引言

鈦是一種物理性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定的材料，具有比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕性能好等一系列優(yōu)點。工業(yè)純鈦是指具有不同雜質(zhì)含量的非合金鈦，主要雜質(zhì)有Fe，Si，C，N，H，O。不同強(qiáng)度級別的工業(yè)純鈦主要區(qū)別在于雜質(zhì)的含量，尤其是O，N和Fe的含量。工業(yè)純鈦的強(qiáng)度在280～720MPa范圍內(nèi)，具有較高的塑性和優(yōu)良的工藝性能，并且具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，其長期工作溫度為300℃，已在航空航天、船舶、石油化工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，近年來也越來越多地被應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域［1］。

在本公司承接的FPSO項目中，用于處理次氯酸鈉介質(zhì)的工藝管線系統(tǒng)使用了材料標(biāo)準(zhǔn)為ASTMB861Gr.2的鈦管材，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2，管線直徑:DN25mm～DN100mm，壁厚:1.5～3.8mm。文中首先對工業(yè)純鈦的焊接性進(jìn)行分析，然后對在工程實際中使用的焊接工藝進(jìn)行介紹，最后對生產(chǎn)中有利于保證焊接質(zhì)量的施工注意事項進(jìn)行了總結(jié)。

1、工業(yè)純鈦焊接性分析

1.1間隙元素沾污引起脆化

鈦是一種活性金屬，常溫下能與氧生成致密的氧化膜而保持高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性。540℃以上生成的氧化膜則不致密，很容易被腐蝕。高溫下Ti與O，N，H反應(yīng)速度較快，在300℃以上快速吸H，600℃以上快速吸O，700℃以上快速吸N，在空氣中Ti的氧化過程很容易進(jìn)行［2－5］。

(1)O和N的影響

在O，N固溶于Ti，使Ti晶格畸變，變形抗力增大，強(qiáng)度、硬度提高，塑性和韌性下降。N比O的影響更甚。氬氣中雜質(zhì)含量對工業(yè)純鈦焊縫質(zhì)量的影響是不利的，應(yīng)設(shè)法避免。

(2)H的影響

H溶入工業(yè)純鈦焊縫接頭中，會生成鈦氫化合物，嚴(yán)重降低材料的韌性，在組織應(yīng)力作用下還會產(chǎn)生裂紋。

(3)C的影響

C在工業(yè)純鈦中的溶解度為0.13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。碳間隙固溶于鈦中，使強(qiáng)度提高、塑性下降，但作用不如N和O顯著。若C超過溶解度時，生成硬而脆的TiC呈網(wǎng)狀分布，易產(chǎn)生裂紋。

在鈦焊接時除材料本身應(yīng)嚴(yán)格控制這些雜質(zhì)外，在焊接前還須做嚴(yán)格細(xì)致的準(zhǔn)備工作，清除焊接部位的污染物。為了保證焊接質(zhì)量，焊接過程中還必須采取有效措施保護(hù)焊接熔池和高于400℃以上的焊接區(qū)域，使之免受空氣污染。焊接時，工件及焊絲上的油污能使焊縫中增碳，因此焊前應(yīng)注意清理。

1.2熱輸入對焊接接頭性能的影響

Ti的熔化溫度高，熱容量大，熱導(dǎo)率比Al，F(xiàn)e等金屬的低，冷卻速度慢，所以Ti的焊接熔池具有更高的溫度、較大的熔池尺寸，熱影響區(qū)金屬在高溫下的停留時間長，因此，易引起焊接接頭的過熱傾向，使晶粒變得十分粗大，接頭的塑性顯著降低。

另一方面，如果焊縫冷卻速度過快時，容易產(chǎn)生針狀α組織，對接頭塑性也不利。在焊接施工中，為了確保焊接質(zhì)量，必須制訂合理的焊接工藝，嚴(yán)格控制熱輸入和冷卻速度。

1.3焊接裂紋

由于工業(yè)純鈦中S，P，C等雜質(zhì)很少，低熔點共晶很難出現(xiàn)在晶界上，有效結(jié)晶溫度區(qū)間窄，加之焊縫凝固收縮量小，因此很少產(chǎn)生焊接熱裂紋。

但若母材和焊絲質(zhì)量不合格，特別是焊絲有裂紋、夾層等缺陷，在裂紋、夾層處存在大量有害雜質(zhì)時，則有可能產(chǎn)生焊接熱裂紋，因此要特別注意焊絲質(zhì)量。

當(dāng)焊縫金屬中O，N含量較高時，焊縫變脆，在較大的焊接應(yīng)力作用下可能會產(chǎn)生冷裂紋。工業(yè)純鈦焊接時，熱影響區(qū)可能也會產(chǎn)生延遲裂紋，這與H有關(guān)。焊接時由于熔池和低溫區(qū)母材中的H向熱影響區(qū)擴(kuò)散而形成集聚，析出的過程中形成化合物，增大脆性與組織應(yīng)力，從而導(dǎo)致延遲裂紋。

防止產(chǎn)生延遲裂紋的方法主要是減少焊接接頭處H的來源，選用H含量少的材料(包括焊絲、母材和氬氣)，注意焊前清理和焊接過程保護(hù)，以減少焊接接頭中的H含量。

1.4氣孔

氣孔是鈦及鈦合金焊接時最常見的焊接缺陷。原則上氣孔可以分為兩類，即焊縫中部氣孔和熔合線氣孔。在熱輸入較大時，氣孔一般位于熔合線附近;在熱輸入較小時，氣孔則位于焊縫中部。一般情況下，金屬中溶解的H不是產(chǎn)生氣孔的主要原因。焊絲和坡口表面的清潔度是影響氣孔的最主要因素。在拉絲時粘附在焊絲表面的潤滑劑是產(chǎn)生氣孔的重要原因。打磨時殘留在坡口表面的顆粒、清洗時乙醇以及橡膠手套溶解的增塑劑及擦拭坡口時的殘留物都會產(chǎn)生氣孔。因此，焊前必須采取有效的措施將有害雜質(zhì)徹底清除。

2、焊接工藝

2.1焊接方法

根據(jù)工業(yè)純鈦的理化性能、冶金學(xué)特點，考慮到其導(dǎo)熱性差、比熱容小及焊接熱影響區(qū)容易過熱的問題，以及焊接過程中Ti在高溫下化學(xué)活性高，易與H，O，N發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成焊縫區(qū)理化性能下降，不能滿足工程要求的問題，結(jié)合施工現(xiàn)場環(huán)境、條件等客觀因素，焊接方法選擇了直流鎢極氬弧焊，對應(yīng)電源極性應(yīng)采用直流正接(即鎢極接負(fù)極，焊件接正極)。鎢極采用直徑2.4mm的鈰鎢電極(含w(CeO₂)2%)，并應(yīng)符合SJ/T10743—1996標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2焊接材料

焊絲級別選擇AWSA5.16EＲTi－2，實際工程中選擇的焊材牌號為UTPTitanGr.2，焊絲直徑選擇2.0mm，適用于項目的母材厚度范圍為1.5～3.8mm。焊絲的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3，焊絲中間隙元素的含量低于母材的。

2.3坡口形式

對接接頭的坡口形式選擇全熔透單V形坡口，坡口形式及尺寸如圖1所示。焊前組對時，要求對口錯邊量不超過母材厚度的10%，且≤1mm。

2.4預(yù)熱和層間溫度

最低預(yù)熱溫度應(yīng)≥5℃，最高層間溫度應(yīng)≤175℃。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，或當(dāng)發(fā)現(xiàn)由于晝夜溫差或其他原因產(chǎn)生的濕氣，應(yīng)先對待焊接區(qū)域進(jìn)行除濕，常用電吹風(fēng)加熱。

2.5氣體保護(hù)

(1)采用焊槍、尾隨氣、背部三級氣體保護(hù)。保護(hù)氣體均采用高純氬氣，φ(Ar)≥99.999%，并應(yīng)滿足GB/T4842—2017《氬》的要求。

(2)考慮到保護(hù)效果，氬弧焊槍宜選用直徑為12～20mm的噴嘴，噴出的氬氣應(yīng)保持穩(wěn)定的層流狀態(tài)，氣體流量應(yīng)在15～25L/min范圍內(nèi)。

(3)為保護(hù)熱態(tài)焊縫，應(yīng)在焊槍上安裝匹配管徑的氬氣拖罩。拖罩中氣體流量為15～25L/min，并與噴嘴中的氣體流量基本保持一致。

(4)為防止焊縫背部氧化，應(yīng)在施焊前及焊接過程中進(jìn)行管內(nèi)部充氬保護(hù)。要求管內(nèi)部氧氣含量≤50×10^－6，背部氣體流量為15～25L/min，并與噴嘴中的氣體流量基本保持一致。

2.6焊接工藝參數(shù)

推薦使用的焊接工藝參數(shù)見表4。

3、焊接施工要點

為了保證工業(yè)純鈦管材的焊接施工質(zhì)量，在施工過程中要從施焊環(huán)境、清潔、坡口加工及清理、定位焊、焊接操作、氣體保護(hù)、色澤檢查等多個方面進(jìn)行控制。

3.1施焊環(huán)境

施焊時，所處環(huán)境對焊接質(zhì)量有很大影響。由于煙塵中含有大量有害雜質(zhì)，這些雜質(zhì)易通過環(huán)境過渡到熔池和焊縫當(dāng)中，形成焊接缺陷。尤其作業(yè)區(qū)間存在鐵污染時，鈦焊縫中的鐵會生產(chǎn)TiFe和TiFe的脆性相，使焊接接頭的綜合力學(xué)性能降低，并降低鈦的耐腐蝕性。因此施工時應(yīng)對施工環(huán)境作如下要求:

(1)鈦焊接應(yīng)在空氣潔凈、無塵、無煙的環(huán)境下進(jìn)行;

(2)鈦材的焊接場所應(yīng)為獨立區(qū)域。若在有其他鋼材作業(yè)的車間內(nèi)，應(yīng)分割成一個獨立的、封閉的鈦材焊接區(qū);

(3)下列任一情況下，除非采取有效措施，應(yīng)禁止施焊:①風(fēng)速≥1.5m/s;②空氣相對濕度＞80%;③焊件溫度低于5℃;④無防雨、防雪措施的室外作業(yè)(有雨、雪時)。

(4)施工過程中，要定期使用藍(lán)點測試法進(jìn)行鐵離子檢測，避免鐵元素的污染。對于變色區(qū)域，應(yīng)使用不銹鋼鋼絲刷清理。

3.2清潔

焊接施工過程中應(yīng)始終保證母材、焊材以及焊接環(huán)境的清潔，嚴(yán)禁被灰塵和油污污染。焊工應(yīng)穿著干凈的工作服、手套，并使用干凈的焊槍、氣帶及操作臺。焊絲在使用前應(yīng)用乙醇擦拭。

3.3坡口加工及清理

(1)下料切割和坡口加工應(yīng)使用機(jī)械加工方法，使用砂輪機(jī)時應(yīng)選擇鈦材專用的不銹鋼砂輪片，砂輪片厚度宜為1.6mm。

(2)坡口加工完成后，應(yīng)使用專用的不銹鋼蘑菇頭磨具將坡口及其兩側(cè)至少50mm的區(qū)域研磨光亮，然后使用丙酮或乙醇擦洗。擦洗時應(yīng)采用不含棉的布料，如綢布，不得有棉質(zhì)纖維附于坡口的表面。

(3)凡經(jīng)清理后的焊件應(yīng)在4h內(nèi)焊完，否則應(yīng)重新清理，以去除可能形成的氧化膜。

(4)清理后的焊件和焊絲應(yīng)注意保持干燥，焊前不允許用手直接觸碰。

3.4定位焊

定位焊應(yīng)采用與正式焊相同的焊接材料和焊接工藝，定位焊焊縫長度宜為5～10mm，厚度不超過壁厚的2/3。另外，定位焊時應(yīng)注意施加管內(nèi)部的氣體保護(hù)，防止出現(xiàn)焊縫背部氧化，定位焊焊縫盡量保留。

3.5焊接操作要點

(1)引弧前應(yīng)提前送氣，確保焊槍、拖罩內(nèi)的空氣已排凈。

(2)在保證熔合的前提下應(yīng)盡量選擇小的焊接電流。焊接電弧燃燒過程中，應(yīng)保證焊絲端部始終處于焊槍保護(hù)氣的保護(hù)之下。

(3)焊接電弧中斷時，應(yīng)保持焊槍的位置不動，使得剛完成的焊縫在溫度降至400℃之前仍然處在氬氣的良好保護(hù)之下。據(jù)實際經(jīng)驗，直徑101.6mm(4in)管的焊縫在焊接電弧中斷后需至少通氣保護(hù)45s方可保證較好的焊縫表面顏色。具體的通氣時間可隨管材的尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

(4)焊接電弧中斷后，應(yīng)注意將焊絲端部繼續(xù)保留在焊槍保護(hù)氣中一段時間，防止直接取出后焊絲端部氧化發(fā)藍(lán)。如果保護(hù)不慎導(dǎo)致焊絲端部發(fā)藍(lán)，則繼續(xù)焊接之前，應(yīng)將發(fā)藍(lán)部分去除，去除長度應(yīng)≥25mm。

3.6氣體保護(hù)

(1)氬氣輸送管應(yīng)采用塑料軟管，不應(yīng)使用橡膠軟管，防止焊口被橡膠顆粒污染。

(2)焊接開始前及焊接過程中，應(yīng)使用測氧儀檢測管子內(nèi)部充氣區(qū)域的氧氣含量，保證氧氣含量始終＜50×10^－6。

(3)焊前應(yīng)根據(jù)焊件尺寸預(yù)先制作或采購合適的氬氣拖罩，以保證焊縫及熱影響區(qū)在冷卻至400℃之前一直處于氬氣的良好保護(hù)下。實際施工過程中，應(yīng)根據(jù)管材直徑選擇匹配的氬氣拖罩，具體見表5，實際應(yīng)用的拖罩如圖2所示。

3.7色澤檢驗

在焊接過程中應(yīng)注意對焊縫原始狀態(tài)的外觀顏色進(jìn)行自檢，如果出現(xiàn)顏色不符合要求的焊縫，應(yīng)及時將其清除重焊。鈦焊縫經(jīng)常出現(xiàn)的顏色及對應(yīng)的處理方法見表6，實際生產(chǎn)中良好焊縫的外觀如圖3所示。

4、結(jié)論

(1)采用文中介紹的焊接工藝，進(jìn)行TA2工業(yè)純鈦管材的焊接，能夠得到性能合格的焊接接頭。

(2)焊接施工過程中對文中所述的各環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，能夠保證工業(yè)純鈦管材的焊接質(zhì)量和焊接合格率。

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