片取出即可。以上针对管道焊接的保护罩设计大都是采用管材规格成套制作的办法，显然，在管材规格不多时是可以适用的，但当规格多，成本高，在施工中频繁拆装，十分不便。下面介绍一种操作简便的局部保护拖罩，有效的解决钛管现场焊接保护的难题。拖罩的尺寸是根据钛材焊接时高温区（400℃以上）的温度场大小而确定（一般为80x1500px）。拖罩用铜皮制成，顶部为一用铜网包裹钛屑的椭圆形氩气过滤球（用铜网包裹不锈钢或铜网团亦可）。其目的是确保氩气充满拖罩气腔，并形成稳定层流，椭圆球上部与铜管连接，内通焊接用高纯氩气。下图为钛管焊接保护拖罩示意图： 秘笈三 & &焊接检验焊接检验包括焊接过程中打底焊缝进行渗透检验、焊后的外 &观检验，颜色检验，射线探伤检验。1 &颜色检验：钛焊道表面的颜色是检验保护效果的重要标准之一，具体见下表：注：区别低温氧化和高温氧化的方法宜采用酸洗法。经酸洗能除去紫色、蓝色者为低温氧化，除不掉者为高温氧化。酸洗后立即用清水冲洗干净、晾干。酸洗技术条件见下表：2 &外观检验：焊道的外形尺寸应符合以下要求：1)焊工应对焊好的焊道表面进行清理，要求外观良好。宽度以每边盖过坡口边缘2mm为宜，角焊缝的焊脚高度符合设计规定，外形平稳过渡。2)不允许有裂纹、未熔合、气孔、夹渣、飞溅和焊瘤等缺陷存在；3)焊缝余高：当壁厚小于5mm时，为0～1.5mm；当壁厚大于5 mm时，为1.0～2.0mm。4)焊缝表面错边量不应大于壁厚的10%，且不大于1mm。5）防止焊缝表面咬边，深度应小于壁厚的10%，且不大于0.5mm。焊缝两侧的咬边总长度不得超过该焊缝长度的5%。3、PT检验：对根部焊道进行PT检验，以无裂纹及其他表面缺陷为合格。4、RT检验：所有焊道100%RT探伤。文章来源：焊接之家
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宝鸡钛管焊接发生缺陷是由什么引起的？
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宝鸡钛管焊接发生缺陷是由什么引起的？
焊缝缺陷是由于钛管焊接时，因氩弧焊枪形成的氩气气体维护层只能维护好焊接熔池不受空气的有害作用，而对已凝固而处于高温状态附近的焊缝及其附近区域则无保护作用，而处于这种状态的钛管焊缝及其附近的区域仍有很强的吸收空气中的氮及氧的能力。钛管焊接时，气孔是经常碰到的一个主要问题。形成气孔的根本原因是由于氢影响的结果。防止产生气孔的工艺措施主要有：1.在高纯度的氩气保护下进行焊接，氩气纯度不应低于99.99%。2.选择焊接合适的工艺参数、焊接规范，增加深池停留时间使用便于气泡逸出，可有效地减少气孔。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.彻底清除钛管、钛板和钛板管眼表面上的氧化皮油污等有机物。可以用化学和机械方法清洗。钛合金焊接时，焊接接头产生热裂纹的可能性很小，厂家认为这是因为钛及钛合金中S、P、C等杂质含量很少，由S、P形成的低熔点共晶在晶界很少生成，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。
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