[ 來源：　|　作者：本站　|　發布時間：2018-04-09 |　瀏覽：470次 ]

摘要：鈦鋼復合板常應用于耐腐蝕性壓力容器的制造，其制造技術在國內只有少數幾家有成熟的經驗。該文對鈦鋼復合板焊接時存在的難度和特殊性做了比較全面的敘述。對焊接用保護罩進行了精心的制作，分析了鈦材在焊接過程中易產生的缺陷及處理方法。尤其是對坡口形式、焊材選擇、參數確定、氣體保護方案和清潔措施進行了詳細的說明。

1 產品結構及技術要求

該大型醋酸母液罐體直徑為5400mm，高為9600mm，材質為TA1+16MnR，厚度為14mm（12mm+2mm），介質為醋酸、水。設備制造檢驗驗收應符合《壓力容器安全技術監察規程》；GB/T 150-1998《鋼制壓力容器》；GB/T13149-1991《鈦及鈦合金復合板焊接技術條件》；JB/T 4745-2002《鈦制焊接容器》的規定，且必須滿足本規定的要求。

2 焊接技術要求

2.1焊縫表面要求 碳鋼焊縫表面不得有氣孔、咬邊、裂紋等表面缺陷，鈦焊縫（包括熱影響區）表面以銀白色、金黃色、局部少量藍色為合格。

2.2焊縫檢驗要求 焊縫、16MnR部分需進行20%射線探傷，按JB 4730-1994標準，Ⅱ級合格。所有復合層及接管內焊接完畢，均需對焊縫全部長度進行著色檢驗。本試驗應用可靠的純白色顯影劑，同時在碳鋼焊接的檢漏孔通入294MPa的空氣后氬氣，用肥皂水進行泄露檢查，所有鈦焊縫都要進行氦氣檢漏試驗，水壓試驗后鈦襯里的 蓋板初焊縫還要進行著色檢驗，最終容器進行熱氣循環試驗。

3鈦材焊接所面臨的影響

3.1氣體及雜質污染的問題
　　工業純鈦具有良好的耐蝕性、塑性、韌性、焊接性和較高的比強度，其熔點高達1672℃，在常溫下，由于鈦表面致密氧化膜的作用，使其性能很穩定。但在高溫下具有很強的化學活潑性，隨著溫度的升高，其化學活潑性會迅速增強。在焊接過程中，液態熔滴和熔池金屬具有強烈吸收氫、氧、氮的作用，而且在固態下，這些氣體已與其發生作用。隨著溫度的升高，鈦吸收氫、氧、氮的能力也隨之明顯上升，大約在250℃左右開始吸收氫（生成的TiH2強度很低，對鈦的機械性能產生嚴重影響），從400℃開始吸收氧（提高鈦及鈦合金的硬度和強度，使塑性卻顯著降低），從600℃開始吸收氮（形成脆硬的氮化鈦（riN）而且氮與鈦形成間隙固溶體時所引起的晶格歪挪程度，比氧引起的后果更為嚴重），這些氣體被吸收后，將會直接引起焊接接頭脆化，是影響焊接質量的極為重要的因素。此外，碳也是鈦及鈦合金中常見的雜質。
實踐證明，焊接時如果對鈦與氧、氫、氮等氣體的吸收和溶解不加以控制，最終將導致產品的報廢。所以，以上現象的產生，無疑給鈦的施焊工作和焊接質量帶來了極大的困難和影響。防止氣體及雜質污染的工藝措施主要有：

（1）做好焊前準備。嚴格清洗焊縫表面，杜絕氫、氧、氮的侵入。

（2）選用精確的氬氣流量計以控制氣流量。氣體流量的選擇以達到良好的保護效果為準，氬氣流量大小對保護有著相當的影響，過大的流量不容易形成穩定的氣流層，反而在保護區內形成紊流，使有害氣體浸入熔池，使焊縫表面容易出現微裂紋。過小的氣流使保護不到位，達不到保護效果，拖罩中的氬氣流量不足時，焊縫呈現出不同的氧化色澤。

（3）加強焊縫保護。焊接時，不得將焊絲端部移出氬氣保護區；斷弧及焊縫收尾時，要繼續通氬氣保護，直到焊縫及熱影響區金屬冷卻到100℃以下時方可移開焊槍。

3.2焊接接頭裂紋問題
　鈦焊接時，焊接接頭產生熱裂紋的可能性很小，這是因為鈦及鈦合金中S、P、C等雜質含量很少，由S、P形成的低熔點共晶不易在晶界出現，加之有效結晶溫度區間窄小，鈦及鈦合金凝固時收縮量小，焊縫金屬不會產生熱裂紋。
　 鈦焊接時，熱影響區可出現冷裂紋，其特征是裂紋產生在焊后數小時甚至更長時間。經研究表明這種裂紋主要是碳、氫的影響及過快的冷卻速度所致。防止這種延遲裂紋產生的辦法，主要是減少焊接接頭氫、碳的來源，焊前對焊縫區域進行保護清理，防止有害雜質玷污。其次，應嚴格控制層間溫度。在保證熔合良好的前提下，盡可能采用低熱輸入量施焊，即降低熔合比。采用小直徑焊絲、低焊接電流、窄焊道技術、快速焊。冷卻速度控制在100℃∕s左右最好。

3.3焊縫中的氣孔問題
　氣孔是鈦材焊接是比較容易產生的缺陷，主要原因是由于氫影響的結果。板材、焊材表面不干凈，操作者手套上的水分、油脂，角磨機磨下的沙粒、飛塵等都是氫的來源。焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強度。
防止產生氣孔的工藝措施主要有：
　（1）保護氖氣要純，純度應不低于99.99%，導氣管應用增強塑料管，不能用橡膠管。
（2）徹底清除焊件表面、焊絲表面上的氧化皮油污等有機物。
（3）對熔池施以良好的氣體保護，控制好氬氣的流量及流速，防止產生紊流現象，影響保護效果。
（4）正確選擇焊接工藝參數，增加熔池焊縫金屬停留時間，使氣泡逸出，可有效地減少氣孔。

（5）焊接時采用小的熱輸入，最好采用脈沖氬弧焊，既可改善接頭塑性，減小過熱和粗晶、減小變形，又可增加了熔深，減小了氣孔的產生。

3.4酸母液罐的特殊性

1屬于壓力容器范疇 醋酸母液罐不能像其他設備那樣可隨時停下檢修。如果突然停止運行，就會給一條生產線間接和直接的經濟損失是非常大的。由于儲罐本身是化工廠的關鍵壓力容器，工作要求很高，加上又是鋼鈦復合板的高難度焊接，這無疑對焊接的各個環節提出了相當高的要求，任何一點小小的疏忽，將會導致巨大的經濟損失，甚至是人身傷亡。因此，他對焊接的要求特別的嚴格，焊完的焊縫需滿足下面幾點要求：

① 與母材等強性 ②與母材等塑性 ③與母材等耐蝕性

2 工作條件惡劣

① 載荷。除承受靜載荷外，還承受低周疲勞載荷，局部區域受力情況比較復雜且容易超負載運行。

② 環境溫度。在高溫高壓下工作

③ 介質。有水、腐蝕性的醋酸

4鈦-鋼復合板對接接頭的設計

鈦和鋼是不能直接熔焊的，因為液態下鈦與鋼會產生金屬間化合物而嚴重的脆化，因而無法焊接。選用的鈦-鋼復合板的焊接接頭形式坡口形式及尺寸如圖1：圖1為對接焊縫上加鈦蓋板，先焊16MnR的1、2、3部分，第4道焊完冷卻后磨平，底層用碳弧氣刨清根，再焊第5層(1-5用焊條電弧焊)。在焊縫4上鋪鈦板b，保證壓緊平整，最后鋪焊鈦蓋板a。

5保護罩的制作

鈦材焊接時用的保護罩是十分重要的。一個技能嫻熟的焊工，沒有一個好的保護罩，即使焊縫焊得再漂亮，焊后全部氧化變色，這道焊縫仍舊是不合格的，而且要報廢。

筒體的A、B焊縫的保護罩如圖2。這個罩就是對常用的保護罩做了一些改進，在進氣管的下面放進去一層不銹鋼絲球（超市有售），將其展平，在下面用粗一些的銅絲將網拖住，與罩的邊緣點固焊住即可。不銹鋼絲球層主要起氣篩和分布的作用，使氬氣流動更平穩，焊接保護效果更好。然后將制作好的罩放在窗戶的玻璃上用嘴在進氣口吹一大口氣，拿開罩子看玻璃上的蒸汽是否均勻，如不均勻或有出氣多的地方要進行修整，直至整個蒸汽面均勻為止。總之，不管做任何形式的托罩，罩子噴出的保護氣體應該是層流，而不是束流。

6焊接

6.1焊接工藝評定

焊接工藝評定是保證醋酸母液罐筒體焊接質量的重要措施。焊接工藝評定完成后，焊接工藝指導書或焊接工藝卡發給有關部門和焊工，焊工必須遵照實施，不得任意修改。鈦設備施焊前應按有關規范及規程要求進行焊接工藝評定。然后根據此焊接工藝評定在正式施焊前組織參加焊接的焊工進行適應性試驗，以保證正式焊接中獲得較好的質量。

6.2焊接材料的選擇

16MnR的焊接選用J507，焊前350℃烘干1小時，而后放在保溫箱內隨用隨取；TA1的焊接材料選擇，原則上采用與母材化學成分相同的純鈦材料，一般要求焊絲中有害雜質越少越好，以保證焊縫與母材等強。由于從母材剪下的條寬窄有誤，還有毛刺，容易氧化，同時給焊縫性能帶來一定的影響，所以不能從母材上切取的方法來解決焊絲的問題。選擇相應的焊絲作為填充料，焊前將焊絲放在專用的酸洗槽內，嚴格按酸的比例進行酸洗，而后放在保溫箱內隨用隨取，焊前用白絲綢滲入丙酮后擦洗。酸洗到焊接的時間一般不超過2小時，否則要放到干燥潔凈的環境中儲存，儲存時間不超過120小時。

6.3焊前準備

在鈦材的焊接現場最好單獨劃分出一塊區域，非專業人員不得入內，以保護該區域的潔凈，所有施焊人員應穿干凈工作服，戴針織手套或薄羊皮手套，不能戴棉線手套，進入罐內施焊，鞋要套上鞋套。

坡口及其兩側各50 mm以內的內外表面及焊絲表面應清除油污，并用細銼奧氏體不銹鋼絲刷、銑刀等機械方法清除氧化膜、毛刺和表面缺陷，清理工具應專用，并保持清潔；經機械清理后的表面，焊接前應使用不含硫的丙酮或乙醇進行脫脂處理，嚴禁使用三氯乙烯、四氯化碳等氯化物溶劑，不得將棉質纖維附于坡口表面。根據技術要求，焊前對施焊環境作了“菲繞琳”試驗，在焊縫周圍做了“鐵離子”污染試驗，經試驗合格后才進行施焊。

6.4裝配

為了減少焊接變形，焊前需進行定位焊，定位焊縫應采用與正式焊接相同的焊接材料及焊接工藝，即所用的焊絲、焊接工藝參數及氣體保護條件應與焊接接頭焊接時相同。焊前清除焊絲表面和焊接坡口及其兩側各20mm范圍內的氧化層、油污、水分、銹蝕等，且應由合格焊工施焊，定位焊焊在基層焊縫上，焊縫長度宜為10一15mm，間距為100-150mm，高度不應超過壁厚的1／3。間隙0-1mm，鈍邊0-1.0mm。焊縫不得有裂紋、氣孔、夾渣及氧化變色等缺陷，當發現缺陷時應及時消除。

6.5焊接順序
焊接順序見圖1：手工電弧焊（1、2、3、4）→打磨第4道焊縫→碳弧氣刨清根第1道底部→手工電弧焊第5道→鋪蓋過渡層鈦板b熱壓成型→鋪蓋過渡層鈦板a→氬弧焊焊接鈦蓋板角焊縫6、7（第一層自熔焊，第二層加絲焊）

6.6焊接工藝參數

16MnR系列壓力容器板具有良好的綜合性能和低溫沖擊韌性，時效敏感性、缺口敏感性低，焊接性能優能優良（厚度在30mm以下時，焊前一般不預熱，焊后可不熱處理），可用手工電弧焊進行焊接，既容易保證焊縫質量，又能提高熔敷效率，在此對其焊接工藝參數不作詳細說明。

鈦的焊接考慮到板薄，焊接量小，用氬弧焊焊接能保證各方面的要求。鈦蓋板角焊縫焊接工藝參數可見下表：

附：工藝參數的選擇依據

1）焊接電流 如采用大電流，焊接時非常的順暢，但焊縫的晶粒粗大，性能差，焊縫周圍易產生較大的殘余應力。所以應控制焊接電流上限，在確定蓋板角焊縫的電流時第1遍自熔，第2遍加絲，焊接電流為130-140A.

2）電弧電壓 選擇電弧電壓實際上就是選擇電弧的長短，常用的氬弧焊機沒有電壓選擇鈕，應盡量使電弧短一些，以控制電弧電壓在14-16V之間。

3）焊接速度 鈦材在焊接時的導熱性很差，電流和速度要匹配好，否則熔合不好。經試驗，焊接電流在130-140A時，焊接速度為160-170mm/min較合適。

4）氬氣流量的確定 鈦在焊接時熔池后面的焊縫區100mm內（包括焊縫和熱影響區正反面）全部要在氬氣保護氛圍內進行冷卻，否則焊縫就要氧化變色，使性能下降。經現場試驗調整，最終確定的氬氣流量為：噴嘴10-11 L/min、托罩12-13 L/min、背面3-5 L/min 。

6.7焊接工藝及操作要點

1 氬氣純度應不低于99.99%，露點在-40℃以下，雜質總的質量分數應小于0.001%。當氬氣瓶中的壓力降至0.981MPa時，應停止使用，以防止影響焊接接頭質量。

2 鈦板氬弧焊選用具有下降外特性、高頻引弧的直流氬弧焊電源，鎢極端部應修磨成圓錐形，采用水平轉動平焊。焊炬應提前送氣，熄弧時應采用電流衰減裝置和氣體延時保護裝置，延遲遞氣時間不少于15秒，避免焊縫遭受到氧化、污染。

3 施焊中嚴禁采用擦弧引燃的方法。送氣軟管選用塑料管，不宜采用橡膠管輸送氬氣。保護罩的材質選用奧氏體不銹鋼或鋁、銅，不得使用碳鋼。所用清理工具只能用于鈦，不得混用，在使用前應清洗干凈。

4 采用焊炬噴嘴和焊炬拖罩保護熔池，噴出的氬氣應保持穩定的層流狀態。焊接過程中電弧應保持穩定，防止鎢極與焊件或焊絲接觸造成夾鎢，當出現夾鎢時，應消除缺陷后方可繼續施焊。

5 鈦手工鎢極氬弧焊操作要領
　1）手工氬弧焊時，焊絲與焊件間應盡量保持最小的夾角（10~15°）。焊絲沿著熔池前端平穩、均勻的送入熔池，不得將焊絲端部移出氬氣保護區。
　2）焊接時，焊槍基本不作橫向擺動，當需要擺動時，頻率要低，擺動幅度也不宜太大，以防止影響氬氣的保護。
　3）斷弧及焊縫收尾時，要繼續通氬氣保護，直到焊縫及熱影響區金屬冷卻到100℃以下時方可移開焊槍。

6清洗質量的好壞會直接影響到焊接裂紋的產生，清洗質量不好時，會在母材及焊絲表面上生成一層灰白色的吸氣層，導致焊接裂紋和氣孔的產生，因此清洗時要注意以下幾點：①先采用酸洗。酸洗液為2%~4%HF+30%~40%HNO3+H2O（余量）。最后用清水沖洗干凈并吹干，臨焊前用丙酮或酒精擦洗。②焊絲在酸洗后一般需要進行脫氫處理，焊前再用丙酮脫脂。③嚴禁使用氧化物脫脂。④清洗時不得戴橡皮手套，以免橡皮和脫脂溶劑發生反應使焊縫產生氣孔。⑤清洗后的焊口必須馬上焊完，不宜久放（一般不得超過4h），否則需要按前面步驟重新清洗。

7 在冬季低溫和夏季高溫時焊接鈦材都應做好相應的工藝準備，避免因溫差懸殊而產生使材料性能下降的可能性。在施焊環境溫度底于5℃時禁止施焊。

6.8對焊縫返修的要求

①應分析缺陷產生的原因，提出相應的返修方案

②返修應編制詳細的工藝，經焊接責任工程師批準后才能實施

③同一部位的返修次數不宜超過2次。如超過2次以上的返修，需經單位技術總負責人的批準。返修次數、部位、檢測結果，以及單位技術總負責人批準字樣一并載入壓力容器質量證明書的產品制造變更報告中

④施工現場（工廠及工地）焊接記錄應詳盡。其內容應包括天氣情況、返修長度、焊接工藝參數（電流、電壓、速度、預熱溫度、層間溫度、后熱溫度、保溫溫度、保溫時間、焊材牌號、規格及焊接位置等）和施焊者及其鋼印等

⑤需焊后進行熱處理的壓力容器應在返修后。否則，焊接返修完，還要做一次熱處理。

⑥壓力試驗后需返修的，返修部位必須按原檢測方法要求檢測合格。由于焊接接頭或接管泄漏而進行返修的，或返修厚度大于1∕2壁厚的壓力容器，還應重新進行壓力試驗

⑦有抗晶間腐蝕要求的壓力容器，返修部位仍需保證原有的抗晶間腐蝕性能

7焊后熱處理

對該醋酸容器焊接結構進行焊后熱處理，可以提高斷裂韌性、降低殘余應力水平，并使之較均勻的分布，在工藝較完善的前提下一般不需要焊后熱處理。但也可以進行焊后退火消除應力，退火需要在真空或氬氣的保護下進行，退火溫度為610-620℃，時間為3小時。

8質檢

壓力容器的檢驗內容主要有：對材料的化學成分和力學性能的常規理化檢驗；對焊接接頭的各種性能檢驗；對壓力容器各部分存在的各類缺陷的無損檢測；用于操作壓力的液體對容器進行耐壓試驗等。詳細的質檢見焊縫檢驗要求。

總結：

1 鈦焊接時的氣體保護問題是影響焊接接頭質量的首要因素。精心制作各個位置焊接時的保護罩是成功的關鍵。盡量采用小的熱輸入, 嚴格控制氫的來源，防止冷裂紋的產生，同時應注意防止氣孔的產生。

2 在冬季低溫和夏季高溫時焊接鈦材都應做好相應的工藝準備，避免因溫差懸殊而產生使材料性能下降的可能性。在施焊環境溫度底于5℃時禁止施焊。

3 只要嚴格按照焊接工藝要求施焊，并采取有效的氣體保護措施，即可獲得高質量的焊接接頭。