航天材料——大口径钛管的焊接工艺应用

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	1000×10.2
坡口形式	V型
钨极直径mm	2.5
喷嘴孔径mm	25
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mm	2.0
电流A	90~110
电压V	14~15
焊接速度mm/min	8~14
填充焊	焊丝直径mm	2.4
电流A	100~120
电压V	14~15
焊接速度mm/min	8~14
盖面焊	焊丝直径mm	2.4
电流A	100~120
电压V	14~15
焊接速度mm/min	8~16

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--2	500	180°	180°
510	180°	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。